姚海濤，劉 巍，蔡 明

(中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西景德鎮(zhèn) 333001)

0 引言

關(guān)節(jié)軸承是一種通過(guò)外球面內(nèi)圈和內(nèi)球面外圈傳遞載荷和運(yùn)動(dòng)的滑動(dòng)軸承［1］，具有傾斜角大，承受載荷與抗沖擊的能力大、自動(dòng)調(diào)心和潤(rùn)滑好等特點(diǎn)。在直升機(jī)的飛行操縱系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)和機(jī)體結(jié)構(gòu)中廣泛使用。變距拉桿(pitch link)是直升機(jī)飛行操縱系統(tǒng)中重要的部件，兩端的關(guān)節(jié)軸承用于傳遞三個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)和載荷。

關(guān)節(jié)軸承失效的主要模式是磨損失效，磨損使內(nèi)外圈的間隙增大。變距拉桿端頭軸承間隙的影響主要包括兩個(gè)方面:直接影響直升機(jī)的飛行品質(zhì)，振動(dòng)加劇并通過(guò)自動(dòng)傾斜器傳遞到機(jī)身［2］;變距拉桿承受的交變載荷增大，疲勞壽命急劇降低，甚至出現(xiàn)機(jī)毀人亡的嚴(yán)重事故［3］。國(guó)內(nèi)直9A型機(jī)變距拉桿端頭的關(guān)節(jié)軸承，在使用過(guò)程中曾出現(xiàn)過(guò)自潤(rùn)滑層磨損、破裂等現(xiàn)象［4］。因此，用于直升機(jī)的關(guān)節(jié)軸承必須進(jìn)行試驗(yàn)考核，驗(yàn)證其疲勞特性或者耐久性能，確定許用徑向或軸向間隙［5］。

1 試驗(yàn)要求

1.1 加載要求

在相同環(huán)境下，本項(xiàng)目對(duì)2個(gè)供應(yīng)商(簡(jiǎn)稱(chēng)S和R)分別提供的關(guān)節(jié)軸承同時(shí)進(jìn)行500小時(shí)耐久性試驗(yàn)，試驗(yàn)件均滿(mǎn)足同一技術(shù)要求。試驗(yàn)?zāi)M直升機(jī)飛行操縱系統(tǒng)中使用的工況參數(shù)，載荷及運(yùn)動(dòng)加載要求如圖1所示。

載荷:外圈和內(nèi)圈之間的徑向力，正方向?yàn)閄軸正方向，F(xiàn)=-1000N±3000N;

擺動(dòng):內(nèi)圈和外圈繞Y軸的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，正方向?yàn)閅軸正方向，φ=±15°;

轉(zhuǎn)動(dòng):內(nèi)圈和外圈繞X軸的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，正方向?yàn)閄軸正方向，θ=±10°。

圖1 載荷及運(yùn)動(dòng)要求

載荷、轉(zhuǎn)動(dòng)和擺動(dòng)的加載頻率為5.25Hz;試驗(yàn)幅值誤差不大于3%，載荷、轉(zhuǎn)動(dòng)、擺動(dòng)同相位加載。

1.2 測(cè)量要求

參照直升機(jī)維護(hù)手冊(cè)的規(guī)定和間隙測(cè)量結(jié)果，每隔25-50小時(shí)測(cè)量軸承的軸向間隙和徑向間隙。

2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置主要由加載系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等系統(tǒng)組成。

2.1 加載系統(tǒng)

加載系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)載荷和運(yùn)動(dòng)施加，包括載荷加載機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)動(dòng)加載機(jī)構(gòu)和擺動(dòng)加載機(jī)構(gòu)，如圖2所示。載荷加載機(jī)構(gòu)中考慮載荷和擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)之間的影響，載荷通過(guò)回轉(zhuǎn)接頭施加到軸承柄上，接頭的輸入端和輸出端可以相對(duì)自由轉(zhuǎn)動(dòng)而且載荷換向過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生間隙，消除了滯后現(xiàn)象以及載荷和擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)之間的耦合影響。

圖2 加載系統(tǒng)

軸采用一端固定一端游動(dòng)的支撐方式，保持鎖緊螺母產(chǎn)生的軸向壓力值恒定。壓力通過(guò)支撐軸承、襯套施加到內(nèi)圈端面，另一方向軸的凸肩擋住內(nèi)圈。試驗(yàn)中軸向壓力產(chǎn)生的摩擦力矩要始終大于受載情況下產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩(torque under load)。為了消除擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)的間隙，擺動(dòng)加載接頭具有間隙調(diào)節(jié)功能，提高系統(tǒng)響應(yīng)特性和控制效果。

2.2 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)作動(dòng)筒的直線運(yùn)動(dòng)和曲柄的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換，主要由作動(dòng)筒、位移傳感器、曲柄和支座等部件組成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、具有加載頻率和角度參數(shù)控制、振動(dòng)水平低、運(yùn)動(dòng)間隙小。原理如圖3所示。

圖3 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)原理圖

傳統(tǒng)軸承擺動(dòng)試驗(yàn)裝置的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要由電機(jī)、減速器、變頻器和曲柄連桿機(jī)構(gòu)等組成［6］。加載頻率一般通過(guò)變頻器調(diào)頻或者減速器減速;通過(guò)調(diào)節(jié)曲柄和連桿的長(zhǎng)度實(shí)現(xiàn)加載角度值。

確定作動(dòng)筒的直線運(yùn)動(dòng)和曲柄的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換關(guān)系，也就是作動(dòng)筒活塞桿的位移變化量△L和曲柄的轉(zhuǎn)動(dòng)角度β的函數(shù)關(guān)系△L=F(β)。

位置關(guān)系見(jiàn)圖3，初始位置:

任意位置:

根據(jù)三角形余弦定理

將公式(1)、(2)和(3)代入到公式(4)中，得到函數(shù)關(guān)系式:

本文首先繪出公式(5)的圖形，如圖4所示，R取值50-100mm，Lo值等于900mm，然后用一個(gè)初等函數(shù)模擬出圖形，這個(gè)函數(shù)就是△L=F(β)的表達(dá)式。

圖4 △L和β函數(shù)關(guān)系

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)化關(guān)系的一階函數(shù)關(guān)系表達(dá)式:△L=K×β，其中K-轉(zhuǎn)換系數(shù)，K的數(shù)值等于△L和β函數(shù)關(guān)系曲線的斜率。這種方法產(chǎn)生的加載誤差和曲柄的長(zhǎng)度R、作動(dòng)筒的長(zhǎng)度Lo和加載角度值β有關(guān)。本項(xiàng)試驗(yàn)擺動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)加載作動(dòng)筒的位移誤差在加載過(guò)程中呈現(xiàn)周期性變化，如圖5所示。

圖5 加載誤差周期性變化

當(dāng) β=15°時(shí)，位移△L的加載誤差僅有0.571%，角度的加載誤差僅有0.582%，加載誤差不會(huì)影響試驗(yàn)結(jié)果。

2.3 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)使用MTS公司的Aero-ST，通過(guò)調(diào)整PID參數(shù)和采用幅值補(bǔ)償技術(shù)達(dá)到加載要求，試驗(yàn)載荷采用力控制方式，轉(zhuǎn)動(dòng)和擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)采用位移控制方式。

3 間隙測(cè)量

試驗(yàn)過(guò)程中，關(guān)節(jié)軸承間隙測(cè)量委托第三方(國(guó)家軸承檢測(cè)中心)完成。測(cè)量項(xiàng)目包括軸向間隙和徑向間隙測(cè)，測(cè)量精度達(dá)到1μm。軸向間隙測(cè)量時(shí)施加60N預(yù)壓緊力;徑向間隙測(cè)量時(shí)施加20N預(yù)壓緊力。間隙測(cè)量結(jié)果如6所示。

圖6 軸承間隙測(cè)量結(jié)果

結(jié)果表明參試的關(guān)節(jié)軸承軸向和徑向間隙都隨著時(shí)間不斷增大，軸向的磨損量大約是徑向的3～8倍。S公司樣品的軸向間隙初始只有15μm，但是試驗(yàn)過(guò)程中磨損情況比較嚴(yán)重，350小時(shí)的軸向和徑向間隙已經(jīng)達(dá)到350μm和103μm。R公司的試驗(yàn)件的磨損特性與磨損過(guò)程的三階段模型十分吻合，0-50小時(shí)為磨合期，50-400小時(shí)為穩(wěn)定磨損階段，400小時(shí)以后為磨損加速。根據(jù)磨損特性的分析研究結(jié)果，R公司提供的產(chǎn)品更適合直升機(jī)變距拉桿的使用要求。

4 結(jié)論

在供應(yīng)商S和R的關(guān)節(jié)軸承耐久性試驗(yàn)項(xiàng)目研究中，制訂了一套合理、可行的試驗(yàn)方法，自主研制的試驗(yàn)設(shè)備滿(mǎn)足關(guān)節(jié)軸承三向加載的各項(xiàng)技術(shù)要求，實(shí)現(xiàn)了高頻加載、參數(shù)化控制載荷和運(yùn)動(dòng)。此套軸承耐久性試驗(yàn)裝置可以應(yīng)用于關(guān)節(jié)軸承的多種性能試驗(yàn)和各種環(huán)境(高溫、低溫、沙塵和鹽霧等)試驗(yàn)。

［1］周境.自潤(rùn)滑向心關(guān)節(jié)軸承［J］.軸承.2003(7).

［2］高亞?wèn)|.旋翼變距拉桿關(guān)節(jié)軸承的磨損故障特征及磨損程度識(shí)別［J］.南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，38(1).

［3］McFalls M.Fatigue Life Analysis of Helicopter Components Based on Usage Monitoring［C］.The American Helicopter Society，2004.

［4］陸建明.直-九(A)型機(jī)旋翼槳葉變距拉桿軸承磨損分析［C］.第十二屆全國(guó)直升機(jī)年會(huì)論文.

［5］蔣新桐，等，編.飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)第19冊(cè):直升機(jī)設(shè)計(jì)［M］.北京:航空工業(yè)出版社，2005.

［6］宋云峰.PTFE銅網(wǎng)復(fù)合材料襯墊自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承的試驗(yàn)研究［J］.機(jī)械工程材料，2003，27(6)