航空自潤滑關(guān)節(jié)軸承壽命試驗機(jī)的構(gòu)型

李　巍　胡占齊　楊育林　范兵利　齊效文

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

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航空自潤滑關(guān)節(jié)軸承壽命試驗機(jī)的構(gòu)型

李巍胡占齊楊育林范兵利齊效文

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

摘要：依據(jù)關(guān)節(jié)軸承擺動及磨損形式，建立了關(guān)節(jié)軸承運(yùn)動特征矩陣。根據(jù)關(guān)節(jié)軸承運(yùn)動形式和承載特點(diǎn)，引出了關(guān)節(jié)軸承壽命試驗機(jī)49種理論構(gòu)型；同時將現(xiàn)有壽命試驗機(jī)歸納為4種構(gòu)型，并對每種構(gòu)型典型的壽命試驗機(jī)進(jìn)行了分析。最后根據(jù)實(shí)際工況條件，提出兩種有使用價值的壽命試驗機(jī)構(gòu)型，并對這兩種壽命試驗機(jī)進(jìn)行了方案設(shè)計。

關(guān)鍵詞：自潤滑關(guān)節(jié)軸承；壽命試驗機(jī)；運(yùn)動特征矩陣；試驗機(jī)構(gòu)型

0引言

自潤滑關(guān)節(jié)軸承是在內(nèi)外圈之間鑲嵌或黏接固體自潤滑材料的滑動軸承，具有免維護(hù)、無需潤滑、摩擦因數(shù)小等特點(diǎn)[1-2]，在航空航天領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用[3-4]。關(guān)節(jié)軸承主要失效形式是磨損，磨損使軸承內(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[5]。

由于自潤滑關(guān)節(jié)軸承理論研究還不完善，在軸承摩擦學(xué)機(jī)理分析、壽命預(yù)測、額定與極限載荷確定等方面僅靠理論研究無法解決，需要對關(guān)節(jié)軸承進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗研究，因此作為評價關(guān)節(jié)軸承性能的檢測設(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。

從資料中可知，國內(nèi)外已研制出幾種構(gòu)型的關(guān)節(jié)軸承壽命試驗機(jī)[6-8]。但在真實(shí)工況下關(guān)節(jié)軸承的運(yùn)動形式和受力狀況較為復(fù)雜，軸承壽命試驗機(jī)現(xiàn)有構(gòu)型還無法滿足軸承性能評價與壽命預(yù)測的需求，因此依據(jù)關(guān)節(jié)軸承運(yùn)動特征完善壽命試驗機(jī)構(gòu)型，對推動關(guān)節(jié)軸承的研究具有重要的意義。

1關(guān)節(jié)軸承運(yùn)動分析

關(guān)節(jié)軸承是一個三自由度轉(zhuǎn)動副，如圖1所示，以關(guān)節(jié)軸承外圈球心為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系O0X0Y0Z0，以內(nèi)圈球心為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系O1X1Y1Z1，將關(guān)節(jié)軸承外圈固定，內(nèi)圈可沿三個轉(zhuǎn)動軸A、B、C往復(fù)擺動，即坐標(biāo)系O1X1Y1Z1能沿坐標(biāo)系O0X0Y0Z0三個轉(zhuǎn)動軸往復(fù)擺動，且實(shí)際工況下關(guān)節(jié)軸承復(fù)雜的擺動形式均可由上述三個基本形式組合得出。

圖1　關(guān)節(jié)軸承內(nèi)外圈坐標(biāo)系示意圖

關(guān)節(jié)軸承內(nèi)圈相對外圈分別沿A、B、C軸擺動的特征矩陣(即坐標(biāo)系O1X1Y1Z1相對坐標(biāo)系O0X0Y0Z0沿A、B、C軸擺動的特征矩陣)為

式中，α、β、γ為關(guān)節(jié)軸承內(nèi)圈相對于外圈分別沿A、B、C軸擺動的角度。

如圖2所示，將關(guān)節(jié)軸承外圈固定，內(nèi)圈能夠沿三個坐標(biāo)軸X、Y、Z方向?qū)ν馊κ┘与p向載荷，其載荷分別記為FX、FY、FZ，且實(shí)際工況下軸承所受復(fù)雜載荷均可由上述三個基本載荷組合得出。

圖2　關(guān)節(jié)軸承內(nèi)圈相對外圈的載荷示意圖

在運(yùn)動過程中，關(guān)節(jié)軸承內(nèi)外圈之間會出現(xiàn)磨損，即坐標(biāo)系O1X1Y1Z1相對坐標(biāo)系O0X0Y0Z0沿三個坐標(biāo)軸X、Y、Z方向產(chǎn)生相對運(yùn)動，且實(shí)際磨損而產(chǎn)生的運(yùn)動可由這三個基本運(yùn)動復(fù)合而成。

關(guān)節(jié)軸承內(nèi)圈相對外圈分別沿X、Y、Z軸移動的特征矩陣(即坐標(biāo)系O1X1Y1Z1相對坐標(biāo)系O0X0Y0Z0沿X、Y、Z軸移動的特征矩陣)為

式中，x01、y01、z01為關(guān)節(jié)軸承內(nèi)圈相對于外圈分別沿X、Y、Z軸移動的距離。

在實(shí)際工況下，關(guān)節(jié)軸承內(nèi)圈相對外圈移動與轉(zhuǎn)動同時進(jìn)行。綜合上述分析，即可得到坐標(biāo)系O1X1Y1Z1相對坐標(biāo)系O0X0Y0Z0的復(fù)合運(yùn)動特征矩陣T01：

T01=TA(α)TB(β)TC(γ)T(X)T(Y)T(Z)=

式中，sα表示sinα，cα表示cosα，余類推。

2現(xiàn)有關(guān)節(jié)軸承壽命試驗機(jī)構(gòu)型分析

由上述關(guān)節(jié)軸承運(yùn)動分析可知，關(guān)節(jié)軸承內(nèi)圈相對于外圈可沿三個坐標(biāo)軸往復(fù)擺動，關(guān)節(jié)軸承內(nèi)圈相對于外圈可沿三個坐標(biāo)軸方向施加雙向載荷。由排列組合可得，軸承壽命試驗機(jī)在運(yùn)動形式上可有7種形式，即單軸運(yùn)動形式(3種)、二軸復(fù)合運(yùn)動形式(3種)、三軸復(fù)合運(yùn)動形式(1種)；在加載形式上也有7種形式，即單軸方向加載(3種)、雙軸方向復(fù)合加載(3種)、三軸方向復(fù)合加載(1種)。若綜合考慮運(yùn)動與加載形式，在理論上關(guān)節(jié)軸承壽命試驗機(jī)可有49種構(gòu)型。

對資料分析匯總可知，現(xiàn)有關(guān)節(jié)軸承壽命試驗機(jī)可歸納為4種構(gòu)型，即單軸擺動單方向加載構(gòu)型、單軸擺動雙方向加載構(gòu)型、雙軸擺動單向加載構(gòu)型(2種)，現(xiàn)對上述4種構(gòu)型進(jìn)行分析。

2.1單軸擺動單方向加載構(gòu)型

若關(guān)節(jié)軸承外圈固定，此構(gòu)型運(yùn)動形式為軸承內(nèi)圈相對外圈沿C軸往復(fù)擺動，加載形式為軸承內(nèi)圈沿Y軸向外圈施加載荷FY，其示意圖見圖3。在軸承磨損過程中，軸承內(nèi)圈相對外圈沿Y軸方向產(chǎn)生移動，故此構(gòu)型關(guān)節(jié)軸承復(fù)合運(yùn)動特征矩陣T01為

圖3　單軸擺動單向加載構(gòu)型示意圖

目前，大部分關(guān)節(jié)軸承壽命試驗機(jī)均采用單軸擺動單方向加載的構(gòu)型，如關(guān)節(jié)軸承模塊化壽命試驗機(jī)[6,9]，其示意圖見圖4。該試驗機(jī)運(yùn)動系統(tǒng)由伺服電機(jī)通過撓性聯(lián)軸器、扭矩儀、萬向聯(lián)軸器、傳動軸帶動實(shí)驗芯軸沿C軸往復(fù)擺動，使得與實(shí)驗芯軸配合的軸承內(nèi)圈相對于外圈沿C軸往復(fù)擺動；加載形式為由壓力機(jī)通過液壓缸、壓力傳感器沿Y軸方向?qū)S承夾具施加載荷，使得與加載T形板接觸的外圈相對于內(nèi)圈沿Y軸方向產(chǎn)生作用力，從而實(shí)現(xiàn)單軸擺動單方向加載的構(gòu)型。關(guān)節(jié)軸承在磨損過程中，軸承外圈相對內(nèi)圈沿Y軸方向產(chǎn)生移動，軸承夾具運(yùn)動與加載方式示意圖見圖5。

1.伺服電機(jī)　2.撓性聯(lián)軸器　3.扭矩儀　4.萬向聯(lián)軸器5.傳動軸　6.壓力機(jī)　7.液壓缸　8.壓力傳感器9.軸承夾具　10.環(huán)境模擬系統(tǒng)11.磨損量檢測系統(tǒng)　12.控制系統(tǒng)圖4　關(guān)節(jié)軸承模塊化壽命試驗機(jī)示意圖[6]

1.加載T形板　2.關(guān)節(jié)軸承　3.實(shí)驗芯軸圖5　軸承夾具運(yùn)動與加載方式示意圖[9]

2.2單軸擺動雙方向加載構(gòu)型

若關(guān)節(jié)軸承外圈固定，則此構(gòu)型運(yùn)動形式為軸承內(nèi)圈相對外圈沿C軸往復(fù)擺動；加載形式為雙方向復(fù)合加載，即沿Y軸和Z軸方向軸承內(nèi)圈同時向外圈施加載荷FY和FZ，其示意圖見圖6。在軸承磨損過程中，軸承內(nèi)圈相對外圈沿Y軸和Z軸方向同時產(chǎn)生移動，因此單軸擺動雙方向加載關(guān)節(jié)軸承復(fù)合運(yùn)動特征矩陣T01為

圖6　單軸擺動雙向加載構(gòu)型示意圖

該構(gòu)型試驗機(jī)(如熱感應(yīng)式關(guān)節(jié)軸承壽命試驗機(jī)[10-11])示意圖見圖7。該試驗機(jī)運(yùn)動系統(tǒng)由液壓往復(fù)驅(qū)動裝置帶動實(shí)驗芯軸沿C軸往復(fù)擺動，也使得軸承內(nèi)圈相對于外圈沿C軸往復(fù)擺動；加載形式為雙向復(fù)合加載，即Y軸方向和Z軸方向復(fù)合加載。Y軸方向通過氣動裝置使軸承外圈向內(nèi)圈施加徑向載荷，同時Z軸方向通過液壓裝置使內(nèi)外圈之間產(chǎn)生軸向作用力，從而構(gòu)成單軸擺動雙方向加載的構(gòu)型。在關(guān)節(jié)軸承磨損過程中，軸承外圈相對內(nèi)圈沿Y軸和Z軸方向同時產(chǎn)生移動。

圖7　熱感應(yīng)式關(guān)節(jié)軸承壽命試驗機(jī)示意圖[10]

2.3雙軸擺動單向加載構(gòu)型

2.3.1A軸和C軸復(fù)合擺動構(gòu)型

若關(guān)節(jié)軸承外圈固定，則該構(gòu)型運(yùn)動形式為軸承內(nèi)圈相對外圈沿A軸和C軸同時擺動；加載形式為沿X軸方向軸承內(nèi)圈向外圈施加載荷FX，其示意圖見圖8。在軸承磨損過程中，軸承內(nèi)圈相對外圈沿X軸方向產(chǎn)生移動，因此雙軸擺動(沿A軸和C軸)單方向加載關(guān)節(jié)軸承復(fù)合運(yùn)動特征矩陣T01為

圖8　雙軸擺動(沿A軸和C軸)構(gòu)型示意圖

此構(gòu)型試驗機(jī)(如復(fù)合擺動式關(guān)節(jié)軸承壽命試驗機(jī)[12-14])原理圖見圖9，該試驗機(jī)運(yùn)動系統(tǒng)為雙軸復(fù)合擺動，即沿A軸和C軸方向復(fù)合擺動，A軸方向由減速電機(jī)通過曲柄搖桿機(jī)構(gòu)、主軸、扭矩傳感器帶動軸承夾具實(shí)現(xiàn)往復(fù)擺動，使得與軸承夾具配合的外圈相對內(nèi)圈沿A軸往復(fù)擺動；同時C軸方向由減速電機(jī)通過搖桿機(jī)構(gòu)、主軸、扭矩傳感器帶動實(shí)驗芯軸實(shí)現(xiàn)往復(fù)擺動，使得軸承內(nèi)圈相對外圈沿C軸往復(fù)擺動；加載形式為由液壓系統(tǒng)沿X軸方向?qū)S承夾具施加載荷，使得軸承內(nèi)外圈之間產(chǎn)生作用力，從而構(gòu)成雙軸擺動單方向加載的構(gòu)型。在關(guān)節(jié)軸承磨損過程中，軸承外圈相對內(nèi)圈沿X軸方向產(chǎn)生移動。

圖9　復(fù)合擺動式關(guān)節(jié)軸承壽命試驗機(jī)原理圖[13]

2.3.2A軸和B軸復(fù)合擺動構(gòu)型

若關(guān)節(jié)軸承外圈固定，則運(yùn)動形式為軸承內(nèi)圈相對外圈沿A軸和B軸同時擺動，加載形式為沿X軸方向軸承內(nèi)圈向外圈施加載荷FX，其示意圖見圖10。在軸承磨損過程中，軸承內(nèi)圈相對外圈沿X軸方向產(chǎn)生移動，因此雙軸擺動(沿A軸和B軸)單方向加載關(guān)節(jié)軸承復(fù)合運(yùn)動特征矩陣T01為

圖10　雙軸擺動(沿A軸和B軸)構(gòu)型示意圖

此構(gòu)型試驗機(jī)(如直升機(jī)自動傾斜器球鉸自潤滑關(guān)節(jié)軸承壽命試驗機(jī)[15-17])示意圖見圖11。該試驗機(jī)運(yùn)動系統(tǒng)為雙軸復(fù)合擺動，即沿A軸和B軸方向復(fù)合擺動，A軸和B軸方向同時由調(diào)頻電機(jī)通過萬向聯(lián)軸器、搖桿機(jī)構(gòu)、拉壓傳感器、傳動桿帶動軸承夾具往復(fù)擺動；加載形式為由液壓系統(tǒng)沿X軸方向通過液壓缸、鋼絲繩向軸承夾具施加載荷，使得軸承內(nèi)外圈之間產(chǎn)生作用力，從而構(gòu)成雙軸擺動單方向加載的構(gòu)型。在關(guān)節(jié)軸承磨損過程中，軸承外圈相對內(nèi)圈沿X軸方向產(chǎn)生移動。

圖11　直升機(jī)自動傾斜器球鉸關(guān)節(jié)軸承壽命試驗機(jī)[15]

3需完善的關(guān)節(jié)軸承壽命試驗機(jī)構(gòu)型分析

真實(shí)工況條件下，關(guān)節(jié)軸承運(yùn)動形式和受力狀況較為復(fù)雜，通常為多軸擺動多向加載的復(fù)合構(gòu)型，例如工程機(jī)械所用關(guān)節(jié)軸承，由于復(fù)雜的施工條件，軸承內(nèi)圈相對外圈沿兩個坐標(biāo)軸(A軸和C軸)同時擺動，內(nèi)圈相對外圈沿徑向與軸向同時產(chǎn)生作用力；又如航天航空設(shè)備所用關(guān)節(jié)軸承，在單軸徑向受力的情況下，由于空間轉(zhuǎn)動的需要，軸承內(nèi)圈相對外圈沿三個坐標(biāo)軸同時擺動。

目前針對上述兩種工況下的壽命試驗機(jī)還無研究報道，但這兩種構(gòu)型試驗機(jī)更符合關(guān)節(jié)軸承的運(yùn)動形式和受力狀況，現(xiàn)對這兩種構(gòu)型進(jìn)行分析。

3.1雙軸擺動(A軸與C軸)雙向加載(X軸與Z軸)構(gòu)型

若關(guān)節(jié)軸承外圈固定，則該構(gòu)型運(yùn)動形式為軸承內(nèi)圈相對外圈沿A軸和C軸同時擺動；加載形式為沿X軸和Z軸方向軸承內(nèi)圈向外圈同時施加載荷FX、FZ，其示意圖見圖12。在軸承磨損過程中，軸承內(nèi)圈相對外圈沿X軸和Z軸方向同時產(chǎn)生移動，因此雙軸擺動(沿A軸和C軸擺動)雙方向加載(沿X軸和Z軸加載)關(guān)節(jié)軸承復(fù)合運(yùn)動特征矩陣T01為

圖12　雙軸擺動雙向加載構(gòu)型示意圖

圖13　雙軸擺動(A軸與C軸)雙向加載(X軸與Z軸)試驗機(jī)原理圖

此構(gòu)型試驗機(jī)由四部分組成，即擺動系統(tǒng)、加載系統(tǒng)、軸承夾具系統(tǒng)、檢測與控制系統(tǒng)。其試驗機(jī)原理圖見圖13，擺動系統(tǒng)包括伺服電機(jī)、聯(lián)軸器、扭矩儀、傳動軸。加載方式包括液壓系統(tǒng)加載和電動缸加載。運(yùn)動系統(tǒng)中，A軸方向由伺服電機(jī)通過聯(lián)軸器、扭矩儀帶動軸承夾具實(shí)現(xiàn)往復(fù)擺動，使得與軸承夾具配合的外圈相對內(nèi)圈沿A軸往復(fù)擺動；C軸方向由伺服電機(jī)通過聯(lián)軸器、扭矩儀帶動實(shí)驗芯軸實(shí)現(xiàn)往復(fù)擺動，使得軸承內(nèi)圈相對外圈沿C軸往復(fù)擺動；加載系統(tǒng)中，X軸方向通過液壓系統(tǒng)對軸承夾具施加載荷，使得軸承內(nèi)外圈之間產(chǎn)生徑向作用力；Z軸方向通過加載電動缸帶動加載平臺、伺服電機(jī)、聯(lián)軸器、扭矩儀、實(shí)驗芯軸沿軸向移動，使得軸承內(nèi)圈相對外圈產(chǎn)生軸向作用力。在關(guān)節(jié)軸承磨損過程中，軸承外圈相對內(nèi)圈沿X軸和Z軸方向產(chǎn)生移動。

3.2三軸擺動單向加載構(gòu)型

若關(guān)節(jié)軸承外圈固定，則該構(gòu)型運(yùn)動形式為軸承內(nèi)圈相對外圈沿A軸、B軸和C軸同時擺動；加載形式為沿X軸方向軸承內(nèi)圈向外圈施加載荷FX，其示意圖見圖14。在軸承磨損過程中，軸承內(nèi)圈相對外圈沿X軸方向產(chǎn)生移動，因此三軸擺動單向加載關(guān)節(jié)軸承復(fù)合運(yùn)動特征矩陣T01為

圖14　三軸擺動單向加載構(gòu)型示意圖

此構(gòu)型試驗機(jī)同樣由擺動系統(tǒng)、加載系統(tǒng)、軸承夾具系統(tǒng)、檢測與控制系統(tǒng)組成，其試驗機(jī)原理圖見圖15。擺動系統(tǒng)有兩種方式，即曲柄機(jī)構(gòu)推拉系統(tǒng)(包括變頻電機(jī)、曲柄機(jī)構(gòu)、推拉桿、拉壓傳感器、球鉸)和伺服驅(qū)動形態(tài)(包括伺服電機(jī)和扭矩儀)。三軸復(fù)合擺動形式，即沿A軸、B軸和C軸復(fù)合擺動，A軸、B軸方向均由變頻電機(jī)通過曲柄機(jī)構(gòu)、推拉桿、拉壓傳感器、球鉸帶動軸承夾具實(shí)現(xiàn)往復(fù)擺動；C軸方向通過伺服電機(jī)、扭矩儀帶動實(shí)驗主軸實(shí)現(xiàn)往復(fù)擺動；X軸方向加載形式為通過液壓系統(tǒng)對軸承夾具施加載荷，使得軸承內(nèi)外圈之間產(chǎn)生作用力。在關(guān)節(jié)軸承磨損過程中，軸承外圈相對內(nèi)圈沿X軸方向產(chǎn)生移動。

圖15　三軸擺動單向加載構(gòu)型試驗機(jī)原理圖

4結(jié)語

本文通過對自潤滑關(guān)節(jié)軸承運(yùn)動特征進(jìn)行分析，引出了關(guān)節(jié)軸承壽命試驗機(jī)49種理論構(gòu)型，分析了現(xiàn)有4種試驗機(jī)構(gòu)型，指出了需完善的2種構(gòu)型。實(shí)驗人員可根據(jù)實(shí)驗?zāi)康?，選取不同構(gòu)型的壽命試驗機(jī)，如研究關(guān)節(jié)軸承摩擦磨損機(jī)理，應(yīng)選取單軸擺動單方向加載構(gòu)型進(jìn)行實(shí)驗，評價關(guān)節(jié)軸承壽命，應(yīng)選取多軸擺動構(gòu)型進(jìn)行實(shí)驗。下一步研究將完善現(xiàn)有關(guān)節(jié)軸承試驗機(jī)構(gòu)型，并著重發(fā)展多維運(yùn)動構(gòu)型試驗機(jī)；針對同種構(gòu)型試驗機(jī)，在設(shè)計過程中應(yīng)統(tǒng)一設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、優(yōu)化檢測方式、重視關(guān)鍵部件選取，從而共同推動關(guān)節(jié)軸承研究與應(yīng)用的發(fā)展。

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(編輯王旻玥)

Configuration of Aerial Self-lubricating Spherical Plain Bearing Testers

Li WeiHu ZhanqiYang YulinFan BingliQi Xiaowen

Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Generic Technology of Aviation Self-lubricating Spherical Plain Bearing,Yanshan University,Qinhuangdao,Hebei,066004

Abstract:Based on oscillation and wear forms of the spherical plain bearings,the motion-characteristic matrices of spherical plain bearings were built.On the basis of moving and loading features of the spherical plain bearings, 49 theoretical configurations of spherical plain bearing tester were obtained. Meanwhile,the existing life testers were divided into four categories, and the typical testers of 4 categories were analyzed.Finally,according to actual working conditions,two improvable configurations of spherical plain bearing testers were indicated,and then the design schemes of two life testers were presented.

Key words:self-lubricating spherical plain bearing;life tester;motion-characteristic matrix;configuration of tester

作者簡介：李巍，男，1985年生。燕山大學(xué)關(guān)節(jié)軸承共性技術(shù)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗室博士研究生。主要研究方向為摩擦學(xué)壽命試驗機(jī)檢測誤差補(bǔ)償及可信性。胡占齊，男，1956年生。燕山大學(xué)機(jī)械制造及自動化系教授、博士研究生導(dǎo)師。楊育林，男，1956年生。燕山大學(xué)機(jī)械制造及自動化系教授、博士研究生導(dǎo)師。范兵利，男，1982年生。燕山大學(xué)關(guān)節(jié)軸承共性技術(shù)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗室助理研究員。齊效文，男，1972年生。燕山大學(xué)機(jī)械設(shè)計及理論系教授、博士研究生導(dǎo)師。

中圖分類號：V19;TH89

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2016.06.007

基金項目：中國航空工業(yè)集團(tuán)公司技術(shù)創(chuàng)新基金資助項目(2014E00468R)

收稿日期：2015-05-20