航空關(guān)節(jié)軸承擠壓翻邊固定的仿真和試驗研究

林晶，趙穎春

(中國航空綜合技術(shù)研究所，北京 100028)

航空關(guān)節(jié)軸承的安裝固定對軸承性能和可靠性具有重要的影響，科學的安裝固定方法能保證軸承的使用性能，延長軸承的使用壽命。國外對航空關(guān)節(jié)軸承安裝固定技術(shù)的研究較為深入，已形成較為完善的技術(shù)和標準體系，美國的標準對航空關(guān)節(jié)軸承的各種安裝固定方法和相關(guān)技術(shù)要求進行了詳細的規(guī)定[1-3]。

國內(nèi)對航空軸承安裝固定技術(shù)的研究還處于探索階段，尤其對航空關(guān)節(jié)軸承擠壓翻邊固定的研究還不充分。文中通過對航空關(guān)節(jié)軸承的擠壓翻邊固定方法進行仿真和試驗，分析相關(guān)參數(shù)對安裝固定質(zhì)量的影響，為我國航空關(guān)節(jié)軸承安裝固定技術(shù)的研究提供一定的支撐。

1 軸承翻邊固定仿真分析

1.1 分析對象

選取外圈帶翻邊溝槽的GE12DEIT型自潤滑關(guān)節(jié)軸承為研究對象，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。軸承內(nèi)圈材料為G102Cr18Mo，硬度為55～60 HRC，外圈材料為0Cr17Ni4Cu4Nb，硬度為28～37 HRC。該類軸承需要采用擠壓翻邊的方法進行安裝固定，即通過擠壓外圈翻邊溝槽的外側(cè)，使其變形后與軸承座的倒角貼合，從而實現(xiàn)軸承的軸向固定。

圖1 GE12DEIT軸承的結(jié)構(gòu)尺寸Fig.1 Structure and dimension of GE12DEIT bearing

1.2 仿真模型

由于該結(jié)構(gòu)為軸對稱結(jié)構(gòu)，因此采用軸對稱模型，利用ANSYS建立關(guān)節(jié)軸承雙面同時擠壓模型(圖2)進行仿真分析。

圖2 關(guān)節(jié)軸承雙面同時擠壓模型Fig.2 Model of simultaneous extrusion on both sides of spherical plain bearing

仿真模型的主要參數(shù)：單元類型采用PLANE183，軸對稱；軸承外圈材料屈服強度為717 MPa, 切線模量為4.136×1010Pa；軸承內(nèi)外圈以及壓頭材料的彈性模量為2.0×1011Pa，泊松比為0.3。

定義了3個接觸對，包括壓頭與溝槽，外圈外表面與軸承座內(nèi)表面，外圈內(nèi)表面與內(nèi)圈外表面。軸承與軸承座采用0.02 mm的間隙配合。

擠壓加載方式為位移加載，分別對上、下2個壓頭同時施加向下和向上大小相同的位移量，完成擠壓。

1.3 結(jié)果與分析

ANSYS仿真的軸承雙面擠壓翻邊后的結(jié)果如圖3所示，包括了擠壓后的變形、等效應力、接觸應力等。

圖3 關(guān)節(jié)軸承雙面擠壓翻邊仿真分析結(jié)果Fig.3 Simulation and analysis results of extrusion-flanging on both sides of spherical plain bearing

由圖3a可知，擠壓翻邊后的變形主要發(fā)生在外圈，尤其是外側(cè)部分。雙面同時擠壓翻邊后，內(nèi)圈與外圈之間的間隙變大，內(nèi)、外圈之間的接觸面積減少，越靠近軸承兩側(cè)端面變形越大，最大間隙為0.148 mm。由于軸承在制造完成后，內(nèi)、外圈之間會存在一定的接觸應力，因此擠壓翻邊造成內(nèi)、外圈之間的間隙增大，會導致原有的接觸應力減少或消失，從而造成軸承空載啟動力矩下降。由圖3c可知，翻邊后內(nèi)圈與外圈中間部位的接觸應力略有增大，主要是由于外圈在翻邊后，外圈靠近兩側(cè)端面的部分向外變形，而靠近中間部位的內(nèi)凹造成中間部位內(nèi)、外圈之間的接觸應力增加，這一變化一定程度會增加軸承的空載啟動力矩，但增加量較小。綜合兩種影響因素，翻邊后軸承的啟動力矩會減小。

2 安裝固定質(zhì)量的仿真分析

軸承安裝固定質(zhì)量檢驗的關(guān)鍵參數(shù)之一是其安裝固定后的軸向承載能力，通過軸承軸向推出的仿真可以分析軸承的軸向承載能力。

2.1 仿真模型

軸承擠壓翻邊安裝固定后的軸向推出仿真模型如圖4所示，加載時設定軸承座下端面y方向的位移為0，設定外圈溝槽沿y軸向下移動1 mm，模擬軸承被推出的過程。

圖4 軸承軸向推出模型Fig.4 Model for axial push-out of bearing

2.2 結(jié)果與分析

軸承推出過程的仿真分析結(jié)果如圖5所示，包括軸承推出過程中推出力最大時的變形、等效應力和接觸應力。

圖5 軸承推出過程仿真分析結(jié)果Fig.5 Simulation and analysis results of push-out process of bearing

由圖5可知，軸承翻邊后的軸向承載能力主要來源于翻邊后唇邊部分，軸承若要移動，需要克服唇邊的變形力以及接觸面之間的摩擦力，在58.6 kN的擠壓力下,仿真分析的軸向最大推出力為9.25 kN。

在軸承推出過程中，主要的變形都發(fā)生在唇邊部分，若要提高軸承翻邊固定后的軸向承載能力，需提高唇邊部分抵抗變形的能力，適當增加翻邊后唇邊的厚度以及變形角度，有利于提高軸承軸向承載能力。目前使用的自潤滑關(guān)節(jié)軸承一般都為標準產(chǎn)品，其擠壓前唇邊的厚度不能隨意更改。因此，為增加翻邊后唇邊的厚度，應避免擠壓力過大和唇邊壓薄，同時可考慮一定程度上提高軸承座倒角，以提高軸向承載能力。

3 飛機機體軸承安裝的試驗驗證

3.1 擠壓試驗參數(shù)的計算

GE12DEIT軸承的翻邊溝槽槽深P=0.7 mm，槽寬X=0.90 mm，槽底圓弧半徑R=0.3 mm，溝槽頂部外側(cè)到外圈距離S=0.5 mm，該軸承的翻邊溝槽按照文獻[3]的規(guī)定屬于Ⅰ型結(jié)構(gòu)。

因此擠壓力或軸向保證載荷(軸承能承受保持正常工作狀態(tài)的最大軸向載荷)為

F=fD，

(1)

式中：f為擠壓力或軸向保證載荷系數(shù),N/mm；D為外圈外徑， mm。

從文獻[3]中查得該軸承的擠壓力系數(shù)為2 627 N/mm，軸向保證載荷系數(shù)為292 N/mm，按(1)式計算該軸承的擠壓力為57.794 kN，軸向保證載荷為6.424 kN。

3.2 軸承擠壓翻邊固定

根據(jù)計算得到的擠壓參數(shù)，在電子萬能試驗機上對該軸承進行擠壓翻邊固定。與軸承配合的軸承座采用45#鋼，壓頭和導向芯軸均采用GCr15軸承鋼，硬度大于50 HRC。

軸承的擠壓程序按照文獻[3]的規(guī)定進行：

1)將軸承裝入軸承座，檢查外圈相對于軸承座的位置h，外圈端面應比軸承座表面高0～0.25 mm。

2)在待擠壓溝槽上涂抹一層潤滑劑。

3)將擠壓工具定位，然后施加57.794 kN的擠壓力，加載速度為578 N/s，然后按照同樣速度卸載。

擠壓后的試件如圖6所示。

圖6 擠壓后的試件Fig.6 Experimental part after extrusion

3.3 安裝固定質(zhì)量檢測

3.3.1 空載啟動力矩

利用力矩測量儀測量3套關(guān)節(jié)軸承擠壓前后的空載啟動力矩，結(jié)果見表1，擠壓后軸承的啟動力矩變小，但均大于安裝前空載啟動力矩的一半。結(jié)合之前仿真分析結(jié)果可確定，翻邊后外圈內(nèi)表面與內(nèi)圈外表面接觸面積減少對啟動力矩的變化影響更大。

表1 關(guān)節(jié)軸承擠壓前后空載啟動力矩Tab.1 No-load staring torque of spherical plain bearing before and after extrusion

3.3.2 軸向保證載荷

對擠壓后的軸承進行軸向保證載荷試驗。按照文獻[3]的規(guī)定，軸承在軸向保證載荷試驗后，其軸向的永久變形量不應大于0.076 mm。軸向保證載荷的試驗原理如圖7所示。

圖7 關(guān)節(jié)軸承軸向保證載荷試驗原理圖Fig.7 Principle diagram of axial proof load test of spherical plain bearing

軸向保證載荷試驗在電子萬能試驗機上進行，程序如下：

1)在外圈上施加軸向保證載荷5%的預載荷，保持3 min。

2)將變形測量裝置清零。

3)以每秒1%軸向保證載荷的加載速率加載，直到達到規(guī)定的軸向保證載荷，并恒載3 min。

4)以每秒1%軸向保證載荷的速率卸載，直到達到預載荷。

5)記錄測量裝置的軸向變形量，即為軸承的永久變形量。

對3套關(guān)節(jié)軸承進行試驗，其變形量見表2，其中1#試件的變形曲線如圖8所示，軸承在試驗后其永久變形均小于0.076 mm，說明現(xiàn)有的安裝工藝可以達到文獻[3]的安裝質(zhì)量要求。

表2 關(guān)節(jié)軸承永久變形量Tab.2 Permanent deformation of spherical plain bearing

圖8 1#試件變形量曲線Fig.8 Deformation curve of 1# experimental part

3.3.3 推出力

為研究軸承安裝固定后能夠承受的最大軸向載荷，測量試件的推出力，試驗原理與軸向保證載荷試驗一致，試驗過程為：將試驗裝置安裝在試驗機上，以1 mm/min的速度加載，直至軸承被推出。對3套關(guān)節(jié)軸承進行試驗，其推出力見表3，其中1#試件的推出力曲線如圖9所示。由表和圖可知：試驗測得的平均最大推出力為9.22 kN，仿真分析的最大推出力為9.25 kN，兩者基本一致。軸承安裝固定后最大的軸向推出力為9.22 kN，與規(guī)定的保證載荷6.4 kN相比具有一定的裕度，說明軸承的安裝固定可靠。

表3 關(guān)節(jié)軸承的軸向推出力Tab.3 Axial push-out force of spherical plain bearing

圖9 1#試件的軸向推出力曲線Fig.9 Axial push-out force curve of 1# experimental part

4 結(jié)論

1)ANSYS模型可準確模擬軸承翻邊和推出過程，理論分析與試驗驗證的結(jié)果基本一致。

2)理論分析和試驗驗證的結(jié)果表明，軸承與軸承座間隙配合時，軸承的擠壓翻邊安裝會減少軸承的空載啟動力矩，主要原因是擠壓翻邊后軸承外圈與內(nèi)圈之間的接觸面積和接觸壓力減小。

3)現(xiàn)有的軸承翻邊固定技術(shù)能夠滿足相關(guān)標準對安裝后軸向承載能力的要求。