某直升機旋翼系統阻尼器桿端關節軸承軸向間隙超標問題分析

徐瑞，張昊，李建偉

(1.中國直升機設計研究所，江西 景德鎮 333001；2.陸裝航空軍事代表局駐景德鎮地區航空軍事代表室，江西 景德鎮 333001)

1 概述

旋翼阻尼器是直升機旋翼系統的關鍵零部件，其主要功能是為旋翼槳葉的擺振提供阻尼，保證直升機有足夠的穩定性裕度，從而防止地面共振。旋翼阻尼器安裝位置如圖 1所示，螺栓通過擰緊力矩將桿端關節軸承內圈固定于中央件耳片之間。桿端關節軸承內、外圈在阻尼器載荷的作用下，通過相對轉動來實現阻尼器隨支臂的運動。

1—中央件耳片；2—阻尼器安裝螺栓；3—阻尼器桿端關節軸承；4—阻尼器；5—支臂；6—安裝螺母；7—中央件。

阻尼器桿端關節軸承(圖 2)是直升機旋翼系統的關鍵連接件，承受x方向的載荷，并在載荷作用下繞x，y，z方向擺動。

圖2 阻尼器桿端關節軸承結構示意圖

桿端關節軸承具有內、外圈軸向間隙小,摩擦小,噪聲低等特點[6]，使用工況復雜且技術要求高[1]，保證其安全性至關重要[2-5]。

2 失效關節軸承概況

2.1 外觀形貌

某型阻尼器桿端關節軸承要求耐久性試驗1 000 h，且內、外圈軸向間隙不大于0.25 mm，但實際飛行過程中發現間隙超標，故障軸承材料驗收及熱處理情況見表1。拆解后軸承如圖3所示，外圈內表面襯墊多為非對稱磨損，磨痕呈半圓弧狀，說明在旋翼轉動過程中阻尼器需要承受沿阻尼器桿端關節軸承桿體的拉壓載荷，特殊情況也可能承受z方向的載荷，并繞x，y，z軸小幅擺動。

表1 故障軸承材料驗收及熱處理情況

(a)內圈

2.2 失效機理

桿端關節軸承由內圈、外圈以及粘接在外圈內表面的自潤滑襯墊組成。襯墊結構致密，一般由PTEE纖維、玻璃纖維等通過特殊方式編織，并在酚醛樹脂、環氧樹脂、氰丙烯酸酯等樹脂中浸漬形成。PTEE纖維摩擦因數低，起潤滑作用，樹脂作為基體材料既起粘接作用又具有抵抗熱變形的能力。

在受載過程中，外圈襯墊與內圈的接觸面上會形成一層能夠降低面內剪切應力的PTEE轉移膜，該膜可以明顯降低內、外圈的摩擦因數。隨使用時間的累積或載荷工況的惡化，PTEE轉移膜會被擠向兩邊[7]，內、外圈之間的摩擦因數增大，軸承緩慢磨損。PTEE自潤滑層的消耗會加劇軸承磨損，最終導致桿端關節軸承內、外圈軸向間隙超標。

3 失效原因分析

3.1 試驗工況

軸承通過的試驗項目包括空載啟動力矩檢查，密合度檢驗，軸、徑向靜載荷試驗，耐久性試驗，高、低溫試驗，淋雨試驗，濕熱試驗，鹽霧試驗，沙塵試驗。耐久性試驗受試驗機技術限制，無法進行全譜試驗，簡化了載荷譜(表2)，利用簡化載荷譜進行耐久性試驗是工程中常用的處理方法,實際使用情況說明實際載荷譜比簡化載荷譜更惡劣，簡化載荷譜需進一步改進。

表2 桿端關節軸承簡化載荷譜

3.2 襯墊

阻尼器桿端關節軸承研制階段及試驗階段使用進口JC-01襯墊(材料為玻璃纖維+PTFE纖維)，但由于其不符合保障要求，改為國產C-01襯墊(材料為NOMEX纖維+PTFE纖維)，JC-01，C-01襯墊的平均使用壽命分別為600～900 h，187～220 h，說明襯墊差異也可能會導致內、外圈軸向間隙超標。

3.3 軸承精度

桿端關節軸承精度、力矩均勻性等指標會影響軸承內、外圈的摩擦狀態，從而影響其使用壽命。表面質量較差會使軸承摩擦因數偏大，回轉力矩太大會使內、外圈之間的作用力偏大，加劇軸承磨損，進而導致軸向間隙超標。

經檢查：在制品嚴格按管理程序要求，庫帳、卡、物一致；生產過程中嚴格執行批次管理，詳細記錄投料數量和加工記錄，且對每道工序的產品實行首檢、巡檢、完工檢等，整個生產過程零件均處于受控狀態。在出廠驗收時，軸承成品尺寸精度(內圈內徑、內圈寬度、桿端長度、桿端寬度、桿端球頭球徑等)、重量、密合度、粘結完善性和啟動力矩均滿足要求。盡管如此，從結構設計的角度出發，在加工能力允許的范圍內，提高軸承的加工精度，可以提升桿端關節軸承內、外圈的耐磨損性能。

4 改進的耐久性試驗載荷譜

4.1 載荷譜改進

在直升機復雜氣動環境下偶爾會產生z方向的載荷，因遠小于x方向的載荷，可忽略不計。試驗機無法實現軸承3個方向的擺動，根據軸承內、外圈偏磨的特點，在改進載荷譜中增加繞x軸的擺動，并使用全載荷譜(通過在直升機上布置載荷傳感器測得)，見表3，表中：靜載荷為恒定的靜態載荷；動載荷為正弦函數載荷，表中數值為正弦載荷幅值；靜位移度為繞某軸恒定存在的擺動幅度；動位移度為正弦函數的位移函數，表中的數值為正弦位移度幅值。整體載荷為動載荷與靜載荷的疊加。

表3 桿端關節軸承改進載荷譜

4.2 載荷譜驗證

為驗證改進載荷譜的正確性，基于赫茲接觸理論建立軸承有限元模型進行分析，建模時忽略內外圈倒角、軸承游隙，定義軸承內、外圈為剛-柔接觸，軸承應力分布云圖如圖 4所示：在內圈兩端與外圈的接觸區域等效應力較大，與實際磨損位置一致，說明了改進的載荷譜更接近實際工況。改進載荷譜的載荷及擺動幅度均有所增加，以彌補擺動方向和頻率變化的影響，獲得更接近實際工況的改進載荷譜。

圖4 全譜載荷下桿端關節軸承應力云圖

試驗機結構如圖5所示，試驗機以變頻電動機作為動力輸入，通過2個皮帶輪將動力傳輸給2個方向的擺動機構，通過電動缸、拉壓傳感器施加載荷，實現桿端軸承在交變載荷作用下繞x，z軸的雙向擺動。試驗臺采用工控計算機控制，可任意設定試驗參數。屏幕顯示擺動幅值、擺動頻率、交變載荷、循環次數、磨損量、溫度等。

1—拉壓傳感器；2—試驗軸承；3—變頻電動機；4,6—皮帶輪；5—擺動機構；7—電動缸。

將改進的載荷譜轉化為試驗載荷[9]：1)x方向的最大載荷為50 kN;2)繞x，z軸的擺動頻率為20 Hz；3)繞x，z軸的最大擺動幅度分別為25°，20°。

加載方式：在x方向先施加靜載荷，在靜載荷基礎上，以正弦波方式施加拉壓動載荷。

擺動方式：沿x或z軸均先擺動一定靜位移度(最大為±15°)，在靜位移度基礎上，以正弦波方式施加相應的動位移度(最大為±10°)，施加時間比例見表3。

選取2套關節軸承試驗，試驗時間分別為100，300 h，試驗結束后內、外圈軸向間隙分別為0.240，0.525 mm。100 h試驗后軸向間隙已接近臨界值，300 h試驗后軸向間隙已超標，而實際使用時200 h左右才接近臨界值，說明改進的載荷譜更為苛刻，可采用改進的載荷譜替代該類軸承的復雜使用工況。

5 改進措施及試驗驗證

5.1 改進措施

1)對襯墊織物進行界面處理，以提高襯墊織物對樹脂的浸潤性，同時對界面處理過的織物在浸漬樹脂前采取壓擠工藝，增加纖維與樹脂的密合度，使織物與樹脂形成完整的復合材料，增加襯墊的抗剪切能力，達到抗磨效果，改進后的襯墊型號為C-01A。

2)改變軸承內圈外球面(磨損部位)表面處理工藝是提高軸承耐磨損性能的有效途徑,根據經驗將內圈外球面(圖6)由鍍硬鉻改為鍍陶瓷(Al2O3)。

圖6 內圈外球面鍍陶瓷位置示意圖

3)提高外圈內孔、桿體內孔、內圈球面加工精度，改進前、后精度對比見表4：外圈內孔精度提高為后續粘貼襯墊和擠壓工序提供良好的表面質量，更好實現內、外圈的貼合；桿體內孔和內圈球面精度提高使軸承裝配力矩更均勻，避免出現擺動卡點。

表4 改進前、后各零件加工精度對比

5.2 試驗驗證

對改進后的軸承進行了外觀、尺寸檢查，空載啟動力矩試驗，重量、密合度測試，襯墊剝離強度試驗，粘接完整性試驗，軸、徑向靜載荷試驗，耐久性試驗等一系列試驗，均滿足要求。耐久性試驗結果見表5，改進后的阻尼器桿端關節軸承壽命提高，內、外圈軸向間隙超標問題得到了有效解決。

表5 改進前、后桿端關節軸承耐久性試驗結果對比

6 結束語

針對某阻尼器桿端關節軸承內、外圈軸向間隙超標的問題，分析了其原因，并提出了相應的改進措施。改進后的軸承性能顯著提升，為直升機旋翼系統阻尼器桿端關節軸承的設計和應用提供了參考。