尾傳動(dòng)軸軸承性能試驗(yàn)機(jī)的研制

高佳麒 劉靜 王春月 王媛媛 陳興明

基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2021YFB3400404）

第一作者簡(jiǎn)介：高佳麒（1998-），男，助理工程師。研究方向?yàn)榉菢?biāo)設(shè)計(jì)。

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.15.003

摘? 要：直升機(jī)市場(chǎng)的不斷發(fā)展，對(duì)與直升機(jī)尾傳動(dòng)軸相配套的深溝球軸承的性能和可靠性提出更高的要求。為了對(duì)某款直升機(jī)尾傳動(dòng)軸所使用的深溝球軸承進(jìn)行壽命和可靠性試驗(yàn)，現(xiàn)設(shè)計(jì)一款尾傳動(dòng)軸軸承性能試驗(yàn)機(jī)，使用變頻器控制電機(jī)改變?cè)囼?yàn)軸承轉(zhuǎn)速，使用彈簧加載系統(tǒng)和絲杠螺母加載系統(tǒng)來(lái)模擬軸承在實(shí)際工作過(guò)程中的受載情況，通過(guò)溫度傳感器和振動(dòng)傳感器測(cè)量軸承運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。經(jīng)過(guò)多個(gè)型號(hào)軸承的載荷譜試驗(yàn)后，證明該試驗(yàn)機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，可用于直升機(jī)尾傳動(dòng)軸軸承的試驗(yàn)研究。

關(guān)鍵詞：尾傳動(dòng)軸軸承；試驗(yàn)機(jī)；設(shè)計(jì)；振動(dòng)；性能試驗(yàn)

中圖分類(lèi)號(hào)：TH89? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2024）15-0013-04

Abstract： The continuous development of the helicopter market has posed higher requirements for the performance and reliability of the deep groove ball bearing matched with the helicopter tail drive shaft. In order to test the life and reliability of the deep groove ball bearing used in the tail drive shaft of a certain helicopter， a performance testing machine for the tail drive shaft bearing is designed， and the frequency converter is used to control the motor to change the speed of the test bearing. The spring loading system and screw nut loading system are used to simulate the load of the bearing in the actual working process， and the running state of the bearing is measured by temperature sensor and vibration sensor. Through the load spectrum tests of several types of bearings， it is proved that the testing machine runs stably and reliably， can meet the design requirements， and can be used for the experimental study of helicopter tail drive shaft bearings.

Keywords： tail drive shaft bearing; testing machine; design; vibration; performance test

我國(guó)國(guó)土面積龐大，人口密集度高，雖然公路、鐵路等多種交通方式總長(zhǎng)度位于世界前列，但仍舊難以滿(mǎn)足運(yùn)輸要求。充分利用空間資源，發(fā)展相對(duì)快捷的空中交通刻不容緩。直升機(jī)由于可以低空、低速懸停，因垂直起降、懸停需要的場(chǎng)地空間小等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于觀光旅游、救援、消防、通信、農(nóng)業(yè)和商務(wù)運(yùn)輸?shù)榷鄠€(gè)行業(yè)。

雖然直升機(jī)市場(chǎng)龐大，但直升機(jī)相關(guān)技術(shù)的落后和市場(chǎng)意識(shí)薄弱，中航直升機(jī)股份有限公司是國(guó)產(chǎn)直升機(jī)的唯一制造商，在民用市場(chǎng)份額僅占4%。近年來(lái)，我國(guó)政府也加強(qiáng)對(duì)民用直升機(jī)產(chǎn)業(yè)的重視[1]，在全國(guó)各地鼓勵(lì)通航產(chǎn)業(yè)建設(shè)。目前，政府逐步放開(kāi)對(duì)低空空域的管制。民用直升機(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的限制越來(lái)越少，預(yù)計(jì)未來(lái)民用直升機(jī)國(guó)產(chǎn)化趨勢(shì)將越來(lái)越明顯。

1? 尾傳動(dòng)軸軸承簡(jiǎn)介

直升機(jī)尾傳動(dòng)軸位于主減速器和尾減速器之間，將主減速器的扭矩傳遞給尾漿，帶動(dòng)尾槳旋轉(zhuǎn)。直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。由于尾傳動(dòng)軸為高速旋轉(zhuǎn)部件，且需要長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作，對(duì)與之相配套的尾傳動(dòng)軸軸承的使用壽命和性能有著極高的要求。深溝球軸承由于摩擦力矩小、噪音低、高轉(zhuǎn)速時(shí)性能好[2]，在承受徑向力的同時(shí)能承受一定的軸向力，因此常常被選用為尾傳動(dòng)軸軸承。

在直升機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，主減速器和尾減速器的傳動(dòng)距離長(zhǎng)、傳動(dòng)級(jí)數(shù)多、傳動(dòng)效率高。與其他的傳動(dòng)系統(tǒng)相比，在制造、配合、安裝和維修過(guò)程中有著更加嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)和要求。許多廠商在軸承裝機(jī)之前要求通過(guò)試驗(yàn)證明軸承性能和可靠性。

圖1? 直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2? 軸承試驗(yàn)平臺(tái)

現(xiàn)根據(jù)試驗(yàn)軸承（如圖2所示）在實(shí)際工況中的安裝方式、受載、潤(rùn)滑條件和轉(zhuǎn)速等條件來(lái)研制試驗(yàn)機(jī)，對(duì)軸承進(jìn)行性能試驗(yàn)和耐久性試驗(yàn)[3]。

圖2? 試驗(yàn)軸承

2.1? 試驗(yàn)平臺(tái)主要參數(shù)

尾傳動(dòng)軸軸承試驗(yàn)機(jī)的主要結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要參數(shù)見(jiàn)表1，測(cè)量項(xiàng)目及精度見(jiàn)表2。

注：1為軸向加載裝置；2為徑向加載裝置；3為試驗(yàn)軸系；4為驅(qū)動(dòng)電機(jī)；5為床身。

圖3試驗(yàn)平臺(tái)主體結(jié)構(gòu)圖

該試驗(yàn)裝置主要由床身、加載系統(tǒng)、試驗(yàn)軸系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和測(cè)控系統(tǒng)組成。試驗(yàn)裝置主體采用剖分式結(jié)構(gòu)，便于做各種型號(hào)的軸承試驗(yàn)。采用臥式平臺(tái)通過(guò)地腳螺栓固定在地面上，減少試驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生的振動(dòng)。床身上設(shè)有滑軌，可以通過(guò)滑軌來(lái)調(diào)整箱體和驅(qū)動(dòng)電機(jī)的位置[4]。

表1試驗(yàn)平臺(tái)主要性能參數(shù)

表2試驗(yàn)平臺(tái)測(cè)量項(xiàng)目及精度

2.2軸承試驗(yàn)組件

軸承試驗(yàn)組件是整個(gè)試驗(yàn)機(jī)的核心部分，其結(jié)構(gòu)如圖4所示，主要由試驗(yàn)主軸、試驗(yàn)軸承、陪試軸承、箱體、振動(dòng)傳感器和溫度傳感器等組成。

試驗(yàn)軸承安裝在試驗(yàn)主軸的懸臂處與軸小間隙配合，2套陪試軸承與軸小間隙配合。直升機(jī)尾傳動(dòng)軸在設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)軸的重量有著嚴(yán)格要求，由于直升機(jī)自身的結(jié)構(gòu)限制，尾傳動(dòng)軸通常會(huì)做成薄壁圓筒的形式，并且軸的實(shí)際轉(zhuǎn)速接近臨界轉(zhuǎn)速[5]。為了減少軸的振動(dòng)對(duì)軸承的影響，軸與內(nèi)圈在裝配過(guò)程中通常會(huì)安裝橡膠圈來(lái)減少橫向位移和振動(dòng)。試驗(yàn)大綱要求試驗(yàn)過(guò)程中軸的軸向跳動(dòng)和徑向跳動(dòng)不大于0.01 mm，為了減少主軸跳動(dòng)對(duì)軸承試驗(yàn)的影響，將主軸設(shè)計(jì)成軸徑較大的實(shí)心軸。加工過(guò)程中做調(diào)質(zhì)處理，可以提高主軸的綜合力學(xué)性能，并在安裝軸承處進(jìn)行局部G42的熱處理，終加工前進(jìn)行液氮處理，加工完成后做動(dòng)平衡。在軸和軸承的裝配過(guò)程中，對(duì)軸進(jìn)行液氮處理，使其尺寸縮小后進(jìn)行裝配，以取得相應(yīng)的過(guò)盈量。

2.3軸承驅(qū)動(dòng)方式

試驗(yàn)軸承載荷譜要求轉(zhuǎn)速為0～5 000 r/min，為了留有足夠的余量和考慮到未來(lái)會(huì)做其他型號(hào)軸承的載荷譜試驗(yàn)，暫時(shí)選定驅(qū)動(dòng)電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速為8 000 r/min。試驗(yàn)過(guò)程中驅(qū)動(dòng)電機(jī)為試驗(yàn)軸系提供動(dòng)力，電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器和試驗(yàn)主軸軸系聯(lián)接，測(cè)控系統(tǒng)通過(guò)變頻器調(diào)節(jié)電機(jī)電源頻率來(lái)控制主電機(jī)轉(zhuǎn)速。驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選型需要計(jì)算系統(tǒng)的摩擦力矩。

本次試驗(yàn)軸承和陪試軸承采用脂潤(rùn)滑。潤(rùn)滑脂填充量：軸承內(nèi)部空間30%左右。試驗(yàn)主體總的摩擦力矩主要包括試驗(yàn)軸承摩擦力矩、2套陪試軸承的摩擦力矩。根據(jù)軸承類(lèi)型和潤(rùn)滑方式選擇摩擦力矩的計(jì)算公式并計(jì)算系統(tǒng)總的摩擦力矩。

最終確定設(shè)備為高轉(zhuǎn)速、低扭矩、小功率和低慣量的機(jī)械模型，根據(jù)設(shè)備需求和節(jié)能原則選定的伺服電動(dòng)機(jī)功率為5.5 kW，額定轉(zhuǎn)矩為17.5 N·m，額定轉(zhuǎn)速為2 000 r/min，最高轉(zhuǎn)速為8 000 r/min，能夠滿(mǎn)足試驗(yàn)要求。

2.4? 軸承加載方式

針對(duì)試驗(yàn)軸承只承受較小的軸向且載荷變化平穩(wěn)的情況，利用軸端彈簧加載系統(tǒng)進(jìn)行加載，彈簧加載系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。彈簧加載系統(tǒng)相比于液壓加載系統(tǒng)和氣動(dòng)加載系統(tǒng)制造工藝簡(jiǎn)單、造價(jià)低，極大降低了制造和試驗(yàn)成本。彈簧在受載時(shí)產(chǎn)生彈性形變，將彈性勢(shì)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，同時(shí)彈簧能夠吸收振動(dòng)和沖擊能量，儲(chǔ)存及輸出能量。試驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)專(zhuān)用扳手扳動(dòng)加力螺桿旋轉(zhuǎn)，連接套帶動(dòng)加載彈簧拉伸，產(chǎn)生的加載值通過(guò)拉力傳感器讀出。

2.5? 電氣測(cè)控系統(tǒng)

軟件采用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)：計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)選用Windows操作系統(tǒng)，測(cè)控系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)工具上位機(jī)PXI選用LabVIEW，應(yīng)用軟件采用結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)，模塊化編程，具有較強(qiáng)的可讀性和可移植性。控制系統(tǒng)具有自動(dòng)控制和手動(dòng)控制2種控制方式，兩者之間能夠快速無(wú)擾動(dòng)地進(jìn)行切換[6]。

注：1為床身；2為墊板；3為支架；4為導(dǎo)向桿；5為加力螺桿；6為連接套；7為加載彈簧；8為錐套；9為拉力傳感器；10為螺桿。

圖5彈簧加載系統(tǒng)

試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集由工控機(jī)控制自動(dòng)進(jìn)行，數(shù)據(jù)采集的時(shí)間間隔可根據(jù)試驗(yàn)要求進(jìn)行調(diào)整。測(cè)控系統(tǒng)能按要求對(duì)試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)自動(dòng)進(jìn)行采集、顯示、存儲(chǔ)，且數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確、顯示穩(wěn)定，采集的數(shù)據(jù)可以以表格的形式打印輸出，電氣測(cè)控系統(tǒng)界面如圖6所示。

3裝機(jī)試驗(yàn)

對(duì)某型號(hào)的直升機(jī)尾傳動(dòng)軸軸承進(jìn)行裝機(jī)試驗(yàn)，該試驗(yàn)件為脂潤(rùn)滑的密封深溝球軸承。試驗(yàn)平臺(tái)主體部分如圖7所示。

耐久性試驗(yàn)是試驗(yàn)軸承在某一載荷和轉(zhuǎn)速下持續(xù)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)，通過(guò)高頻率的采集溫度和振動(dòng)等數(shù)據(jù)來(lái)判斷試驗(yàn)軸承是否會(huì)出現(xiàn)異?，F(xiàn)象。此次耐久性試驗(yàn)設(shè)置為每1分鐘采集一次試驗(yàn)數(shù)據(jù)。此次試驗(yàn)共10個(gè)循環(huán)，本次選取的是從開(kāi)機(jī)到第一個(gè)循環(huán)結(jié)束的數(shù)據(jù)生成的振動(dòng)曲線(xiàn)圖和溫度曲線(xiàn)圖。每個(gè)循環(huán)持續(xù)時(shí)間10 h，共采集了540組數(shù)據(jù)。

圖7試驗(yàn)平臺(tái)主體部分

從圖8試驗(yàn)軸承的振動(dòng)曲線(xiàn)中可以看出，軸承振動(dòng)最小值為11.3 m/s2，振動(dòng)最大值為12.6 m/s2。試驗(yàn)開(kāi)始后隨時(shí)間波動(dòng)但總體逐漸趨于平穩(wěn)，且振動(dòng)值始終在試驗(yàn)要求范圍之內(nèi)。

圖8試驗(yàn)軸承的振動(dòng)曲線(xiàn)

從圖9試驗(yàn)軸承的溫度變化曲線(xiàn)可以看出，試驗(yàn)軸承溫度隨時(shí)間逐漸升高直到出現(xiàn)最高溫度56.75 ℃后趨于平穩(wěn)。試驗(yàn)過(guò)程中室溫為23.36 ℃，試驗(yàn)軸承最大溫升為33.39 ℃。最大溫升符合試驗(yàn)要求。

圖9試驗(yàn)軸承的溫度變化曲線(xiàn)

4結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中軸承溫度和振動(dòng)數(shù)據(jù)的檢測(cè)可以得知，本次試驗(yàn)方案和試驗(yàn)技術(shù)可行，軸承的振動(dòng)值和溫度始終在試驗(yàn)要求范圍之內(nèi)，試驗(yàn)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能夠按照試驗(yàn)方案完成啟停和轉(zhuǎn)速控制，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠及時(shí)準(zhǔn)確地記錄試驗(yàn)過(guò)程中溫度、振動(dòng)等參數(shù)。試驗(yàn)軸承疲勞剝落等異?，F(xiàn)象，試驗(yàn)方案和試驗(yàn)數(shù)據(jù)已經(jīng)交付給生產(chǎn)廠家，試驗(yàn)結(jié)論已經(jīng)獲得廠家和用戶(hù)認(rèn)可。該次試驗(yàn)的成功可以為相關(guān)軸承的設(shè)計(jì)、工藝和后續(xù)的失效分析提供判定依據(jù)，也可以為以后相似軸承的試驗(yàn)提供參考。

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