陶瓷滾動體軸承在直升機傳動系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

■ 尹美 陳興明 易長樂/中國航發(fā)動研所

隨著直升機對傳動系統(tǒng)質(zhì)量、傳遞效率、噪聲和可靠性要求的不斷提高，具有低密度、耐高溫、低損耗、長壽命等優(yōu)異性能的陶瓷滾動體軸承開始被越來越多地應(yīng)用到傳動系統(tǒng)中。

滾動軸承是直升機傳動系統(tǒng)的關(guān)鍵動部件之一，主要用于定位支承軸和齒輪等旋轉(zhuǎn)構(gòu)件，引導(dǎo)旋轉(zhuǎn)構(gòu)件精確轉(zhuǎn)動，并將旋轉(zhuǎn)構(gòu)件產(chǎn)生的力和力矩傳到機匣上，同時為軸和齒輪提供足夠的支承剛性。滾動軸承性能的優(yōu)劣直接影響和決定著直升機傳動系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)精度、壽命、極限轉(zhuǎn)速、承載能力、耐溫能力、穩(wěn)定性、可靠性和動態(tài)性能等關(guān)鍵指標(biāo)。

陶瓷滾動體軸承在先進旋翼傳動系統(tǒng)的應(yīng)用情況

美國先進旋翼傳動系統(tǒng)研究（ART）計劃對陶瓷滾動體軸承進行了深入的研究。西科斯基公司針對Pyrowear 53鋼制角接觸球軸承和Si3N4陶瓷球面滾動體軸承進行了扭矩、轉(zhuǎn)速性能試驗，250h持久試驗和斷油試驗。試驗結(jié)果表明：在高速工況下，陶瓷滾動體與鋼制內(nèi)外圈配合工作優(yōu)于鋼制滾動體與鋼制內(nèi)外圈；陶瓷滾動體軸承的溫度和振動水平低于鋼制軸承；陶瓷滾動體軸承產(chǎn)生的熱量少，運轉(zhuǎn)時間長，改進其保持架后還可進一步提高其生存力。

圖1 FAG公司的Si3N4陶瓷滾動體軸承

波音公司對陶瓷滾動體軸承最小量潤滑進行了試驗研究。試驗表明，陶瓷滾動體軸承具有較好的潤滑性能裕度，軸承減少了摩擦，提高了疲勞壽命和抗腐蝕能力，并能顯著減小滾動體離心力，可顯著提高高速軸承壽命。

FAG公司為了模擬陶瓷滾動體軸承（見圖1）在苛刻工況下的運行性能，利用碎屑攝入試驗和預(yù)破環(huán)套圈試驗，對全鋼軸承（內(nèi)外圈、滾動體均為M50NiL材料）、二次淬硬鋼軸承（內(nèi)外圈、滾動體均為M50NiL材料）和混合陶瓷軸承（滾動體為Si3N4，內(nèi)外圈為M50NiL材料）進行對比試驗，所用碎屑為Al3O2顆粒（顆粒尺寸0.1～0.2mm），預(yù)破環(huán)后的軸承外圈三維表面掃描如圖2所示，碎屑攝入試驗過程中監(jiān)測滑油金屬屑鐵含量如圖3所示。由圖2可見，外圈滾道預(yù)破壞尺寸長度達到0.03mm，深度達到3μm。由圖3可知，混合軸承比全鋼軸承更能抵抗碎屑污染，而二次淬硬全鋼軸承也表現(xiàn)出很好的優(yōu)異性。在碎屑攝入試驗中，相比于標(biāo)準(zhǔn)全鋼軸承，混合軸承的使用壽命有很大提升，超過6倍（到試驗暫停時），二次淬硬的鋼軸承使用壽命提升超過3倍（到試驗暫停時），二次淬硬鋼和Si3N4陶瓷球的使用壽命得到極大提升，超過10倍（到試驗暫停時）。

圖2 預(yù)破環(huán)后的軸承外圈三維表面掃描

圖3 滑油金屬屑監(jiān)測-鐵含量的比較

陶瓷滾動體軸承在我國直升機傳動系統(tǒng)的應(yīng)用

隨著我國直升機傳動技術(shù)的不斷發(fā)展，陶瓷滾動體軸承以其優(yōu)異的性能逐漸被應(yīng)用于傳動系統(tǒng)高速輸入端、離合器、尾傳動軸和尾減速器槳距操縱桿以及行星輪系等部位。

高速輸入端的應(yīng)用

直升機傳動系統(tǒng)高速輸入端軸承的工作特點為軸承轉(zhuǎn)速高、發(fā)熱量大，在潤滑系統(tǒng)故障或失效情況下，軸承在規(guī)定的工況下運轉(zhuǎn)30min的難度非常大。而高速運行條件下，陶瓷滾動體軸承具有較小的離心力、陀螺力矩、溫升及較穩(wěn)定的軸承溝道間隙，更加有利于軸承在高速、貧油或無油條件下工作。為了對比鋼制軸承和陶瓷滾動體軸承性能，在專用軸承試驗器上進行鋼制軸承和陶瓷滾動體軸承（兩組軸承類型和尺寸相同，但滾動體材料分別為M50鋼和Si3N4陶瓷）的轉(zhuǎn)速試驗、潤滑試驗及斷油試驗，并進行了分析。

對比試驗說明，Si3N4陶瓷滾動體軸承相比鋼制滾動體軸承在高速工況下發(fā)熱量明顯減小，對潤滑的需求也有所降低。當(dāng)潤滑失效時，Si3N4陶瓷滾動體軸承可顯著降低溫升，從而保持長時間的良好運行，這對于直升機傳動系統(tǒng)高速輸入端位置無疑是非常適用的。

離合器位置的應(yīng)用

直升機傳動系統(tǒng)離合器位置軸承外場使用時，絕大部分（約99%）的時間，內(nèi)外圈保持相同的轉(zhuǎn)速，因此內(nèi)外圈無相對轉(zhuǎn)動，相對轉(zhuǎn)速為0，在振動載荷作用下滾動體與套圈接觸處的油膜破裂，使?jié)L動體與內(nèi)外圈滾道金屬表面直接接觸。由于滾動體與內(nèi)外圈相對位置比較固定，在振動作用下滾動體與內(nèi)外圈滾道在接觸區(qū)域附近發(fā)生微動磨損，具體表現(xiàn)為軸承內(nèi)外圈滾道表面形成間隔等距離的、與滾動體表面仿形的損傷壓痕，即假布氏印痕。

離合器位置軸承運行工況特點決定了該位置軸承容易出現(xiàn)假布氏印痕現(xiàn)象，如果不改善軸承的假布氏現(xiàn)象，逐步發(fā)展將導(dǎo)致軸承滾道表面材料出現(xiàn)疲勞剝落，因此減緩假布氏現(xiàn)象對降低該位置軸承損傷具有重要意義。陶瓷球相對鋼球硬度更高，粗糙度更低，質(zhì)量更輕，摩擦系數(shù)更小，對潤滑油需求量更小。因此在軸承尺寸和結(jié)構(gòu)無法更改的情況下，采用Si3N4滾動體可有效減緩假布氏現(xiàn)象。經(jīng)過試驗驗證，內(nèi)圈滾道假布氏印痕得到明顯改善，Si3N4滾動體表面狀態(tài)良好。

尾傳動軸的應(yīng)用

直升機傳動系統(tǒng)通過尾傳動軸將主減速器動力傳輸至尾減速器，其支承軸承通常為密封脂潤滑結(jié)構(gòu)，軸承失效主要原因為潤滑脂泄漏失效，因此要求軸承能在少量潤滑脂情況下仍能保持正常工作，在無潤滑脂情況下具備較好的熱穩(wěn)定性。

為摸清密封油脂潤滑Si3N4陶瓷球軸承在漏脂條件下的性能變化趨勢，開展了尾傳動軸軸承在完全無潤滑脂和極少量潤滑脂情況下的性能試驗研究。研究表明Si3N4陶瓷滾動體軸承對潤滑需求少，僅用極少量潤滑脂仍能在允許溫度范圍內(nèi)長時間正常運行。另外，Si3N4陶瓷滾動體軸承的熱穩(wěn)定性較好，即使在沒有油脂的情況下，軸承運行至約105min時也沒有出現(xiàn)抱死現(xiàn)象。

槳距操縱桿位置的應(yīng)用

槳距操縱桿軸承通常為雙列角接觸球軸承，安裝于尾槳槳距操縱軸內(nèi)，其工作時需承受助力器操縱的動態(tài)軸向載荷。由于直升機傳動系統(tǒng)尾減速器采用飛濺潤滑，滑油流經(jīng)路徑較長，槳距操縱桿軸承潤滑非常困難。為了保證軸承的正常潤滑和工作，在槳距操縱桿的位置仍采用密封脂潤滑軸承，但是軸承潤滑脂會被減速器內(nèi)部的油霧稀釋，導(dǎo)致油脂的流失，對于保持其正常工作均有不利，因此采用密封油脂潤滑Si3N4陶瓷滾動體雙列角接觸球軸承，以減少潤滑需求。Si3N4陶瓷滾動體軸承具有摩擦小、潤滑需求較小和發(fā)熱小的特點，在槳距操縱桿位置應(yīng)用陶瓷滾動體軸承是非常合適的。

行星輪系上的應(yīng)用

陶瓷材料滾動體還可用在行星輪系的調(diào)心滾動體軸承上。行星齒輪調(diào)心滾動體軸承在自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)的共同作用下，離心載荷較大，且須在潤滑系統(tǒng)失效情況下軸承滿足30min干運轉(zhuǎn)要求。如圖4所示，調(diào)心滾動體軸承鼓形滾動體采用Si3N4陶瓷材料，外圈與行星齒輪一體化結(jié)構(gòu)，由于Si3N4陶瓷混合軸承具有密度小、摩擦小、耐磨損、熱穩(wěn)定性好、潤滑需求小等優(yōu)點，運轉(zhuǎn)過程中將減小離心力造成的附加應(yīng)力，潤滑系統(tǒng)失效情況下具有比鋼制軸承更高的可靠性，同時可有效降低軸承重量，這對于提升傳動系統(tǒng)可靠性和使用性能都十分有益。

圖4 陶瓷滾動體行星軸承

結(jié)束語

直升機傳動系統(tǒng)陶瓷滾動體軸承具有優(yōu)異的性能，Si3N4陶瓷滾動體軸承與鋼制軸承相比具有密度小、熱穩(wěn)定性好、高剛度、高硬度、表面粗糙度小、摩擦小、潤滑需求低等優(yōu)點。

直升機傳動系統(tǒng)在應(yīng)用了陶瓷滾動體軸承后，不僅提高了干運轉(zhuǎn)性能還有效降低了軸承重量。

目前陶瓷滾動體軸承在我國直升機傳動系統(tǒng)應(yīng)用的位置包括高速輸入端、離合器位置、尾傳動軸和槳距操縱桿，高速輸入端陶瓷滾動體軸承發(fā)熱量較小、干運轉(zhuǎn)性能更好，離合器位置陶瓷滾動體軸承假布氏印痕明顯改善、使用壽命更長，尾傳動軸陶瓷滾動體軸承在少量潤滑脂狀態(tài)仍能保持長時間正常運行，槳距操縱桿軸承在潤滑脂被滑油沖蝕后仍可繼續(xù)工作。

雖然陶瓷滾動體軸承性能優(yōu)異，但國內(nèi)相關(guān)設(shè)計分析方法、加工制造及檢測等還不夠成熟，設(shè)計方面須對陶瓷滾動體軸承使用壽命預(yù)測理論和游隙分析開展進一步研究。在加工制造方面，國內(nèi)基礎(chǔ)理論研究欠缺，尚不具備產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)能力；無損檢測方面，須開發(fā)可靠高效的檢測方法和儀器；結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，須開展基于軸承接觸力學(xué)性能、熱學(xué)性能、摩擦學(xué)性能匹配以及軸承動力學(xué)性能等精確化設(shè)計技術(shù)。相信隨著這些技術(shù)的發(fā)展，陶瓷滾動體軸承將會在直升機傳動系統(tǒng)中得到更廣泛的應(yīng)用。