自潤滑關(guān)節(jié)軸承磨損量在線測(cè)量精度的影響因素

林晶，張艷，張令，李彥偉，趙穎春

(1．中國航空綜合技術(shù)研究所，北京 100028；2.沈陽飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所，沈陽 110035)

自潤滑關(guān)節(jié)軸承是航空系統(tǒng)廣泛使用的一類標(biāo)準(zhǔn)件，評(píng)價(jià)其磨損壽命的關(guān)鍵參數(shù)是軸承的磨損量，準(zhǔn)確測(cè)量關(guān)節(jié)軸承的磨損量是軸承壽命評(píng)價(jià)的關(guān)鍵技術(shù)。國內(nèi)目前對(duì)自潤滑關(guān)節(jié)軸承的壽命、性能等試驗(yàn)的研究還剛剛起步[1-4]，對(duì)于磨損量測(cè)量技術(shù)的研究還不充分。因此，分析了自潤滑關(guān)節(jié)軸承在線磨損量測(cè)量的影響因素，并在此基礎(chǔ)上提出了相應(yīng)的改進(jìn)方法，為軸承擺動(dòng)磨損試驗(yàn)、夾具設(shè)計(jì)等提供一定的借鑒和參考，以提高自潤滑關(guān)節(jié)軸承在線磨損量的測(cè)量精度。

1 在線測(cè)量方法

自潤滑關(guān)節(jié)軸承的磨損量測(cè)量一般分為在線測(cè)量和離線測(cè)量，而國內(nèi)外通用規(guī)范中自潤滑關(guān)節(jié)軸承的磨損量是指在線測(cè)量的磨損量[5-6]。在線磨損量可以反映磨損量的變化規(guī)律，對(duì)軸承摩擦磨損特性的評(píng)價(jià)具有重要的作用。

按照自潤滑關(guān)節(jié)軸承通用規(guī)范SAE AS81820及GJB 5502進(jìn)行測(cè)量，即在規(guī)定的載荷下，自潤滑關(guān)節(jié)軸承按照規(guī)定的擺動(dòng)頻率、擺動(dòng)角度做繞內(nèi)圈軸線的往復(fù)擺動(dòng)，在規(guī)定的擺動(dòng)次數(shù)(一般為25 000次)后其磨損量不能超過規(guī)定的值。

目前通用的磨損量在線測(cè)量方法采用位移傳感器測(cè)量軸承在擺動(dòng)過程中的相對(duì)徑向位移，試驗(yàn)裝置的原理如圖1所示。

2 在線測(cè)量精度的影響因素

由圖1可知，自潤滑關(guān)節(jié)軸承磨損量測(cè)量系統(tǒng)一般由加載系統(tǒng)、試驗(yàn)夾具、位移傳感器等組成，這些組件對(duì)軸承磨損量的在線測(cè)量都有不同程度的影響。此外，摩擦副溫度變化以及環(huán)境溫度的改變對(duì)測(cè)量也有明顯的影響。

2.1 載荷

在自潤滑關(guān)節(jié)軸承的擺動(dòng)磨損壽命試驗(yàn)中，需要對(duì)軸承施加一定的徑向載荷。由于磨損量測(cè)量實(shí)質(zhì)是測(cè)量外圈相對(duì)內(nèi)圈的位移變化，因此，測(cè)量過程中試驗(yàn)夾具的變形，尤其是試驗(yàn)芯軸的變形會(huì)疊加到磨損量的變化中。而試驗(yàn)夾具的變形量與徑向載荷密切相關(guān)，如果試驗(yàn)過程中載荷波動(dòng)較大，會(huì)使試驗(yàn)夾具的變形發(fā)生改變，從而影響到磨損量的測(cè)量。

1—芯軸；2—頂塊；3—軸承座；4—被試軸承；5—陪試軸承；6—螺母；7—支座；8—位移傳感器

為減小載荷波動(dòng)造成的測(cè)量變形對(duì)磨損量測(cè)量的影響，必須保證徑向載荷的控制精度在一定的誤差范圍內(nèi)。AS81820對(duì)徑向載荷的誤差要求為0～3%。在試驗(yàn)機(jī)設(shè)計(jì)或選用過程中，必須保證加載系統(tǒng)的控制精度符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.2 試驗(yàn)夾具

試驗(yàn)夾具是自潤滑關(guān)節(jié)軸承磨損量測(cè)量裝置的重要組成部分，主要包括軸承座、支座、陪試軸承、芯軸和頂塊等，這些組件對(duì)磨損量測(cè)量都有著不同程度的影響。

2.2.1 軸承座

軸承座主要用于安裝固定被試軸承，并與加載系統(tǒng)連接實(shí)現(xiàn)對(duì)軸承的加載。軸承座與被試軸承之間應(yīng)按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)選取正確的配合關(guān)系，配合關(guān)系不合理、軸承安裝固定狀態(tài)不穩(wěn)定，試驗(yàn)過程中有可能造成外圈與軸承座孔之間發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使測(cè)量位置發(fā)生變化，從而無法準(zhǔn)確測(cè)量軸承磨損量。按照AS81820要求，外圈與軸承座座孔之間的配合應(yīng)采用間隙配合。

2.2.2 陪試軸承

陪試軸承與支座一起支承芯軸，試驗(yàn)過程中陪試軸承也在發(fā)生持續(xù)的磨損，而這些磨損量會(huì)被位移傳感器采集并疊加到測(cè)量的磨損量中。因此必須正確地選擇陪試軸承，并進(jìn)行充分的潤滑，使陪試軸承在試驗(yàn)過程中的磨損量盡量小，以減小對(duì)磨損量測(cè)量的影響。

2.2.3 芯軸

芯軸是軸承的主要支承零件，試驗(yàn)過程中，芯軸帶動(dòng)內(nèi)圈進(jìn)行往復(fù)擺動(dòng)。因此芯軸的變形會(huì)被疊加到磨損量中。試驗(yàn)開始前，芯軸在徑向載荷下的初始變形可以作為初始的零點(diǎn)去除。但試驗(yàn)過程中芯軸發(fā)生蠕變導(dǎo)致的變形是無法去除的，因此應(yīng)盡可能地減小芯軸的蠕變。而減小蠕變的方法就是提高芯軸的剛度和強(qiáng)度。

一方面，芯軸的剛度與其材料和外形尺寸有關(guān)，AS818120要求采用硬度不低于50 HRC的鋼材，芯軸的外形尺寸受被試軸承的限制，改進(jìn)的空間不大。另一方面，芯軸在試驗(yàn)過程中采用雙剪支承的形式(圖1)，其剛度與支承距離密切相關(guān)，因此，在夾具設(shè)計(jì)過程中應(yīng)盡可能縮短支承距離，以提高芯軸的剛度。

此外，試驗(yàn)過程中由于環(huán)境溫度的影響，芯軸材料的強(qiáng)度和剛度均會(huì)發(fā)生一定的改變，因此應(yīng)合理地設(shè)計(jì)芯軸和支承座的結(jié)構(gòu)，充分保證磨損量的測(cè)量結(jié)果。

2.3 位移測(cè)量系統(tǒng)

位移測(cè)量系統(tǒng)一般由位移傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。位移傳感器是測(cè)量磨損量的主要儀器，因此必須保證位移傳感器有足夠的測(cè)量精度，一般要求在0.005 mm以內(nèi)。另外，在選擇傳感器時(shí)應(yīng)保證其測(cè)量精度滿足測(cè)量要求，同時(shí)要科學(xué)選擇其測(cè)量范圍，確保被測(cè)磨損量在傳感器的最佳測(cè)量范圍內(nèi)。一般的自潤滑關(guān)節(jié)軸承的磨損量在0.2 mm以內(nèi)，因此位移傳感器的測(cè)量范圍不宜過大，應(yīng)為0.5～1 mm，以保證傳感器的測(cè)量精度。

由于在軸承的一個(gè)擺動(dòng)周期內(nèi)，相對(duì)位移的變化量是周期變化的，因此磨損量的采集和數(shù)據(jù)處理方法對(duì)測(cè)量精度也有很大影響。一般在每個(gè)擺動(dòng)周期的同一相位點(diǎn)進(jìn)行采集才能準(zhǔn)確反映磨損量的變化情況，這就要求數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有足夠高的采樣頻率，以保證每個(gè)周期所采樣的數(shù)據(jù)點(diǎn)在同一個(gè)相位。目前常采集波峰或波谷值作為磨損量的值，也有采用取平均值的方法來提高磨損量的測(cè)量精度。

2.4 軸承摩擦副溫度

磨損量及外圈靠近摩擦副位置溫度的變化曲線如圖2所示。由圖可知，在擺動(dòng)初始階段，隨著擺動(dòng)次數(shù)的增加，軸承因?yàn)槟Σ粮蹦Σ辽鸁釡囟炔粩嗌仙?，直至一個(gè)穩(wěn)定階段。而這一階段磨損量也在快速增加，這是由于軸承摩擦生熱引起試驗(yàn)夾具的溫度升高，產(chǎn)生的熱膨脹變形疊加到磨損量中。

圖2 磨損量及溫度的變化曲線

軸承摩擦副生熱產(chǎn)生的熱變形對(duì)磨損量的影響是試驗(yàn)過程中必然發(fā)生的，其造成的測(cè)量誤差屬于系統(tǒng)誤差，無法避免，只能通過一定的離線修正才能去除，但目前還沒有統(tǒng)一的修正方法。

2.5 環(huán)境溫度

從圖2還可以看出，在擺動(dòng)試驗(yàn)后期，摩擦副生熱基本已達(dá)到熱平衡，溫度曲線幅度較小的變化主要是由于環(huán)境溫度的改變所致。圖中顯示磨損量也隨之發(fā)生改變，說明環(huán)境溫度的變化同樣會(huì)造成磨損量測(cè)量值的變化。

材料熱膨脹變形為

l=αLT，

式中：l為變形量；α為材料的熱膨脹系數(shù)；L為測(cè)量位置與摩擦副之間的距離；T為環(huán)境溫度的變化量。

由此可知，熱膨脹變形與溫度的變化量T和長度L有關(guān)。對(duì)于自潤滑關(guān)節(jié)軸承磨損量測(cè)量裝置，假設(shè)L=1 m,T=5 ℃，鋼材的α=11.6×10-6m/℃，計(jì)算可得由于環(huán)境溫度變化產(chǎn)生的變形量為0.058 mm。軸承的許用磨損量一般為0.11 mm，可見環(huán)境溫度的變化對(duì)磨損量測(cè)量有較大的影響。

綜上所述，為減小環(huán)境溫度對(duì)磨損量測(cè)量的影響，一方面應(yīng)采取恒溫措施，保證整個(gè)測(cè)量過程中環(huán)境溫度的變化量盡量小；另一方面應(yīng)盡可能減小位移測(cè)量位置與摩擦副之間的距離。

3 結(jié)束語

分析了加載系統(tǒng)、試驗(yàn)夾具、位移測(cè)量系統(tǒng)、溫度等因素對(duì)自潤滑關(guān)節(jié)軸承在線磨損量測(cè)量的影響機(jī)理，提出了提高載荷控制精度、優(yōu)化試驗(yàn)夾具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、減小環(huán)境溫度變化、優(yōu)化磨損量測(cè)量位置等措施，以減小各種因素對(duì)自潤滑關(guān)節(jié)軸承在線磨損量測(cè)量精度的影響。