航空精密軸承的包裝緩沖性能研究

閆國斌，張振宇，田野

（1.中航工業(yè)哈爾濱軸承有限公司，哈爾濱 150025；2.哈爾濱商業(yè)大學 輕工學院，哈爾濱 150028）

據(jù)不完全統(tǒng)計，我國每年因包裝不善所造成的經(jīng)濟損失高達140多億元，其中因緩沖包裝不當所造成的損失占80%左右。運輸過程中包裝件受到的沖擊是由于物體的位置、速度或加速度在外力作用下發(fā)生的突然變化。當沖擊對包裝件內(nèi)的軸承產(chǎn)生的加速度達到或超過產(chǎn)品的脆值時，軸承接觸表面會產(chǎn)生損傷從而影響質(zhì)量［1］。因此需要添加緩沖包裝襯墊削弱沖擊對軸承質(zhì)量的影響，將流通過程中的沖擊和振動減小到軸承所能承受的范圍內(nèi)，保證產(chǎn)品質(zhì)量。

依據(jù)GJB 2711—1996《軍用運輸包裝件測試方法》［2］并參考 GB／T 4857—1992《包裝 運輸包裝件 試驗時各部位的標示方法》［3］系列包裝標準，在實驗室環(huán)境下模擬真實運輸過程出現(xiàn)的自由跌落和振動，對航空發(fā)動機用276927型軸承的包裝進行自由跌落和正弦定頻振動測試研究。

1 無緩沖襯墊包裝的緩沖性能試驗

傳統(tǒng)軸承包裝不采用緩沖襯墊，僅依靠瓦楞紙板的剛度和緩沖性對內(nèi)部軸承提供防護［4］，該方式包裝存在如下缺點：

1）無法對內(nèi)裝的軸承進行定位，即無法限制其在盒內(nèi)運動，造成運輸過程中的軸承竄動；

2）對于降低運輸過程中的沖擊和振動對軸承接觸表面的影響情況，瓦楞紙板的作用有限。

以276927型軸承為研究對象，在標準高度（700 mm）［2］模擬搬運過程中的自由跌落，通過多通道數(shù)據(jù)采集儀處理數(shù)據(jù)，得到?jīng)_擊加速度曲線如圖1所示。由圖可知，最大加速度為1 832 m／s2，該值遠超加速度傳感器的極限量程，多次試驗會燒毀調(diào)節(jié)器，導致測量不準確。振動試驗在運輸包裝振動試驗臺上進行，采用加速度傳感器及數(shù)據(jù)分析采集儀進行數(shù)據(jù)采集和分析，軸承在5 Hz的頻率下［3］所受加速度為 11.703 m／s2（圖2），超出良好道路運輸加速度范圍（表1）。

圖1 軸承跌落加速度曲線Fig.1 The acceleration curve of bearing dropping

圖2 軸承在5 Hz振動頻率的加速度曲線Fig.2 The acceleration curve of bearing vibration with 5 Hz

表1 公路運輸振動加速度［5］Tab.1 Highway vibration acceleration

試驗后軸承鋼球表面損傷如圖3所示。圖中白線圈出的區(qū)域存在明顯磕碰產(chǎn)生的凹痕，這是由于跌落試驗時，鋼球與溝道相互碰撞。

圖3 鋼球損傷痕跡Fig.3 The damage on ball

試驗前隨機選擇3個點測試，表面粗糙度Ra分別為0.054 2，0.059 9，0.056 3μm，試驗后根據(jù)表面損傷情況選擇6個點測試表面粗糙度Ra分別為 0.094 8，0.066 6，0.084 7，0.084 7，0.068 5，0.072 3μm。由結(jié)果可知，試驗后鋼球表面粗糙度均大于試驗前，說明未加裝緩沖襯墊的軸承在運輸過程中其表面質(zhì)量會受到?jīng)_擊和振動的影響，導致產(chǎn)品質(zhì)量嚴重受損而產(chǎn)生次品。

2 不同緩沖襯墊材料的緩沖系數(shù)

2.1 發(fā)泡聚氨酯的緩沖系數(shù)

聚氨酯是常用的緩沖包裝材料［6-7］，其特點是回彈性好，緩沖性能好，適用溫度范圍廣［8-10］；缺點是承載能力小，適用范圍窄，不能用于較重產(chǎn)品的緩沖包裝。由于現(xiàn)場發(fā)泡工藝受人為因素影響較大，導致其緩沖性能有所差異，因此需要多次測試取均值對其進行標定。發(fā)泡聚氨酯試樣的密度 ρ＝0.02 g／cm3，截面積 A＝100 mm×100 mm，厚度h＝40 mm，60 mm。

緩沖包裝設(shè)計要求為

式中：Gm為產(chǎn)品受到的實際加速度；［G］為許用加速度。

由試驗數(shù)據(jù)擬合出的應(yīng)力-應(yīng)變（σ-ε）曲線如圖4所示。

圖4 應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.4 Curve of stress-strain

用近似解法求緩沖系數(shù)C的步驟如下：

1）將σ-ε曲線下的面積分割為若干個小區(qū)域，確定各分點的應(yīng)力σi和應(yīng)變εi的值（i＝1，2，3，…）；

2）計算各區(qū)域的面積

令σi＝σmi，以 C為縱坐標，σm為橫坐標，可得到緩沖系數(shù)-應(yīng)力的C-σm曲線，發(fā)泡聚氨酯材料緩沖墊的緩沖系數(shù)-應(yīng)力曲線如圖5所示。

圖5 發(fā)泡聚氨酯緩沖墊的緩沖系數(shù)-應(yīng)力曲線Fig.5 Cushion-stress curve of cushioning coefficient of foamed polyurethane

2.2 發(fā)泡聚乙烯的緩沖系數(shù)

試驗用發(fā)泡聚乙烯試樣的密度ρ＝0.04 g／cm，截面積A＝100 mm×100 mm，厚度h＝40 mm?；陟o壓縮試驗得到的EPE緩沖系數(shù)-應(yīng)力曲線如圖6所示。

圖6 發(fā)泡聚乙烯緩沖墊的緩沖系數(shù)-應(yīng)力曲線Fig.6 Cushion-stress curve of cushioning coefficient of foamed polyethylene

3 緩沖襯墊厚度計算

276927型軸承的外徑為201.7 mm，內(nèi)徑為158.8 mm，質(zhì)量為3.94 kg，其脆值選擇為120［5］，跌落高度最大值為700 mm。

軸承水平放置在下層緩沖襯墊之上，其緩沖面積為外圈與襯墊的接觸面積

式中：R1為外圈外半徑；r1為外圈內(nèi)半徑。

緩沖襯墊受最大應(yīng)力為

式中：W為軸承重量；G為軸承脆值。

圖5中，σm＝0.378 MPa對應(yīng)的緩沖系數(shù)為6.2，緩沖襯墊的厚度為

式中：H為包裝件跌落高度。確定發(fā)泡聚氨酯材料襯墊厚度至少為40 mm，才能達到緩沖要求。

圖6中，σm＝0.378 MPa對應(yīng)的緩沖系數(shù)為3.5，則計算得到發(fā)泡聚乙烯襯墊厚度至少為20 mm。

緩沖材料為瓦楞紙板，根據(jù)文獻［4］中的曲線確定襯墊厚度至少為10 mm。

4 緩沖襯墊的性能對比試驗

不同厚度的3種材料在同一高度（700mm）自由跌落的加速度如圖7所示。由圖可知，發(fā)泡聚乙烯緩沖襯墊傳遞給軸承的沖擊加速度最小，而瓦楞紙板傳遞加速度最大，即軸承受到的沖擊加速度影響最大。

圖7 3種材料自由跌落加速度對比圖Fig.7 Contrast diagram of free fall acceleration of three kinds of materials

由于瓦楞紙板的易損傷性質(zhì)，其不宜作為多次往復振動的緩沖墊，故僅對比發(fā)泡聚氨酯和發(fā)泡聚乙烯運輸振動時傳遞給軸承的加速度。

不同振動頻率下2種材料（厚40 mm）的加速度如圖8所示。由圖可知，發(fā)泡聚乙烯在3～5 Hz［3］內(nèi)吸收振動的性能略優(yōu)于發(fā)泡聚氨酯，2種材料傳遞的加速度均隨振動頻率的增加而增加。

圖8 不同頻率下2種材料的加速度對比圖Fig.8 Acceleration contrast diagram for different frequency

在軸承外圈滾道表面上隨機選擇3個點，試驗前后的表面粗糙度值見表2。

由表2可知，未加裝緩沖襯墊的軸承在瓦楞紙盒中，當?shù)鋾r接觸表面會受到?jīng)_擊力影響，導致產(chǎn)品質(zhì)量嚴重受損而產(chǎn)生次品。而采用發(fā)泡聚氨酯及發(fā)泡聚乙烯作為緩沖材料進行保護時，可有效減輕沖擊對軸承接觸表面的不利影響。

5 結(jié)論

通過對發(fā)泡聚氨酯、發(fā)泡聚乙烯和瓦楞紙板包裝的緩沖性能進行測試與分析，得出以下結(jié)論：

1）對于精密加工的軸承運輸包裝必須采用緩沖襯墊進行減振防護，否則在運輸過程中會影響軸承表面質(zhì)量；采用發(fā)泡聚氨酯作為包裝緩沖墊可有效減小軸承受到的自由跌落和運輸振動產(chǎn)生的加速度；

2）發(fā)泡聚氨酯襯墊厚度為40 mm時緩沖效果最佳；發(fā)泡聚乙烯材料厚度為20 mm時即可提供足夠的包裝防護效果；

3）如提供足夠的軸承定位、緩沖等防護功能，可選用發(fā)泡聚氨酯與發(fā)泡聚乙烯材料復合包裝，即上層襯墊采用發(fā)泡聚氨酯，利用其現(xiàn)場發(fā)泡特點自適應(yīng)軸承形狀，以對軸承進行定位；下層采用發(fā)泡聚乙烯提供足夠的吸能緩沖防護。