基于試驗的高速自潤滑關節軸承優化設計

蘇文文，張翔

(上海市軸承技術研究所，上海 201800)

自潤滑關節軸承由內球面為黏結自潤滑材料的外圈和外表面為球面的內圈組成，具有結構緊湊，承載范圍廣，動作靈活等特點，廣泛應用于航空航天等領域的重要活動部位。高速工況下,自潤滑關節軸承擺動靈活，動作重復性好，但存在散熱不良等問題[1-2]。

GE17-1軸承實際運轉過程中擺動頻率高達200 Hz，試驗考核時擺動頻率為25 Hz，均遠大于SAE AS 81819-2010[3]中規定的5 Hz擺動頻率。在高頻狀態下，自潤滑材料迅速磨損、脫落并擠出摩擦面，使軸承游隙超標，軸承快速失效。針對GE17-1軸承高頻擺動下壽命不達標的問題，對其進行結構改進，采用有限元法對改進后的結構進行分析，并通過試驗對比確定結構優化的最終方案。

1 理論計算

1.1 軸承結構

GE17-1軸承結構如圖1所示[4-6]，尺寸參數見表1。

圖1 自潤滑關節軸承

表1 GE17-1軸承尺寸參數

1.2 理論值計算

參考JB/T 8565—2010[7]及SKF關節軸承標準[8]，其工作球面的滑動速度及其極限值為

V=2.908 9×10-4×2θfdk=

(1)

軸向接觸壓強及其極限值為

(2)

式中：Sa為關節軸承在軸向載荷下的承載面面積。

承受軸向載荷時關節軸承PV值及其極限值為

(3)

由此可知，軸承的PV值與dk呈正比，與C的平方呈反比。因此，減小dk或增加C均可降低PV值，且后者更有利于降低PV值。

實際工況頻率取250 Hz，由(1)～(3)式可得實際工況下GE17-1軸承接觸壓強P為71.8 MPa，滑動速度V為7.85 mm/s，PV理論值為563.63 N·mm-2·mm·s-1。由此可知，結構改進前軸承P，V和PV理論值均在許用范圍內。

1.3 改進方案

分別采用減小內圈球徑，增加套圈寬度以及同時改變除外徑以外的其他參數這3種方案對GE17-1軸承進行結構改進，改進軸承的尺寸參數見表2。將表中參數分別代入(1)～(3)式可計算出3種改進軸承的PV理論值。

表2 改進軸承的尺寸參數

2 有限元分析

對原軸承及改進軸承進行有限元分析，套圈材料參數及邊界條件見表3。

表3 軸承材料屬性及邊界條件

原軸承等效應力云圖如圖2所示,由圖可知，最大應力Pmax=72.114 MPa，出現在外圈內倒角附近，與理論計算值71.8 MPa相近。

圖2 GE17-1軸承等效應力云圖

GE17-2軸承等效應力云圖如圖3所示,由圖可知：內圈等效應力云圖與原軸承相同，最大應力出現在內圈與外圈接觸邊緣，背離加載端；外圈等效應力云圖也與原軸承相同，最大應力為46.10 MPa，約為原軸承的64%；由于球徑減小，滑動速度為原軸承的92.6%。此時，PV仿真值為P1maxV1=0.64×0.926PmaxV=0.592PmaxV。

圖3 GE7-2軸承等效應力云圖

GE17-3軸承等效應力云圖如圖4所示,由圖可知：內圈等效應力云圖與原軸承有所差異，最大應力出現在內圈加載端，這是由于此結構內圈端面面積較小，在相同軸向力作用下其壓強較大；外圈等效應力云圖與原軸承相同，最大應力為43.70 MPa，約為原軸承的60.6%；由于球徑不變，滑動速度與原軸承相同。此時，PV仿真值為P2maxV2=0.606PmaxV。

圖4 GE17-3軸承等效應力云圖

GE17-4軸承等效應力云圖如圖5所示,由圖可知：內圈等效應力云圖與原軸承有所差異，最大應力出現在內圈加載端；外圈等效應力云圖與原軸承相同，最大應力為56.72 MPa，約為原軸承的78.7%；由于球徑減小，滑動速度為原軸承的81.5%。此時，PV仿真值為P3maxV3=0.787×0.815PmaxV=0.641PmaxV。

圖5 GE17-4軸承等效應力云圖

原軸承及改進后的軸承的理論PV值和仿真值對比見表4。

表4 原軸承及改進后軸承的PV值

由表4可知：1)GE17-2軸承的PV值最大，GE17-3次之，GE17-4最??；GE17-4軸承結構改進效果明顯，但外圈壁厚為5 mm，擠壓成形困難，可行性差。因此，在實際加工時舍去該方案。2)GE17-1軸承的PmaxV值最大，GE17-2次之，GE17-3最??；有限元分析所得最大應力值相差不大，故各軸承的PmaxV值相差不大；此時，GE17-2軸承的改進效果略顯突出。

綜上，采用方案1和方案2對原軸承進行結構改進并加工成品。

3 試驗驗證

3.1 試樣及試驗工況

軸承安裝及加載示意圖如圖6所示，試驗工況見表5，擺動磨損時間為250 h。試驗前檢測軸承無載啟動力矩、軸向及徑向游隙，結果見表6。

圖6 改進軸承試驗安裝及加載示意圖

表5 試驗工況

表6 試驗前試樣的檢測結果

試驗中，每隔50 h離線檢測一次軸承軸向游隙、徑向游隙(測試載荷98 N)。拆裝過程中做好標記，保證內、外圈的相對滑動表面位置不變。試驗要求軸承軸向游隙不大于0.25 mm，自潤滑材料不磨穿，軸承無破壞。

3.2 結果與分析

試驗后2種試樣的外觀分別如圖7、圖8所示,由圖可知：GE17-2軸承在軸向力下的摩擦痕跡較明顯，磨屑較多；GE17-3軸承摩擦表面相對光滑，磨損較輕。由此證明，在試驗工況下，GE17-3軸承的耐磨性優于GE17-2軸承。

圖7 試驗后GE17-2軸承外觀

圖8 試驗后GE17-3軸承外觀

試驗后2種軸承的游隙隨時間的變化曲線如圖9所示,由圖可知：試驗后2種軸承的軸向、徑向游隙均先迅速增大后趨于平穩；GE17-3軸承試驗后的軸向、徑向游隙離散性小，試驗的重復性好，同時，軸向游隙值均符合擺動磨損250 h時不大于0.25 mm的使用要求；GE17-2的軸向、徑向游隙初期變化率較大，離散性明顯大于GE17-3軸承，試驗結束后其軸向游隙超出規定值。

圖9 2種軸承游隙變化曲線

綜上，與GE17-2軸承相比，GE17-3軸承磨損性能更優，即原軸承套圈寬度加大對其耐磨性的提升效果更明顯。

4 結束語

針對自潤滑關節軸承高速工況下游隙超標，磨損壽命短等現象，提出3種軸承結構改進方案，采用有限元分析對改進軸承進行了分析。經試驗對比證明：GE17-3軸承比GE17-2軸承的軸向、徑向游隙離散性小，試驗的重復性好，軸向游隙符合用戶的使用要求。因此，對于高速自潤滑關節軸承，套圈寬度加大對其磨損性能的提升效果較好。