淺析某超聲速飛航產(chǎn)品舵系統(tǒng)滾動(dòng)軸承的設(shè)計(jì)選用方法

李明章，彭志翔，陳 龍，高 祥，勝永民

（航空工業(yè)洪都，江西南昌，330024）

0 引言

滾動(dòng)軸承是一種精密的機(jī)械支撐元件，軸承用戶希望裝在主機(jī)上的軸承能夠在預(yù)定的使用期內(nèi)不會(huì)損壞并保持其動(dòng)態(tài)性能，但客觀事實(shí)有時(shí)并不盡如人意，突發(fā)的軸承失效事故會(huì)給用戶造成重大損失。軸承早期失效的原因包括軸承選型不當(dāng)或者實(shí)際工作載荷超過了軸承的額定載荷、未嚴(yán)格按照軸承使用要求進(jìn)行安裝、維護(hù)以及潤滑等[1]。軸承作為航空產(chǎn)品舵系統(tǒng)操控執(zhí)行支撐元件，對(duì)整個(gè)產(chǎn)品的飛控可靠性起著至關(guān)重要的作用，其設(shè)計(jì)選用過程需要進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算和合理布置。本文從軸承選型、布置形式以及載荷計(jì)算等方面淺析某型軸承設(shè)計(jì)選用方法以期對(duì)后續(xù)其他產(chǎn)品軸承的設(shè)計(jì)選用提供幫助。

1 軸承選型布置分析

軸承的選型通常要考慮軸承受載情況、工作環(huán)境、潤滑方式、安裝拆卸性以及調(diào)心性能等因素。該舵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理為直線電動(dòng)舵機(jī)驅(qū)動(dòng)曲柄連桿機(jī)構(gòu)，帶動(dòng)舵面完成控制指令，軸承內(nèi)圈與舵軸，以及軸承外圈與軸承安裝座均采用小過盈量的過盈配合，軸承的選型工作主要分以下步驟進(jìn)行：

1）考慮舵面在產(chǎn)品自主飛行過程中的復(fù)雜受載情況，軸承必須選用可以同時(shí)承受徑向與軸向載荷的類型；

2）分析舵面受載情況知軸承徑向載荷遠(yuǎn)大于軸向載荷，故軸承選用以承受徑向載荷為主的類型；

3）在極限轉(zhuǎn)速要求不高的情況下可同時(shí)承受徑向載荷與軸向載荷的軸承方案有深溝球軸承、圓錐滾子軸承或者是向心軸承與推力軸承的組合使用，考慮到產(chǎn)品本身緊張的結(jié)構(gòu)布局空間，首先排除了單一功能軸承組合使用的方案，由于滾子軸承的主要元件是線接觸，承載能力及受載變形均優(yōu)于球軸承，因此優(yōu)先選擇圓錐滾子軸承；

4）考慮產(chǎn)品高速飛行時(shí)的氣動(dòng)加熱以及推進(jìn)系統(tǒng)的熱量會(huì)使舵機(jī)操縱模塊處的工作溫度快速上升，而軸的溫度一般會(huì)高于軸承安裝支座的溫度，軸的軸向與徑向熱膨脹將大于安裝支座，因此為防止熱膨脹導(dǎo)致軸承卡死，軸承安裝必須留有足夠的軸向游動(dòng)間隙；

5）考慮合理的受力支撐以及防止舵軸軸向竄動(dòng)，舵軸需要兩個(gè)旋轉(zhuǎn)支點(diǎn)，舵軸與舵面固連，而來自舵面壓心的載荷相當(dāng)于作用在延長了的舵軸懸臂端，為提高懸臂梁系統(tǒng)的剛性，在結(jié)構(gòu)布置空間限定的情況下應(yīng)盡量縮短懸臂長度。如圖1所示，在支撐距離b相同的情況下，壓力中心距L1＞L2，因此圖1布置形式的懸臂較短，并且背靠背布置形式在受熱膨脹時(shí)可以軸向竄動(dòng)（因?yàn)閳A錐滾子軸承內(nèi)外圈可分離，也再一次顯示了與深溝球軸承相比的優(yōu)越性），不會(huì)導(dǎo)致軸承卡死，因此選擇背靠背的布置形式；

圖1 圓錐軸承組安裝方式示意

6）軸承選擇耐高溫的固體潤滑脂潤滑，相對(duì)于普通礦物潤滑油其優(yōu)點(diǎn)在于不需要進(jìn)行潤滑劑的密封設(shè)計(jì)，并且普通礦物潤滑油不適用于高溫工作環(huán)境下的軸承潤滑。

軸承選型以及布置形式確定后，至于與軸承內(nèi)圈相配合的軸以及與軸承外圈相配合的軸承座的幾何尺寸公差帶的選取，可以根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)進(jìn)行選取，在滿足設(shè)計(jì)手冊(cè)規(guī)定的同時(shí)，需要考慮方便拆卸維護(hù)或換裝的要求來確定公差配合。

2 軸承強(qiáng)度校核分析

在軸承選型及布置形式確定后，根據(jù)軸頸尺寸選定軸承具體牌號(hào)，接下來則需要對(duì)軸承進(jìn)行強(qiáng)度校核。分析該舵面操縱機(jī)構(gòu)傳力路線如圖2。

強(qiáng)度校核計(jì)算：舵面壓心到轉(zhuǎn)軸軸承支承中心的距離L=123.75 mm，壓心載荷F0=4002 N，軸承中心距L1=21.16 mm。圓錐滾子軸承30204計(jì)算系數(shù)Y=1.7，Y0=0.9，額定靜載荷 C0=30.9 KN。

由 cotα=2.5Y=2.5×1.7=4.25

徑向載荷作用距離

根據(jù)力矩及力的平衡方程：

1）當(dāng)量靜載荷校核

由力矩及力的平衡方程，分析軸承受力情況：

軸承 1（右）：Fr1=15413 N，F(xiàn)a1=4533 N

軸承 2（左）：Fr2=11411 N，F(xiàn)a2=3356 N

根據(jù)GB/T 4662-2003計(jì)算軸承徑向當(dāng)量靜載荷：

取二者較大者即：Por=16184N

滿足使用要求。

2）接觸應(yīng)力校核

滾子與內(nèi)圈滾道間最大接觸應(yīng)力：

滾子與外圈滾道間最大接觸應(yīng)力：

通過以上接觸應(yīng)力計(jì)算，滾子和滾道間接觸應(yīng)力不超過4000MPa（產(chǎn)生0.0001Dw永久變形量時(shí)的接觸應(yīng)力），該軸承在工作中，不會(huì)產(chǎn)生永久變形，軸承的性能通常不會(huì)受損害。

3 結(jié)語

雖然軸承元器件的固有性能及使用可靠性是由軸承成件廠家設(shè)計(jì)、生產(chǎn)所決定的，但是對(duì)于飛航產(chǎn)品的主機(jī)單位而言，做好軸承元器件的優(yōu)選優(yōu)布、校核計(jì)算對(duì)于操控系統(tǒng)乃至產(chǎn)品的可靠性也是至關(guān)重要的。該型軸承設(shè)計(jì)選用方案的合格性已經(jīng)通過試驗(yàn)驗(yàn)證，可為類似產(chǎn)品的軸承設(shè)計(jì)選用提供參考。