航空關節軸承擠壓翻邊固定的仿真和試驗研究

林晶，趙穎春

(中國航空綜合技術研究所，北京 100028)

航空關節軸承的安裝固定對軸承性能和可靠性具有重要的影響，科學的安裝固定方法能保證軸承的使用性能，延長軸承的使用壽命。國外對航空關節軸承安裝固定技術的研究較為深入，已形成較為完善的技術和標準體系，美國的標準對航空關節軸承的各種安裝固定方法和相關技術要求進行了詳細的規定[1-3]。

國內對航空軸承安裝固定技術的研究還處于探索階段，尤其對航空關節軸承擠壓翻邊固定的研究還不充分。文中通過對航空關節軸承的擠壓翻邊固定方法進行仿真和試驗，分析相關參數對安裝固定質量的影響，為我國航空關節軸承安裝固定技術的研究提供一定的支撐。

1 軸承翻邊固定仿真分析

1.1 分析對象

選取外圈帶翻邊溝槽的GE12DEIT型自潤滑關節軸承為研究對象，其結構如圖1所示。軸承內圈材料為G102Cr18Mo，硬度為55～60 HRC，外圈材料為0Cr17Ni4Cu4Nb，硬度為28～37 HRC。該類軸承需要采用擠壓翻邊的方法進行安裝固定，即通過擠壓外圈翻邊溝槽的外側，使其變形后與軸承座的倒角貼合，從而實現軸承的軸向固定。

圖1 GE12DEIT軸承的結構尺寸Fig.1 Structure and dimension of GE12DEIT bearing

1.2 仿真模型

由于該結構為軸對稱結構，因此采用軸對稱模型，利用ANSYS建立關節軸承雙面同時擠壓模型(圖2)進行仿真分析。

圖2 關節軸承雙面同時擠壓模型Fig.2 Model of simultaneous extrusion on both sides of spherical plain bearing

仿真模型的主要參數：單元類型采用PLANE183，軸對稱；軸承外圈材料屈服強度為717 MPa, 切線模量為4.136×1010Pa；軸承內外圈以及壓頭材料的彈性模量為2.0×1011Pa，泊松比為0.3。

定義了3個接觸對，包括壓頭與溝槽，外圈外表面與軸承座內表面，外圈內表面與內圈外表面。軸承與軸承座采用0.02 mm的間隙配合。

擠壓加載方式為位移加載，分別對上、下2個壓頭同時施加向下和向上大小相同的位移量，完成擠壓。

1.3 結果與分析

ANSYS仿真的軸承雙面擠壓翻邊后的結果如圖3所示，包括了擠壓后的變形、等效應力、接觸應力等。

圖3 關節軸承雙面擠壓翻邊仿真分析結果Fig.3 Simulation and analysis results of extrusion-flanging on both sides of spherical plain bearing

由圖3a可知，擠壓翻邊后的變形主要發生在外圈，尤其是外側部分。雙面同時擠壓翻邊后，內圈與外圈之間的間隙變大，內、外圈之間的接觸面積減少，越靠近軸承兩側端面變形越大，最大間隙為0.148 mm。由于軸承在制造完成后，內、外圈之間會存在一定的接觸應力，因此擠壓翻邊造成內、外圈之間的間隙增大，會導致原有的接觸應力減少或消失，從而造成軸承空載啟動力矩下降。由圖3c可知，翻邊后內圈與外圈中間部位的接觸應力略有增大，主要是由于外圈在翻邊后，外圈靠近兩側端面的部分向外變形，而靠近中間部位的內凹造成中間部位內、外圈之間的接觸應力增加，這一變化一定程度會增加軸承的空載啟動力矩，但增加量較小。綜合兩種影響因素，翻邊后軸承的啟動力矩會減小。

2 安裝固定質量的仿真分析

軸承安裝固定質量檢驗的關鍵參數之一是其安裝固定后的軸向承載能力，通過軸承軸向推出的仿真可以分析軸承的軸向承載能力。

2.1 仿真模型

軸承擠壓翻邊安裝固定后的軸向推出仿真模型如圖4所示，加載時設定軸承座下端面y方向的位移為0，設定外圈溝槽沿y軸向下移動1 mm，模擬軸承被推出的過程。

圖4 軸承軸向推出模型Fig.4 Model for axial push-out of bearing

2.2 結果與分析

軸承推出過程的仿真分析結果如圖5所示，包括軸承推出過程中推出力最大時的變形、等效應力和接觸應力。

圖5 軸承推出過程仿真分析結果Fig.5 Simulation and analysis results of push-out process of bearing

由圖5可知，軸承翻邊后的軸向承載能力主要來源于翻邊后唇邊部分，軸承若要移動，需要克服唇邊的變形力以及接觸面之間的摩擦力，在58.6 kN的擠壓力下,仿真分析的軸向最大推出力為9.25 kN。

在軸承推出過程中，主要的變形都發生在唇邊部分，若要提高軸承翻邊固定后的軸向承載能力，需提高唇邊部分抵抗變形的能力，適當增加翻邊后唇邊的厚度以及變形角度，有利于提高軸承軸向承載能力。目前使用的自潤滑關節軸承一般都為標準產品，其擠壓前唇邊的厚度不能隨意更改。因此，為增加翻邊后唇邊的厚度，應避免擠壓力過大和唇邊壓薄，同時可考慮一定程度上提高軸承座倒角，以提高軸向承載能力。

3 飛機機體軸承安裝的試驗驗證

3.1 擠壓試驗參數的計算

GE12DEIT軸承的翻邊溝槽槽深P=0.7 mm，槽寬X=0.90 mm，槽底圓弧半徑R=0.3 mm，溝槽頂部外側到外圈距離S=0.5 mm，該軸承的翻邊溝槽按照文獻[3]的規定屬于Ⅰ型結構。

因此擠壓力或軸向保證載荷(軸承能承受保持正常工作狀態的最大軸向載荷)為

F=fD，

(1)

式中：f為擠壓力或軸向保證載荷系數,N/mm；D為外圈外徑， mm。

從文獻[3]中查得該軸承的擠壓力系數為2 627 N/mm，軸向保證載荷系數為292 N/mm，按(1)式計算該軸承的擠壓力為57.794 kN，軸向保證載荷為6.424 kN。

3.2 軸承擠壓翻邊固定

根據計算得到的擠壓參數，在電子萬能試驗機上對該軸承進行擠壓翻邊固定。與軸承配合的軸承座采用45#鋼，壓頭和導向芯軸均采用GCr15軸承鋼，硬度大于50 HRC。

軸承的擠壓程序按照文獻[3]的規定進行：

1)將軸承裝入軸承座，檢查外圈相對于軸承座的位置h，外圈端面應比軸承座表面高0～0.25 mm。

2)在待擠壓溝槽上涂抹一層潤滑劑。

3)將擠壓工具定位，然后施加57.794 kN的擠壓力，加載速度為578 N/s，然后按照同樣速度卸載。

擠壓后的試件如圖6所示。

圖6 擠壓后的試件Fig.6 Experimental part after extrusion

3.3 安裝固定質量檢測

3.3.1 空載啟動力矩

利用力矩測量儀測量3套關節軸承擠壓前后的空載啟動力矩，結果見表1，擠壓后軸承的啟動力矩變小，但均大于安裝前空載啟動力矩的一半。結合之前仿真分析結果可確定，翻邊后外圈內表面與內圈外表面接觸面積減少對啟動力矩的變化影響更大。

表1 關節軸承擠壓前后空載啟動力矩Tab.1 No-load staring torque of spherical plain bearing before and after extrusion

3.3.2 軸向保證載荷

對擠壓后的軸承進行軸向保證載荷試驗。按照文獻[3]的規定，軸承在軸向保證載荷試驗后，其軸向的永久變形量不應大于0.076 mm。軸向保證載荷的試驗原理如圖7所示。

圖7 關節軸承軸向保證載荷試驗原理圖Fig.7 Principle diagram of axial proof load test of spherical plain bearing

軸向保證載荷試驗在電子萬能試驗機上進行，程序如下：

1)在外圈上施加軸向保證載荷5%的預載荷，保持3 min。

2)將變形測量裝置清零。

3)以每秒1%軸向保證載荷的加載速率加載，直到達到規定的軸向保證載荷，并恒載3 min。

4)以每秒1%軸向保證載荷的速率卸載，直到達到預載荷。

5)記錄測量裝置的軸向變形量，即為軸承的永久變形量。

對3套關節軸承進行試驗，其變形量見表2，其中1#試件的變形曲線如圖8所示，軸承在試驗后其永久變形均小于0.076 mm，說明現有的安裝工藝可以達到文獻[3]的安裝質量要求。

表2 關節軸承永久變形量Tab.2 Permanent deformation of spherical plain bearing

圖8 1#試件變形量曲線Fig.8 Deformation curve of 1# experimental part

3.3.3 推出力

為研究軸承安裝固定后能夠承受的最大軸向載荷，測量試件的推出力，試驗原理與軸向保證載荷試驗一致，試驗過程為：將試驗裝置安裝在試驗機上，以1 mm/min的速度加載，直至軸承被推出。對3套關節軸承進行試驗，其推出力見表3，其中1#試件的推出力曲線如圖9所示。由表和圖可知：試驗測得的平均最大推出力為9.22 kN，仿真分析的最大推出力為9.25 kN，兩者基本一致。軸承安裝固定后最大的軸向推出力為9.22 kN，與規定的保證載荷6.4 kN相比具有一定的裕度，說明軸承的安裝固定可靠。

表3 關節軸承的軸向推出力Tab.3 Axial push-out force of spherical plain bearing

圖9 1#試件的軸向推出力曲線Fig.9 Axial push-out force curve of 1# experimental part

4 結論

1)ANSYS模型可準確模擬軸承翻邊和推出過程，理論分析與試驗驗證的結果基本一致。

2)理論分析和試驗驗證的結果表明，軸承與軸承座間隙配合時，軸承的擠壓翻邊安裝會減少軸承的空載啟動力矩，主要原因是擠壓翻邊后軸承外圈與內圈之間的接觸面積和接觸壓力減小。

3)現有的軸承翻邊固定技術能夠滿足相關標準對安裝后軸向承載能力的要求。