國內(nèi)外航空電機(jī)用深溝球軸承標(biāo)準(zhǔn)分析

趙穎春 林 晶

軸承是對飛機(jī)發(fā)展具有重要影響的關(guān)鍵配套產(chǎn)品，是用于傳遞運(yùn)動(dòng)、減小摩擦的重要零件。其中，電機(jī)軸承作為航空電機(jī)的關(guān)鍵零件，對于航空電機(jī)的性能具有重要影響，直接影響到飛機(jī)的飛行性能。

目前，航空電機(jī)所用軸承大部分均為深溝球軸承，深溝球軸承是滾動(dòng)軸承的一類，是最常見的球軸承類型，軸承內(nèi)外圈設(shè)計(jì)有滾道，滾道之間通過滾珠減小摩擦，其結(jié)構(gòu)簡單，能夠達(dá)到較高轉(zhuǎn)速，可靠性較好。

航空電機(jī)用深溝球軸承結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

國內(nèi)的航空電機(jī)用深溝球軸承在使用方面，還存在諸多的問題，如一些型號的飛機(jī)在大修時(shí)，發(fā)現(xiàn)其電機(jī)的深溝球軸承存在游隙過大等問題。在標(biāo)準(zhǔn)體系的建設(shè)方面差距也比較大，目前為止還沒有形成完善的航空電機(jī)用軸承標(biāo)準(zhǔn)體系，缺少專門的規(guī)范和產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。

本文通過對目前國外主要的航空電機(jī)用深溝球軸承通用規(guī)范和產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)內(nèi)容進(jìn)行分析，與國內(nèi)電機(jī)軸承標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對比，分析國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)內(nèi)容之間存在的共同點(diǎn)和差異，為構(gòu)建航空電機(jī)用深溝球軸承標(biāo)準(zhǔn)體系奠定基礎(chǔ)。

1 國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)介紹與分析

國外的航空電機(jī)用深溝球軸承的標(biāo)準(zhǔn)體系相對比較完善，尤其以美國機(jī)動(dòng)車工程師學(xué)會(huì)（SAE）的標(biāo)準(zhǔn)體系比較健全。SAE標(biāo)準(zhǔn)中，航空電機(jī)用深溝球軸承通用規(guī)范為AS 22227B-2014《軸承，球，向心，發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)》，產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)為AS 17107B《軸承，球，向心，主要用于航空電動(dòng)機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)，標(biāo)準(zhǔn)輕，I型》、AS 17108B-2014《軸承，球，向心，主要用于航空電動(dòng)機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)，寬，II型》和AS 17109A-2014《軸承，球，向心，主要用于航空電動(dòng)機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)，薄超輕，III型》。SAE標(biāo)準(zhǔn)中，航空電機(jī)用深溝球軸承產(chǎn)品分為標(biāo)準(zhǔn)輕、寬、薄超輕3種系列，基本覆蓋了航空電機(jī)用深溝球軸承使用的主要規(guī)格。

目前國內(nèi)航空電機(jī)用深溝球軸承標(biāo)準(zhǔn)主要為GJB 269B-2012《航空滾動(dòng)軸承通用規(guī)范》。GJB 269B-2012中第3組軸承為附件傳動(dòng)和航空電機(jī)、航空附件用軸承，其中對航空電機(jī)用深溝球軸承的技術(shù)要求進(jìn)行了規(guī)定。GJB 269B-2012作為航空滾動(dòng)軸承的頂層規(guī)范，其技術(shù)要求也都是從頂層出發(fā)，規(guī)定較為籠統(tǒng)。尤其對航空電機(jī)軸承這一類具體產(chǎn)品，技術(shù)要求比較寬泛。

此外，國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)中，JB/T 8880-2010《滾動(dòng)軸承 電機(jī)用深溝球軸承 技術(shù)條件》規(guī)定了民品電機(jī)用深溝球軸承的技術(shù)條件，包括材料及熱處理、保持架、密封圈及防塵蓋、公差、表面粗糙度、徑向游隙、配合、清潔度、殘磁、潤滑等技術(shù)要求。但JB/T 8880-2010僅適用于機(jī)械行業(yè)，不適用于航空電機(jī)用深溝球軸承這一類產(chǎn)品，其技術(shù)要求對航空電機(jī)用深溝球軸承僅具有一定的參考意義。

2 標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)內(nèi)容分析

針對目前國內(nèi)外較常使用的航空電機(jī)用深溝球軸承的產(chǎn)品系列，對其標(biāo)準(zhǔn)的主要技術(shù)內(nèi)容進(jìn)行進(jìn)一步的對比分析。

2.1 尺寸系列

SAE產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)尺寸系列見表1。

表1 SAE產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)尺寸系列

從表1中可以看出，SAE產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)包含內(nèi)徑10 mm到40 mm等規(guī)格。按照尺寸系列，標(biāo)準(zhǔn)輕系列產(chǎn)品包括內(nèi)徑從10 mm到35 mm 8種規(guī)格，寬系列產(chǎn)品包括內(nèi)徑從12 mm到40 mm 8種規(guī)格，薄超輕系列產(chǎn)品包括內(nèi)徑從20 mm到35 mm 4種規(guī)格。其產(chǎn)品規(guī)格較多，基本覆蓋了國外使用的航空電機(jī)用深溝球軸承的使用規(guī)格。

GJB 269B-2012作為航空滾動(dòng)軸承的通用規(guī)范，并未對航空電機(jī)用深溝球軸承的尺寸系列作出明確規(guī)定。同樣JB/T 8880-2010也未對電機(jī)用深溝球軸承的尺寸系列作出明確規(guī)定。目前國內(nèi)尚缺乏航空電機(jī)用深溝球軸承的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 材料

SAE標(biāo)準(zhǔn)和GJB 269B-2012、JB/T 8880-2010中對軸承套圈和滾動(dòng)體材料及硬度的要求見表2。

表2 套圈材料及硬度要求

AISI 52100、AISI 440C為美國材料標(biāo)號。AISI 52100對應(yīng)國內(nèi)材料標(biāo)號為GCr15軸承鋼，AISI 440C對應(yīng)國內(nèi)材料標(biāo)號為9Cr18或9Cr18Mo不銹鋼。從表2可以看出，SAE標(biāo)準(zhǔn)和國內(nèi)GJB 269B-2012、JB/T 8880-2010對于軸承材料的要求基本一致，硬度要求略有不同，但均要求軸承材料的硬度達(dá)到58 HRC以上。

對于保持架材料，SAE標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了兩種不同的材料：低碳鋼或酚醛樹脂。其中低碳鋼為AISI 1008或者AISI 1010，與國內(nèi)08和10鋼對應(yīng)。兩種保持架具有不同的用途，酚醛樹脂保持架極限轉(zhuǎn)速更高。國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)中，JB/T 8880-2010規(guī)定保持架材料一般選用08或10鋼板，或選用工程塑料。GJB 269B-2012未對第3組軸承保持架材料作特殊規(guī)定，僅針對某些特定代號的軸承的保持架材料進(jìn)行了要求。

SAE標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定密封圈材料應(yīng)選用丁腈橡膠，與國內(nèi)JB/T 8880-2010等標(biāo)準(zhǔn)要求基本一致。

2.3 公差

軸承公差反映了軸承的尺寸精度要求。AS 22227B中規(guī)定，除軸承內(nèi)孔徑和外徑公差應(yīng)為-0.0002～0in（-0.005～0 mm）外，其余公差應(yīng)滿足美國軸承制造協(xié)會(huì)（ABMA）下的向心軸承工程協(xié)會(huì)（ABEC）標(biāo)準(zhǔn)5級公差的要求。JB/T 8880-2010規(guī)定軸承精度應(yīng)不低于GB/T 307.1-2005《滾動(dòng)軸承 向心軸承 公差》中6級公差的要求。GJB 269B-2012則僅針對某些特定規(guī)格軸承的公差進(jìn)行了規(guī)定。

按GB/T 307.1-2005，我國軸承精度等級由低到高分為0、6、5、4、2共5個(gè)等級。ABEC 5級公差與GB/T 307.1-2005中5級公差對應(yīng)。可以看出，SAE標(biāo)準(zhǔn)對公差精度要求高于國內(nèi)機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

2.4 徑向游隙

徑向游隙是滾動(dòng)軸承的一項(xiàng)重要參數(shù)，對軸承的動(dòng)態(tài)性能、旋轉(zhuǎn)精度、使用壽命等具有很大影響。

SAE標(biāo)準(zhǔn)和JB/T 8880-2010對軸承徑向游隙都進(jìn)行了明確規(guī)定，GJB 269B-2012僅針對特定型號的軸承的徑向游隙進(jìn)行了規(guī)定。SAE標(biāo)準(zhǔn)和JB/T 8880-2010對徑向游隙的規(guī)定見表3。

表3 游隙要求

從表3可以看出，SAE標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的游隙值要小于JB/T 8880-2010，這可能是由于SAE標(biāo)準(zhǔn)中航空軸承轉(zhuǎn)速高，為避免軸承在高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)發(fā)熱嚴(yán)重，增大了軸承的徑向游隙。

2.5 尺寸穩(wěn)定性

尺寸穩(wěn)定性反映了軸承耐高低溫沖擊的能力，如軸承在低溫和高溫下尺寸存在較大差異，則軸承游隙等參數(shù)在高低溫下沖擊下將發(fā)生很大變化，直接影響軸承的旋轉(zhuǎn)精度和動(dòng)態(tài)性能。

SAE標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定軸承滾動(dòng)體和套圈應(yīng)能承受低溫-62℃、高溫196℃環(huán)境的溫度變化。而國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)中，對軸承的尺寸穩(wěn)定性未作要求。

2.6 潤滑

良好的潤滑能夠有效減小軸承摩擦和磨損，保證軸承的動(dòng)態(tài)性能。航空電機(jī)用軸承工作條件為高速轉(zhuǎn)動(dòng)，如軸承填脂量過少則不能充分潤滑，填脂量過多則會(huì)增大軸承摩擦，造成軸承發(fā)熱嚴(yán)重。

SAE標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定軸承的潤滑要求見表4。

JB/T 8880-2010未對潤滑脂填充作具體要求，GJB 269B-2012針對第3組各規(guī)格型號的軸承的填脂重量進(jìn)行了要求。SAE標(biāo)準(zhǔn)中，除脂潤滑條件外，還規(guī)定可采用除去密封圈的油潤滑。因此從表4可以看出，SAE標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了潤滑劑的種類和填充要求，其要求相對國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)較為詳細(xì)。

表4 潤滑要求

2.7 徑向基本額定靜載荷

深溝球軸承的徑向基本額定靜載荷是指最大載荷滾動(dòng)體與滾道中心處產(chǎn)生與下述接觸應(yīng)力相當(dāng)?shù)膹较蜢o載荷。該接觸應(yīng)力下滾動(dòng)體與滾道產(chǎn)生的永久變形量約為0.000 1倍的滾動(dòng)體直徑。

滾動(dòng)軸承的徑向基本額定靜載荷是其關(guān)鍵的技術(shù)參數(shù)，反映了軸承的靜態(tài)承載能力。

GB/T 4662-2012《滾動(dòng)軸承 額定靜載荷》中給出了各類滾動(dòng)軸承的基本額定載荷的計(jì)算方法，徑向基本額定載荷通過公式（1）計(jì)算得到：

式（1）中：:

C0r——徑向基本額定靜載荷，單位為N；

f0——與軸承零件幾何形狀及應(yīng)力水平相關(guān)的系數(shù)；

i ——軸承中滾動(dòng)體的列數(shù)；

Z ——單列軸承中的滾動(dòng)體數(shù)，或每列滾動(dòng)體相同的多列軸承中的每列滾動(dòng)體數(shù)；

Dw——滾動(dòng)體直徑，單位為mm；

α——軸承公稱接觸角，單位為°。

國內(nèi)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中軸承的基本額定靜載荷一般由用戶查手冊或通過公式（1）計(jì)算得到，不在標(biāo)準(zhǔn)中進(jìn)行規(guī)定，給標(biāo)準(zhǔn)的使用帶來一定不便。

SAE標(biāo)準(zhǔn)中，軸承的徑向基本額定靜載荷在產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中列出，AS 17107B、AS 17108B、～AS 17109A產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中軸承的基本額定靜載荷如圖2所示。

從圖2可以看出，SAE產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中，標(biāo)準(zhǔn)輕系列（AS 17107B）與寬系列（AS 17108B）同規(guī)格軸承徑向基本額定靜載荷要求一致，僅尺寸規(guī)格范圍不同。薄超輕系列（AS 17109A）軸承徑向基本額定靜載荷較小。

2.8 基本額定動(dòng)載荷

軸承的基本額定動(dòng)載荷是指軸承的基本額定壽命恰好為100萬轉(zhuǎn)時(shí)，軸承能夠承受的載荷?；绢~定動(dòng)載荷是與滾動(dòng)軸承壽命相關(guān)的參數(shù)。

與基本額定靜載荷類似，基本額定動(dòng)載荷一般通過計(jì)算或查手冊得到，國內(nèi)一般不在產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中進(jìn)行規(guī)定。

SAE標(biāo)準(zhǔn)中，軸承的徑向基本額定動(dòng)載荷在產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中列出，AS 17107B、AS 17108B、AS 17109A中軸承的基本額定動(dòng)載荷如圖3所示。

從圖3可以看出，與基本額定靜載荷相同，SAE產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中，標(biāo)準(zhǔn)輕系列（AS 17107B ）與寬系列（AS 17108B）同規(guī)格軸承基本額定動(dòng)載荷要求一致，僅尺寸規(guī)格范圍不同。薄超輕系列（AS 17109A）軸承基本額定動(dòng)載荷較小。

2.9 極限轉(zhuǎn)速

極限轉(zhuǎn)速是指在一定負(fù)荷、潤滑條件下允許的最高轉(zhuǎn)速，與軸承的結(jié)構(gòu)、尺寸、載荷、游隙等諸多參數(shù)相關(guān)。

SAE標(biāo)準(zhǔn)中對航空電機(jī)用深溝球軸承的極限轉(zhuǎn)速進(jìn)行了規(guī)定，國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)中未對極限轉(zhuǎn)速進(jìn)行要求。

SAE標(biāo)準(zhǔn)分別規(guī)定了油潤滑和脂潤滑條件下的極限轉(zhuǎn)速。油潤滑條件下軸承DN值（以mm為單位的軸承內(nèi)徑和以rpm為單位的轉(zhuǎn)速的乘積）應(yīng)能夠達(dá)到300 000，脂潤滑條件下軸承的極限轉(zhuǎn)速如圖4所示。

從圖4可以看出，SAE軸承薄超輕系列（AS 17109A）極限轉(zhuǎn)速與寬系列（AS 17108B）基本相當(dāng)，高于標(biāo)準(zhǔn)輕系列（AS 17107B）。脂潤滑極限轉(zhuǎn)速要低于油潤滑，其DN值一般在200 000～300 000之間。

3 結(jié)論

通過對SAE和國內(nèi)航空電機(jī)用深溝球軸承標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析，可以看出，國內(nèi)外航空電機(jī)用深溝球軸承標(biāo)準(zhǔn)存在一定的差異。

在標(biāo)準(zhǔn)體系方面，國內(nèi)尚缺乏專門的航空電機(jī)用深溝球軸承系列標(biāo)準(zhǔn)。在技術(shù)指標(biāo)方面，國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)在潤滑、承載能力、額定轉(zhuǎn)速等方面規(guī)定不夠詳細(xì)，國外標(biāo)準(zhǔn)對于技術(shù)指標(biāo)的要求較為具體和全面，可為國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)提供一定的借鑒。

通過對國內(nèi)外航空電機(jī)用深溝球軸承標(biāo)準(zhǔn)的分析，對于確定航空電機(jī)用深溝球軸承產(chǎn)品的尺寸、材料、游隙、承載能力等關(guān)鍵的技術(shù)參數(shù)，開展我國航空電機(jī)用深溝球軸承標(biāo)準(zhǔn)的編制，建立航空電機(jī)用深溝球軸承標(biāo)準(zhǔn)體系具有重要的參考價(jià)值。