自潤滑關(guān)節(jié)軸承磨損量在線測量精度的影響因素

林晶，張艷，張令，李彥偉，趙穎春

(1．中國航空綜合技術(shù)研究所，北京 100028；2.沈陽飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所，沈陽 110035)

自潤滑關(guān)節(jié)軸承是航空系統(tǒng)廣泛使用的一類標(biāo)準(zhǔn)件，評價其磨損壽命的關(guān)鍵參數(shù)是軸承的磨損量，準(zhǔn)確測量關(guān)節(jié)軸承的磨損量是軸承壽命評價的關(guān)鍵技術(shù)。國內(nèi)目前對自潤滑關(guān)節(jié)軸承的壽命、性能等試驗(yàn)的研究還剛剛起步[1-4]，對于磨損量測量技術(shù)的研究還不充分。因此，分析了自潤滑關(guān)節(jié)軸承在線磨損量測量的影響因素，并在此基礎(chǔ)上提出了相應(yīng)的改進(jìn)方法，為軸承擺動磨損試驗(yàn)、夾具設(shè)計(jì)等提供一定的借鑒和參考，以提高自潤滑關(guān)節(jié)軸承在線磨損量的測量精度。

1 在線測量方法

自潤滑關(guān)節(jié)軸承的磨損量測量一般分為在線測量和離線測量，而國內(nèi)外通用規(guī)范中自潤滑關(guān)節(jié)軸承的磨損量是指在線測量的磨損量[5-6]。在線磨損量可以反映磨損量的變化規(guī)律，對軸承摩擦磨損特性的評價具有重要的作用。

按照自潤滑關(guān)節(jié)軸承通用規(guī)范SAE AS81820及GJB 5502進(jìn)行測量，即在規(guī)定的載荷下，自潤滑關(guān)節(jié)軸承按照規(guī)定的擺動頻率、擺動角度做繞內(nèi)圈軸線的往復(fù)擺動，在規(guī)定的擺動次數(shù)(一般為25 000次)后其磨損量不能超過規(guī)定的值。

目前通用的磨損量在線測量方法采用位移傳感器測量軸承在擺動過程中的相對徑向位移，試驗(yàn)裝置的原理如圖1所示。

2 在線測量精度的影響因素

由圖1可知，自潤滑關(guān)節(jié)軸承磨損量測量系統(tǒng)一般由加載系統(tǒng)、試驗(yàn)夾具、位移傳感器等組成，這些組件對軸承磨損量的在線測量都有不同程度的影響。此外，摩擦副溫度變化以及環(huán)境溫度的改變對測量也有明顯的影響。

2.1 載荷

在自潤滑關(guān)節(jié)軸承的擺動磨損壽命試驗(yàn)中，需要對軸承施加一定的徑向載荷。由于磨損量測量實(shí)質(zhì)是測量外圈相對內(nèi)圈的位移變化，因此，測量過程中試驗(yàn)夾具的變形，尤其是試驗(yàn)芯軸的變形會疊加到磨損量的變化中。而試驗(yàn)夾具的變形量與徑向載荷密切相關(guān)，如果試驗(yàn)過程中載荷波動較大，會使試驗(yàn)夾具的變形發(fā)生改變，從而影響到磨損量的測量。

1—芯軸；2—頂塊；3—軸承座；4—被試軸承；5—陪試軸承；6—螺母；7—支座；8—位移傳感器

為減小載荷波動造成的測量變形對磨損量測量的影響，必須保證徑向載荷的控制精度在一定的誤差范圍內(nèi)。AS81820對徑向載荷的誤差要求為0～3%。在試驗(yàn)機(jī)設(shè)計(jì)或選用過程中，必須保證加載系統(tǒng)的控制精度符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.2 試驗(yàn)夾具

試驗(yàn)夾具是自潤滑關(guān)節(jié)軸承磨損量測量裝置的重要組成部分，主要包括軸承座、支座、陪試軸承、芯軸和頂塊等，這些組件對磨損量測量都有著不同程度的影響。

2.2.1 軸承座

軸承座主要用于安裝固定被試軸承，并與加載系統(tǒng)連接實(shí)現(xiàn)對軸承的加載。軸承座與被試軸承之間應(yīng)按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)選取正確的配合關(guān)系，配合關(guān)系不合理、軸承安裝固定狀態(tài)不穩(wěn)定，試驗(yàn)過程中有可能造成外圈與軸承座孔之間發(fā)生相對運(yùn)動，使測量位置發(fā)生變化，從而無法準(zhǔn)確測量軸承磨損量。按照AS81820要求，外圈與軸承座座孔之間的配合應(yīng)采用間隙配合。

2.2.2 陪試軸承

陪試軸承與支座一起支承芯軸，試驗(yàn)過程中陪試軸承也在發(fā)生持續(xù)的磨損，而這些磨損量會被位移傳感器采集并疊加到測量的磨損量中。因此必須正確地選擇陪試軸承，并進(jìn)行充分的潤滑，使陪試軸承在試驗(yàn)過程中的磨損量盡量小，以減小對磨損量測量的影響。

2.2.3 芯軸

芯軸是軸承的主要支承零件，試驗(yàn)過程中，芯軸帶動內(nèi)圈進(jìn)行往復(fù)擺動。因此芯軸的變形會被疊加到磨損量中。試驗(yàn)開始前，芯軸在徑向載荷下的初始變形可以作為初始的零點(diǎn)去除。但試驗(yàn)過程中芯軸發(fā)生蠕變導(dǎo)致的變形是無法去除的，因此應(yīng)盡可能地減小芯軸的蠕變。而減小蠕變的方法就是提高芯軸的剛度和強(qiáng)度。

一方面，芯軸的剛度與其材料和外形尺寸有關(guān)，AS818120要求采用硬度不低于50 HRC的鋼材，芯軸的外形尺寸受被試軸承的限制，改進(jìn)的空間不大。另一方面，芯軸在試驗(yàn)過程中采用雙剪支承的形式(圖1)，其剛度與支承距離密切相關(guān)，因此，在夾具設(shè)計(jì)過程中應(yīng)盡可能縮短支承距離，以提高芯軸的剛度。

此外，試驗(yàn)過程中由于環(huán)境溫度的影響，芯軸材料的強(qiáng)度和剛度均會發(fā)生一定的改變，因此應(yīng)合理地設(shè)計(jì)芯軸和支承座的結(jié)構(gòu)，充分保證磨損量的測量結(jié)果。

2.3 位移測量系統(tǒng)

位移測量系統(tǒng)一般由位移傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。位移傳感器是測量磨損量的主要儀器，因此必須保證位移傳感器有足夠的測量精度，一般要求在0.005 mm以內(nèi)。另外，在選擇傳感器時應(yīng)保證其測量精度滿足測量要求，同時要科學(xué)選擇其測量范圍，確保被測磨損量在傳感器的最佳測量范圍內(nèi)。一般的自潤滑關(guān)節(jié)軸承的磨損量在0.2 mm以內(nèi)，因此位移傳感器的測量范圍不宜過大，應(yīng)為0.5～1 mm，以保證傳感器的測量精度。

由于在軸承的一個擺動周期內(nèi)，相對位移的變化量是周期變化的，因此磨損量的采集和數(shù)據(jù)處理方法對測量精度也有很大影響。一般在每個擺動周期的同一相位點(diǎn)進(jìn)行采集才能準(zhǔn)確反映磨損量的變化情況，這就要求數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有足夠高的采樣頻率，以保證每個周期所采樣的數(shù)據(jù)點(diǎn)在同一個相位。目前常采集波峰或波谷值作為磨損量的值，也有采用取平均值的方法來提高磨損量的測量精度。

2.4 軸承摩擦副溫度

磨損量及外圈靠近摩擦副位置溫度的變化曲線如圖2所示。由圖可知，在擺動初始階段，隨著擺動次數(shù)的增加，軸承因?yàn)槟Σ粮蹦Σ辽鸁釡囟炔粩嗌仙敝烈粋€穩(wěn)定階段。而這一階段磨損量也在快速增加，這是由于軸承摩擦生熱引起試驗(yàn)夾具的溫度升高，產(chǎn)生的熱膨脹變形疊加到磨損量中。

圖2 磨損量及溫度的變化曲線

軸承摩擦副生熱產(chǎn)生的熱變形對磨損量的影響是試驗(yàn)過程中必然發(fā)生的，其造成的測量誤差屬于系統(tǒng)誤差，無法避免，只能通過一定的離線修正才能去除，但目前還沒有統(tǒng)一的修正方法。

2.5 環(huán)境溫度

從圖2還可以看出，在擺動試驗(yàn)后期，摩擦副生熱基本已達(dá)到熱平衡，溫度曲線幅度較小的變化主要是由于環(huán)境溫度的改變所致。圖中顯示磨損量也隨之發(fā)生改變，說明環(huán)境溫度的變化同樣會造成磨損量測量值的變化。

材料熱膨脹變形為

l=αLT，

式中：l為變形量；α為材料的熱膨脹系數(shù)；L為測量位置與摩擦副之間的距離；T為環(huán)境溫度的變化量。

由此可知，熱膨脹變形與溫度的變化量T和長度L有關(guān)。對于自潤滑關(guān)節(jié)軸承磨損量測量裝置，假設(shè)L=1 m,T=5 ℃，鋼材的α=11.6×10-6m/℃，計(jì)算可得由于環(huán)境溫度變化產(chǎn)生的變形量為0.058 mm。軸承的許用磨損量一般為0.11 mm，可見環(huán)境溫度的變化對磨損量測量有較大的影響。

綜上所述，為減小環(huán)境溫度對磨損量測量的影響，一方面應(yīng)采取恒溫措施，保證整個測量過程中環(huán)境溫度的變化量盡量小；另一方面應(yīng)盡可能減小位移測量位置與摩擦副之間的距離。

3 結(jié)束語

分析了加載系統(tǒng)、試驗(yàn)夾具、位移測量系統(tǒng)、溫度等因素對自潤滑關(guān)節(jié)軸承在線磨損量測量的影響機(jī)理，提出了提高載荷控制精度、優(yōu)化試驗(yàn)夾具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、減小環(huán)境溫度變化、優(yōu)化磨損量測量位置等措施，以減小各種因素對自潤滑關(guān)節(jié)軸承在線磨損量測量精度的影響。