劉國平，方建敏

（中國航發(fā)控制系統(tǒng)研究所，江蘇無錫 214063）

金屬膜盤聯(lián)軸器用關(guān)節(jié)軸承磨損特性研究

劉國平，方建敏

（中國航發(fā)控制系統(tǒng)研究所，江蘇無錫 214063）

為研究金屬膜盤聯(lián)軸器用關(guān)節(jié)軸承的磨損特性，對某型關(guān)節(jié)軸承在金屬膜盤聯(lián)軸器工作環(huán)境進行了分析，計算了其在最大載荷條件下的PV值，并分別開展了低速擺動軸向重載磨損試驗、高速擺動軸向無載磨損試驗和發(fā)動機真實工況磨損試驗。結(jié)果表明：金屬膜盤聯(lián)軸器用關(guān)節(jié)軸承的工作環(huán)境屬于高速旋轉(zhuǎn)和高速擺動、軸向重載和徑向無載，關(guān)節(jié)軸承的磨損量與其所承受的軸向載荷與擺動線速度直接相關(guān)。

關(guān)節(jié)軸承；金屬膜盤聯(lián)軸器；磨損

0 引言

金屬膜盤聯(lián)軸器屬于撓性聯(lián)軸器，廣泛應用于工業(yè)領域[1]。1947年首次被應用于飛機上，用于傳遞飛機附件機匣和發(fā)動機附件機匣之間的功率，并補償二者安裝和工作時的不對中，質(zhì)量輕、不需要潤滑。在大的不對中角度、高轉(zhuǎn)速及高溫度使?jié)櫥烬X式聯(lián)軸器及萬向節(jié)無法適應[2]的情況下，憑借其突出優(yōu)勢，幾乎所有傳統(tǒng)飛機附件傳動及直升飛機的主傳動和尾傳動均使用金屬膜盤式撓性聯(lián)軸器。但是由于膜盤的剛度較低，承載能力差，使用關(guān)節(jié)軸承可以提高聯(lián)軸器的軸向承載能力。例如，美國 F-15、F-16、F-18、F-22、F-35 和 X-29、X-47 飛機均使用此類結(jié)構(gòu)[3]。普通自潤滑關(guān)節(jié)軸承一般僅適用于低速擺動場合（擺動頻率n≤30次/min）[4-5]。高速滾珠關(guān)節(jié)軸承利用滾動摩擦代替滑動摩擦，提高了工作轉(zhuǎn)速（n=200～1300次/min）[6]。但是，高速滾珠關(guān)節(jié)軸承的承載能力較弱，無法滿足飛機上較大的軸向載荷要求，故國外金屬膜盤式聯(lián)軸器在選用關(guān)節(jié)軸承時一般采用普通自潤滑關(guān)節(jié)軸承。金屬膜盤式聯(lián)軸器用關(guān)節(jié)軸承的擺動頻率最高可達18000次/min，遠大于其一般應用工況。文獻[7]中對此類關(guān)節(jié)軸承的介紹較為簡單，僅提到其可以替膜盤承受軸系間的軸向作用力，并可以在膜盤失效后維持飛機和發(fā)動機附件兩端軸向位置。

目前，幾乎沒有任何有關(guān)此類關(guān)節(jié)軸承的應用環(huán)境和試驗方法的文獻發(fā)表，國內(nèi)的關(guān)節(jié)軸承專業(yè)研發(fā)機構(gòu)也是首次接觸到此類超高擺動頻率的關(guān)節(jié)軸承應用特例。本文分別從理論分析、仿真計算和試驗模擬的角度來研究金屬膜盤聯(lián)軸器用關(guān)節(jié)軸承的磨損特性，為其后續(xù)的研制和發(fā)展提供參考。

1 關(guān)節(jié)軸承工作環(huán)境分析

以某型金屬膜盤聯(lián)軸器為例來研究關(guān)節(jié)軸承的特殊工作環(huán)境，帶關(guān)節(jié)軸承的膜盤聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

關(guān)節(jié)軸承由1個帶外球面的內(nèi)圈、1個帶內(nèi)球面的外圈和中間潤滑層3部分組成，如圖2所示。

由于金屬膜盤式聯(lián)軸器在補償兩端安裝法蘭的不對中時，關(guān)節(jié)軸承首先會產(chǎn)生1個初始的偏擺，如圖3所示。

金屬膜盤式聯(lián)軸器用關(guān)節(jié)軸承的主要運動形式為偏擺運動，并承受一定軸向力，軸向力可為定值，也可能隨時間變化。其內(nèi)、外圈在工作時隨聯(lián)軸器同步高速旋轉(zhuǎn)。同時，內(nèi)圈與外圈之間也產(chǎn)生正弦式的相對擺動，關(guān)節(jié)軸承的運動軌跡如圖4所示。點A為聯(lián)軸器旋轉(zhuǎn)至最大不對中值時關(guān)節(jié)軸承內(nèi)圈最高點，B點為對應最低點。對于內(nèi)圈上任意1點，其運動規(guī)律是在高速旋轉(zhuǎn)過程中，始終沿著關(guān)節(jié)軸承內(nèi)圈外球面以軌跡為O-AO-B-O不停擺動，擺動頻率與旋轉(zhuǎn)頻率相同。

圖1 帶關(guān)節(jié)軸承的金屬膜盤聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)

圖2 普通自潤滑關(guān)節(jié)軸承結(jié)構(gòu)

圖3 關(guān)節(jié)軸承由于聯(lián)軸器安裝不對中產(chǎn)生初始偏擺

總而言之，金屬膜盤聯(lián)軸器使用的關(guān)節(jié)軸承承受的主要載荷特點為：高速旋轉(zhuǎn)和高速擺動、軸向重載和徑向無載。

圖4 關(guān)節(jié)軸承的運動軌跡

由于關(guān)節(jié)軸承在金屬膜盤式聯(lián)軸器中替膜盤承受了軸向載荷，受軸向壓力作用不斷擺動摩擦，使?jié)櫥瑢硬粩嗄p并脫落，關(guān)節(jié)軸承的內(nèi)、外圈會產(chǎn)生較大的間隙，這一部分軸向位移值再由膜盤承受。在工作一段時間后，內(nèi)、外圈之間的相對摩擦系數(shù)也會不斷增加，導致磨損不斷加劇，最終潤滑層被消耗完，軸承失效，必須返廠更換[8]。

金屬膜盤聯(lián)軸器的壽命主要取決于關(guān)節(jié)軸承潤滑層的磨損程度，當關(guān)節(jié)軸承的軸向間隙過大時，會使膜盤補償較大的軸向位移，從而降低了膜盤的角向補償能力。因此，對于金屬膜盤式聯(lián)軸器而言，必須嚴格控制關(guān)節(jié)軸承的軸向間隙，來限制關(guān)節(jié)軸承的使用。由于其結(jié)構(gòu)的特殊性，在外場工作條件下，關(guān)節(jié)軸承的軸向間隙難以測量，只能通過控制聯(lián)軸器的使用壽命的方式來控制。

2 關(guān)節(jié)軸承設計選型

選擇金屬膜盤聯(lián)軸器使用的關(guān)節(jié)軸承，必須考慮安裝尺寸和軸向極限承載能力，以及膜盤在不發(fā)生疲勞失效條件下，允許關(guān)節(jié)軸承磨損產(chǎn)生的最大間隙（即額定使用壽命）。國內(nèi)外并沒有成熟案例可以借鑒，只能參考在普通應用環(huán)境下關(guān)節(jié)軸承研究成果[9-10]。

對關(guān)節(jié)軸承的安裝尺寸和軸向極限承載能力，各廠商均有詳細說明。但對于使用壽命，由于關(guān)節(jié)軸承的摩擦學理論還不成熟，各廠商的評價標準和計算方法也各不相同，SKF、INA等都有關(guān)于關(guān)節(jié)軸承壽命的計算公式。

SKF給出的摩擦副為鋼/PTFE織物潤滑層磨損壽命計算公式[11]為

式中：Gh為額定基本壽命；b1為載荷方向系數(shù)；b2為溫度系數(shù)；b4為速度系數(shù)；Kp為名義接觸應力常數(shù)；p為名義接觸應力；n為名義接觸應力指數(shù)；v為平均滑動次數(shù)。

JB/T 8565-1997標準給出的磨損壽命計算模型計算公式[12]為

式中：αK為載荷特性響應系數(shù)；αT為溫度響應系數(shù)；αp為載荷大小響應系數(shù)；αV為速度特性響應系數(shù)；αZ為軸承質(zhì)量、潤滑特性響應系數(shù)；KM為摩擦副材料響應系數(shù)；Cd為軸承額定動載荷；v為軸承平均滑動線速度，mm/s；P 為軸承當量載荷，N。

由此可見，關(guān)節(jié)軸承的磨損壽命影響因素很多，但是其磨損率主要取決于軸承承受的當量動載荷P和球面滑動線速度v。通常要求關(guān)節(jié)軸承的PV值不能超過400 MPa·m/s，但隨著材料的耐熱、耐磨性能的提高，部分廠家生產(chǎn)的關(guān)節(jié)軸承許用PV值甚至可以達到 1600 MPa·m/s[13]。

由此，對金屬膜盤聯(lián)軸器使用環(huán)境下關(guān)節(jié)軸承的PV值進行計算分析。關(guān)節(jié)軸承的運動軌跡如圖4所示。從圖中可見，所選取的關(guān)節(jié)軸承球面半徑為12.5 mm。聯(lián)軸器受10 kN軸向載荷時關(guān)節(jié)軸承應力如圖5所示。從圖中可見，對聯(lián)軸器施加最大軸向載荷10 kN時，關(guān)節(jié)軸承球面接觸位置的最大應力為677 MPa。

圖5 聯(lián)軸器受10 kN軸向載荷時關(guān)節(jié)軸承應力

自潤滑關(guān)節(jié)軸承在使用過程中主要工作模式為擺動，主軸旋轉(zhuǎn)1周，軸承最大擺角α（額定取為4°），總的擺角為α的4倍。自潤滑關(guān)節(jié)軸承的線速度V值為軸承在單位時間內(nèi)轉(zhuǎn)動的行程，其計算公式為

式中：dk為自潤滑關(guān)節(jié)軸承的球徑（25.4 mm）；f為自潤滑關(guān)節(jié)軸承的轉(zhuǎn)動頻率。

根據(jù)產(chǎn)品使用工況情況，轉(zhuǎn)速n按照15000 r/min計算，則頻率為

根據(jù)式（3）、（4）計算關(guān)節(jié)軸承的球面擺動線速度V=886.63 mm/s。

時，關(guān)節(jié)軸承在實際工作過程中的最大PV值為600.241 MPa·m/s。

根據(jù)上述計算分析，金屬膜盤聯(lián)軸器使用的關(guān)節(jié)軸承工作條件極為惡劣，目前的產(chǎn)品很難滿足其超高的PV值要求，尤其是在這種高速擺動的應用環(huán)境下，關(guān)節(jié)軸承的磨損壽命按時間折算就會變得很短。只能根據(jù)比較不同關(guān)節(jié)軸承的磨損性能，擇優(yōu)選型。

3 關(guān)節(jié)軸承磨損性能試驗分析

由于關(guān)節(jié)軸承的摩擦學理論研究還不成熟，在關(guān)節(jié)軸承摩擦磨損性能分析、壽命計算公式擬合、額定載荷確定等方面僅靠理論研究還無法解決，試驗是確定關(guān)節(jié)軸承壽命的最直接方法[14]。

常規(guī)的關(guān)節(jié)軸承試驗機可以模擬關(guān)節(jié)軸承的擺角，但試驗擺動頻率最大不超過50 Hz[15]，這是由擺動加載方法特性所決定的。然而對于金屬膜盤聯(lián)軸器用關(guān)節(jié)軸承而言，擺動頻率需施加到250 Hz，還要在250 Hz的轉(zhuǎn)速下高速旋轉(zhuǎn)，同時施加擺角和軸向載荷。目前，還沒有可以同時施加上述所有載荷的關(guān)節(jié)軸承試驗機。只能對不同載荷進行排列組合、分別模擬。當然，最直接的試驗方法就是將聯(lián)軸器安裝于發(fā)動機上進行壽命測試，但也無法保證發(fā)動機能夠始終提供給關(guān)節(jié)軸承額定的工作載荷。

3.1 低速擺動軸向加載試驗

將關(guān)節(jié)軸承在普通軸承試驗器上進行磨損試驗，試驗器結(jié)構(gòu)如圖6所示。擺動頻率為25 Hz，擺動角度為±2°，施加連續(xù)軸向力1000 N。每50 h取下關(guān)節(jié)軸承，檢查內(nèi)圈球面情況，并測量軸向間隙，測量結(jié)果如圖7所示。

圖6 低速擺動試驗器

圖7 低速擺動軸承間隙變化

在低速擺動軸向加載試驗狀態(tài)下，關(guān)節(jié)軸承的軸向磨損量與磨損次數(shù)基本呈線性關(guān)系，擺動約1.8E+7次（擺動時間200 h）后，其軸向間隙達到1.5 mm，襯層一側(cè)基本磨穿。

3.2 高速擺動軸向輕載磨損試驗

將關(guān)節(jié)軸承在金屬膜盤聯(lián)軸器試驗臺上進行了磨損試驗，如圖8所示。試驗時關(guān)節(jié)軸承的擺動角度約為±2°，頻率約為250 Hz，無法加載軸向載荷。

圖8 高速運轉(zhuǎn)試驗器

每100 h取下關(guān)節(jié)軸承，檢查內(nèi)圈球面情況，并測量軸向間隙，測量結(jié)果如圖9所示。

圖9 高速運轉(zhuǎn)軸向間隙變化

與低速擺動不同，在高速擺動軸向輕載試驗狀態(tài)下，關(guān)節(jié)軸承的軸向磨損量主要集中在初始階段，后期趨于平穩(wěn)，擺動約4.75E+8次（擺動時間750 h）后，其軸向間隙達到0.8 mm，襯層仍在合格范圍之內(nèi)。

3.3 發(fā)動機真實工況磨損試驗

將關(guān)節(jié)軸承隨金屬膜盤聯(lián)軸器安裝在發(fā)動機上進行試車，在試車時，發(fā)動機載荷不恒定，假設關(guān)節(jié)軸承的擺動角度約為±1°，頻率約為200 Hz，軸向載荷未知。在發(fā)動機定檢維修時統(tǒng)計關(guān)節(jié)軸承的磨損量，測量結(jié)果如圖10所示。

圖10 高速運轉(zhuǎn)軸向間隙變化

在發(fā)動機真實工作環(huán)境下，擺動約4.3E+8次（擺動時間750 h）后，軸向磨損間隙達到1.3 mm。襯墊仍保留有部分余量。與高速擺動軸向輕載試驗狀態(tài)相似，關(guān)節(jié)軸承的軸向磨損量達到一定程度后，趨于平穩(wěn)。

3.4 磨損試驗總結(jié)

由于目前在普通試驗器條件下無法同時對金屬膜盤聯(lián)軸器用關(guān)節(jié)軸承施加大軸向載荷、超高速軸向擺動頻率和大擺動角度，而真實發(fā)動機試車資源較少，試驗費用昂貴。故只能分別對各載荷狀態(tài)進行排列組合，分別模擬。

試驗器驗證結(jié)果說明關(guān)節(jié)軸承的軸向磨損間隙與軸向載荷和擺動線速度直接相關(guān)。根據(jù)發(fā)動機真實工作環(huán)境下的磨損情況看，關(guān)節(jié)軸承既承受軸向載荷，又處于高速擺動磨損狀態(tài)。

但根據(jù)試驗結(jié)果可以判斷，在發(fā)動機真實工作環(huán)境下，關(guān)節(jié)軸承承受的軸向載荷小于低速擺動軸向加載試驗臺所加載載荷，擺動線速度（頻率與擺角之積）也小于高速擺動軸向輕載試驗臺所加載的擺動線速度。

4 結(jié)束語

金屬膜盤聯(lián)軸器用關(guān)節(jié)軸承的工作環(huán)境屬于高速旋轉(zhuǎn)和高速擺動、軸向重載和徑向無載的狀態(tài)。其壽命主要受限于關(guān)節(jié)軸承的磨損壽命（主要表現(xiàn)為軸向磨損間隙過大）。分別通過低速擺動軸向加載試驗、高速擺動軸向輕載試驗及發(fā)動機真實工況下磨損試驗，對關(guān)節(jié)軸承的磨損量進行了測量統(tǒng)計，獲取了相關(guān)試驗數(shù)據(jù)，為后續(xù)金屬膜盤聯(lián)軸器用關(guān)節(jié)軸承的設計驗證提供了數(shù)據(jù)基礎。

國內(nèi)專業(yè)關(guān)節(jié)軸承研究機構(gòu)對此類關(guān)節(jié)軸承的研究剛剛起步，需要從理論分析、仿真計算和試驗模擬等各方面入手，開展系統(tǒng)性研究。最重要的是建立能夠提供軸向加載和高速擺動的試驗臺，通過加嚴考核的方式，對關(guān)節(jié)軸承進行充分的耐久性考核，以保證其在工作過程中的使用壽命。

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Research on Wear Characteristic of Spherical Plain Bearing Used on Metal Diaphragm Couplings

LIU Guo-ping,FANG Jian-min
（AECC Aero Engine Control System Institute,Wuxi Jiangsu,China）

In order to study the wear characteristic of the spherical plain bearing used on the metal diaphragm coupling,the operating environment of a spherical plain bearing used on the metal diaphragm coupling were analyzed,the PV value of the bearing under the condition of maximum load was calculated,and experiments in low-speed swing with heavy load in axial direction condition、in high-speed swing with no load in axial direction condition and real environment of the engine were conducted.The results show that the operating environment of a spherical plain bearing is high-speed rotation and high-speed swing，heavy load in axial direction and no load in radial direction,the wear capacity of the spherical plain bearing has direct relationship with the axial load and swing linear speed the bearing sustained.

metal diaphragm coupling;spherical plain bearing;wear

V 233.1+4

A

1 0.1 3477/j.cnki.aeroengine.201 7.02.001

2016-12-25

劉國平（1975），男，碩士，高級工程師，主要從事柔性傳動結(jié)構(gòu)設計工作；E-mail:liuguoping@sina.com。

劉國平，方建敏.金屬膜盤聯(lián)軸器用關(guān)節(jié)軸承磨損特性研究 [J].航空發(fā)動機，2017，43（2）：1-5.LIU Guoping,FANG Jianmin.Research on wear characteristic ofsphericalplain bearing used on metaldiaphragm couplings[J].Aeroengine，2017，43（2）：1-5.

（編輯：張寶玲）