淺析某超聲速飛航產品舵系統滾動軸承的設計選用方法

李明章，彭志翔，陳 龍，高 祥，勝永民

（航空工業洪都，江西南昌，330024）

0 引言

滾動軸承是一種精密的機械支撐元件，軸承用戶希望裝在主機上的軸承能夠在預定的使用期內不會損壞并保持其動態性能，但客觀事實有時并不盡如人意，突發的軸承失效事故會給用戶造成重大損失。軸承早期失效的原因包括軸承選型不當或者實際工作載荷超過了軸承的額定載荷、未嚴格按照軸承使用要求進行安裝、維護以及潤滑等[1]。軸承作為航空產品舵系統操控執行支撐元件，對整個產品的飛控可靠性起著至關重要的作用，其設計選用過程需要進行準確計算和合理布置。本文從軸承選型、布置形式以及載荷計算等方面淺析某型軸承設計選用方法以期對后續其他產品軸承的設計選用提供幫助。

1 軸承選型布置分析

軸承的選型通常要考慮軸承受載情況、工作環境、潤滑方式、安裝拆卸性以及調心性能等因素。該舵系統的設計原理為直線電動舵機驅動曲柄連桿機構，帶動舵面完成控制指令，軸承內圈與舵軸，以及軸承外圈與軸承安裝座均采用小過盈量的過盈配合，軸承的選型工作主要分以下步驟進行：

1）考慮舵面在產品自主飛行過程中的復雜受載情況，軸承必須選用可以同時承受徑向與軸向載荷的類型；

2）分析舵面受載情況知軸承徑向載荷遠大于軸向載荷，故軸承選用以承受徑向載荷為主的類型；

3）在極限轉速要求不高的情況下可同時承受徑向載荷與軸向載荷的軸承方案有深溝球軸承、圓錐滾子軸承或者是向心軸承與推力軸承的組合使用，考慮到產品本身緊張的結構布局空間，首先排除了單一功能軸承組合使用的方案，由于滾子軸承的主要元件是線接觸，承載能力及受載變形均優于球軸承，因此優先選擇圓錐滾子軸承；

4）考慮產品高速飛行時的氣動加熱以及推進系統的熱量會使舵機操縱模塊處的工作溫度快速上升，而軸的溫度一般會高于軸承安裝支座的溫度，軸的軸向與徑向熱膨脹將大于安裝支座，因此為防止熱膨脹導致軸承卡死，軸承安裝必須留有足夠的軸向游動間隙；

5）考慮合理的受力支撐以及防止舵軸軸向竄動，舵軸需要兩個旋轉支點，舵軸與舵面固連，而來自舵面壓心的載荷相當于作用在延長了的舵軸懸臂端，為提高懸臂梁系統的剛性，在結構布置空間限定的情況下應盡量縮短懸臂長度。如圖1所示，在支撐距離b相同的情況下，壓力中心距L1＞L2，因此圖1布置形式的懸臂較短，并且背靠背布置形式在受熱膨脹時可以軸向竄動（因為圓錐滾子軸承內外圈可分離，也再一次顯示了與深溝球軸承相比的優越性），不會導致軸承卡死，因此選擇背靠背的布置形式；

圖1 圓錐軸承組安裝方式示意

6）軸承選擇耐高溫的固體潤滑脂潤滑，相對于普通礦物潤滑油其優點在于不需要進行潤滑劑的密封設計，并且普通礦物潤滑油不適用于高溫工作環境下的軸承潤滑。

軸承選型以及布置形式確定后，至于與軸承內圈相配合的軸以及與軸承外圈相配合的軸承座的幾何尺寸公差帶的選取，可以根據機械設計手冊進行選取，在滿足設計手冊規定的同時，需要考慮方便拆卸維護或換裝的要求來確定公差配合。

2 軸承強度校核分析

在軸承選型及布置形式確定后，根據軸頸尺寸選定軸承具體牌號，接下來則需要對軸承進行強度校核。分析該舵面操縱機構傳力路線如圖2。

強度校核計算：舵面壓心到轉軸軸承支承中心的距離L=123.75 mm，壓心載荷F0=4002 N，軸承中心距L1=21.16 mm。圓錐滾子軸承30204計算系數Y=1.7，Y0=0.9，額定靜載荷 C0=30.9 KN。

由 cotα=2.5Y=2.5×1.7=4.25

徑向載荷作用距離

根據力矩及力的平衡方程：

1）當量靜載荷校核

由力矩及力的平衡方程，分析軸承受力情況：

軸承 1（右）：Fr1=15413 N，Fa1=4533 N

軸承 2（左）：Fr2=11411 N，Fa2=3356 N

根據GB/T 4662-2003計算軸承徑向當量靜載荷：

取二者較大者即：Por=16184N

滿足使用要求。

2）接觸應力校核

滾子與內圈滾道間最大接觸應力：

滾子與外圈滾道間最大接觸應力：

通過以上接觸應力計算，滾子和滾道間接觸應力不超過4000MPa（產生0.0001Dw永久變形量時的接觸應力），該軸承在工作中，不會產生永久變形，軸承的性能通常不會受損害。

3 結語

雖然軸承元器件的固有性能及使用可靠性是由軸承成件廠家設計、生產所決定的，但是對于飛航產品的主機單位而言，做好軸承元器件的優選優布、校核計算對于操控系統乃至產品的可靠性也是至關重要的。該型軸承設計選用方案的合格性已經通過試驗驗證，可為類似產品的軸承設計選用提供參考。