自動傾斜器大軸承耐久性試驗譜設計

李 磊，陳宇金，趙小全

(1.中國直升機設計研究所，江西景德鎮 333001;2.陸航駐景德鎮地區代表室，江西景德鎮 333000)

0 引言

自動傾斜器大軸承是直升機操縱系統的一個重要組成部分，旋翼的總距及周期變距操縱都要通過它來實現。而大軸承設計中的耐久性譜的設計至關重要，本文提出的耐久性試驗譜設計思路和方法是模擬大軸承在直升機上的真實使用環境(包括載荷、運動、溫度等)編制耐久性試驗譜，具有一定的新穎性和實用性。

1 大軸承工作環境簡介

1.1 大軸承的安裝特點

目前直升機上采用最普遍的是環式自動傾斜器。環式自動傾斜器一般由動環不動環組件、扭力臂、防扭臂和變距拉桿等組成。

大軸承安裝于動環不動環組件之間，動環不動環組件采用環式球鉸結構，允許垂直滑動和傾轉，動環通過用油脂潤滑的大軸承與不動環相連。

自動傾斜器大軸承一般為雙排角觸滾珠軸承，它傳遞從動環到不動環的載荷，為動環提供轉動功能。大軸承載荷為旋翼的氣動鉸鏈力矩之從動環傳遞到不動環部分，包括彎矩和沿旋翼軸方向的軸力。典型大軸承的安裝見圖1。

圖1 大軸承在動環不動環組件上的安裝

1.2 大軸承耐久性試驗的必要性

如果大軸承的使用時間限制超過實際的使用時間限制，會危及直升機的飛行安全，而相反則會增加直升機自動傾斜器的維護成本。確定大軸承壽命的準確性是決定自動傾斜器維護成本的重要因數。

此外，大軸承在耐久性試驗過程中出現的安全和非安全失效模式的歷程對于制定大軸承和整個自動傾斜器的監控檢查和維護時間間隔和工作要求非常重要。

1.3 大軸承耐久性試驗實施思路

對于自動傾斜器大軸承來說，真實地模擬工作環境尤為重要。我們設計一個模擬試驗，該試驗模擬大軸承在直升機工作環境下的運轉，試驗過程中最后一次出現非安全損傷的時間可以用來確定安全工作壽命，即得出大軸承的使用時間限制壽命，該試驗即大軸承耐久性試驗。

通過大軸承耐久性試驗得出的使用時間限制與實際的使用時間限制越接近越好。這就使得制定大軸承耐久性試驗方案非常重要。大軸承耐久性試驗的溫度、潤滑、轉動和安裝等環境相對容易制定，而相對難的耐久性試驗載荷譜制定是設計大軸承耐久性試驗的關鍵。

自動傾斜器大軸承一般有一個理論計算或飛行實測的載荷譜。該載荷譜一般包括150多個飛行項目的載荷及其所占時間比例，下面是截取了典型的載荷譜的部分項目(見表1)。假如大軸承按上述載荷譜進行耐久性試驗，勢必存在試驗項目繁多和試驗工作量大的問題。因此需要對上述載荷譜進行等效裁減，得出合適的大軸承耐久試驗載荷譜，一方面提高試驗效率，另一方面又不失試驗載荷的準確性。

本文通過分析大軸承壽命的特點，建立一套自動傾斜器大軸承耐久性試驗譜的設計方法。

表1 典型大軸承載荷譜(部分)

2 大軸承耐久性譜設計

2.1 大軸承壽命理論簡介

軸承的壽命又稱為軸承疲勞壽命，一般是接觸疲勞壽命。一般意義的軸承疲勞壽命是指一定技術狀態下(結構、工藝狀態、配合、安裝、游隙和潤滑狀態等)的滾動軸承，在主機的實際使用狀態下運轉，直至滾動表面發生疲勞而不能滿足主機要求時的軸承內、外圈(軸、座圈)相對旋轉次數的總值—總轉數(或總小時數)。影響軸承疲勞壽命的因素非常多，無法全部加以估計或通過標準試驗條件加以消除，這造成軸承實際疲勞壽命有很大的離散性(大量的軸承壽命試驗數據表明，一批結構尺寸、熱處理、材料、加工方法完全相同的同一類型的軸承在同樣條件下運轉，可以有不同的壽命，最低壽命和最高壽命相差幾十倍)，因此軸承疲勞壽命的表達參數為額定壽命L10，在ISO推薦標準中對L10的涵義明確規定如下:“數量上足夠多的相同的一批軸承，其額定壽命L10用轉數(或在轉速不變時用小時數來表示)，該批軸承中有90%在疲勞剝落發生前能達到或超過此轉數(或小時數)”。迄今為止，世界各國都遵從上述規定。

早在1939年，Weibull提出滾動軸承的疲勞壽命服從某一概率分布，這就是后來以其名字命名的分布Weibull，認為疲勞裂紋產生于滾動表面下最大剪切應力處，擴展到表面，產生疲勞剝落，Weibull給出了生存概率S與表面下最大剪切應力τ、應力循環次數N和受應力體積V的關系

瑞典科學家Palmgren經過數十年的數據積累，經過推導和大量軸承試驗數據分析，獲得L-P額定壽命計算公式

式中:L10為基本額定壽命，百萬轉;Cr為基本額定動載荷，N;P為當量動載荷，N;ε為壽命指數，球軸承取3，滾子軸承取10/3。L-P模型能很好地解釋滾動軸承失效機理和預測壽命。

20世紀80年代，瑞典SKF軸承公司的研究人員在L–P理論的基礎上得出了通用的軸承壽命計算模型，并簡化額定壽命計算式可表示為

其中aSKF為壽命調整系數，它包括了潤滑、污染、疲勞極限和軸承當量動載荷之間的復雜關系，它的值由污染系數ηc、軸承疲勞極限載荷Pu、當量動載荷P和粘度系數K之間的函數關系給出。ηc系數則考慮了潤滑劑的污染及其對軸承壽命的影響。目前這一理論僅在SKF內部使用。

在國際標準ISO281:1990中也給出了修訂的額定壽命計算式

該修訂公式中的修正系數axyz考慮到材料、潤滑、環境、雜質顆粒、套圈中內應力、安裝和軸承載荷等因素對軸承壽命的影響。目前該修正式已被我國正式引用并作為我國滾動軸承行業產品壽命的推薦性文件。

2.2 大軸承疲勞壽命公式簡化計算

自動傾斜器大軸承套圈為剛性支承并以中速旋轉的角接觸滾珠軸承，針對該類型軸承Lundberg-Palmgren計算軸承疲勞壽命的公式可以為

考慮修正系數的ISO壽命公式為

2.3 大軸承載荷譜設計

自動傾斜器大軸承承受復雜交變載荷，其壽命取決于各個載荷的疲勞損傷積累。我們可以用疲勞損傷積累的辦法來對自動傾斜器大軸承理論計算或飛行實測的載荷譜進行等效裁剪，以達到簡化載荷譜的目的。由上述軸承的壽命公式我們可以看出軸承的壽命與軸承所承受的載荷之間存在3次方的關系，可以得出以下當量載荷計算公式

式中，P1，P2，P3，…，Pi，…，Pn為每個狀態下的恒定的當量徑向載荷(N)，q1，q2，q3，…，qi，…，qn為大軸承在產品壽命期內作用時間占總時間的百分數(%)。

利用上述公式可以對大軸承150多個飛行項目的理論計算或飛行實測的載荷譜進行裁剪等效。

從自動傾斜器大軸承理論計算或飛行實測的載荷譜表1中我們可以看出，軸向力大時彎矩載荷也大，而且載荷大小變化較大(在整個譜里面載荷是從幾百變化到幾萬)，我們將載荷譜按軸向載荷從小到大的順序分為幾大塊。為了不使剪裁等效的載荷譜因過分簡化而失真，一般需要把載荷譜等效成8個載荷左右的載荷譜。針對每大塊載荷內的軸向力和彎矩利用公式(7)合并為一個等效的軸向力和彎矩載荷，一共可以合并出8個載荷。該剪裁等效后的載荷可以作為大軸承耐久性試驗載荷譜。

表2是經過剪裁等效后某大軸承理論計算載荷譜剪裁成耐久性試驗譜的結果。

表2 耐久性試驗載荷譜

為了節省試驗時間和成本，目前在許多類型的軸承耐久性試驗采取了加速強化的處理辦法，即采取對載荷譜進行強化剪裁或增加轉速等辦法［1-2］。由于自動傾斜器大軸承是直升機上的關鍵部件，其壽命的可靠性影響到直升機的飛行安全和維護成本。為了使試驗更接近實際，大軸承耐久性試驗載荷譜對應的試驗時間與壽命是一比一的，試驗轉速、潤滑條件、安裝形式、配合尺寸、配合剛度、試驗溫度等參數與其在直升機上工作狀態一致，即不作試驗的強化加速處理。上述對載荷譜的附加要求對于大軸承耐久性載荷譜的制定很重要，即耐久性載荷譜按前文所述的剪裁辦法進行剪裁后，不繼續做其它強化處理。國外直升機相關軸承的耐久性試驗也是不采取強化處理［3］。

2.4 大軸承運動譜及溫度譜設計

自動傾斜器大軸承在直升機上一直以一個固定的頻率在運動，運動工況并不復雜，所以將其真實的運動譜設計為其耐久性試驗運動譜。

另外，根據自動傾斜器大軸承的使用環境溫度要求，確定了大軸承的試驗溫度要求。

2.5 大軸承試驗譜設計

綜合上述確定的載荷譜、運動譜和溫度譜，即為自動傾斜器大軸承的耐久性試驗譜。

2.6 大軸承試驗譜的實施情況

本文介紹的大軸承耐久性試驗譜目前已在某機型大軸承耐久性試驗中實施，已完成試驗3件1000小時的壽命考核，試驗情況良好，目前該大軸承已設計定型。

該試驗譜的設計為今后各種機型的大軸承耐久性試驗譜的設計提供了強有力的參考依據。為不同型號的大軸承耐久性試驗引領了方向。

3 結束語

自動傾斜器大軸承的耐久性試驗譜是其耐久性試驗設計的一項關鍵工作，試驗譜設計的優劣直接影響到耐久性試驗結果的可信度、試驗成本和試驗周期，優化提高自動傾斜器大軸承耐久性試驗譜設計非常必要。

今后還需在進行耐久性譜設計時進一步考慮材料疲勞性能、潤滑清潔度、潤滑粘性系數等因數，對比經過相同時間實際飛行使用后的軸承狀態(軸向間隙，徑向間隙，摩擦力矩，是否有金屬剝落等)，進一步完善該譜的實用性，改進耐久性試驗譜的設計。

［1］李興林，李俊卿，張仰平，等.滾動軸承快速壽命試驗現狀及發展［J］.軸承，2006(12):44-47.

［2］黎桂華，李興林，鄢建輝.轎車輪轂軸承耐久性試驗載荷譜設計［J］.軸承，2006(1):27-28.

［3］Frengley M C，Eakin J D.ENDURANCE TESTING OF DAMAGED MAIN ROTOR UPPER THUST BEARING［C］.AHS-1990-102:1187-1206.