航空關(guān)節(jié)軸承壽命試驗機(jī)發(fā)展綜述

胡占齊，李巍，楊育林，齊效文，劉長鑫

(燕山大學(xué) 關(guān)節(jié)軸承共性技術(shù)航空科技重點(diǎn)實驗室，河北 秦皇島 066004)

關(guān)節(jié)軸承是一種球面滑動軸承，具有承載力大、抗沖擊性強(qiáng)的特點(diǎn)，在航空航天飛行器以及眾多軍事設(shè)備中有著廣泛的應(yīng)用[1-3]。關(guān)節(jié)軸承主要失效形式是磨損，使得軸承內(nèi)、外圈間隙增大，引起軸承支承部位的振動，磨損嚴(yán)重時還可導(dǎo)致相關(guān)部件的失效。如某型號戰(zhàn)斗機(jī)曾發(fā)生由于關(guān)節(jié)軸承磨損斷裂導(dǎo)致操作系統(tǒng)失效的事故，嚴(yán)重影響了飛行器的安全[4-5]。

由于關(guān)節(jié)軸承摩擦學(xué)理論研究還不成熟，在關(guān)節(jié)軸承摩擦磨損性能分析、壽命計算公式擬合、額定動、靜載荷確定等方面僅靠理論研究還無法解決，需要對關(guān)節(jié)軸承進(jìn)行壽命試驗。因此，作為評價關(guān)節(jié)軸承摩擦磨損性能的檢測設(shè)備，關(guān)節(jié)軸承壽命試驗機(jī)的研制是一項基礎(chǔ)而又重要的工作。

下文對國內(nèi)外典型的航空關(guān)節(jié)軸承壽命試驗機(jī)進(jìn)行評述，分析了軸承壽命試驗機(jī)的組成系統(tǒng)，針對壽命試驗機(jī)現(xiàn)有問題提出了改進(jìn)方案，并在此基礎(chǔ)上預(yù)測了試驗機(jī)的發(fā)展趨勢。

1 典型關(guān)節(jié)軸承壽命試驗機(jī)

國內(nèi)外已研制出一定數(shù)量的關(guān)節(jié)軸承壽命試驗機(jī)，為關(guān)節(jié)軸承的性能評價與研制提供了重要的數(shù)據(jù)。由關(guān)節(jié)軸承運(yùn)動形式可知，常規(guī)關(guān)節(jié)軸承是一個3自由度轉(zhuǎn)動副，故常規(guī)關(guān)節(jié)軸承壽命試驗機(jī)運(yùn)動維數(shù)不超過三維，特殊直升機(jī)主旋翼系統(tǒng)關(guān)節(jié)軸承壽命試驗機(jī)運(yùn)動維數(shù)不超過四維?，F(xiàn)以試驗機(jī)運(yùn)動維數(shù)為準(zhǔn)則，將現(xiàn)有關(guān)節(jié)軸承壽命試驗機(jī)分為一維運(yùn)動壽命試驗機(jī)、二維運(yùn)動壽命試驗機(jī)和多維模擬臺架壽命試驗機(jī)。針對每一類型選取典型的壽命試驗機(jī)，對其加載方式、檢測參數(shù)、環(huán)境模擬方式、性能特點(diǎn)進(jìn)行評述。

1.1 一維運(yùn)動壽命試驗機(jī)

在試驗芯軸的帶動下，關(guān)節(jié)軸承內(nèi)圈相對外圈繞z軸往復(fù)擺動，軸承運(yùn)動形式如圖1所示。

圖1 軸承一維運(yùn)動示意圖

相對商業(yè)化的摩擦學(xué)試驗機(jī)，關(guān)節(jié)軸承壽命試驗機(jī)還處于發(fā)展階段，主要以一維運(yùn)動形式為主，典型的關(guān)節(jié)軸承一維運(yùn)動壽命試驗機(jī)特點(diǎn)見表1。

表1 典型關(guān)節(jié)軸承一維運(yùn)動壽命試驗機(jī)

續(xù)表

1.2 二維運(yùn)動壽命試驗機(jī)

軸承外圈相對內(nèi)圈同時繞x軸和z軸往復(fù)擺動，軸承運(yùn)動形式如圖2所示。

圖2 軸承二維運(yùn)動示意圖

1.3 多維模擬臺架壽命試驗機(jī)

多維模擬臺架壽命試驗機(jī)是在二維運(yùn)動的基礎(chǔ)上，試驗芯軸相對軸承內(nèi)圈沿z軸往復(fù)運(yùn)動，軸承運(yùn)動形式如圖3所示。二維與多維模擬臺架壽命試驗機(jī)研究報道較少，其特點(diǎn)見表2。

圖3 軸承多維運(yùn)動示意圖

表2 關(guān)節(jié)軸承二維與多維模擬臺架壽命試驗機(jī)

1.4 特點(diǎn)分析

由表1和表2可知，各試驗機(jī)對動力系統(tǒng)的選取、系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)定、檢測參數(shù)的要求、環(huán)境模擬系統(tǒng)的配置都不相同。

1)大多數(shù)壽命試驗機(jī)采用液壓系統(tǒng)加載，能夠施加較大載荷，可控性好、反應(yīng)迅速；部分壽命試驗機(jī)采用杠桿加載方式，加載穩(wěn)定性高，不易產(chǎn)生振動。

2)大部分壽命試驗機(jī)研制過程中沒有考慮環(huán)境因素變化對檢測精度的影響，如熱變形、受力變形、振動、電磁干擾、陪試軸承磨損等因素；少數(shù)考慮了環(huán)境因素的影響，但對誤差產(chǎn)生的原因、誤差辨識以及誤差補(bǔ)償沒有進(jìn)行深入研究。

3)對檢測數(shù)據(jù)可信度的研究不夠，即試驗數(shù)據(jù)是否真實反映軸承的摩擦磨損性能無法判斷。

2 試驗機(jī)組成

關(guān)節(jié)軸承壽命試驗機(jī)由5大系統(tǒng)組成，即加載系統(tǒng)、擺動系統(tǒng)、環(huán)境模擬系統(tǒng)、檢測與控制系統(tǒng)、軸承夾具系統(tǒng)。

2.1 加載系統(tǒng)

加載系統(tǒng)主要在試驗過程中對軸承施加徑向或軸向載荷，要求所加載荷穩(wěn)定性好、調(diào)節(jié)范圍寬、加卸載操作方便。目前常用的加載方法主要有液壓裝置加載[28]、杠桿裝置加載[29]、螺紋裝置加載[30-32]、氣動裝置加載[33-34]、電磁裝置加載[35]和偏心機(jī)構(gòu)加載[36]。

2.2 擺動系統(tǒng)

擺動系統(tǒng)是將動力源的單向轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換成執(zhí)行機(jī)構(gòu)的雙向擺動，擺動系統(tǒng)的選擇對軸承壽命試驗機(jī)可靠性和智能化有著至關(guān)重要的影響。目前典型的擺動系統(tǒng)有齒輪-齒條驅(qū)動機(jī)構(gòu)、曲柄搖桿機(jī)構(gòu)、液壓擺動馬達(dá)和直線往復(fù)轉(zhuǎn)化裝置。

2.3 環(huán)境模擬系統(tǒng)

環(huán)境模擬系統(tǒng)是借助環(huán)境箱或相關(guān)調(diào)溫裝置較真實的模擬關(guān)節(jié)軸承的工況，如真空環(huán)境[37]、高低溫環(huán)境[27]、鹽霧及沙塵環(huán)境[38]、污水及油脂環(huán)境[18]等。同時有相關(guān)摩擦學(xué)試驗機(jī)[39-40]采用了局部加熱的方式進(jìn)行環(huán)境模擬，此技術(shù)減少了試驗預(yù)熱時間和加熱能源的消耗。

2.4 檢測與控制系統(tǒng)

檢測系統(tǒng)是對壽命試驗機(jī)執(zhí)行參數(shù)或關(guān)節(jié)軸承摩擦學(xué)參數(shù)進(jìn)行檢測，例如試驗機(jī)加載載荷、擺動角度、擺動頻率及次數(shù)、關(guān)節(jié)軸承磨損量、摩擦力矩(摩擦因數(shù))、摩擦溫度等。檢測數(shù)據(jù)的可信度直接影響關(guān)節(jié)軸承壽命及性能的評價。

2.5 軸承夾具系統(tǒng)

軸承夾具系統(tǒng)主要用于安放試驗軸承，并將加載機(jī)構(gòu)施加力傳遞到試驗軸承上，同時通過試驗芯軸帶動關(guān)節(jié)軸承往復(fù)擺動。大部分關(guān)節(jié)軸承夾具系統(tǒng)中都裝有滾動軸承，但在試驗過程中滾動軸承也會有摩擦磨損和附加扭矩的產(chǎn)生，這對真實反映關(guān)節(jié)軸承摩擦磨損性能會產(chǎn)生影響。

3 試驗機(jī)存在的問題

關(guān)節(jié)軸承壽命試驗機(jī)的研制涉及機(jī)械、電氣、控制、測量等多學(xué)科知識，雖然目前國內(nèi)外已研制出一定數(shù)量的關(guān)節(jié)軸承壽命試驗機(jī)，但其仍存在一些問題。

3.1 設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)不完善，數(shù)據(jù)兼容性差

關(guān)節(jié)軸承壽命試驗機(jī)多基于高?；蚩蒲袉挝恍枨笞孕醒兄粕a(chǎn)，試驗機(jī)的設(shè)計參數(shù)、關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)、檢測系統(tǒng)的精度與布置等不統(tǒng)一，導(dǎo)致相同試件在不同試驗機(jī)上所得的試驗結(jié)果兼容性差，給關(guān)節(jié)軸承壽命預(yù)測帶來不確定性。

國內(nèi)外已針對不同工況條件頒布了相應(yīng)的關(guān)節(jié)軸承壽命試驗標(biāo)準(zhǔn)，如美國標(biāo)準(zhǔn)MIL-B-81820《低速自調(diào)心自潤滑關(guān)節(jié)軸承通用規(guī)范》、MIL-B-81819《高速自調(diào)心自潤滑關(guān)節(jié)軸承通用規(guī)范》和中國標(biāo)準(zhǔn)GJB 5502—2005《低速擺動自潤滑向心關(guān)節(jié)軸承規(guī)范》，標(biāo)準(zhǔn)中對關(guān)節(jié)軸承的檢測方式、加載載荷、擺動頻率、失效判據(jù)等作了詳細(xì)的說明。因此，設(shè)計人員應(yīng)參照試驗標(biāo)準(zhǔn)制定試驗機(jī)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，同時重視各系統(tǒng)關(guān)鍵部件的選取與布置，強(qiáng)調(diào)并統(tǒng)一檢測傳感器的精度，從而提升不同試驗機(jī)所得數(shù)據(jù)的兼容性，便于關(guān)節(jié)軸承摩擦磨損性能及壽命的分析與對比。

3.2 間接檢測軸承各項性能參數(shù)

關(guān)節(jié)軸承相關(guān)試驗數(shù)據(jù)(如摩擦溫度、磨損量等)均采用間接方式采集，即檢測傳感器無法直接接觸或者感應(yīng)到軸承內(nèi)部摩擦磨損的情況，只能通過相關(guān)途徑進(jìn)行間接的測量，對真實反映關(guān)節(jié)軸承摩擦磨損性能產(chǎn)生影響。

需要針對關(guān)節(jié)軸承的結(jié)構(gòu)形式，改善檢測方式，使傳感器盡可能貼近關(guān)節(jié)軸承摩擦表面；同時深入研究關(guān)節(jié)軸承摩擦磨損機(jī)理，尋找能準(zhǔn)確反映軸承內(nèi)部摩擦特性并易于檢測的參數(shù)，從而使測量更加可信、可靠。

3.3 在線檢測抗干擾能力較差

大部分關(guān)節(jié)軸承壽命試驗機(jī)采用在線檢測方式，實時采集、記錄關(guān)節(jié)軸承試驗過程中的相關(guān)數(shù)據(jù)，但環(huán)境因素會對試驗機(jī)檢測精度產(chǎn)生影響，自身抗干擾能力較弱。

因此，可借鑒數(shù)控機(jī)床或三坐標(biāo)測量儀的設(shè)計經(jīng)驗，融入誤差分析、誤差辨識、誤差補(bǔ)償?shù)壤碚摶蚣夹g(shù)手段，消除或減小環(huán)境因素所造成的誤差，提升壽命試驗機(jī)檢測的可信度。目前針對關(guān)節(jié)軸承磨損量檢測系統(tǒng)熱變形和試驗機(jī)傳動系統(tǒng)徑向波動干擾已有相關(guān)的補(bǔ)償方法[41-43]。

3.4 檢測數(shù)據(jù)可信度評價工作不足

由于各項環(huán)境因素的干擾，關(guān)節(jié)軸承試驗數(shù)據(jù)是否能真實反映軸承的摩擦磨損性能無法準(zhǔn)確判斷，非常需要一種可在試驗機(jī)全生命周期內(nèi)對檢測數(shù)據(jù)可信度進(jìn)行評價的方法，對同一臺壽命試驗機(jī)誤差補(bǔ)償前后檢測可信度進(jìn)行對比和對不同壽命試驗機(jī)檢測精度進(jìn)行比較。

3.5 多維模擬臺架壽命試驗機(jī)研制不足

多維運(yùn)動試驗是在一維運(yùn)動壽命試驗的基礎(chǔ)上，使關(guān)節(jié)軸承運(yùn)動更貼近于實際工況，其試驗數(shù)據(jù)對于分析評價關(guān)節(jié)軸承壽命性能更具有說服力，但多維模擬臺架壽命試驗機(jī)的研制進(jìn)步較慢。

3.6 環(huán)境模擬系統(tǒng)功能單一，設(shè)備體積大

目前的軸承壽命試驗機(jī)環(huán)境模擬系統(tǒng)功能單一，不能綜合模擬軸承實際的工況條件。環(huán)境模擬系統(tǒng)多采用體積龐大的環(huán)境箱，試驗過程中需將軸承夾具和部分設(shè)備機(jī)體都置于環(huán)境箱內(nèi)，造成試驗軸承裝卸不便，增加了能量消耗，延長了試驗時間。

3.7 智能化程度不高

現(xiàn)有關(guān)節(jié)軸承壽命試驗機(jī)只能做到試驗數(shù)據(jù)在線檢測與實時記錄，不能對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行在線分析統(tǒng)計；對已記錄的試驗數(shù)據(jù)不能建立完善的數(shù)據(jù)庫，不能對一系列關(guān)節(jié)軸承壽命與性能進(jìn)行智能評價。

4 發(fā)展趨勢

關(guān)節(jié)軸承壽命試驗機(jī)的發(fā)展還較為落后，其作為關(guān)節(jié)軸承研發(fā)的重要支撐，仍有很大的發(fā)展空間。結(jié)合關(guān)節(jié)軸承壽命試驗機(jī)現(xiàn)存的問題和先進(jìn)測量儀器發(fā)展的趨勢[44]，預(yù)測關(guān)節(jié)軸承壽命試驗機(jī)的發(fā)展趨勢如下。

4.1 檢測可信度更高

更加重視檢測誤差的分析、加強(qiáng)環(huán)境因素的研究和著重考慮關(guān)節(jié)軸承壽命試驗機(jī)關(guān)鍵部件的設(shè)計與選用。借鑒數(shù)控機(jī)床誤差補(bǔ)償技術(shù)，發(fā)展軸承壽命試驗機(jī)在線誤差補(bǔ)償技術(shù)，對環(huán)境因素造成的誤差進(jìn)行分析、辨識、建模及補(bǔ)償，壽命試驗機(jī)檢測精度更高，為更好地評價關(guān)節(jié)軸承性能提供支持。

4.2 建立檢測可信度評價體系

結(jié)合關(guān)節(jié)軸承壽命試驗機(jī)動態(tài)測量、小樣本、工況復(fù)雜干擾多的特點(diǎn)，建立試驗機(jī)檢測可信度評價體系，能夠?qū)υ囼灆C(jī)檢測數(shù)據(jù)可信度進(jìn)行定量評價。

4.3 檢測數(shù)據(jù)兼容性提高

參照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范試驗機(jī)設(shè)計參數(shù)，統(tǒng)一關(guān)節(jié)軸承壽命試驗機(jī)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，重視所用傳感器測量精度與可靠性，減少試驗過程中的誤差，使相同試件在不同試驗機(jī)上所得試驗數(shù)據(jù)具有可比性。

4.4 簡易軸承壽命試驗機(jī)和多維模擬臺架壽命試驗機(jī)共同發(fā)展

關(guān)節(jié)軸承摩擦學(xué)試驗的2個主要任務(wù)是：摩擦磨損機(jī)理分析與壽命預(yù)測。摩擦磨損機(jī)理分析通常采用一維運(yùn)動壽命試驗機(jī)，在滿足工況要求和試驗精度的情況下，試驗機(jī)結(jié)構(gòu)應(yīng)盡可能簡單，關(guān)節(jié)軸承裝卸更加便捷；軸承壽命預(yù)測應(yīng)使試驗條件接近于實際工況，重視多維模擬臺架壽命試驗機(jī)的研制，進(jìn)一步完善關(guān)節(jié)軸承壽命試驗機(jī)構(gòu)形體系。

4.5 環(huán)境模擬更完善、結(jié)構(gòu)更緊湊

環(huán)境模擬系統(tǒng)能充分考慮軸承服役的復(fù)雜工況，借鑒局部環(huán)境模擬技術(shù)(局部加熱、冷卻技術(shù))，在滿足環(huán)境要求的條件下，減少試驗準(zhǔn)備時間和能量消耗。

4.6 智能化程度更高，控制系統(tǒng)提升

關(guān)節(jié)軸承壽命試驗機(jī)的智能化發(fā)展，能夠?qū)υ囼灁?shù)據(jù)實時采集、記錄的同時進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，并建立相關(guān)軸承試驗數(shù)據(jù)庫，最終為評價關(guān)節(jié)軸承相關(guān)性能提供依據(jù)。進(jìn)一步促進(jìn)關(guān)節(jié)軸承壽命試驗機(jī)專用控制系統(tǒng)的開發(fā)，提高控制系統(tǒng)在試驗機(jī)中的通用性和開放性。

5 結(jié)束語

關(guān)節(jié)軸承壽命試驗機(jī)已成為關(guān)節(jié)軸承研發(fā)過程中不可或缺的檢測設(shè)備，現(xiàn)有的典型壽命試驗機(jī)還存在設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、在線檢測數(shù)據(jù)可信度低、檢測可信度評價體系不完善、多維運(yùn)動模擬臺架數(shù)量少、環(huán)境模擬系統(tǒng)功能單一、試驗機(jī)智能化程度低等問題。仍需要從可信度、可靠性、智能化3方面同時提升軸承壽命試驗機(jī)檢測水平，進(jìn)一步推動關(guān)節(jié)軸承研究與應(yīng)用的發(fā)展。