基于低速重载、长润滑线路的尾操纵轴承设计

张媛媛 邓明明，张洪港 涂德民 马 翡 吴小力

（1.中国航发中传机械有限公司，长沙 410200；2.空军装备部驻长沙地区第二军事代表室，长沙 410200；3.洛阳LYC轴承有限公司，洛阳 471000）

尾操纵轴承配装于国内某大型直升机尾减速器。尾减速器的作用是将主减速器尾传动输出端经中间减速器传递的功率、转速经一次角度（90°）换向和减速后传递给尾旋翼，同时传递航向助力器产生的操纵力操纵尾桨叶，以保证飞机的航向操纵。尾操纵轴承作为连接尾减速器操纵杆和操纵轴的连接部件，起着传递航向助力器产生的操纵力和保证飞机航向操纵的重要作用，其性能优劣直接影响直升机传动系统的使用寿命和可靠性。一旦该轴承失效，尾桨无法进行航向操纵，会给飞行带来严重的安全隐患。

为提高轴承的可靠性，国内外专家学者们从故障模式分析、轴承优化设计、载荷分布、性能以及寿命考核试验等方面进行研究。洪杰等研究了高速滚子轴承的载荷分布模型，得到了不同载荷参数对滚子载荷分布和寿命的影响规律[1]。郑德志等针对高温、高速、重载工况下的航空发动机用滚动轴承引入了轴承监测和性能考核系统，实现了对轴承运转状态的监控[2]。张振强等针对航空发动机主轴轴承性能和寿命试验过程中的故障进行分析并完成了改进[3]。刘静等研究航空发动机传动轴承多支撑台架试验失效机理分析，认为支撑轴承的游隙匹配会导致各轴承内部载荷存在较大差异，从而出现疲劳失效的情况，为轴承的设计优化提供了新思路[4]。

虽然有关轴承的设计理念和改进方法不断完善，但缺少关于重载、长润滑线路、复杂工况下的尾减速器尾操纵轴承的深入研究。本文基于润滑条件差、承受载荷大、结构空间受限等客观因素，创新性地提出了一种滚动轴承的设计方法，并通过试验考核验证了设计的可靠性。

1 尾操纵轴承使用要求

尾操纵轴承使用要求主要包括转速、工作温度、载荷、寿命以及精度等[5]。

1.1 轴承转速

轴承的额定工作转速为1 013 r·min-1，需考虑轴承稳态和瞬态的工作转速，即90%～110%的额定工作转速和80%～120%的额定工作转速。

1.2 工作温度、载荷、偏角、精度

轴承正常状态下，温度范围为-40～+150 ℃，极限状态温度需满足300 ℃。轴承载荷按载荷谱，最大轴向载荷为15 000 N。内外圈有偏角要求，在极限状态下，轴承内、外圈最大倾斜角1°。正常工作时，内、外圈最大倾斜角22′。此外，轴承精度等级不低于P5级。

1.3 润滑、干运转、寿命

润滑油介质为4450航空齿轮油。在缺油状态下，轴承至少保证可靠工作30 min。此外，轴承使用寿命不低于1 200 h。

2 尾操纵轴承润滑环境

尾操纵轴承装配部位见图1。轴承外环安装在操纵轴内孔中，随操纵轴旋转。轴承内环安装在操纵杆上，内环不旋转。锥齿轮副飞溅出的润滑油在机匣封闭腔内形成油雾，油雾附着到内壁上，在重力作用下形成油滴被收集到集油槽内，流经操纵杆导油槽进入轴承，通过回油孔及配合面的间隙回流到油池。可见，尾操纵轴承润滑油量少，润滑线路长，结构空间紧凑，对其自身的性能与可靠性要求极高。

图1 尾操纵轴承安装部位

3 尾操纵轴承设计

3.1 总体设计原则

3.1.1 保证轴承接口及结构满足要求

轴承接口及结构需满足减速器传动系统的物理接口和功能接口要求，并能满足互换性要求。

3.1.2 选取国内成熟航空滚动轴承材料

根据轴承工作温度、载荷要求，借鉴其他型号经验，在国内航空滚动轴承常用材料体系中选取耐高温耐磨材料。

3.1.3L10修正寿命满足寿命要求并具有一定裕度

按照航空轴承设计规范，选取轴承的内部参数并进行优化设计。均方根载荷下，接触应力不大于2 000 MPa；最大载荷状态下，最大接触应力不大于2 400 MPa；均方根载荷下，L10修正寿命不低于1 800 h；极限状态下，最大接触应力不大于3 200 MPa，瞬时峰值不大于4 200 MPa，L10修正寿命不低于10 h。

3.2 结构设计

尾减尾操纵部位的操纵轴和操纵杆仅由一个尾操纵轴承连接，承受操纵杆带来的轴向载荷，同时需要适应操纵杆和操纵轴轴线不平行引起的内环和外环的偏斜。考虑尾操纵轴承润滑条件，从降低轴承摩擦系数、减少轴承发热量、改善轴承的润滑效果方面出发，确定轴承采用双列角接触球轴承结构，内圈为双滚道，保持架带装配锁口，使保持架、钢球和内圈形成不可分离的内组件。双半外圈由卡环固定，整个轴承为不可分离的整体。轴承由2个半外圈、1个内圈、2个保持架、滚动体及1个卡环组成，结构见图2。

图2 轴承结构

3.3 选材设计

尾操纵轴承材料参考其他型号同部位轴承选材情况，结合轴承实际工况，选取国内成熟的、耐热性好的航空滚动轴承常用材料，以满足轴承的使用性能。轴承套圈及滚动体选用8Cr4Mo4V钢，经热处理后最高使用温度为316 ℃，可以满足轴承高温工作300 ℃要求。对8Cr4Mo4V材料制成的套圈和滚动体进行不高于-75 ℃的冰冷处理，可以保证轴承在-55 ℃的环境温度下材料机械性能的稳定。保持架选用航空优质结构钢40CrNiMoA-GJB 1951，调质处理后硬度为28～35 HRC，综合性能优异。卡环选取国内航空滚动轴承常用材料ZGCr15-军甲。

3.4 保持架设计

综合考虑转速和使用位置，选用钢制实体保持架。考虑动圈引导的保持架，同时受滚动体和动圈的作用，质心运动轨迹不规律，因此选择不动圈引导和内圈引导。

3.5 滚动体参数设计

以轴承疲劳寿命为目标函数，对尾操纵轴承滚动体直径和个数进行优化设计[6]，同时参考经验公式，最终确定滚动体直径为9.525 0 mm，单列滚动体数量取8。

3.6 内部参数设计

3.6.1 滚道曲率系数设计

球轴承滚道曲率半径（系数）影响轴承工作时的滚动体与滚道的接触椭圆、接触应力及滚道与滚动体接触处的发热程度。一般情况下，轴承承载较大时，选取较小的滚道曲率系数。尾操纵轴承套圈滚道曲率系数设计值，见表1。

表1 轴承套圈滚道曲率系数 单位：mm

3.6.2 游隙设计

根据轴承安装配合尺寸、转速、尺寸公差、材料参数及承受的载荷，轴承原始径向游隙设计为0.190～0.205 mm。根据轴承工况，轴承外圈旋转，内圈不旋转。稳定工作后，轴承外圈温度一般高于内圈温度。根据轴承在主机上的安装、配合情况，对轴承安装后、正常温度下、最高温度下及冷起动下轴承游隙变化量进行计算分析，轴承在内、外圈温差为10 ℃时的游隙变化量与工作轴向游隙计算结果见表2。结果显示，轴承正常工作时径向游隙变化量为0.001～0.022 mm，取轴承原始径向游隙为0.190～0.205 mm，则轴承正常温度下工作径向游隙为0.168～0.204 mm，平均工作径向游隙为0.186 mm，平均工作接触角为44°48′，能够满足使用要求。正常温度是指轴110 ℃、内圈110 ℃、外圈120 ℃、机匣120 ℃；最高温度是指轴140 ℃、内圈140 ℃、外圈150 ℃、机匣150 ℃；环境温度为20 ℃；冷启动计算温度为-40 ℃；正值为游隙减少，负值为游隙增大。

表2 轴承径向游隙、轴向游隙变化量 单位：mm

3.7 精度设计

轴承旋转精度和形位公差按照《滚动轴承向心轴承公差》（GB 307.1—2005）中5级要求设计。内径、外径及端面粗糙度按照《滚动轴承通用技术规则》（GJB 307.3—2005）中5级要求设计。轴承技术条件按照《航空滚动轴承通用规范》（GJB 269A—2000）中第一组技术条件要求。

4 寿命计算

4.1 润滑分析

滑油参数采用4450润滑油的相关参数进行计算，计算分析中润滑油最高温度设定为100 ℃。滑油清洁水平按ISO4406标准中17/14档清洁度水平取值。计算轴承寿命时，滑油清洁水平值为1。

4.2 计算原理

4.2.1 基本额定动、静负荷及当量负荷

基本额定动静负荷及当量负荷利用Palmgren方法计算，符合GB/T6391（ISO 281）规定的要求。

4.2.2L10寿命按照GB/T6391（ISO 281）计算，L10寿命为

式中：L10为90%可靠度下的基本额定寿命；Cr为轴承额定动负荷；Pr为轴承当量负荷；球轴承时e为3，滚子轴承时e为10/3。

4.2.3L10修正寿命

修正寿命考虑了轴承润滑、清洁度及材料对轴承寿命的影响。

4.2.4 润滑油膜厚度

弹性流体动力润滑（Elasto-Hydrodynamic Lubrication，EHD）厚度根据Dawson的方法计算。4450润滑油在100 ℃时，黏度为5.766 mm2·s-1，压力系数为0.014 mm2·N-1，密度为849 kg·m-3。

4.2.5 接触应力和接触椭圆

接触应力计算原理为Hertz弹性理论，采用切片法计算滚动体与滚道的接触应力。对于球轴承，滚动体与滚道的接触椭圆超出允许区域后将使接触应力增大，造成轴承损伤，如图3所示。因此，设计中需要严格控制轴承接触椭圆位置。

图3 接触椭圆

4.2.6 极限转速

滚动轴承普通级轴承的极限转速，计算方法为

式中：fi为尺寸系数；A为最小负荷常数；dm为内外圈直径平均值；X为精度等级系数。对于军品轴承，一般X取1.4～2.0。该系数主要根据轴承精度等级、直径系列及内部参数选取。

4.3 应力和寿命分析

当轴承内、外环偏心为1°时，轴承内部载荷分布见图4。轴承轴向工作游隙按平均轴向工作游隙取-0.005 9 mm，工作接触角按44°48′，轴承在均方根载荷和最大载荷下的接触应力与寿命情况见表3，应力雷达图见图5和图6，沿滚动体长度方向接触应力分布见图7和图8。

图4 轴承内部载荷分布

图5 均方根载荷下应力雷达（单位：MPa）

图7 均方根载荷下沿滚动体长度方向接触应力分布

图8 最大载荷下沿滚动体长度方向接触应力分布

表3 均方根载荷和最大载荷下的接触应力与寿命分析结果

续表3

图6 最大载荷下应力雷达图（单位：MPa）

计算分析结果表明：当轴承内、外环偏心1°时，在均方根载荷作用下，最大接触应力为2 052.3 MPa，L10修正寿命为5 526.0 h，满足尾减速器1 200 h的使用要求；在最大载荷工况下，最大接触应力为2 639.4 MPa，且最大载荷持续时间极短，可以满足尾减速器1 200 h的使用要求。

5 试验验证

尾减尾操纵轴承为双半外圈双列球轴承，仅承受轴向载荷。与以往传动系统同部位轴承不同，该轴承除了承受轴向载荷外，还要适应操纵轴与操纵杆不同轴的偏斜工况。因此，在试验过程中需要考虑轴承内、外圈偏斜的情况。对尾操纵轴承开展了不利状态极限能力试验、50 h性能试验、断油试验及随尾减1 800 h耐久性验证试验。

试验后分解检查轴承，轴承满足以下条件即为通过试验：一是试验工作表面未出现疲劳剥落；二是试验轴承的任一零件未出现损伤、不能正常运转的现象，如轴承严重磨损、保持架断裂、明显变形、烧伤、尺寸和游隙严重超差等。

本次试验结束后轴承子样经专业检测未出现轴承内外环或滚动体表面基体金属出现疲劳剥落、零件断裂、卡死、严重磨损以及尺寸严重超差等失效情况，轴承转动灵活、状态良好，处于可用状态，通过了不利状态极限能力、耐久性验证试验等试验考核，表明尾操纵轴承满足使用要求。

6 结论

（1）针对低速重载、长润滑线路下尾减速器尾操纵轴承的使用工况，通过优化轴承内部结构参数匹配设计，突破了具有不小于1°倾斜角的双半外圈双列角接触球轴承设计技术，成功设计了双半外圈双列球轴承。

（2）通过理论计算和接触应力分析，尾操纵轴承的基本额定寿命和修正额定寿命都达到了设计要求，且径向游隙和轴向游隙满足使用要求。

（3）该轴承的设计技术填补了国内低速重载、长润滑条线路、内外环偏心条件下双列球轴承的空白，可为直升机传动系统轴承的优化设计提供新的思路和支撑。