飛機(jī)機(jī)體用金屬對(duì)金屬關(guān)節(jié)軸承

韓蘇征，胡忠會(huì)

(中航工業(yè)第一飛機(jī)研究院，西安 710089)

1 飛機(jī)機(jī)體用金屬對(duì)金屬關(guān)節(jié)軸承

飛機(jī)機(jī)體用關(guān)節(jié)軸承要求承載能力高，具有一定的調(diào)心能力，其運(yùn)動(dòng)方式多為擺動(dòng)或偏擺，速率低，需要定期潤(rùn)滑，主要應(yīng)用于飛機(jī)艙門、起落架、方向舵、升降舵、襟翼、縫翼、擾流板、安定面、發(fā)動(dòng)機(jī)吊掛、操縱系統(tǒng)等部位，如圖1所示[1]。

對(duì)飛機(jī)研制過(guò)程中金屬對(duì)金屬關(guān)節(jié)軸承的設(shè)計(jì)選用進(jìn)行總結(jié)，提出了常用金屬對(duì)金屬關(guān)節(jié)軸承的結(jié)構(gòu)形式，并敘述了該類關(guān)節(jié)軸承的結(jié)構(gòu)、摩擦副、載荷、潤(rùn)滑及更換處理方法等。

2 軸承結(jié)構(gòu)形式

飛機(jī)機(jī)體用金屬對(duì)金屬關(guān)節(jié)軸承結(jié)構(gòu)形式一般符合美國(guó)機(jī)車協(xié)會(huì)的宇航標(biāo)準(zhǔn)(以下簡(jiǎn)稱宇航標(biāo)準(zhǔn))，但隨著不同應(yīng)用需求的發(fā)展，非標(biāo)軸承也越來(lái)越多，且部分已企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化。宇航標(biāo)準(zhǔn)中金屬對(duì)金屬關(guān)節(jié)軸承結(jié)構(gòu)一般為外圈倒角或外圈帶安裝槽類型，通常通過(guò)收口的方式固定于軸承座孔，如圖2所示[2]。軸承收口固定后，提供的軸向推出力有限；收口過(guò)程中，因軸承座圈或軸承外圈塑性變形，對(duì)軸承徑向游隙、密合度和啟動(dòng)力矩等將產(chǎn)生影響，操作不當(dāng)甚至?xí)霈F(xiàn)抱死。

圖1 金屬對(duì)金屬關(guān)節(jié)軸承在飛機(jī)機(jī)體的應(yīng)用

為提高軸承安裝后的推出力，降低或避免收口對(duì)軸承的不利影響，對(duì)軸承結(jié)構(gòu)進(jìn)行了各種設(shè)計(jì)改進(jìn)，如圖3～圖6所示[1-4],不需要收口，安裝維護(hù)方便。

圖3 一端帶楔角一端帶安裝槽關(guān)節(jié)軸承

圖4 一端帶楔角一端帶鎖緊螺母關(guān)節(jié)軸承

圖5 一端帶凸緣一端帶鎖緊墊片和螺母關(guān)節(jié)軸承

圖6 一端帶安裝凸緣關(guān)節(jié)軸承

3 軸承常用摩擦副

摩擦副是金屬對(duì)金屬關(guān)節(jié)軸承結(jié)構(gòu)的重要組成部分，不同摩擦副應(yīng)用于不同的飛機(jī)設(shè)計(jì)工況。關(guān)節(jié)軸承摩擦副的選擇范圍非常廣，常用的摩擦副包括軸承鋼-軸承鋼、不銹鋼-不銹鋼和不銹鋼-銅合金，隨著成形工藝和滑動(dòng)表面改性技術(shù)的提高，考慮飛機(jī)對(duì)減重和耐腐蝕方面的更高要求，鈦合金-鈦合金等合金材料摩擦副在飛機(jī)機(jī)體上的應(yīng)用也有了一定的技術(shù)基礎(chǔ)。

3.1 軸承鋼-軸承鋼

摩擦副材料為52100(GCr15)，結(jié)構(gòu)形式主要為帶裝球缺口金屬對(duì)金屬關(guān)節(jié)軸承，一般用于無(wú)沖擊、無(wú)振動(dòng)、小振動(dòng)和無(wú)腐蝕的靜態(tài)工況。由于潤(rùn)滑油槽、潤(rùn)滑油孔和裝球缺口等部位應(yīng)力相對(duì)集中，在腐蝕介質(zhì)存在時(shí)，容易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕，飛機(jī)設(shè)計(jì)一般不推薦使用。

3.2 不銹鋼-不銹鋼

內(nèi)圈材料一般為440C(95Cr18或102Cr17Mo)或13-8Mo，外圈材料一般為17-4PH或15-5PH，主要為無(wú)裝球缺口金屬對(duì)金屬關(guān)節(jié)軸承，一般用于無(wú)沖擊、無(wú)振動(dòng)和小振動(dòng)的靜態(tài)、偶發(fā)動(dòng)態(tài)或輕載動(dòng)態(tài)工況，耐腐蝕能力較軸承鋼-軸承鋼摩擦副好，是目前飛機(jī)機(jī)體較普遍采用的一種摩擦副，通過(guò)飛機(jī)研制應(yīng)用，已完全標(biāo)準(zhǔn)化，主要用于飛機(jī)翼身連接、襟翼、縫翼、副翼承載較大的零部件。

3.3 不銹鋼-銅合金

內(nèi)圈材料一般為ToughMet，BeCu1.9或C17200，外圈材料一般為17-4PH或15-5PH，主要為無(wú)裝球缺口金屬對(duì)金屬關(guān)節(jié)軸承，一般用于沖擊、小振動(dòng)和振動(dòng)的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)工況，是目前飛機(jī)機(jī)體較普遍采用的一種摩擦副，也已標(biāo)準(zhǔn)化，主要用于飛機(jī)方向舵、升降舵、起落架等振動(dòng)或沖擊嚴(yán)重的零部件。

3.4 鈦合金-鈦合金

內(nèi)、外圈材料一般為Ti-6Al-4V鈦合金，結(jié)構(gòu)形式主要為無(wú)裝球缺口金屬對(duì)金屬關(guān)節(jié)軸承，一般用于沖擊、小振動(dòng)和振動(dòng)的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)工況，鈦合金-鈦合金摩擦副成形較難控制、耐磨損能力差，需要專用的成形工裝保證最終的加工尺寸，同時(shí)進(jìn)行滑動(dòng)表面改性提高抗摩擦磨損的能力。由于鈦合金具有較高的比強(qiáng)度，用于飛機(jī)起落架，減重效果明顯；而且鈦合金具有良好的耐蝕性，適用于海洋性的工作環(huán)境，特別適用于艦載飛機(jī)的使用。但由于鈦合金原材料價(jià)格高、成形及表面改性難度大等原因，導(dǎo)致鈦合金金屬對(duì)金屬關(guān)節(jié)軸承的生產(chǎn)成本高，所以除非特殊需要，一般不推薦使用。

3.5 其他

其他摩擦副如鈷合金-不銹鋼摩擦副、高溫合金-高溫合金摩擦副等，均為非標(biāo)產(chǎn)品，針對(duì)特殊的需求研制，不具備推廣應(yīng)用的前景。

4 軸承設(shè)計(jì)載荷選用

設(shè)計(jì)載荷是飛機(jī)機(jī)體用金屬對(duì)金屬關(guān)節(jié)軸承設(shè)計(jì)和選用的源頭，承載能力是關(guān)節(jié)軸承的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)，包括靜載荷和動(dòng)載荷，對(duì)于靜態(tài)或偶發(fā)動(dòng)態(tài)工況，設(shè)計(jì)選用時(shí)，設(shè)計(jì)載荷應(yīng)小于金屬對(duì)金屬關(guān)節(jié)軸承的靜載荷；對(duì)于動(dòng)態(tài)工況，設(shè)計(jì)選用時(shí)，設(shè)計(jì)載荷應(yīng)小于金屬對(duì)金屬關(guān)節(jié)軸承的動(dòng)載荷。

金屬對(duì)金屬關(guān)節(jié)軸承的動(dòng)載荷包括恒定動(dòng)載荷和沖擊載荷，沖擊載荷如圖7所示[5]。對(duì)于方向舵、升降舵、襟翼和縫翼，設(shè)計(jì)載荷一般為恒定動(dòng)載荷；對(duì)于起落架，設(shè)計(jì)載荷一般為沖擊載荷。

圖7 金屬對(duì)金屬關(guān)節(jié)軸承沖擊載荷

5 軸承潤(rùn)滑

5.1 潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)

金屬對(duì)金屬關(guān)節(jié)軸承的潤(rùn)滑非常重要，充分的潤(rùn)滑能夠減小關(guān)節(jié)軸承的啟動(dòng)力矩，大幅降低磨損速率，避免軸承抱死，大幅提高軸承的使用壽命。因此，潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵，一方面要保證潤(rùn)滑油路的暢通，另一方面要保證潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)具備足夠的儲(chǔ)油空間，延長(zhǎng)潤(rùn)滑間隔，降低維護(hù)成本。

金屬對(duì)金屬關(guān)節(jié)軸承一般的潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖8所示，內(nèi)外圈各3個(gè)潤(rùn)滑油孔及內(nèi)外表面各1條潤(rùn)滑油槽。

圖8 宇航標(biāo)準(zhǔn)中金屬對(duì)金屬關(guān)節(jié)軸承一般潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)

對(duì)用于靜態(tài)、偶發(fā)動(dòng)態(tài)的工況，也可以僅對(duì)外圈進(jìn)行潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖9所示，在使用過(guò)程中，一般不需要重復(fù)潤(rùn)滑或重復(fù)潤(rùn)滑的時(shí)間間隔較長(zhǎng)。

圖9 僅外圈設(shè)計(jì)潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)的關(guān)節(jié)軸承

為保證金屬對(duì)金屬關(guān)節(jié)軸承功用的可靠性，提高使用壽命，降低維護(hù)成本，動(dòng)態(tài)工況應(yīng)用時(shí)在滑動(dòng)面增加了軸向潤(rùn)滑油槽，潤(rùn)滑油孔的數(shù)量也相應(yīng)的增加(圖10)。

圖10 波音公司金屬對(duì)金屬關(guān)節(jié)軸承潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)

例如金屬對(duì)金屬關(guān)節(jié)軸承BACB10GB標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)如圖11所示，內(nèi)外圈潤(rùn)滑油孔和軸向潤(rùn)滑油槽數(shù)量及尺寸見(jiàn)表1[6-7]。

圖11 BACB10GB金屬對(duì)金屬關(guān)節(jié)軸承結(jié)構(gòu)

表1 潤(rùn)滑油孔和軸向潤(rùn)滑油槽

另外，金屬對(duì)金屬關(guān)節(jié)軸承常用的其他潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)還包括螺旋式和壓花式潤(rùn)滑油槽等(圖12)。

圖12 關(guān)節(jié)軸承螺旋式、壓花式潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)

5.2 潤(rùn)滑方式

金屬對(duì)金屬關(guān)節(jié)軸承的潤(rùn)滑，一般有干膜潤(rùn)滑、脂潤(rùn)滑和干膜潤(rùn)滑+脂潤(rùn)滑3種方式。

5.2.1 干膜潤(rùn)滑

用于靜態(tài)、偶發(fā)動(dòng)態(tài)的工況時(shí)，一般不設(shè)計(jì)潤(rùn)滑油槽和油孔，僅在滑動(dòng)表面采用干膜潤(rùn)滑(采用MoS2),提供一定的潤(rùn)滑條件。

5.2.2 脂潤(rùn)滑

用于動(dòng)態(tài)工況時(shí)，一般設(shè)計(jì)潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)，在使用過(guò)程中按要求壓力注脂進(jìn)行重復(fù)潤(rùn)滑，保證軸承處于良好的潤(rùn)滑狀態(tài)。

5.2.3 干膜潤(rùn)滑+脂潤(rùn)滑

對(duì)于采用脂潤(rùn)滑的金屬對(duì)金屬關(guān)節(jié)軸承，在使用初期，軸承有一定的跑合期，在跑合期，軸承的重復(fù)潤(rùn)滑間隔較短，采用干膜潤(rùn)滑+脂潤(rùn)滑，干膜潤(rùn)滑可以提供初始潤(rùn)滑，延長(zhǎng)軸承跑合期的重復(fù)潤(rùn)滑間隔。

6 軸承更換處理

飛機(jī)追求結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)重量最小化，同時(shí)由于空間限制，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需盡量滿足尺寸最小化。因此，金屬對(duì)金屬關(guān)節(jié)軸承的選用要綜合考慮重量、空間和軸承壽命的協(xié)調(diào)，不能片面地強(qiáng)調(diào)軸承與飛機(jī)同壽，而不顧及重量和空間的限制。

軸承一般為有壽件，使用中，因摩擦磨損，游隙將不斷增大，游隙過(guò)大將引起飛機(jī)零部件的振動(dòng)，造成機(jī)體結(jié)構(gòu)的損傷,因此，軸承在使用到壽后需要及時(shí)更換。金屬對(duì)金屬關(guān)節(jié)軸承到壽更換時(shí)，軸承座孔被破壞，鉸孔后孔徑增大，需要使用加大件，保證金屬對(duì)金屬關(guān)節(jié)軸承與軸承座孔的配合公差保持不變。另外，在飛機(jī)零部件加工生產(chǎn)過(guò)程中，經(jīng)常出現(xiàn)軸承座孔超差的情況，由于飛機(jī)零部件成本較高，在允許的范圍內(nèi)，一般不報(bào)廢零件，需要使用加大件軸承進(jìn)行超差處理。

宇航標(biāo)準(zhǔn)中金屬對(duì)金屬關(guān)節(jié)軸承一般使用2級(jí)加大，外徑每級(jí)加大0.254 mm(0.01 in)，但很難滿足飛機(jī)的全壽命周期應(yīng)用要求。因此，波音公司的金屬對(duì)金屬關(guān)節(jié)軸承，用于靜態(tài)或偶發(fā)動(dòng)態(tài)工況時(shí)，采用6級(jí)加大，外徑每級(jí)加大0.254 mm；用于動(dòng)態(tài)工況時(shí)，采用12級(jí)加大，1～6級(jí)加大，外徑每級(jí)加大0.254 mm；9級(jí)加大，外徑加大9×0.254 mm；12級(jí)加大，外徑加大12×0.254 mm。

由于關(guān)節(jié)軸承加大件的存在，要求在機(jī)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，軸承座孔應(yīng)按照加大件的尺寸進(jìn)行強(qiáng)度設(shè)計(jì)，并預(yù)留加工余量。同時(shí)，金屬對(duì)金屬關(guān)節(jié)軸承設(shè)計(jì)時(shí)，需要結(jié)合飛機(jī)和金屬對(duì)金屬關(guān)節(jié)軸承的使用壽命，綜合考慮零部件加工超差等因素，合理確定加大級(jí)。

7 結(jié)束語(yǔ)

金屬對(duì)金屬關(guān)節(jié)軸承結(jié)構(gòu)緊湊，承載能力大，在飛機(jī)設(shè)計(jì)中應(yīng)用非常廣泛。在使用過(guò)程中，軸承需要定期的潤(rùn)滑維護(hù)，對(duì)于潤(rùn)滑不通暢而無(wú)沖擊、無(wú)振動(dòng)或輕載振動(dòng)的部件，建議選用干膜潤(rùn)滑方式；金屬對(duì)金屬關(guān)節(jié)軸承啟動(dòng)力矩大，因此，在結(jié)構(gòu)尺寸允許的情況下，對(duì)于恒載動(dòng)態(tài)應(yīng)用中，建議選用調(diào)心滾子軸承；非標(biāo)軸承的價(jià)格一般為標(biāo)準(zhǔn)軸承的3～20倍，而且供貨周期相對(duì)較長(zhǎng)，因此飛機(jī)設(shè)計(jì)應(yīng)減少或避免非標(biāo)軸承的設(shè)計(jì)應(yīng)用。