金屬膜盤(pán)聯(lián)軸器用關(guān)節(jié)軸承磨損特性研究

劉國(guó)平，方建敏

（中國(guó)航發(fā)控制系統(tǒng)研究所，江蘇無(wú)錫 214063）

金屬膜盤(pán)聯(lián)軸器用關(guān)節(jié)軸承磨損特性研究

劉國(guó)平，方建敏

（中國(guó)航發(fā)控制系統(tǒng)研究所，江蘇無(wú)錫 214063）

為研究金屬膜盤(pán)聯(lián)軸器用關(guān)節(jié)軸承的磨損特性，對(duì)某型關(guān)節(jié)軸承在金屬膜盤(pán)聯(lián)軸器工作環(huán)境進(jìn)行了分析，計(jì)算了其在最大載荷條件下的PV值，并分別開(kāi)展了低速擺動(dòng)軸向重載磨損試驗(yàn)、高速擺動(dòng)軸向無(wú)載磨損試驗(yàn)和發(fā)動(dòng)機(jī)真實(shí)工況磨損試驗(yàn)。結(jié)果表明：金屬膜盤(pán)聯(lián)軸器用關(guān)節(jié)軸承的工作環(huán)境屬于高速旋轉(zhuǎn)和高速擺動(dòng)、軸向重載和徑向無(wú)載，關(guān)節(jié)軸承的磨損量與其所承受的軸向載荷與擺動(dòng)線速度直接相關(guān)。

關(guān)節(jié)軸承；金屬膜盤(pán)聯(lián)軸器；磨損

0 引言

金屬膜盤(pán)聯(lián)軸器屬于撓性聯(lián)軸器，廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域[1]。1947年首次被應(yīng)用于飛機(jī)上，用于傳遞飛機(jī)附件機(jī)匣和發(fā)動(dòng)機(jī)附件機(jī)匣之間的功率，并補(bǔ)償二者安裝和工作時(shí)的不對(duì)中，質(zhì)量輕、不需要潤(rùn)滑。在大的不對(duì)中角度、高轉(zhuǎn)速及高溫度使?jié)櫥烬X式聯(lián)軸器及萬(wàn)向節(jié)無(wú)法適應(yīng)[2]的情況下，憑借其突出優(yōu)勢(shì)，幾乎所有傳統(tǒng)飛機(jī)附件傳動(dòng)及直升飛機(jī)的主傳動(dòng)和尾傳動(dòng)均使用金屬膜盤(pán)式撓性聯(lián)軸器。但是由于膜盤(pán)的剛度較低，承載能力差，使用關(guān)節(jié)軸承可以提高聯(lián)軸器的軸向承載能力。例如，美國(guó) F-15、F-16、F-18、F-22、F-35 和 X-29、X-47 飛機(jī)均使用此類(lèi)結(jié)構(gòu)[3]。普通自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承一般僅適用于低速擺動(dòng)場(chǎng)合（擺動(dòng)頻率n≤30次/min）[4-5]。高速滾珠關(guān)節(jié)軸承利用滾動(dòng)摩擦代替滑動(dòng)摩擦，提高了工作轉(zhuǎn)速（n=200～1300次/min）[6]。但是，高速滾珠關(guān)節(jié)軸承的承載能力較弱，無(wú)法滿足飛機(jī)上較大的軸向載荷要求，故國(guó)外金屬膜盤(pán)式聯(lián)軸器在選用關(guān)節(jié)軸承時(shí)一般采用普通自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承。金屬膜盤(pán)式聯(lián)軸器用關(guān)節(jié)軸承的擺動(dòng)頻率最高可達(dá)18000次/min，遠(yuǎn)大于其一般應(yīng)用工況。文獻(xiàn)[7]中對(duì)此類(lèi)關(guān)節(jié)軸承的介紹較為簡(jiǎn)單，僅提到其可以替膜盤(pán)承受軸系間的軸向作用力，并可以在膜盤(pán)失效后維持飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)附件兩端軸向位置。

目前，幾乎沒(méi)有任何有關(guān)此類(lèi)關(guān)節(jié)軸承的應(yīng)用環(huán)境和試驗(yàn)方法的文獻(xiàn)發(fā)表，國(guó)內(nèi)的關(guān)節(jié)軸承專(zhuān)業(yè)研發(fā)機(jī)構(gòu)也是首次接觸到此類(lèi)超高擺動(dòng)頻率的關(guān)節(jié)軸承應(yīng)用特例。本文分別從理論分析、仿真計(jì)算和試驗(yàn)?zāi)M的角度來(lái)研究金屬膜盤(pán)聯(lián)軸器用關(guān)節(jié)軸承的磨損特性，為其后續(xù)的研制和發(fā)展提供參考。

1 關(guān)節(jié)軸承工作環(huán)境分析

以某型金屬膜盤(pán)聯(lián)軸器為例來(lái)研究關(guān)節(jié)軸承的特殊工作環(huán)境，帶關(guān)節(jié)軸承的膜盤(pán)聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

關(guān)節(jié)軸承由1個(gè)帶外球面的內(nèi)圈、1個(gè)帶內(nèi)球面的外圈和中間潤(rùn)滑層3部分組成，如圖2所示。

由于金屬膜盤(pán)式聯(lián)軸器在補(bǔ)償兩端安裝法蘭的不對(duì)中時(shí)，關(guān)節(jié)軸承首先會(huì)產(chǎn)生1個(gè)初始的偏擺，如圖3所示。

金屬膜盤(pán)式聯(lián)軸器用關(guān)節(jié)軸承的主要運(yùn)動(dòng)形式為偏擺運(yùn)動(dòng)，并承受一定軸向力，軸向力可為定值，也可能隨時(shí)間變化。其內(nèi)、外圈在工作時(shí)隨聯(lián)軸器同步高速旋轉(zhuǎn)。同時(shí)，內(nèi)圈與外圈之間也產(chǎn)生正弦式的相對(duì)擺動(dòng)，關(guān)節(jié)軸承的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖4所示。點(diǎn)A為聯(lián)軸器旋轉(zhuǎn)至最大不對(duì)中值時(shí)關(guān)節(jié)軸承內(nèi)圈最高點(diǎn)，B點(diǎn)為對(duì)應(yīng)最低點(diǎn)。對(duì)于內(nèi)圈上任意1點(diǎn)，其運(yùn)動(dòng)規(guī)律是在高速旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，始終沿著關(guān)節(jié)軸承內(nèi)圈外球面以軌跡為O-AO-B-O不停擺動(dòng)，擺動(dòng)頻率與旋轉(zhuǎn)頻率相同。

圖1 帶關(guān)節(jié)軸承的金屬膜盤(pán)聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)

圖2 普通自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承結(jié)構(gòu)

圖3 關(guān)節(jié)軸承由于聯(lián)軸器安裝不對(duì)中產(chǎn)生初始偏擺

總而言之，金屬膜盤(pán)聯(lián)軸器使用的關(guān)節(jié)軸承承受的主要載荷特點(diǎn)為：高速旋轉(zhuǎn)和高速擺動(dòng)、軸向重載和徑向無(wú)載。

圖4 關(guān)節(jié)軸承的運(yùn)動(dòng)軌跡

由于關(guān)節(jié)軸承在金屬膜盤(pán)式聯(lián)軸器中替膜盤(pán)承受了軸向載荷，受軸向壓力作用不斷擺動(dòng)摩擦，使?jié)櫥瑢硬粩嗄p并脫落，關(guān)節(jié)軸承的內(nèi)、外圈會(huì)產(chǎn)生較大的間隙，這一部分軸向位移值再由膜盤(pán)承受。在工作一段時(shí)間后，內(nèi)、外圈之間的相對(duì)摩擦系數(shù)也會(huì)不斷增加，導(dǎo)致磨損不斷加劇，最終潤(rùn)滑層被消耗完，軸承失效，必須返廠更換[8]。

金屬膜盤(pán)聯(lián)軸器的壽命主要取決于關(guān)節(jié)軸承潤(rùn)滑層的磨損程度，當(dāng)關(guān)節(jié)軸承的軸向間隙過(guò)大時(shí)，會(huì)使膜盤(pán)補(bǔ)償較大的軸向位移，從而降低了膜盤(pán)的角向補(bǔ)償能力。因此，對(duì)于金屬膜盤(pán)式聯(lián)軸器而言，必須嚴(yán)格控制關(guān)節(jié)軸承的軸向間隙，來(lái)限制關(guān)節(jié)軸承的使用。由于其結(jié)構(gòu)的特殊性，在外場(chǎng)工作條件下，關(guān)節(jié)軸承的軸向間隙難以測(cè)量，只能通過(guò)控制聯(lián)軸器的使用壽命的方式來(lái)控制。

2 關(guān)節(jié)軸承設(shè)計(jì)選型

選擇金屬膜盤(pán)聯(lián)軸器使用的關(guān)節(jié)軸承，必須考慮安裝尺寸和軸向極限承載能力，以及膜盤(pán)在不發(fā)生疲勞失效條件下，允許關(guān)節(jié)軸承磨損產(chǎn)生的最大間隙（即額定使用壽命）。國(guó)內(nèi)外并沒(méi)有成熟案例可以借鑒，只能參考在普通應(yīng)用環(huán)境下關(guān)節(jié)軸承研究成果[9-10]。

對(duì)關(guān)節(jié)軸承的安裝尺寸和軸向極限承載能力，各廠商均有詳細(xì)說(shuō)明。但對(duì)于使用壽命，由于關(guān)節(jié)軸承的摩擦學(xué)理論還不成熟，各廠商的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和計(jì)算方法也各不相同，SKF、INA等都有關(guān)于關(guān)節(jié)軸承壽命的計(jì)算公式。

SKF給出的摩擦副為鋼/PTFE織物潤(rùn)滑層磨損壽命計(jì)算公式[11]為

式中：Gh為額定基本壽命；b1為載荷方向系數(shù)；b2為溫度系數(shù)；b4為速度系數(shù)；Kp為名義接觸應(yīng)力常數(shù)；p為名義接觸應(yīng)力；n為名義接觸應(yīng)力指數(shù)；v為平均滑動(dòng)次數(shù)。

JB/T 8565-1997標(biāo)準(zhǔn)給出的磨損壽命計(jì)算模型計(jì)算公式[12]為

式中：αK為載荷特性響應(yīng)系數(shù)；αT為溫度響應(yīng)系數(shù)；αp為載荷大小響應(yīng)系數(shù)；αV為速度特性響應(yīng)系數(shù)；αZ為軸承質(zhì)量、潤(rùn)滑特性響應(yīng)系數(shù)；KM為摩擦副材料響應(yīng)系數(shù)；Cd為軸承額定動(dòng)載荷；v為軸承平均滑動(dòng)線速度，mm/s；P 為軸承當(dāng)量載荷，N。

由此可見(jiàn)，關(guān)節(jié)軸承的磨損壽命影響因素很多，但是其磨損率主要取決于軸承承受的當(dāng)量動(dòng)載荷P和球面滑動(dòng)線速度v。通常要求關(guān)節(jié)軸承的PV值不能超過(guò)400 MPa·m/s，但隨著材料的耐熱、耐磨性能的提高，部分廠家生產(chǎn)的關(guān)節(jié)軸承許用PV值甚至可以達(dá)到 1600 MPa·m/s[13]。

由此，對(duì)金屬膜盤(pán)聯(lián)軸器使用環(huán)境下關(guān)節(jié)軸承的PV值進(jìn)行計(jì)算分析。關(guān)節(jié)軸承的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖4所示。從圖中可見(jiàn)，所選取的關(guān)節(jié)軸承球面半徑為12.5 mm。聯(lián)軸器受10 kN軸向載荷時(shí)關(guān)節(jié)軸承應(yīng)力如圖5所示。從圖中可見(jiàn)，對(duì)聯(lián)軸器施加最大軸向載荷10 kN時(shí)，關(guān)節(jié)軸承球面接觸位置的最大應(yīng)力為677 MPa。

圖5 聯(lián)軸器受10 kN軸向載荷時(shí)關(guān)節(jié)軸承應(yīng)力

自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承在使用過(guò)程中主要工作模式為擺動(dòng)，主軸旋轉(zhuǎn)1周，軸承最大擺角α（額定取為4°），總的擺角為α的4倍。自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承的線速度V值為軸承在單位時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)的行程，其計(jì)算公式為

式中：dk為自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承的球徑（25.4 mm）；f為自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率。

根據(jù)產(chǎn)品使用工況情況，轉(zhuǎn)速n按照15000 r/min計(jì)算，則頻率為

根據(jù)式（3）、（4）計(jì)算關(guān)節(jié)軸承的球面擺動(dòng)線速度V=886.63 mm/s。

時(shí)，關(guān)節(jié)軸承在實(shí)際工作過(guò)程中的最大PV值為600.241 MPa·m/s。

根據(jù)上述計(jì)算分析，金屬膜盤(pán)聯(lián)軸器使用的關(guān)節(jié)軸承工作條件極為惡劣，目前的產(chǎn)品很難滿足其超高的PV值要求，尤其是在這種高速擺動(dòng)的應(yīng)用環(huán)境下，關(guān)節(jié)軸承的磨損壽命按時(shí)間折算就會(huì)變得很短。只能根據(jù)比較不同關(guān)節(jié)軸承的磨損性能，擇優(yōu)選型。

3 關(guān)節(jié)軸承磨損性能試驗(yàn)分析

由于關(guān)節(jié)軸承的摩擦學(xué)理論研究還不成熟，在關(guān)節(jié)軸承摩擦磨損性能分析、壽命計(jì)算公式擬合、額定載荷確定等方面僅靠理論研究還無(wú)法解決，試驗(yàn)是確定關(guān)節(jié)軸承壽命的最直接方法[14]。

常規(guī)的關(guān)節(jié)軸承試驗(yàn)機(jī)可以模擬關(guān)節(jié)軸承的擺角，但試驗(yàn)擺動(dòng)頻率最大不超過(guò)50 Hz[15]，這是由擺動(dòng)加載方法特性所決定的。然而對(duì)于金屬膜盤(pán)聯(lián)軸器用關(guān)節(jié)軸承而言，擺動(dòng)頻率需施加到250 Hz，還要在250 Hz的轉(zhuǎn)速下高速旋轉(zhuǎn)，同時(shí)施加擺角和軸向載荷。目前，還沒(méi)有可以同時(shí)施加上述所有載荷的關(guān)節(jié)軸承試驗(yàn)機(jī)。只能對(duì)不同載荷進(jìn)行排列組合、分別模擬。當(dāng)然，最直接的試驗(yàn)方法就是將聯(lián)軸器安裝于發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行壽命測(cè)試，但也無(wú)法保證發(fā)動(dòng)機(jī)能夠始終提供給關(guān)節(jié)軸承額定的工作載荷。

3.1 低速擺動(dòng)軸向加載試驗(yàn)

將關(guān)節(jié)軸承在普通軸承試驗(yàn)器上進(jìn)行磨損試驗(yàn)，試驗(yàn)器結(jié)構(gòu)如圖6所示。擺動(dòng)頻率為25 Hz，擺動(dòng)角度為±2°，施加連續(xù)軸向力1000 N。每50 h取下關(guān)節(jié)軸承，檢查內(nèi)圈球面情況，并測(cè)量軸向間隙，測(cè)量結(jié)果如圖7所示。

圖6 低速擺動(dòng)試驗(yàn)器

圖7 低速擺動(dòng)軸承間隙變化

在低速擺動(dòng)軸向加載試驗(yàn)狀態(tài)下，關(guān)節(jié)軸承的軸向磨損量與磨損次數(shù)基本呈線性關(guān)系，擺動(dòng)約1.8E+7次（擺動(dòng)時(shí)間200 h）后，其軸向間隙達(dá)到1.5 mm，襯層一側(cè)基本磨穿。

3.2 高速擺動(dòng)軸向輕載磨損試驗(yàn)

將關(guān)節(jié)軸承在金屬膜盤(pán)聯(lián)軸器試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了磨損試驗(yàn)，如圖8所示。試驗(yàn)時(shí)關(guān)節(jié)軸承的擺動(dòng)角度約為±2°，頻率約為250 Hz，無(wú)法加載軸向載荷。

圖8 高速運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)器

每100 h取下關(guān)節(jié)軸承，檢查內(nèi)圈球面情況，并測(cè)量軸向間隙，測(cè)量結(jié)果如圖9所示。

圖9 高速運(yùn)轉(zhuǎn)軸向間隙變化

與低速擺動(dòng)不同，在高速擺動(dòng)軸向輕載試驗(yàn)狀態(tài)下，關(guān)節(jié)軸承的軸向磨損量主要集中在初始階段，后期趨于平穩(wěn)，擺動(dòng)約4.75E+8次（擺動(dòng)時(shí)間750 h）后，其軸向間隙達(dá)到0.8 mm，襯層仍在合格范圍之內(nèi)。

3.3 發(fā)動(dòng)機(jī)真實(shí)工況磨損試驗(yàn)

將關(guān)節(jié)軸承隨金屬膜盤(pán)聯(lián)軸器安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行試車(chē)，在試車(chē)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)載荷不恒定，假設(shè)關(guān)節(jié)軸承的擺動(dòng)角度約為±1°，頻率約為200 Hz，軸向載荷未知。在發(fā)動(dòng)機(jī)定檢維修時(shí)統(tǒng)計(jì)關(guān)節(jié)軸承的磨損量，測(cè)量結(jié)果如圖10所示。

圖10 高速運(yùn)轉(zhuǎn)軸向間隙變化

在發(fā)動(dòng)機(jī)真實(shí)工作環(huán)境下，擺動(dòng)約4.3E+8次（擺動(dòng)時(shí)間750 h）后，軸向磨損間隙達(dá)到1.3 mm。襯墊仍保留有部分余量。與高速擺動(dòng)軸向輕載試驗(yàn)狀態(tài)相似，關(guān)節(jié)軸承的軸向磨損量達(dá)到一定程度后，趨于平穩(wěn)。

3.4 磨損試驗(yàn)總結(jié)

由于目前在普通試驗(yàn)器條件下無(wú)法同時(shí)對(duì)金屬膜盤(pán)聯(lián)軸器用關(guān)節(jié)軸承施加大軸向載荷、超高速軸向擺動(dòng)頻率和大擺動(dòng)角度，而真實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)試車(chē)資源較少，試驗(yàn)費(fèi)用昂貴。故只能分別對(duì)各載荷狀態(tài)進(jìn)行排列組合，分別模擬。

試驗(yàn)器驗(yàn)證結(jié)果說(shuō)明關(guān)節(jié)軸承的軸向磨損間隙與軸向載荷和擺動(dòng)線速度直接相關(guān)。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)真實(shí)工作環(huán)境下的磨損情況看，關(guān)節(jié)軸承既承受軸向載荷，又處于高速擺動(dòng)磨損狀態(tài)。

但根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可以判斷，在發(fā)動(dòng)機(jī)真實(shí)工作環(huán)境下，關(guān)節(jié)軸承承受的軸向載荷小于低速擺動(dòng)軸向加載試驗(yàn)臺(tái)所加載載荷，擺動(dòng)線速度（頻率與擺角之積）也小于高速擺動(dòng)軸向輕載試驗(yàn)臺(tái)所加載的擺動(dòng)線速度。

4 結(jié)束語(yǔ)

金屬膜盤(pán)聯(lián)軸器用關(guān)節(jié)軸承的工作環(huán)境屬于高速旋轉(zhuǎn)和高速擺動(dòng)、軸向重載和徑向無(wú)載的狀態(tài)。其壽命主要受限于關(guān)節(jié)軸承的磨損壽命（主要表現(xiàn)為軸向磨損間隙過(guò)大）。分別通過(guò)低速擺動(dòng)軸向加載試驗(yàn)、高速擺動(dòng)軸向輕載試驗(yàn)及發(fā)動(dòng)機(jī)真實(shí)工況下磨損試驗(yàn)，對(duì)關(guān)節(jié)軸承的磨損量進(jìn)行了測(cè)量統(tǒng)計(jì)，獲取了相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，為后續(xù)金屬膜盤(pán)聯(lián)軸器用關(guān)節(jié)軸承的設(shè)計(jì)驗(yàn)證提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

國(guó)內(nèi)專(zhuān)業(yè)關(guān)節(jié)軸承研究機(jī)構(gòu)對(duì)此類(lèi)關(guān)節(jié)軸承的研究剛剛起步，需要從理論分析、仿真計(jì)算和試驗(yàn)?zāi)M等各方面入手，開(kāi)展系統(tǒng)性研究。最重要的是建立能夠提供軸向加載和高速擺動(dòng)的試驗(yàn)臺(tái)，通過(guò)加嚴(yán)考核的方式，對(duì)關(guān)節(jié)軸承進(jìn)行充分的耐久性考核，以保證其在工作過(guò)程中的使用壽命。

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Research on Wear Characteristic of Spherical Plain Bearing Used on Metal Diaphragm Couplings

LIU Guo-ping,FANG Jian-min
（AECC Aero Engine Control System Institute,Wuxi Jiangsu,China）

In order to study the wear characteristic of the spherical plain bearing used on the metal diaphragm coupling,the operating environment of a spherical plain bearing used on the metal diaphragm coupling were analyzed,the PV value of the bearing under the condition of maximum load was calculated,and experiments in low-speed swing with heavy load in axial direction condition、in high-speed swing with no load in axial direction condition and real environment of the engine were conducted.The results show that the operating environment of a spherical plain bearing is high-speed rotation and high-speed swing，heavy load in axial direction and no load in radial direction,the wear capacity of the spherical plain bearing has direct relationship with the axial load and swing linear speed the bearing sustained.

metal diaphragm coupling;spherical plain bearing;wear

V 233.1+4

A

1 0.1 3477/j.cnki.aeroengine.201 7.02.001

2016-12-25

劉國(guó)平（1975），男，碩士，高級(jí)工程師，主要從事柔性傳動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作；E-mail:liuguoping@sina.com。

劉國(guó)平，方建敏.金屬膜盤(pán)聯(lián)軸器用關(guān)節(jié)軸承磨損特性研究 [J].航空發(fā)動(dòng)機(jī)，2017，43（2）：1-5.LIU Guoping,FANG Jianmin.Research on wear characteristic ofsphericalplain bearing used on metaldiaphragm couplings[J].Aeroengine，2017，43（2）：1-5.

（編輯：張寶玲）