航空關節軸承壽命試驗機發展綜述

胡占齊，李巍，楊育林，齊效文，劉長鑫

(燕山大學 關節軸承共性技術航空科技重點實驗室，河北 秦皇島 066004)

關節軸承是一種球面滑動軸承，具有承載力大、抗沖擊性強的特點，在航空航天飛行器以及眾多軍事設備中有著廣泛的應用[1-3]。關節軸承主要失效形式是磨損，使得軸承內、外圈間隙增大，引起軸承支承部位的振動，磨損嚴重時還可導致相關部件的失效。如某型號戰斗機曾發生由于關節軸承磨損斷裂導致操作系統失效的事故，嚴重影響了飛行器的安全[4-5]。

由于關節軸承摩擦學理論研究還不成熟，在關節軸承摩擦磨損性能分析、壽命計算公式擬合、額定動、靜載荷確定等方面僅靠理論研究還無法解決，需要對關節軸承進行壽命試驗。因此，作為評價關節軸承摩擦磨損性能的檢測設備，關節軸承壽命試驗機的研制是一項基礎而又重要的工作。

下文對國內外典型的航空關節軸承壽命試驗機進行評述，分析了軸承壽命試驗機的組成系統，針對壽命試驗機現有問題提出了改進方案，并在此基礎上預測了試驗機的發展趨勢。

1 典型關節軸承壽命試驗機

國內外已研制出一定數量的關節軸承壽命試驗機，為關節軸承的性能評價與研制提供了重要的數據。由關節軸承運動形式可知，常規關節軸承是一個3自由度轉動副，故常規關節軸承壽命試驗機運動維數不超過三維，特殊直升機主旋翼系統關節軸承壽命試驗機運動維數不超過四維?，F以試驗機運動維數為準則，將現有關節軸承壽命試驗機分為一維運動壽命試驗機、二維運動壽命試驗機和多維模擬臺架壽命試驗機。針對每一類型選取典型的壽命試驗機，對其加載方式、檢測參數、環境模擬方式、性能特點進行評述。

1.1 一維運動壽命試驗機

在試驗芯軸的帶動下，關節軸承內圈相對外圈繞z軸往復擺動，軸承運動形式如圖1所示。

圖1 軸承一維運動示意圖

相對商業化的摩擦學試驗機，關節軸承壽命試驗機還處于發展階段，主要以一維運動形式為主，典型的關節軸承一維運動壽命試驗機特點見表1。

表1 典型關節軸承一維運動壽命試驗機

續表

1.2 二維運動壽命試驗機

軸承外圈相對內圈同時繞x軸和z軸往復擺動，軸承運動形式如圖2所示。

圖2 軸承二維運動示意圖

1.3 多維模擬臺架壽命試驗機

多維模擬臺架壽命試驗機是在二維運動的基礎上，試驗芯軸相對軸承內圈沿z軸往復運動，軸承運動形式如圖3所示。二維與多維模擬臺架壽命試驗機研究報道較少，其特點見表2。

圖3 軸承多維運動示意圖

表2 關節軸承二維與多維模擬臺架壽命試驗機

1.4 特點分析

由表1和表2可知，各試驗機對動力系統的選取、系統參數的設定、檢測參數的要求、環境模擬系統的配置都不相同。

1)大多數壽命試驗機采用液壓系統加載，能夠施加較大載荷，可控性好、反應迅速；部分壽命試驗機采用杠桿加載方式，加載穩定性高，不易產生振動。

2)大部分壽命試驗機研制過程中沒有考慮環境因素變化對檢測精度的影響，如熱變形、受力變形、振動、電磁干擾、陪試軸承磨損等因素；少數考慮了環境因素的影響，但對誤差產生的原因、誤差辨識以及誤差補償沒有進行深入研究。

3)對檢測數據可信度的研究不夠，即試驗數據是否真實反映軸承的摩擦磨損性能無法判斷。

2 試驗機組成

關節軸承壽命試驗機由5大系統組成，即加載系統、擺動系統、環境模擬系統、檢測與控制系統、軸承夾具系統。

2.1 加載系統

加載系統主要在試驗過程中對軸承施加徑向或軸向載荷，要求所加載荷穩定性好、調節范圍寬、加卸載操作方便。目前常用的加載方法主要有液壓裝置加載[28]、杠桿裝置加載[29]、螺紋裝置加載[30-32]、氣動裝置加載[33-34]、電磁裝置加載[35]和偏心機構加載[36]。

2.2 擺動系統

擺動系統是將動力源的單向轉動轉換成執行機構的雙向擺動，擺動系統的選擇對軸承壽命試驗機可靠性和智能化有著至關重要的影響。目前典型的擺動系統有齒輪-齒條驅動機構、曲柄搖桿機構、液壓擺動馬達和直線往復轉化裝置。

2.3 環境模擬系統

環境模擬系統是借助環境箱或相關調溫裝置較真實的模擬關節軸承的工況，如真空環境[37]、高低溫環境[27]、鹽霧及沙塵環境[38]、污水及油脂環境[18]等。同時有相關摩擦學試驗機[39-40]采用了局部加熱的方式進行環境模擬，此技術減少了試驗預熱時間和加熱能源的消耗。

2.4 檢測與控制系統

檢測系統是對壽命試驗機執行參數或關節軸承摩擦學參數進行檢測，例如試驗機加載載荷、擺動角度、擺動頻率及次數、關節軸承磨損量、摩擦力矩(摩擦因數)、摩擦溫度等。檢測數據的可信度直接影響關節軸承壽命及性能的評價。

2.5 軸承夾具系統

軸承夾具系統主要用于安放試驗軸承，并將加載機構施加力傳遞到試驗軸承上，同時通過試驗芯軸帶動關節軸承往復擺動。大部分關節軸承夾具系統中都裝有滾動軸承，但在試驗過程中滾動軸承也會有摩擦磨損和附加扭矩的產生，這對真實反映關節軸承摩擦磨損性能會產生影響。

3 試驗機存在的問題

關節軸承壽命試驗機的研制涉及機械、電氣、控制、測量等多學科知識，雖然目前國內外已研制出一定數量的關節軸承壽命試驗機，但其仍存在一些問題。

3.1 設計標準不完善，數據兼容性差

關節軸承壽命試驗機多基于高校或科研單位需求自行研制生產，試驗機的設計參數、關鍵部件結構、檢測系統的精度與布置等不統一，導致相同試件在不同試驗機上所得的試驗結果兼容性差，給關節軸承壽命預測帶來不確定性。

國內外已針對不同工況條件頒布了相應的關節軸承壽命試驗標準，如美國標準MIL-B-81820《低速自調心自潤滑關節軸承通用規范》、MIL-B-81819《高速自調心自潤滑關節軸承通用規范》和中國標準GJB 5502—2005《低速擺動自潤滑向心關節軸承規范》，標準中對關節軸承的檢測方式、加載載荷、擺動頻率、失效判據等作了詳細的說明。因此，設計人員應參照試驗標準制定試驗機設計標準，同時重視各系統關鍵部件的選取與布置，強調并統一檢測傳感器的精度，從而提升不同試驗機所得數據的兼容性，便于關節軸承摩擦磨損性能及壽命的分析與對比。

3.2 間接檢測軸承各項性能參數

關節軸承相關試驗數據(如摩擦溫度、磨損量等)均采用間接方式采集，即檢測傳感器無法直接接觸或者感應到軸承內部摩擦磨損的情況，只能通過相關途徑進行間接的測量，對真實反映關節軸承摩擦磨損性能產生影響。

需要針對關節軸承的結構形式，改善檢測方式，使傳感器盡可能貼近關節軸承摩擦表面；同時深入研究關節軸承摩擦磨損機理，尋找能準確反映軸承內部摩擦特性并易于檢測的參數，從而使測量更加可信、可靠。

3.3 在線檢測抗干擾能力較差

大部分關節軸承壽命試驗機采用在線檢測方式，實時采集、記錄關節軸承試驗過程中的相關數據，但環境因素會對試驗機檢測精度產生影響，自身抗干擾能力較弱。

因此，可借鑒數控機床或三坐標測量儀的設計經驗，融入誤差分析、誤差辨識、誤差補償等理論或技術手段，消除或減小環境因素所造成的誤差，提升壽命試驗機檢測的可信度。目前針對關節軸承磨損量檢測系統熱變形和試驗機傳動系統徑向波動干擾已有相關的補償方法[41-43]。

3.4 檢測數據可信度評價工作不足

由于各項環境因素的干擾，關節軸承試驗數據是否能真實反映軸承的摩擦磨損性能無法準確判斷，非常需要一種可在試驗機全生命周期內對檢測數據可信度進行評價的方法，對同一臺壽命試驗機誤差補償前后檢測可信度進行對比和對不同壽命試驗機檢測精度進行比較。

3.5 多維模擬臺架壽命試驗機研制不足

多維運動試驗是在一維運動壽命試驗的基礎上，使關節軸承運動更貼近于實際工況，其試驗數據對于分析評價關節軸承壽命性能更具有說服力，但多維模擬臺架壽命試驗機的研制進步較慢。

3.6 環境模擬系統功能單一，設備體積大

目前的軸承壽命試驗機環境模擬系統功能單一，不能綜合模擬軸承實際的工況條件。環境模擬系統多采用體積龐大的環境箱，試驗過程中需將軸承夾具和部分設備機體都置于環境箱內，造成試驗軸承裝卸不便，增加了能量消耗，延長了試驗時間。

3.7 智能化程度不高

現有關節軸承壽命試驗機只能做到試驗數據在線檢測與實時記錄，不能對試驗數據進行在線分析統計；對已記錄的試驗數據不能建立完善的數據庫，不能對一系列關節軸承壽命與性能進行智能評價。

4 發展趨勢

關節軸承壽命試驗機的發展還較為落后，其作為關節軸承研發的重要支撐，仍有很大的發展空間。結合關節軸承壽命試驗機現存的問題和先進測量儀器發展的趨勢[44]，預測關節軸承壽命試驗機的發展趨勢如下。

4.1 檢測可信度更高

更加重視檢測誤差的分析、加強環境因素的研究和著重考慮關節軸承壽命試驗機關鍵部件的設計與選用。借鑒數控機床誤差補償技術，發展軸承壽命試驗機在線誤差補償技術，對環境因素造成的誤差進行分析、辨識、建模及補償，壽命試驗機檢測精度更高，為更好地評價關節軸承性能提供支持。

4.2 建立檢測可信度評價體系

結合關節軸承壽命試驗機動態測量、小樣本、工況復雜干擾多的特點，建立試驗機檢測可信度評價體系，能夠對試驗機檢測數據可信度進行定量評價。

4.3 檢測數據兼容性提高

參照標準規范試驗機設計參數，統一關節軸承壽命試驗機設計標準，重視所用傳感器測量精度與可靠性，減少試驗過程中的誤差，使相同試件在不同試驗機上所得試驗數據具有可比性。

4.4 簡易軸承壽命試驗機和多維模擬臺架壽命試驗機共同發展

關節軸承摩擦學試驗的2個主要任務是：摩擦磨損機理分析與壽命預測。摩擦磨損機理分析通常采用一維運動壽命試驗機，在滿足工況要求和試驗精度的情況下，試驗機結構應盡可能簡單，關節軸承裝卸更加便捷；軸承壽命預測應使試驗條件接近于實際工況，重視多維模擬臺架壽命試驗機的研制，進一步完善關節軸承壽命試驗機構形體系。

4.5 環境模擬更完善、結構更緊湊

環境模擬系統能充分考慮軸承服役的復雜工況，借鑒局部環境模擬技術(局部加熱、冷卻技術)，在滿足環境要求的條件下，減少試驗準備時間和能量消耗。

4.6 智能化程度更高，控制系統提升

關節軸承壽命試驗機的智能化發展，能夠對試驗數據實時采集、記錄的同時進行數據的統計分析，并建立相關軸承試驗數據庫，最終為評價關節軸承相關性能提供依據。進一步促進關節軸承壽命試驗機專用控制系統的開發，提高控制系統在試驗機中的通用性和開放性。

5 結束語

關節軸承壽命試驗機已成為關節軸承研發過程中不可或缺的檢測設備，現有的典型壽命試驗機還存在設計標準不統一、在線檢測數據可信度低、檢測可信度評價體系不完善、多維運動模擬臺架數量少、環境模擬系統功能單一、試驗機智能化程度低等問題。仍需要從可信度、可靠性、智能化3方面同時提升軸承壽命試驗機檢測水平，進一步推動關節軸承研究與應用的發展。