高軸向承載、耐磨損起落架新型關節軸承研制*

曾春祥

(1.福建龍溪軸承(集團)股份有限公司，福建 漳州 363000；2.福建省關節軸承企業重點實驗室，福建 漳州 363000)

某飛機主起落架通過關節軸承安裝在機翼交點上，該部位關節軸承要求具有較高的軸向承載能力，以往該部位關節軸承選用帶裝配槽關節軸承，該類型產品軸向承載能力低，潤滑不充分，摩擦磨損性能差，無法滿足本機型起落架交點工況要求。為此，需針對該工況設計具有高軸向承載、耐磨損的新型軸承并開展研制、試驗，以滿足該起落架實際工況[1-2]要求。

1 安裝部位工況及傳統起落架軸承使用情況

某飛機主起落架通過軸承安裝在機翼交點上(見圖1)，起落架落地時該部位軸承軸向靜承載要求為120 kN，起落架收放時徑向動承載為293 kN(旋轉角度在±60°，全壽命周期7 500次)，軸承軸向靜承載折算成單位承載應力值為180 MPa(傳統軸承單位承載應力值為120～150 MPa)，徑向動承載工況根據行程軌跡折算為在徑向動承載應力值120 MPa[3](傳統軸承徑向動承載應力值<100 MPa)、擺動角度±25°下完成22 000次磨損。

飛機起落架傳統使用的關節軸承為帶裝配槽型產品，如某飛機起落架軸承使用的軸承代號為GE35，該軸承外圈存在裝配槽，裝配槽會減少外圈的接觸面積，減弱軸承的軸向和徑向的動、靜承載能力，裝配槽由于應力的存在還會降低零件強度。同時該類軸承摩擦副材質為金屬對金屬，內外圈球面精度通過機械加工來保證，外圈球面曲率R難控制，內外圈球面配合時精度差，摩擦磨損時潤滑脂難以均勻覆蓋軸承球面，容易造成軸承局部存在粘著磨損，從而使整個軸承失效。使用單位進行飛機地面維護時均發現軸承存在局部超粘著磨損痕跡(見圖2)，故障軸承起落次數在600～1 000次不等。

圖1 起落架關節軸承安裝部位示意圖

圖2 失效軸承照片

通過對本主起落架與機翼交點軸承工況計算，結合對傳統起落架軸承使用情況分析，傳統起落架關節軸承不適合在本起落架交點中使用，需要重新設計具備高軸向承載、耐磨損的新型軸承。

2 新型軸承研制

2.1 新型軸承設計及仿真分析

2.1.1 新型軸承結構設計

通過分析，采用擠壓方案可保證球面的完整承載面積，能夠最大程度地保證軸承的動、靜承載能力，為解決傳統起落架軸承使用過程中因潤滑不充分而出現的局部粘著磨損現象，設計時在外圈內球面添加一層具有一定彈性的自潤滑襯墊，通過擠壓方法將其均勻地配合在內外圈球面上，使關節軸承能夠實現工作球面全潤滑，能夠解決局部粘著磨損問題。為滿足高軸向承載能力，在軸承的一端設計了一定厚度的法蘭，因此，新型軸承方案最終設計成大法蘭單邊擠壓自潤滑關節軸承。

2.1.2 新型軸承外形尺寸設計

關節軸承的承載能力與法蘭有關，還跟軸承的球徑、寬度、外徑有著直接的關聯，在接口限制條件(見表1)下，進行強度計算和有限元仿真分析，經過對球徑和寬度比值、球徑和厚度比值計算和仿真多輪優化，帶法蘭單邊擠壓新型軸承外形尺寸最終設計成如圖3所示。

表1 外形接口限制條件

圖3 新型軸承結構外形圖

2.1.3 新型軸承潤滑襯墊選擇

帶法蘭單邊擠壓新型軸承在摩擦副方面選用了自潤滑型，自潤滑襯墊主要有2種：一種為PTFE織物[4-5]；另一種為PTFE復合材料。由于PTFE織物襯墊比PTFE復合材料具有更高的動、靜承載能力和更高的使用壽命，因此選用PTFE織物作為新型軸承的自潤滑襯墊(見圖4)。

圖4 PTFE織物襯墊

2.1.4 新型軸承機體材料選擇

材料方面，考慮高強度和耐沖擊要求，內圈選用PH13-8Mo沉淀硬化不銹鋼，外圈選用0Cr17Ni4Cu4Nb不銹鋼，主要參數見表2。這些材料在硬度上不如軸承鋼，但具有高韌性、耐腐蝕的特點，更適合起落架沖擊工況。在軸承工作表面鍍鉻，改善表面硬度，提高耐磨性能。

表2 新研軸承材料參數

2.1.5 新型軸承承載應力分析

應力分析方面，應用Abaqus軟件分析新型軸承在軸向額定靜載荷120 kN下的應力分布情況，軸向加載仿真示意圖如圖5所示，軸向加載仿真結果如圖6～圖8所示。由圖6可知，在軸向額定載荷下，裝配體最大應力為410.8 MPa，整體應力分布合理；由圖7可知，內圈最大等效應力為246.5 MPa[6-7]，位于內倒角處，小于材料的屈服強度1 310 MPa；由圖8可知，外圈最大等效應力為518.4 MPa，位于外圈法蘭切邊處根部倒角處，小于材料的屈服強度725 MPa，且有一定的安全裕度，滿足要求。

圖5 新型軸承軸向加載示意圖

圖6 新型軸承在軸向額定載荷的應力分布(單位為MPa)

圖7 新型軸承內圈在軸向額定載荷的應力分布(單位為MPa)

圖8 新型軸承外圈在軸向額定載荷的應力分布(單位為MPa)

2.2 新型軸承工藝技術研究

本產品屬于單邊擠壓型自潤滑關節軸承，擠壓過程需要探究軸承外圈的成型過程、規律和應力對比結果[8]。擠壓技術要求比標準關節軸承采用的雙邊擠壓更加嚴格。因此，工藝技術難點為精密擠壓技術。

針對上述工藝技術難點擬采用下列措施來保證產品質量。

1)根據以往產品的研制經驗，確定初步的擠壓坯料尺寸和模具形腔尺寸。

2)將采用仿真工藝設計技術，對擠壓型自潤滑關節軸承的成形規律進行計算機仿真。應用數值仿真模擬技術對初步坯料尺寸和模具形腔尺寸進行模擬驗證，最后通過現場制造出的產品的性能檢測和試驗來驗證模擬結果，以進一步提高產品質量。

3)在擠壓模具結構設計方面，借鑒以往已成功驗證實施的雙動雙定位結構進行設計，避免擠壓過程中內圈與外圈的相對運動，最大程度上減少擠壓加工時內圈與粘貼于外圈的自潤滑襯墊的摩擦，從而減少自潤滑襯墊因擠壓加工而產生的錯位、過壓破損等缺陷。

2.3 新型軸承試驗考核結果

2.3.1 軸向靜承載試驗結果

對新型軸承以1.2 kN/s的加載速率進行軸向靜載荷試驗，試驗過程加載曲線圖如圖9所示，試驗實測結果永久變形量為0.015 mm，均小于規定值0.127 mm。試驗結果表明，新型軸承能夠滿足起落架關節軸承軸向靜承載工況要求[9]。

圖9 軸向靜載荷試驗加載曲線圖

2.3.2 徑向動磨損試驗結果

對新型軸承開展徑向動磨損試驗，試驗參數如下：徑向動載荷293 kN(120 MPa)、擺動角度±25°下完成25 000次磨損，動態磨損過程磨損量試驗曲線如圖10所示。試驗結果實測磨損量為0.066 mm，小于規定值0.114 3 mm要求。試驗結果表明，新型軸承能夠滿足起落架關節軸承徑向動承載工況要求[10-11]。

圖10 徑向動態磨損試驗曲線圖

除模擬起落工況試驗外，新型軸承還根據飛機設計單位要求，完成了25 000次高溫、低溫、常溫磨損以及濕熱、鹽霧、淋雨試驗，并裝機試驗，各項試驗結果均滿足要求，新型軸承可以滿足使用要求。

3 結語

本文研制了一種大法蘭單邊擠壓自潤滑關節軸承。研制后經試驗表明，新型軸承可以滿足飛機起落架高軸向承載、耐磨損工況的要求。經飛機設計、制造、使用單位確認后，目前已完成裝機。