SAE飛機(jī)機(jī)體滾針軸承標(biāo)準(zhǔn)體系分析

林晶,趙穎春

(中國航空綜合技術(shù)研究所，北京 100028)

由于承載力大、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點，滾針軸承廣泛應(yīng)用于飛機(jī)機(jī)體的襟翼、副翼、縫翼等重要部位，與其他應(yīng)用情況不同，飛機(jī)上使用的滾針軸承主要作為滾輪使用，其結(jié)構(gòu)、性能等方面的要求與其他行業(yè)存在較大差異。飛機(jī)機(jī)體滾針軸承標(biāo)準(zhǔn)是滾針軸承產(chǎn)品設(shè)計的重要技術(shù)文件，構(gòu)建飛機(jī)機(jī)體滾針軸承標(biāo)準(zhǔn)體系有助于提高飛機(jī)機(jī)體滾針軸承的質(zhì)量可靠性及應(yīng)用技術(shù)水平。鑒于此,分析了SAE(Society of Automotive Engineers)飛機(jī)機(jī)體滾針軸承標(biāo)準(zhǔn)體系及國內(nèi)相關(guān)軸承標(biāo)準(zhǔn)的差異，以期為我國飛機(jī)機(jī)體滾針軸承標(biāo)準(zhǔn)的建立提供參考。

1 SAE標(biāo)準(zhǔn)體系分析

國外飛機(jī)機(jī)體滾針軸承標(biāo)準(zhǔn)體系相對完善，美國SAE標(biāo)準(zhǔn)體系最健全[1-17]，如圖1所示，包括產(chǎn)品規(guī)范、產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)、試驗方法等。由圖1可以看出：在SAE飛機(jī)機(jī)體滾針軸承標(biāo)準(zhǔn)體系中，頂層通用規(guī)范為AS 39901B，產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)16項。16項標(biāo)準(zhǔn)按結(jié)構(gòu)形式可分為10類，其中類型V，VI，VII分別有3個產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。除了通用規(guī)范和產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)外，SAE 飛機(jī)機(jī)體滾針軸承標(biāo)準(zhǔn)還制定了9項軸承檢測試驗方法標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 SAE飛機(jī)機(jī)體滾針軸承標(biāo)準(zhǔn)體系框圖Fig.1 Block diagram of SAE standard system of needle roller bearing for airframe

2 SAE標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容分析

2.1 結(jié)構(gòu)類型及尺寸

SAE飛機(jī)機(jī)體滾針軸承標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品包括單列、雙列、帶柄、自調(diào)心、帶密封結(jié)構(gòu)，不同的結(jié)構(gòu)類型應(yīng)用于不同的工況，并給出了不同結(jié)構(gòu)類型的軸承尺寸系列，見表1。其中，6種類型可用作滾輪，滾輪是飛機(jī)機(jī)體滾針軸承在飛機(jī)上的重要應(yīng)用。

表1 產(chǎn)品類型、應(yīng)用及尺寸系列Tab.1 Types, applications and dimension series of products

2.2 材料及熱處理

SAE標(biāo)準(zhǔn)中材料及硬度要求見表2。外圈、滾針、桿柄材料多采用50100，51100，52100軸承鋼,對應(yīng)我國的GCr15軸承鋼；密封對材料耐磨性有一定要求，多采用尼龍、PTFE、聚甲醛樹脂等材料；保持架材料多選用銅或高分子聚合物材料。這些材料是軸承行業(yè)常見材料，與國內(nèi)基本一致。隨軸承對耐腐蝕性能要求的提高，氮化耐蝕鋼應(yīng)用也越來越廣泛， AS 5927，AS 5928和AS 5929中內(nèi)圈、外圈以及滾針材料均采用氮化耐蝕鋼，其耐腐蝕性能與15-5PH 鋼類似，同時又具有較高的硬度和抗疲勞性能，硬度達(dá)60 HRC以上。在國內(nèi)，該類鋼的冶煉、加工和應(yīng)用還處于起步階段。

由表2可以看出：SAE標(biāo)準(zhǔn)中外圈硬度要求為58～66 HRC,滾針硬度要求為60～64 HRC,桿柄一部分作為內(nèi)圈滾道，一部分作為安裝螺栓，其硬度要求分別為60,36～46 HRC。桿柄材料相同，熱處理時要分段處理，作為內(nèi)圈部分要滲氮、滲碳或高頻淬火處理，作為桿柄部分要承受較大彎矩，其芯部相對柔軟。

表2 材料及硬度要求Tab.2 Requirements for material and hardness

2.3 表面粗糙度

SAE標(biāo)準(zhǔn)中表面粗糙度的相關(guān)要求見表3。由表可以看出，表面粗糙度要求不高，這是由于機(jī)體滾針軸承一般以低速擺動或轉(zhuǎn)動為主，滿足使用壽命和性能要求即可。

表3 表面粗糙度Ra值要求Tab.3 Requirements for surface roughness Ra value

2.4 表面處理

SAE AS 39901B標(biāo)準(zhǔn)表面處理方法主要有鍍鉻、鍍鎘、鍍鋅鎳及鈍化，對于普通軸承鋼，主要采用鍍鉻、鍍鎘、鍍鋅鎳，其中外圈多采用鍍鉻，而其他零部件多采用鍍鎘和鍍鋅鎳。外圈鍍層厚度為0.010～0.025 mm，其他表面鍍層厚度為0.008～0.015 mm。這是由于作為滾輪使用時，軸承外圈與接觸表面會發(fā)生摩擦，鍍層較厚。對于氮化耐蝕鋼，由于其耐蝕性能較好，屬于不銹鋼類，主要采用鈍化表面處理方式。

2.5 潤滑

SAE AS 39901B標(biāo)準(zhǔn)中2種潤滑脂MIL-PRF-81322和MIL-PRF-23827工作溫度不同，MIL-PRF-81322工作溫度為-54～177 ℃，MIL-PRF-23827工作溫度為-54 ～121 ℃。

2.6 其他要求

SAE AS 39901B系列標(biāo)準(zhǔn)對軸承的以下方面進(jìn)行了規(guī)定：1)徑向跳動；2)徑向游隙；3)軸向游隙；4)尺寸穩(wěn)定性；5)軸向載荷；6)端面墊片推出；7)自調(diào)心；8)密封；9)密封測試(灰塵污染)；10)徑向額定動載荷；11)耐蝕性。

徑向跳動、徑向和軸向游隙、軸向載荷、密封、端面墊片推出、自調(diào)心等與我國相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求基本一致,而在尺寸穩(wěn)定性、密封、徑向額定動載荷、耐蝕性等方面與國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)要求有較大差異。

2.6.1 尺寸穩(wěn)定性

AS 39901B規(guī)定尺寸穩(wěn)定性檢測方法為：在室溫下測量軸承外徑，將軸承加熱到(122±5)℃并保持最少96 h，然后降至室溫，測量外徑。然后將軸承冷卻到(-54±6)℃并保持最少96 h，然后升溫至室溫，測量外徑。軸承直徑變化量應(yīng)不超過0.000 1 mm/mm。

國內(nèi)部分標(biāo)準(zhǔn)雖要求對軸承進(jìn)行冷處理以提高軸承尺寸穩(wěn)定性，但未明確規(guī)定軸承尺寸穩(wěn)定性的檢測方法及要求。

2.6.2 密封性能

AS 39901B規(guī)定的密封性能檢測方法為：在密閉箱中進(jìn)行，不施加載荷，轉(zhuǎn)速為3 r/min，外圈靜止。軸承應(yīng)在(25±3)℃的室溫下進(jìn)行至少48 h測試。測試介質(zhì)為ISO 12103.1:2016《Road vehicles—test contaminants foe filter evaluation—part 1:arizona test dust》的粗等級Arizona公路灰塵?；覊m測試箱為正方體，邊長約為50.8 mm，帶觀測孔用于觀察,在箱底應(yīng)保持至少25.4 mm厚度的測試介質(zhì)層。測試箱驅(qū)動應(yīng)提供連續(xù)的灰塵運動，形成均勻灰塵，使觀察孔很難看到被測軸承。測試軸承與測試軸承及與箱體之間應(yīng)至少有76.2 mm的距離。試驗前后軸承啟動力矩增加量不能超過100%且不能超過14.8 N·mm，徑向游隙增加量不應(yīng)超過50%且不能超過0.012 7 mm。

國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)中沒有類似的性能要求和試驗方法。

2.6.3 徑向額定動載荷

AS 39901B規(guī)定的徑向額定動載荷測試方法為：對軸承施加規(guī)定的額定載荷，轉(zhuǎn)速為10～100 r/min，運行20 000 r。在測試期間應(yīng)補(bǔ)充潤滑脂。試驗后軸承不應(yīng)有卡滯或斷裂。試驗中軸承外圈旋轉(zhuǎn)，內(nèi)圈固定，與實際使用工況基本一致。

國內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中還沒有類似的要求。

3 結(jié)束語

通過對SAE飛機(jī)機(jī)體滾針軸承的標(biāo)準(zhǔn)體系進(jìn)行分析，可以看出國內(nèi)目前在飛機(jī)機(jī)體滾針軸承標(biāo)準(zhǔn)方面存在的不足，對開展我國飛機(jī)機(jī)體滾針軸承標(biāo)準(zhǔn)體系構(gòu)建和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)編制、確定標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)內(nèi)容和參數(shù)等具有重要參考意義。