航空飛行器用超高速角接觸球軸承的研制與試驗驗證

郝大慶，李鴻亮，鄭艷偉，韓濤，徐潤潤

(1.洛陽軸承研究所有限公司，河南 洛陽 471039；2.河南省高性能軸承技術重點實驗室，河南 洛陽 471039)

1 概述

隨著航空飛行器轉子系統向高轉速方向發展，飛行器需在短時間內追蹤到目標并實施打擊，且能夠完成多個循環動作，這就要求起支承作用的角接觸球軸承在高速(轉速高達120 000 r/min)、頻繁啟停工況下工作，軸承易出現非常規的疲勞失效。國內某主機廠家對超高速軸承的設計要求見表1，選用國外軸承，并進行臺架試驗，軸承僅能滿足主機20次啟停循環， 試驗壽命僅30 h，失效模式主要為軸承散套，溝道燒傷，保持架斷裂等。

表1 超高速軸承設計要求

國內外對角接觸球軸承做了大量研究：文獻[1]建立了擬靜力學蠕滑分析模型，分析了軸承的運動學和力學性能；文獻[2]考慮了鋼球陀螺旋轉、離心力等，基于赫茲接觸理論建立了高速角接觸球軸承擬動力學分析模型，分析了結構參數和工況參數對軸承動態特性的影響；文獻[3]建立了角接觸球軸承完全動力學模型，分析了軸承打滑機理，并提出了軸承潤滑熱失效條件；文獻[4-5]介紹了高速精密角接觸球軸承保持架材料的選擇；文獻[6]分析了精密角接觸球軸承的運動學和發熱機理，并開展了相關試驗研究，給出了最佳預緊量和潤滑劑量；文獻[7]基于動力學和摩擦生熱原理，建立軸承熱機耦合模型，分析了軸承在高速工況下的運動特性、溫度分布、動剛度等；文獻[8-9]開展了燃氣輪機用高溫高速角接觸球軸承的設計分析和試驗機研制；文獻[10-12]分析了高速角接觸球軸承的動力學特性，研究范圍從軸承潤滑油的拖動特性到保持架穩定性、摩擦功耗等；文獻[13]分析發現某輔助動力起動機動力轉子角接觸球軸承的失效原因為潤滑油噴嘴堵塞，潤滑油流量和流向發生變化；文獻[14]分析發現某起動機出現異常振動和碰磨的原因為轉子質心不在軸線或撓度大，轉子軸系剛度不足，軸承精度不高等；文獻[15-16]分析了高速角接觸球軸承的打滑特性，給出了鋼球與溝道的摩擦學及潤滑特性；文獻[17-18]建立了軸承動力學模型，為軸承動力學分析奠定了基礎；文獻[19]分析了燃氣輪機用角接觸球軸承出現早期剝落的原因為潤滑不良；文獻[20]采用氮化硅陶瓷球軸承，實現了長壽命、低功耗，并將陶瓷球軸承用于乘用車渦輪增壓器；文獻[21]分析了保持架結構形式和引導方式，潤滑劑流量對軸承溫升和保持架打滑率的影響，并進行了試驗驗證，保持架單邊引導更利于軸承高速運轉。

上述文獻對角接觸球軸承研究的最高轉速僅為每分鐘幾萬轉，關于轉速高達120 000 r/min且頻繁啟停的角接觸球軸承的研究較少；故有必要開展該類航空飛行器用超高速角接觸球軸承的設計分析，并進行相應的試驗驗證。

2 超高速軸承設計

2.1 材料

在高速工況下，軸承自身會產生大量的摩擦熱，實際工作溫度短時會超過180 ℃，接觸區溫度高達500 ℃，常規的GCr15軸承鋼已不能滿足要求。根據航空發動機主軸軸承的設計經驗，該工況下軸承套圈和鋼球材料一般選擇8Cr4Mo4V鋼，與國外M50鋼性能相當，在高溫下硬度高，抗疲勞，耐磨損，且具有良好的尺寸穩定性以及較好的加工性能。保持架材料一般選用強度高，彈性好，耐磨損，抗磁性強的QSn6.5-0.1錫青銅，具有良好的切削加工性能，且耐腐蝕。

2.2 引導方式

高速工況下采用套圈引導，保持架運轉更穩定。由于鋼球離心力較大，鋼球在內圈上的滑動速度較大，摩擦生熱多，故采用外圈引導，鋼球與內圈溝道摩擦產生的熱量可及時擴散。此外，外圈引導可使保持架過梁尺寸加大，強度提高。

2.3 參數選取

為提高軸承承載能力及壽命，需選取直徑大的鋼球；為減小鋼球離心力的影響，降低鋼球與套圈之間的旋滾比，減少摩擦，需要直徑小的鋼球。在運行過程中，球軸承接觸角受到溫度、離心力、裝配等因素的影響會發生變化，影響軸承的載荷分布，而載荷分布與軸承壽命緊密相關，需在設計時給予考慮。綜合考慮軸承的高速性能和承載能力，對軸承主要結構參數進行優化，鋼球直徑為4.762 5 mm，球數為10，接觸角為13°～17°。軸承主參數確定后，其他參數可參考角接觸球軸承的設計方法得到。

3 動力學分析

考慮鋼球與套圈、套圈與保持架、鋼球與保持架之間的相互作用，建立軸承完全動力學仿真分析模型，分析時考慮鋼球的陀螺旋轉及離心力、潤滑油的拖拽等。軸承動力學求解時，需先給定初始解，初始解由軸承靜力學分析得到。

為準確描述軸承各零件之間的運動關系，建立如圖1所示坐標系，動力學模型參考文獻[10]。

圖1 軸承坐標系

軸承在超高速且頻繁啟停的工況下工作，需計算軸承的接觸應力評判其承載能力。自旋滑動是軸承摩擦和發熱的重要因素，自旋滑動較大時，溝道表面易燒傷，有必要分析軸承運轉過程中鋼球的旋滾比。在該工況下球與保持架的碰撞力較大，影響保持架的穩定性，球與保持架的碰撞力和保持架打滑率可作為評判保持架是否穩定運行的重要指標。此外，該類軸承失效模式為非常規疲勞失效，對其疲勞壽命的分析僅供參考。

3.1 接觸應力

在軸向載荷為200 N，徑向載荷為300 N時，不同轉速下軸承的最大接觸應力如圖2所示：1)隨轉速升高，內圈最大接觸應力減小，外圈最大接觸應力增大，超過100 000 r/min時，外圈接觸應力大于內圈接觸應力；2)鋼球與內、外圈的最大接觸應力為2 200 MPa，滿足不高于2 400 MPa(經驗值)的要求。

圖2 軸承最大接觸應力隨轉速的變化曲線

3.2 旋滾比

由于鋼球離心力的作用，高速角接觸球軸承多采用外溝道控制，外溝道旋滾比接近為0，下文分析鋼球在內溝道上的旋滾比。在軸向載荷為200 N，徑向載荷為300 N時，不同轉速下鋼球的最大旋滾比如圖3所示： 隨轉速升高，鋼球最大旋滾比增大，達到120 000 r/min時，最大旋滾比為0.5，滿足最大旋滾比不大于0.6(經驗值)的要求。

圖3 鋼球最大旋滾比隨轉速的變化曲線

3.3 鋼球與保持架的碰撞力和保持架打滑率分析

在軸向載荷為200 N，徑向載荷為300 N時，不同轉速下鋼球與保持架的最大碰撞力和保持架打滑率分別如圖4、圖5所示。由圖4可知：隨轉速升高，鋼球與保持架的最大碰撞力增大，最大碰撞力為18 N，根據經驗要求，該軸承在超高速工況下工作時不會出現保持架斷裂等異?，F象。由圖5可知：隨轉速升高，保持架打滑率增大，最大值為8%，滿足低于10%的要求[22]。

圖4 鋼球與保持架的最大碰撞力隨轉速的變化曲線

圖5 保持架打滑率隨轉速的變化曲線

3.4 疲勞壽命

參考GB/T 6391—2010《滾動軸承 額定動載荷和額定壽命》，軸承額定動載荷為

(1)

f1=0.95，

式中：α為接觸角；Z為球數；Dw為球徑；fi，fe分別為內、外圈溝曲率半徑系數；Dpw為球組節圓直徑；i為軸承列數。

軸承當量動載荷為

Pr=XFr+YFa，

(2)

式中：X為徑向動載荷系數；Fr為徑向載荷；Y為軸向動載荷系數；Fa為軸向載荷。

軸承在最高轉速120 000 r/min下工作，按照可靠性為99%計算其疲勞壽命，潤滑系數取1。8Cr4Mo4V鋼高溫性能較好，在計算軸承壽命時材料系數可取5甚至更大，但該軸承工作溫度高達180 ℃，轉速高達120 000 r/min且有啟停次數要求，計算時材料系數取2。軸承疲勞壽命為

(3)

由(1)～(3)式可得軸承疲勞壽命約為55 h。

4 試驗驗證

為驗證設計的角接觸球軸承是否滿足要求，與國外軸承進行同樣的臺架試驗，試驗機結構如圖6所示，包括加載系統、高溫潤滑系統、電控系統、自動控制系統、軟件系統等。采用飛濺潤滑(軸承最下端方位角為0°鋼球的一半浸在潤滑油中，軸承旋轉時潤滑油飛濺到溝道內)，試驗過程中實時監測被試軸承外圈溫度、潤滑油溫度及主體振動。試驗機測試精度見表2。

1—回油口；2—軸向加載；3—1#工位軸承測溫孔；4—2#工位軸承測溫孔；5—進油口；6—徑向加載；7—3#工位軸承測溫孔；8—4#工位軸承測溫孔。

表2 試驗機測試精度

試驗過程中內圈轉速從0逐步增加到120 000 r/min，運行一段時間后，降速至0，如此往復變化，如圖7所示。

圖7 內圈轉速變化示意圖

測量軸承運轉過程中的振動加速度和溫度，分別如圖8和圖9所示： 1)軸承最大振動加速度低于19.6 m/s2，滿足不高于58.8 m/s2的設計要求，且振動無突增；2)試驗軸承溫度均低于100 ℃，未超過軸承套圈和鋼球的熱處理回火溫度。轉速一個循環為100 min，軸承連續完成了30個循環，壽命超過50 h。

圖8 試驗軸承振動加速度

圖9 試驗軸承溫度

試驗前、后軸承內、外徑及徑向游隙無變化，拆解試驗后的軸承如圖10所示,保持架和鋼球無異常磨損。

(a)1#軸承

軸承通過了臺架試驗，啟停次數和壽命均能滿足設計要求。

5 結束語

為滿足某主機廠家的設計要求，開展了航空飛行器轉子系統用超高速角接觸球軸承的設計和試驗驗證工作，所開發的軸承滿足轉速120 000 r/min，啟停次數30次，壽命50 h的設計要求。軸承交付主機單位后，隨主機進行了試驗考核，國產軸承壽命和循環次數比國外軸承提高了50%。分析結果可為航空飛行器轉子系統用超高速角接觸球軸承的理論分析和試驗研究提供參考。