金屬膜盤聯軸器用關節軸承磨損特性研究

劉國平，方建敏

（中國航發控制系統研究所，江蘇無錫 214063）

金屬膜盤聯軸器用關節軸承磨損特性研究

劉國平，方建敏

（中國航發控制系統研究所，江蘇無錫 214063）

為研究金屬膜盤聯軸器用關節軸承的磨損特性，對某型關節軸承在金屬膜盤聯軸器工作環境進行了分析，計算了其在最大載荷條件下的PV值，并分別開展了低速擺動軸向重載磨損試驗、高速擺動軸向無載磨損試驗和發動機真實工況磨損試驗。結果表明：金屬膜盤聯軸器用關節軸承的工作環境屬于高速旋轉和高速擺動、軸向重載和徑向無載，關節軸承的磨損量與其所承受的軸向載荷與擺動線速度直接相關。

關節軸承；金屬膜盤聯軸器；磨損

0 引言

金屬膜盤聯軸器屬于撓性聯軸器，廣泛應用于工業領域[1]。1947年首次被應用于飛機上，用于傳遞飛機附件機匣和發動機附件機匣之間的功率，并補償二者安裝和工作時的不對中，質量輕、不需要潤滑。在大的不對中角度、高轉速及高溫度使潤滑式齒式聯軸器及萬向節無法適應[2]的情況下，憑借其突出優勢，幾乎所有傳統飛機附件傳動及直升飛機的主傳動和尾傳動均使用金屬膜盤式撓性聯軸器。但是由于膜盤的剛度較低，承載能力差，使用關節軸承可以提高聯軸器的軸向承載能力。例如，美國 F-15、F-16、F-18、F-22、F-35 和 X-29、X-47 飛機均使用此類結構[3]。普通自潤滑關節軸承一般僅適用于低速擺動場合（擺動頻率n≤30次/min）[4-5]。高速滾珠關節軸承利用滾動摩擦代替滑動摩擦，提高了工作轉速（n=200～1300次/min）[6]。但是，高速滾珠關節軸承的承載能力較弱，無法滿足飛機上較大的軸向載荷要求，故國外金屬膜盤式聯軸器在選用關節軸承時一般采用普通自潤滑關節軸承。金屬膜盤式聯軸器用關節軸承的擺動頻率最高可達18000次/min，遠大于其一般應用工況。文獻[7]中對此類關節軸承的介紹較為簡單，僅提到其可以替膜盤承受軸系間的軸向作用力，并可以在膜盤失效后維持飛機和發動機附件兩端軸向位置。

目前，幾乎沒有任何有關此類關節軸承的應用環境和試驗方法的文獻發表，國內的關節軸承專業研發機構也是首次接觸到此類超高擺動頻率的關節軸承應用特例。本文分別從理論分析、仿真計算和試驗模擬的角度來研究金屬膜盤聯軸器用關節軸承的磨損特性，為其后續的研制和發展提供參考。

1 關節軸承工作環境分析

以某型金屬膜盤聯軸器為例來研究關節軸承的特殊工作環境，帶關節軸承的膜盤聯軸器結構如圖1所示。

關節軸承由1個帶外球面的內圈、1個帶內球面的外圈和中間潤滑層3部分組成，如圖2所示。

由于金屬膜盤式聯軸器在補償兩端安裝法蘭的不對中時，關節軸承首先會產生1個初始的偏擺，如圖3所示。

金屬膜盤式聯軸器用關節軸承的主要運動形式為偏擺運動，并承受一定軸向力，軸向力可為定值，也可能隨時間變化。其內、外圈在工作時隨聯軸器同步高速旋轉。同時，內圈與外圈之間也產生正弦式的相對擺動，關節軸承的運動軌跡如圖4所示。點A為聯軸器旋轉至最大不對中值時關節軸承內圈最高點，B點為對應最低點。對于內圈上任意1點，其運動規律是在高速旋轉過程中，始終沿著關節軸承內圈外球面以軌跡為O-AO-B-O不停擺動，擺動頻率與旋轉頻率相同。

圖1 帶關節軸承的金屬膜盤聯軸器結構

圖2 普通自潤滑關節軸承結構

圖3 關節軸承由于聯軸器安裝不對中產生初始偏擺

總而言之，金屬膜盤聯軸器使用的關節軸承承受的主要載荷特點為：高速旋轉和高速擺動、軸向重載和徑向無載。

圖4 關節軸承的運動軌跡

由于關節軸承在金屬膜盤式聯軸器中替膜盤承受了軸向載荷，受軸向壓力作用不斷擺動摩擦，使潤滑層不斷磨損并脫落，關節軸承的內、外圈會產生較大的間隙，這一部分軸向位移值再由膜盤承受。在工作一段時間后，內、外圈之間的相對摩擦系數也會不斷增加，導致磨損不斷加劇，最終潤滑層被消耗完，軸承失效，必須返廠更換[8]。

金屬膜盤聯軸器的壽命主要取決于關節軸承潤滑層的磨損程度，當關節軸承的軸向間隙過大時，會使膜盤補償較大的軸向位移，從而降低了膜盤的角向補償能力。因此，對于金屬膜盤式聯軸器而言，必須嚴格控制關節軸承的軸向間隙，來限制關節軸承的使用。由于其結構的特殊性，在外場工作條件下，關節軸承的軸向間隙難以測量，只能通過控制聯軸器的使用壽命的方式來控制。

2 關節軸承設計選型

選擇金屬膜盤聯軸器使用的關節軸承，必須考慮安裝尺寸和軸向極限承載能力，以及膜盤在不發生疲勞失效條件下，允許關節軸承磨損產生的最大間隙（即額定使用壽命）。國內外并沒有成熟案例可以借鑒，只能參考在普通應用環境下關節軸承研究成果[9-10]。

對關節軸承的安裝尺寸和軸向極限承載能力，各廠商均有詳細說明。但對于使用壽命，由于關節軸承的摩擦學理論還不成熟，各廠商的評價標準和計算方法也各不相同，SKF、INA等都有關于關節軸承壽命的計算公式。

SKF給出的摩擦副為鋼/PTFE織物潤滑層磨損壽命計算公式[11]為

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

JB/T 8565-1997標準給出的磨損壽命計算模型計算公式[12]為

式中：αK為載荷特性響應系數；αT為溫度響應系數；αp為載荷大小響應系數；αV為速度特性響應系數；αZ為軸承質量、潤滑特性響應系數；KM為摩擦副材料響應系數；Cd為軸承額定動載荷；v為軸承平均滑動線速度，mm/s；P 為軸承當量載荷，N。

由此可見，關節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量動載荷P和球面滑動線速度v。通常要求關節軸承的PV值不能超過400 MPa·m/s，但隨著材料的耐熱、耐磨性能的提高，部分廠家生產的關節軸承許用PV值甚至可以達到 1600 MPa·m/s[13]。

由此，對金屬膜盤聯軸器使用環境下關節軸承的PV值進行計算分析。關節軸承的運動軌跡如圖4所示。從圖中可見，所選取的關節軸承球面半徑為12.5 mm。聯軸器受10 kN軸向載荷時關節軸承應力如圖5所示。從圖中可見，對聯軸器施加最大軸向載荷10 kN時，關節軸承球面接觸位置的最大應力為677 MPa。

圖5 聯軸器受10 kN軸向載荷時關節軸承應力

自潤滑關節軸承在使用過程中主要工作模式為擺動，主軸旋轉1周，軸承最大擺角α（額定取為4°），總的擺角為α的4倍。自潤滑關節軸承的線速度V值為軸承在單位時間內轉動的行程，其計算公式為

式中：dk為自潤滑關節軸承的球徑（25.4 mm）；f為自潤滑關節軸承的轉動頻率。

根據產品使用工況情況，轉速n按照15000 r/min計算，則頻率為

根據式（3）、（4）計算關節軸承的球面擺動線速度V=886.63 mm/s。

時，關節軸承在實際工作過程中的最大PV值為600.241 MPa·m/s。

根據上述計算分析，金屬膜盤聯軸器使用的關節軸承工作條件極為惡劣，目前的產品很難滿足其超高的PV值要求，尤其是在這種高速擺動的應用環境下，關節軸承的磨損壽命按時間折算就會變得很短。只能根據比較不同關節軸承的磨損性能，擇優選型。

3 關節軸承磨損性能試驗分析

由于關節軸承的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、額定載荷確定等方面僅靠理論研究還無法解決，試驗是確定關節軸承壽命的最直接方法[14]。

常規的關節軸承試驗機可以模擬關節軸承的擺角，但試驗擺動頻率最大不超過50 Hz[15]，這是由擺動加載方法特性所決定的。然而對于金屬膜盤聯軸器用關節軸承而言，擺動頻率需施加到250 Hz，還要在250 Hz的轉速下高速旋轉，同時施加擺角和軸向載荷。目前，還沒有可以同時施加上述所有載荷的關節軸承試驗機。只能對不同載荷進行排列組合、分別模擬。當然，最直接的試驗方法就是將聯軸器安裝于發動機上進行壽命測試，但也無法保證發動機能夠始終提供給關節軸承額定的工作載荷。

3.1 低速擺動軸向加載試驗

將關節軸承在普通軸承試驗器上進行磨損試驗，試驗器結構如圖6所示。擺動頻率為25 Hz，擺動角度為±2°，施加連續軸向力1000 N。每50 h取下關節軸承，檢查內圈球面情況，并測量軸向間隙，測量結果如圖7所示。

圖6 低速擺動試驗器

圖7 低速擺動軸承間隙變化

在低速擺動軸向加載試驗狀態下，關節軸承的軸向磨損量與磨損次數基本呈線性關系，擺動約1.8E+7次（擺動時間200 h）后，其軸向間隙達到1.5 mm，襯層一側基本磨穿。

3.2 高速擺動軸向輕載磨損試驗

將關節軸承在金屬膜盤聯軸器試驗臺上進行了磨損試驗，如圖8所示。試驗時關節軸承的擺動角度約為±2°，頻率約為250 Hz，無法加載軸向載荷。

圖8 高速運轉試驗器

每100 h取下關節軸承，檢查內圈球面情況，并測量軸向間隙，測量結果如圖9所示。

圖9 高速運轉軸向間隙變化

與低速擺動不同，在高速擺動軸向輕載試驗狀態下，關節軸承的軸向磨損量主要集中在初始階段，后期趨于平穩，擺動約4.75E+8次（擺動時間750 h）后，其軸向間隙達到0.8 mm，襯層仍在合格范圍之內。

3.3 發動機真實工況磨損試驗

將關節軸承隨金屬膜盤聯軸器安裝在發動機上進行試車，在試車時，發動機載荷不恒定，假設關節軸承的擺動角度約為±1°，頻率約為200 Hz，軸向載荷未知。在發動機定檢維修時統計關節軸承的磨損量，測量結果如圖10所示。

圖10 高速運轉軸向間隙變化

在發動機真實工作環境下，擺動約4.3E+8次（擺動時間750 h）后，軸向磨損間隙達到1.3 mm。襯墊仍保留有部分余量。與高速擺動軸向輕載試驗狀態相似，關節軸承的軸向磨損量達到一定程度后，趨于平穩。

3.4 磨損試驗總結

由于目前在普通試驗器條件下無法同時對金屬膜盤聯軸器用關節軸承施加大軸向載荷、超高速軸向擺動頻率和大擺動角度，而真實發動機試車資源較少，試驗費用昂貴。故只能分別對各載荷狀態進行排列組合，分別模擬。

試驗器驗證結果說明關節軸承的軸向磨損間隙與軸向載荷和擺動線速度直接相關。根據發動機真實工作環境下的磨損情況看，關節軸承既承受軸向載荷，又處于高速擺動磨損狀態。

但根據試驗結果可以判斷，在發動機真實工作環境下，關節軸承承受的軸向載荷小于低速擺動軸向加載試驗臺所加載載荷，擺動線速度（頻率與擺角之積）也小于高速擺動軸向輕載試驗臺所加載的擺動線速度。

4 結束語

金屬膜盤聯軸器用關節軸承的工作環境屬于高速旋轉和高速擺動、軸向重載和徑向無載的狀態。其壽命主要受限于關節軸承的磨損壽命（主要表現為軸向磨損間隙過大）。分別通過低速擺動軸向加載試驗、高速擺動軸向輕載試驗及發動機真實工況下磨損試驗，對關節軸承的磨損量進行了測量統計，獲取了相關試驗數據，為后續金屬膜盤聯軸器用關節軸承的設計驗證提供了數據基礎。

國內專業關節軸承研究機構對此類關節軸承的研究剛剛起步，需要從理論分析、仿真計算和試驗模擬等各方面入手，開展系統性研究。最重要的是建立能夠提供軸向加載和高速擺動的試驗臺，通過加嚴考核的方式，對關節軸承進行充分的耐久性考核，以保證其在工作過程中的使用壽命。

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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

劉國平（1975），男，碩士，高級工程師，主要從事柔性傳動結構設計工作；E-mail:liuguoping@sina.com。

劉國平，方建敏.金屬膜盤聯軸器用關節軸承磨損特性研究 [J].航空發動機，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）