民用飛機起落架機輪輪轂軸承壽命分析研究

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民用飛機起落架機輪輪轂軸承壽命分析研究

0引言

起落架系統作為民用飛機結構重要的組成部分，其性能直接關系到飛機起降滑跑時的穩定性和安全性。民用飛機的起落架系統通常由支架、作動筒、液壓裝置、機輪、剎車裝置等構成。中國民航局2011年頒布的《運輸類飛機適航標準(CCAR-25-R4)》25.731條中對起落架機輪的可靠性提出了明確的要求。而起落架機輪中的輪轂軸承作為重要的承力與傳動部件，將直接決定機輪轉動時的穩定性和耐久性，關系到整個起落架系統的性能。

由于輪轂軸承的種類繁多，軸承的選型工作應根據起落架的特定工況(如所受載荷的大小和形式，額定轉速要求等)并結合相關設計準則和經驗公式進行。同時，為了確保所選軸承的可靠性與安全性，在選定軸承并確定安裝方案之后需對其進行校核工作，尤其是軸承壽命的校核。

本文以國內某型民用飛機為例(以下簡稱“某型飛機”)，結合飛機本身的參數(如飛機重量、機輪直徑等)和性能指標(滑跑距離，滑跑速度等)分別分析其前起落架和主起落架機輪輪轂軸承的典型工作狀態。最后根據軸承本身參數及其工況對其使用壽命進行估算、修正和評估。

由于本文中所有數值表達參數均采用了人為的模糊及偏離處理，這將導致最終估算結果與實際情況有所偏差。然而該偏差不足以影響最后定性分析的結論。

1滾動軸承簡介

1.1軸承的分類與適用范圍

滾動軸承按其結構、材料、排列可分為許多種類。機械工程設計手冊等文獻對典型軸承按其適用范圍做了詳細分類，部分內容如下。

深溝球軸承：可承受徑向載荷與雙向軸向載荷。適用于汽車變速箱、通用電動機、家用電器等。

角接觸球軸承：可承受徑向載荷與單向軸向載荷。適用于機床主軸、高頻馬達、高速賽車輪輪轂等。

推力球軸承：可承受單向軸向載荷，無法承受徑向載荷。適用于汽車傳動軸、機床變速裝置等。

圓柱滾子軸承：可承受較大的徑向載荷和沖擊載荷。適用于發電機、減速裝置、中型及大型電動機等。

圓錐滾子軸承：可同時承受較大的徑向載荷、軸向載荷和沖擊載荷。適用于常規交通工具(汽車、飛機)輪轂、建筑機械、大型農業機械等。

1.2某型飛機起落架機輪輪轂軸承介紹

某型飛機屬于重型交通工具，且其起落架機輪輪轂軸承需同時承受軸向、徑向載荷與沖擊載荷，故其有針對性地選用了圓錐滾子軸承標準件。主/前輪轂軸承均為雙列成對使用。軸承的內圈與起落架機輪轉軸固接；軸承的外圈與起落架機輪輪轂內圈固接。主起落架機輪輪轂軸承與前起落架機輪輪轂軸承的安裝位置如圖1所示。

圖1　軸承在機輪中的安裝位置(左圖為主起落，右圖為前起落架)

某型飛機起落架軸承主要幾何參數如表1所示。

2軸承載荷計算

2.1某型飛機全機受力分析

當飛機在滑跑時，地面對飛機的支撐反力絕大部分將直接加載到輪轂軸承上。因此該型飛機滑跑時的全機受力情況是研究軸承載荷的前提條件和必要輸入。某型飛機三輪接地后的受力情況如圖2所示。

圖中飛機自身重力G、主/前起落架到重心距離

圖2　某型飛機全機受力情況

K1/K2均為飛機本身參數，此處均可視為已知；升力L是飛機滑行速度v的函數。根據平面受力平衡原理，主/前起落架所受地面對其支持反力Nm，Nf可分別表示為：

(1)

式(1)受力分析僅考慮直線滑跑情況。當飛機處于轉彎時，機輪與地面的靜摩擦力將會產生一個平行于機輪轉軸方向的側向力。然而，對于一般的民用飛機來說，相比直線滑跑，轉彎情況所占比例極少，故在本次研究中予以忽略。

2.2起落架輪轂軸承受力分析

分析某型飛機主/前起落架結構可知，地面對起落架機輪支持反力將通過結構件加載到輪轂軸承上。主/前起落架機輪輪轂軸承結構示意圖及受理分析情況如圖3所示。

(a)前起落架軸承　　　　　(b)主起落架軸承圖3　輪轂軸承受力情況

如圖3左圖所示，由于前起落架輪轂為對稱結構，故作用在前起落架上的支持反力作用點與輪轂的對稱平面重合。兩列軸承亦為對稱分布，因此支持反力被均勻地分布到兩列軸承上，每列軸承上所受徑向載荷Fr1、Fr2分別為：

(2)

如圖3右圖所示，由于主起落架單側輪轂為非對稱結構，故作用在主起落架上的支持反力作用點與兩列軸承的對稱面存在偏心距ε，因此兩列軸承所受徑向載荷Fr3、Fr4分別為：

(3)

(4)

2.3軸承額定徑向動載荷

軸承的額定徑向動載荷Cr指一套滾動軸承理論上所能承受的恒定的徑向載荷。在該徑向載荷的恒定作用下，軸承的壽命為100萬轉。滾動軸承的額定徑向動載荷與軸承的類型、尺寸、規格、受載情況有關。對于某型飛機所用圓錐滾子軸承，其額定徑向動載荷計算公式為：

(5)

式(5)中，i、Lwe、α、Z、Dwe均為軸承本身參數，已在表1中列出。bm、fc為均為載荷系數，與軸承類型、規格、受載情況有關，該系數可從相關國標GBT63912003文件中查表插值獲得bm=1.1，fc=83.7(前)、 fc=88.7(主)。根據以上參數，前/主起落架每列軸承的額定徑向動載荷分別為：

Caf=220.5kN，Cam=473kN

2.4軸承當量徑向動載荷

軸承的當量徑向動載荷Pr指存在一個假象等效徑向動載荷，在該載荷的作用下，滾動軸承具有與實際載荷條件下相同的壽命。滾動軸承的當量徑向動載荷主要取決于外部載荷的大小。對于某型飛機所用圓錐滾子軸承，其額定徑向動載荷為：

Pr=XFr+YFa

(6)

式(6)中Fr、Fa分別為單列軸承所受外部徑向載荷與外部軸向載荷。X、Y分別為徑向載荷系數與軸向載荷系數，該系數可從相關國標GBT63912003文件中查表獲得X=1。根據以上參數，前/主起落架每列軸承的當量徑向動載荷分別為：

Pr1=Fr1≈40kN，Pr2=Fr2≈40kN

Pr3=Fr3≈150kN，Pr4=Fr4≈130kN

3軸承壽命估算與修正

3.1滾動軸承壽命計算

滾動軸承的壽命是衡量其可靠性和安全性的重要指標，一般以轉數表示。滾動軸承的壽命與其額定動載荷與當量動載荷的比值有直接關系。對于圓錐滾子軸承，其壽命Lwe可通過式(6)進行計算：

(7)

結合本文2.3、2.4節中所獲得的各軸承的額定徑向動載荷Cr與當量軸向動載荷Pr，通過式(6)分別計算出前/主起落架各軸承的壽命如下(單位：百萬轉):

通過計算可以看出，受載較小的前起落架輪轂軸承的壽命大大高于主起落架。另外，由于主起落架機輪受力存在偏心距，造成遠端列軸承壽命L4高于近端列軸承的壽命L3。

3.2滾動軸承壽命修正

通過本文3.1中的計算已獲起落架輪轂各軸承的壽命，該壽命的計算是在可靠度為90的前提下進行的。如需保證更高的可靠度，需對壽命進行一定的修正。滾動軸承壽命的修正公式如式(8)所示：

(8)

其中：S為可靠度值，取值范圍為(0,100)，數值越大，表示可靠度越大；ε為韋布爾指數，此處取1.5。

圓錐滾子軸承屬于常見機械零部件，90可靠度完全可以適用。但考慮到起落架輪轂軸承對于飛機起降滑跑性能的重要性，本研究將可靠度提升至S=95對軸承的壽命進行修正。修正后的軸承壽命如下(單位：百萬轉)：

Lnm1=192.82,Lnm2=192.82

Lnm3=28.52,Lnm4=45.93

3.3計算結果評估

通過本文3.1中的計算和3.2中的修正，已獲得了可靠度為95前提下的各列軸承壽命，并以轉數的形式給出。根據模型飛機機輪參數可按式(9)，結合主/前起落架機輪直徑DL，將轉數L換算為里程數K：

K=2πDL·L

(9)

經計算，某型飛機前起落架機輪輪轂的轉動壽命約為6.04×105km(合3.78×105mi)，主起落架機輪輪轂的轉動壽命約為1.05×105km(合6.6×104mi)。

根據某型飛機的設計需求并綜合考慮國內外相似機型的設計慣例，主/前起落架機輪輪轂的使用里程超過5×104mile時將進行全面的維護和保養工作，其中就包括更換輪轂軸承。根據以上計算可知，該型號飛機的前/主起落架輪轂軸承在使用至其最大壽命時即會被更換，不會出現超壽命使用的情況。

4結論

本文通過分析某型飛機所用起落架輪轂軸承的規格、外形等參數，計算了其額定載荷。同時，通過分析某型飛機在起降滑跑時的受力情況獲取了分別作用在主/前起落架機輪輪轂軸承上的當量載荷。通過額定載荷與當量載荷的關系估算了軸承的壽命，并進行了必要的修正。研究結果表明，某型飛機起落架機輪輪轂軸承的選用恰當，裝配方式合理，軸承的使用壽命完全滿足設計要求。

值得注意的是，本文以工程計算的方式為主。為了確保結論的可靠性，在計算過程中采取相對保守的方式，這將導致計算結果也相對保守。本文亦未將某型飛機實際采用的起落架減震、軸承潤滑等措施考慮在內，這些措施均可延長軸承的壽命。如將以上措施考慮在內，軸承的壽命將得到顯著延長。

參考文獻：

[1] 郭婧. 滾動軸承疲勞壽命綜述[J]. 甘肅科技, 2006,22(4)：430-431.

[2] 中國民用航空局.CCAR25-R4中國民用航空規章第25部:運輸類飛機適航標準[S]. 北京：中國民用航空局，2011.

[3] 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.GB/T6391 滾動軸承-額定動載荷和額定壽命[S]. 北京： 2004.

Analysis and Research on Life of Landing Gear Hub-bearing for Civil Aircraft

陳功 /

Chen Gong

(上海飛機設計研究院，上海 201210 )

(Shanghai Aircraft Design and Research Institute,Shanghai 201210，China )

摘要：

通過對某型民用飛機起落滑跑情況下的受力分析，獲得了各起落架所受的載荷。結合相關標準文件及該飛機起落架輪轂軸承本身參數，計算出了各軸承的額定動載荷及當量動載荷。而后通過滾動軸承壽命計算及修正公式計算出了各軸承的使用壽命。研究發現，該系列軸承的使用壽命完全滿足某型飛機對于起落架系統的性能要求。

關鍵詞：起落架輪轂軸承；當量載荷；可靠性；基本/修正額定壽命

[Abstract]Load of “C-type Aircraft” landing gear is derived by stress analysis during taking off/landing. Rating load and equivalent load of LG hub-bearing is calculated from its inherent parameter along with relevant standard documents. After that, life of the bearing is calculated and adjusted by empirical formula. The research found that the life of the hub bearing was fully satisfied with the need of landing gear performance.

[Key words]land gear hub-bearing; equivalent load; reliability; basic/adjusted rating life

中圖分類號：V226

文獻標識碼：A