航空飛行器用超高速角接觸球軸承的研制與試驗(yàn)驗(yàn)證

郝大慶，李鴻亮，鄭艷偉，韓濤，徐潤(rùn)潤(rùn)

(1.洛陽(yáng)軸承研究所有限公司，河南 洛陽(yáng) 471039；2.河南省高性能軸承技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽(yáng) 471039)

1 概述

隨著航空飛行器轉(zhuǎn)子系統(tǒng)向高轉(zhuǎn)速方向發(fā)展，飛行器需在短時(shí)間內(nèi)追蹤到目標(biāo)并實(shí)施打擊，且能夠完成多個(gè)循環(huán)動(dòng)作，這就要求起支承作用的角接觸球軸承在高速(轉(zhuǎn)速高達(dá)120 000 r/min)、頻繁啟停工況下工作，軸承易出現(xiàn)非常規(guī)的疲勞失效。國(guó)內(nèi)某主機(jī)廠家對(duì)超高速軸承的設(shè)計(jì)要求見(jiàn)表1，選用國(guó)外軸承，并進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，軸承僅能滿足主機(jī)20次啟停循環(huán)， 試驗(yàn)壽命僅30 h，失效模式主要為軸承散套，溝道燒傷，保持架斷裂等。

表1 超高速軸承設(shè)計(jì)要求

國(guó)內(nèi)外對(duì)角接觸球軸承做了大量研究：文獻(xiàn)[1]建立了擬靜力學(xué)蠕滑分析模型，分析了軸承的運(yùn)動(dòng)學(xué)和力學(xué)性能；文獻(xiàn)[2]考慮了鋼球陀螺旋轉(zhuǎn)、離心力等，基于赫茲接觸理論建立了高速角接觸球軸承擬動(dòng)力學(xué)分析模型，分析了結(jié)構(gòu)參數(shù)和工況參數(shù)對(duì)軸承動(dòng)態(tài)特性的影響；文獻(xiàn)[3]建立了角接觸球軸承完全動(dòng)力學(xué)模型，分析了軸承打滑機(jī)理，并提出了軸承潤(rùn)滑熱失效條件；文獻(xiàn)[4-5]介紹了高速精密角接觸球軸承保持架材料的選擇；文獻(xiàn)[6]分析了精密角接觸球軸承的運(yùn)動(dòng)學(xué)和發(fā)熱機(jī)理，并開(kāi)展了相關(guān)試驗(yàn)研究，給出了最佳預(yù)緊量和潤(rùn)滑劑量；文獻(xiàn)[7]基于動(dòng)力學(xué)和摩擦生熱原理，建立軸承熱機(jī)耦合模型，分析了軸承在高速工況下的運(yùn)動(dòng)特性、溫度分布、動(dòng)剛度等；文獻(xiàn)[8-9]開(kāi)展了燃?xì)廨啓C(jī)用高溫高速角接觸球軸承的設(shè)計(jì)分析和試驗(yàn)機(jī)研制；文獻(xiàn)[10-12]分析了高速角接觸球軸承的動(dòng)力學(xué)特性，研究范圍從軸承潤(rùn)滑油的拖動(dòng)特性到保持架穩(wěn)定性、摩擦功耗等；文獻(xiàn)[13]分析發(fā)現(xiàn)某輔助動(dòng)力起動(dòng)機(jī)動(dòng)力轉(zhuǎn)子角接觸球軸承的失效原因?yàn)闈?rùn)滑油噴嘴堵塞，潤(rùn)滑油流量和流向發(fā)生變化；文獻(xiàn)[14]分析發(fā)現(xiàn)某起動(dòng)機(jī)出現(xiàn)異常振動(dòng)和碰磨的原因?yàn)檗D(zhuǎn)子質(zhì)心不在軸線或撓度大，轉(zhuǎn)子軸系剛度不足，軸承精度不高等；文獻(xiàn)[15-16]分析了高速角接觸球軸承的打滑特性，給出了鋼球與溝道的摩擦學(xué)及潤(rùn)滑特性；文獻(xiàn)[17-18]建立了軸承動(dòng)力學(xué)模型，為軸承動(dòng)力學(xué)分析奠定了基礎(chǔ)；文獻(xiàn)[19]分析了燃?xì)廨啓C(jī)用角接觸球軸承出現(xiàn)早期剝落的原因?yàn)闈?rùn)滑不良；文獻(xiàn)[20]采用氮化硅陶瓷球軸承，實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)壽命、低功耗，并將陶瓷球軸承用于乘用車渦輪增壓器；文獻(xiàn)[21]分析了保持架結(jié)構(gòu)形式和引導(dǎo)方式，潤(rùn)滑劑流量對(duì)軸承溫升和保持架打滑率的影響，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，保持架單邊引導(dǎo)更利于軸承高速運(yùn)轉(zhuǎn)。

上述文獻(xiàn)對(duì)角接觸球軸承研究的最高轉(zhuǎn)速僅為每分鐘幾萬(wàn)轉(zhuǎn)，關(guān)于轉(zhuǎn)速高達(dá)120 000 r/min且頻繁啟停的角接觸球軸承的研究較少；故有必要開(kāi)展該類航空飛行器用超高速角接觸球軸承的設(shè)計(jì)分析，并進(jìn)行相應(yīng)的試驗(yàn)驗(yàn)證。

2 超高速軸承設(shè)計(jì)

2.1 材料

在高速工況下，軸承自身會(huì)產(chǎn)生大量的摩擦熱，實(shí)際工作溫度短時(shí)會(huì)超過(guò)180 ℃，接觸區(qū)溫度高達(dá)500 ℃，常規(guī)的GCr15軸承鋼已不能滿足要求。根據(jù)航空發(fā)動(dòng)機(jī)主軸軸承的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，該工況下軸承套圈和鋼球材料一般選擇8Cr4Mo4V鋼，與國(guó)外M50鋼性能相當(dāng)，在高溫下硬度高，抗疲勞，耐磨損，且具有良好的尺寸穩(wěn)定性以及較好的加工性能。保持架材料一般選用強(qiáng)度高，彈性好，耐磨損，抗磁性強(qiáng)的QSn6.5-0.1錫青銅，具有良好的切削加工性能，且耐腐蝕。

2.2 引導(dǎo)方式

高速工況下采用套圈引導(dǎo)，保持架運(yùn)轉(zhuǎn)更穩(wěn)定。由于鋼球離心力較大，鋼球在內(nèi)圈上的滑動(dòng)速度較大，摩擦生熱多，故采用外圈引導(dǎo)，鋼球與內(nèi)圈溝道摩擦產(chǎn)生的熱量可及時(shí)擴(kuò)散。此外，外圈引導(dǎo)可使保持架過(guò)梁尺寸加大，強(qiáng)度提高。

2.3 參數(shù)選取

為提高軸承承載能力及壽命，需選取直徑大的鋼球；為減小鋼球離心力的影響，降低鋼球與套圈之間的旋滾比，減少摩擦，需要直徑小的鋼球。在運(yùn)行過(guò)程中，球軸承接觸角受到溫度、離心力、裝配等因素的影響會(huì)發(fā)生變化，影響軸承的載荷分布，而載荷分布與軸承壽命緊密相關(guān)，需在設(shè)計(jì)時(shí)給予考慮。綜合考慮軸承的高速性能和承載能力，對(duì)軸承主要結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，鋼球直徑為4.762 5 mm，球數(shù)為10，接觸角為13°～17°。軸承主參數(shù)確定后，其他參數(shù)可參考角接觸球軸承的設(shè)計(jì)方法得到。

3 動(dòng)力學(xué)分析

考慮鋼球與套圈、套圈與保持架、鋼球與保持架之間的相互作用，建立軸承完全動(dòng)力學(xué)仿真分析模型，分析時(shí)考慮鋼球的陀螺旋轉(zhuǎn)及離心力、潤(rùn)滑油的拖拽等。軸承動(dòng)力學(xué)求解時(shí)，需先給定初始解，初始解由軸承靜力學(xué)分析得到。

為準(zhǔn)確描述軸承各零件之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，建立如圖1所示坐標(biāo)系，動(dòng)力學(xué)模型參考文獻(xiàn)[10]。

圖1 軸承坐標(biāo)系

軸承在超高速且頻繁啟停的工況下工作，需計(jì)算軸承的接觸應(yīng)力評(píng)判其承載能力。自旋滑動(dòng)是軸承摩擦和發(fā)熱的重要因素，自旋滑動(dòng)較大時(shí)，溝道表面易燒傷，有必要分析軸承運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中鋼球的旋滾比。在該工況下球與保持架的碰撞力較大，影響保持架的穩(wěn)定性，球與保持架的碰撞力和保持架打滑率可作為評(píng)判保持架是否穩(wěn)定運(yùn)行的重要指標(biāo)。此外，該類軸承失效模式為非常規(guī)疲勞失效，對(duì)其疲勞壽命的分析僅供參考。

3.1 接觸應(yīng)力

在軸向載荷為200 N，徑向載荷為300 N時(shí)，不同轉(zhuǎn)速下軸承的最大接觸應(yīng)力如圖2所示：1)隨轉(zhuǎn)速升高，內(nèi)圈最大接觸應(yīng)力減小，外圈最大接觸應(yīng)力增大，超過(guò)100 000 r/min時(shí)，外圈接觸應(yīng)力大于內(nèi)圈接觸應(yīng)力；2)鋼球與內(nèi)、外圈的最大接觸應(yīng)力為2 200 MPa，滿足不高于2 400 MPa(經(jīng)驗(yàn)值)的要求。

圖2 軸承最大接觸應(yīng)力隨轉(zhuǎn)速的變化曲線

3.2 旋滾比

由于鋼球離心力的作用，高速角接觸球軸承多采用外溝道控制，外溝道旋滾比接近為0，下文分析鋼球在內(nèi)溝道上的旋滾比。在軸向載荷為200 N，徑向載荷為300 N時(shí)，不同轉(zhuǎn)速下鋼球的最大旋滾比如圖3所示： 隨轉(zhuǎn)速升高，鋼球最大旋滾比增大，達(dá)到120 000 r/min時(shí)，最大旋滾比為0.5，滿足最大旋滾比不大于0.6(經(jīng)驗(yàn)值)的要求。

圖3 鋼球最大旋滾比隨轉(zhuǎn)速的變化曲線

3.3 鋼球與保持架的碰撞力和保持架打滑率分析

在軸向載荷為200 N，徑向載荷為300 N時(shí)，不同轉(zhuǎn)速下鋼球與保持架的最大碰撞力和保持架打滑率分別如圖4、圖5所示。由圖4可知：隨轉(zhuǎn)速升高，鋼球與保持架的最大碰撞力增大，最大碰撞力為18 N，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)要求，該軸承在超高速工況下工作時(shí)不會(huì)出現(xiàn)保持架斷裂等異?，F(xiàn)象。由圖5可知：隨轉(zhuǎn)速升高，保持架打滑率增大，最大值為8%，滿足低于10%的要求[22]。

圖4 鋼球與保持架的最大碰撞力隨轉(zhuǎn)速的變化曲線

圖5 保持架打滑率隨轉(zhuǎn)速的變化曲線

3.4 疲勞壽命

參考GB/T 6391—2010《滾動(dòng)軸承 額定動(dòng)載荷和額定壽命》，軸承額定動(dòng)載荷為

(1)

f1=0.95，

式中：α為接觸角；Z為球數(shù)；Dw為球徑；fi，fe分別為內(nèi)、外圈溝曲率半徑系數(shù)；Dpw為球組節(jié)圓直徑；i為軸承列數(shù)。

軸承當(dāng)量動(dòng)載荷為

Pr=XFr+YFa，

(2)

式中：X為徑向動(dòng)載荷系數(shù)；Fr為徑向載荷；Y為軸向動(dòng)載荷系數(shù)；Fa為軸向載荷。

軸承在最高轉(zhuǎn)速120 000 r/min下工作，按照可靠性為99%計(jì)算其疲勞壽命，潤(rùn)滑系數(shù)取1。8Cr4Mo4V鋼高溫性能較好，在計(jì)算軸承壽命時(shí)材料系數(shù)可取5甚至更大，但該軸承工作溫度高達(dá)180 ℃，轉(zhuǎn)速高達(dá)120 000 r/min且有啟停次數(shù)要求，計(jì)算時(shí)材料系數(shù)取2。軸承疲勞壽命為

(3)

由(1)～(3)式可得軸承疲勞壽命約為55 h。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)的角接觸球軸承是否滿足要求，與國(guó)外軸承進(jìn)行同樣的臺(tái)架試驗(yàn)，試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)如圖6所示，包括加載系統(tǒng)、高溫潤(rùn)滑系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)等。采用飛濺潤(rùn)滑(軸承最下端方位角為0°鋼球的一半浸在潤(rùn)滑油中，軸承旋轉(zhuǎn)時(shí)潤(rùn)滑油飛濺到溝道內(nèi))，試驗(yàn)過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)被試軸承外圈溫度、潤(rùn)滑油溫度及主體振動(dòng)。試驗(yàn)機(jī)測(cè)試精度見(jiàn)表2。

1—回油口；2—軸向加載；3—1#工位軸承測(cè)溫孔；4—2#工位軸承測(cè)溫孔；5—進(jìn)油口；6—徑向加載；7—3#工位軸承測(cè)溫孔；8—4#工位軸承測(cè)溫孔。

表2 試驗(yàn)機(jī)測(cè)試精度

試驗(yàn)過(guò)程中內(nèi)圈轉(zhuǎn)速?gòu)?逐步增加到120 000 r/min，運(yùn)行一段時(shí)間后，降速至0，如此往復(fù)變化，如圖7所示。

圖7 內(nèi)圈轉(zhuǎn)速變化示意圖

測(cè)量軸承運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中的振動(dòng)加速度和溫度，分別如圖8和圖9所示： 1)軸承最大振動(dòng)加速度低于19.6 m/s2，滿足不高于58.8 m/s2的設(shè)計(jì)要求，且振動(dòng)無(wú)突增；2)試驗(yàn)軸承溫度均低于100 ℃，未超過(guò)軸承套圈和鋼球的熱處理回火溫度。轉(zhuǎn)速一個(gè)循環(huán)為100 min，軸承連續(xù)完成了30個(gè)循環(huán)，壽命超過(guò)50 h。

圖8 試驗(yàn)軸承振動(dòng)加速度

圖9 試驗(yàn)軸承溫度

試驗(yàn)前、后軸承內(nèi)、外徑及徑向游隙無(wú)變化，拆解試驗(yàn)后的軸承如圖10所示,保持架和鋼球無(wú)異常磨損。

(a)1#軸承

軸承通過(guò)了臺(tái)架試驗(yàn)，啟停次數(shù)和壽命均能滿足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

為滿足某主機(jī)廠家的設(shè)計(jì)要求，開(kāi)展了航空飛行器轉(zhuǎn)子系統(tǒng)用超高速角接觸球軸承的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)驗(yàn)證工作，所開(kāi)發(fā)的軸承滿足轉(zhuǎn)速120 000 r/min，啟停次數(shù)30次，壽命50 h的設(shè)計(jì)要求。軸承交付主機(jī)單位后，隨主機(jī)進(jìn)行了試驗(yàn)考核，國(guó)產(chǎn)軸承壽命和循環(huán)次數(shù)比國(guó)外軸承提高了50%。分析結(jié)果可為航空飛行器轉(zhuǎn)子系統(tǒng)用超高速角接觸球軸承的理論分析和試驗(yàn)研究提供參考。