自动倾斜器大轴承耐久性试验谱设计

李 磊，陈宇金，赵小全

(1.中国直升机设计研究所，江西景德镇 333001;2.陆航驻景德镇地区代表室，江西景德镇 333000)

0 引言

自动倾斜器大轴承是直升机操纵系统的一个重要组成部分，旋翼的总距及周期变距操纵都要通过它来实现。而大轴承设计中的耐久性谱的设计至关重要，本文提出的耐久性试验谱设计思路和方法是模拟大轴承在直升机上的真实使用环境(包括载荷、运动、温度等)编制耐久性试验谱，具有一定的新颖性和实用性。

1 大轴承工作环境简介

1.1 大轴承的安装特点

目前直升机上采用最普遍的是环式自动倾斜器。环式自动倾斜器一般由动环不动环组件、扭力臂、防扭臂和变距拉杆等组成。

大轴承安装于动环不动环组件之间，动环不动环组件采用环式球铰结构，允许垂直滑动和倾转，动环通过用油脂润滑的大轴承与不动环相连。

自动倾斜器大轴承一般为双排角触滚珠轴承，它传递从动环到不动环的载荷，为动环提供转动功能。大轴承载荷为旋翼的气动铰链力矩之从动环传递到不动环部分，包括弯矩和沿旋翼轴方向的轴力。典型大轴承的安装见图1。

图1 大轴承在动环不动环组件上的安装

1.2 大轴承耐久性试验的必要性

如果大轴承的使用时间限制超过实际的使用时间限制，会危及直升机的飞行安全，而相反则会增加直升机自动倾斜器的维护成本。确定大轴承寿命的准确性是决定自动倾斜器维护成本的重要因数。

此外，大轴承在耐久性试验过程中出现的安全和非安全失效模式的历程对于制定大轴承和整个自动倾斜器的监控检查和维护时间间隔和工作要求非常重要。

1.3 大轴承耐久性试验实施思路

对于自动倾斜器大轴承来说，真实地模拟工作环境尤为重要。我们设计一个模拟试验，该试验模拟大轴承在直升机工作环境下的运转，试验过程中最后一次出现非安全损伤的时间可以用来确定安全工作寿命，即得出大轴承的使用时间限制寿命，该试验即大轴承耐久性试验。

通过大轴承耐久性试验得出的使用时间限制与实际的使用时间限制越接近越好。这就使得制定大轴承耐久性试验方案非常重要。大轴承耐久性试验的温度、润滑、转动和安装等环境相对容易制定，而相对难的耐久性试验载荷谱制定是设计大轴承耐久性试验的关键。

自动倾斜器大轴承一般有一个理论计算或飞行实测的载荷谱。该载荷谱一般包括150多个飞行项目的载荷及其所占时间比例，下面是截取了典型的载荷谱的部分项目(见表1)。假如大轴承按上述载荷谱进行耐久性试验，势必存在试验项目繁多和试验工作量大的问题。因此需要对上述载荷谱进行等效裁减，得出合适的大轴承耐久试验载荷谱，一方面提高试验效率，另一方面又不失试验载荷的准确性。

本文通过分析大轴承寿命的特点，建立一套自动倾斜器大轴承耐久性试验谱的设计方法。

表1 典型大轴承载荷谱(部分)

2 大轴承耐久性谱设计

2.1 大轴承寿命理论简介

轴承的寿命又称为轴承疲劳寿命，一般是接触疲劳寿命。一般意义的轴承疲劳寿命是指一定技术状态下(结构、工艺状态、配合、安装、游隙和润滑状态等)的滚动轴承，在主机的实际使用状态下运转，直至滚动表面发生疲劳而不能满足主机要求时的轴承内、外圈(轴、座圈)相对旋转次数的总值—总转数(或总小时数)。影响轴承疲劳寿命的因素非常多，无法全部加以估计或通过标准试验条件加以消除，这造成轴承实际疲劳寿命有很大的离散性(大量的轴承寿命试验数据表明，一批结构尺寸、热处理、材料、加工方法完全相同的同一类型的轴承在同样条件下运转，可以有不同的寿命，最低寿命和最高寿命相差几十倍)，因此轴承疲劳寿命的表达参数为额定寿命L10，在ISO推荐标准中对L10的涵义明确规定如下:“数量上足够多的相同的一批轴承，其额定寿命L10用转数(或在转速不变时用小时数来表示)，该批轴承中有90%在疲劳剥落发生前能达到或超过此转数(或小时数)”。迄今为止，世界各国都遵从上述规定。

早在1939年，Weibull提出滚动轴承的疲劳寿命服从某一概率分布，这就是后来以其名字命名的分布Weibull，认为疲劳裂纹产生于滚动表面下最大剪切应力处，扩展到表面，产生疲劳剥落，Weibull给出了生存概率S与表面下最大剪切应力τ、应力循环次数N和受应力体积V的关系

瑞典科学家Palmgren经过数十年的数据积累，经过推导和大量轴承试验数据分析，获得L-P额定寿命计算公式

式中:L10为基本额定寿命，百万转;Cr为基本额定动载荷，N;P为当量动载荷，N;ε为寿命指数，球轴承取3，滚子轴承取10/3。L-P模型能很好地解释滚动轴承失效机理和预测寿命。

20世纪80年代，瑞典SKF轴承公司的研究人员在L–P理论的基础上得出了通用的轴承寿命计算模型，并简化额定寿命计算式可表示为

其中aSKF为寿命调整系数，它包括了润滑、污染、疲劳极限和轴承当量动载荷之间的复杂关系，它的值由污染系数ηc、轴承疲劳极限载荷Pu、当量动载荷P和粘度系数K之间的函数关系给出。ηc系数则考虑了润滑剂的污染及其对轴承寿命的影响。目前这一理论仅在SKF内部使用。

在国际标准ISO281:1990中也给出了修订的额定寿命计算式

该修订公式中的修正系数axyz考虑到材料、润滑、环境、杂质颗粒、套圈中内应力、安装和轴承载荷等因素对轴承寿命的影响。目前该修正式已被我国正式引用并作为我国滚动轴承行业产品寿命的推荐性文件。

2.2 大轴承疲劳寿命公式简化计算

自动倾斜器大轴承套圈为刚性支承并以中速旋转的角接触滚珠轴承，针对该类型轴承Lundberg-Palmgren计算轴承疲劳寿命的公式可以为

考虑修正系数的ISO寿命公式为

2.3 大轴承载荷谱设计

自动倾斜器大轴承承受复杂交变载荷，其寿命取决于各个载荷的疲劳损伤积累。我们可以用疲劳损伤积累的办法来对自动倾斜器大轴承理论计算或飞行实测的载荷谱进行等效裁剪，以达到简化载荷谱的目的。由上述轴承的寿命公式我们可以看出轴承的寿命与轴承所承受的载荷之间存在3次方的关系，可以得出以下当量载荷计算公式

式中，P1，P2，P3，…，Pi，…，Pn为每个状态下的恒定的当量径向载荷(N)，q1，q2，q3，…，qi，…，qn为大轴承在产品寿命期内作用时间占总时间的百分数(%)。

利用上述公式可以对大轴承150多个飞行项目的理论计算或飞行实测的载荷谱进行裁剪等效。

从自动倾斜器大轴承理论计算或飞行实测的载荷谱表1中我们可以看出，轴向力大时弯矩载荷也大，而且载荷大小变化较大(在整个谱里面载荷是从几百变化到几万)，我们将载荷谱按轴向载荷从小到大的顺序分为几大块。为了不使剪裁等效的载荷谱因过分简化而失真，一般需要把载荷谱等效成8个载荷左右的载荷谱。针对每大块载荷内的轴向力和弯矩利用公式(7)合并为一个等效的轴向力和弯矩载荷，一共可以合并出8个载荷。该剪裁等效后的载荷可以作为大轴承耐久性试验载荷谱。

表2是经过剪裁等效后某大轴承理论计算载荷谱剪裁成耐久性试验谱的结果。

表2 耐久性试验载荷谱

为了节省试验时间和成本，目前在许多类型的轴承耐久性试验采取了加速强化的处理办法，即采取对载荷谱进行强化剪裁或增加转速等办法［1-2］。由于自动倾斜器大轴承是直升机上的关键部件，其寿命的可靠性影响到直升机的飞行安全和维护成本。为了使试验更接近实际，大轴承耐久性试验载荷谱对应的试验时间与寿命是一比一的，试验转速、润滑条件、安装形式、配合尺寸、配合刚度、试验温度等参数与其在直升机上工作状态一致，即不作试验的强化加速处理。上述对载荷谱的附加要求对于大轴承耐久性载荷谱的制定很重要，即耐久性载荷谱按前文所述的剪裁办法进行剪裁后，不继续做其它强化处理。国外直升机相关轴承的耐久性试验也是不采取强化处理［3］。

2.4 大轴承运动谱及温度谱设计

自动倾斜器大轴承在直升机上一直以一个固定的频率在运动，运动工况并不复杂，所以将其真实的运动谱设计为其耐久性试验运动谱。

另外，根据自动倾斜器大轴承的使用环境温度要求，确定了大轴承的试验温度要求。

2.5 大轴承试验谱设计

综合上述确定的载荷谱、运动谱和温度谱，即为自动倾斜器大轴承的耐久性试验谱。

2.6 大轴承试验谱的实施情况

本文介绍的大轴承耐久性试验谱目前已在某机型大轴承耐久性试验中实施，已完成试验3件1000小时的寿命考核，试验情况良好，目前该大轴承已设计定型。

该试验谱的设计为今后各种机型的大轴承耐久性试验谱的设计提供了强有力的参考依据。为不同型号的大轴承耐久性试验引领了方向。

3 结束语

自动倾斜器大轴承的耐久性试验谱是其耐久性试验设计的一项关键工作，试验谱设计的优劣直接影响到耐久性试验结果的可信度、试验成本和试验周期，优化提高自动倾斜器大轴承耐久性试验谱设计非常必要。

今后还需在进行耐久性谱设计时进一步考虑材料疲劳性能、润滑清洁度、润滑粘性系数等因数，对比经过相同时间实际飞行使用后的轴承状态(轴向间隙，径向间隙，摩擦力矩，是否有金属剥落等)，进一步完善该谱的实用性，改进耐久性试验谱的设计。

［1］李兴林，李俊卿，张仰平，等.滚动轴承快速寿命试验现状及发展［J］.轴承，2006(12):44-47.

［2］黎桂华，李兴林，鄢建辉.轿车轮毂轴承耐久性试验载荷谱设计［J］.轴承，2006(1):27-28.

［3］Frengley M C，Eakin J D.ENDURANCE TESTING OF DAMAGED MAIN ROTOR UPPER THUST BEARING［C］.AHS-1990-102:1187-1206.