旋轉彎曲疲勞試驗中調心軸承對導管附加載荷的影響

何建冬 王永健 包惠莉 徐淑贏

【關鍵詞】航空導管；軸承；附加載荷；應變分析；旋轉彎曲疲勞試驗機

如果把發動機比作飛機的心臟，那么管路就像是飛機的血管，其可靠性直接影響飛行安全[1]。因此，檢驗管件的可靠性顯得尤為重要。目前，應用疲勞試驗機進行疲勞試驗是最準確的檢測方法。疲勞試驗機能夠進行零部件或材料構件的疲勞壽命、斷裂韌性等性能測試，為產品的實際使用壽命和安全性能提供保障[2]。

近年來，我國針對航空導管領域的疲勞試驗機進行了大量的研究與改良。上海儀器儀表自控系統檢驗測試所周迪鋒[3]為保障卡套式管接頭的密封性，研制了專用于卡套的旋轉彎曲試驗裝置。沈陽航空航天大學舒送等[4]為測驗出航空導管無擴口連接處的疲勞壽命，研制了航空導管旋轉彎曲疲勞試驗機。樸小東[5]通過改良旋轉彎曲疲勞試驗機中尾座調整機構、偏移盤等結構，實現降低振動對試驗的影響，提高了工作效率。劉國慶[6]以電磁感應方式制造高溫環境，滿足飛機液壓系統在高溫環境下導管疲勞試驗要求。這些研究表明：疲勞試驗機為了滿足試驗的高精度與高要求，正在不斷進行研發與改良。

本文針對疲勞試驗機中調心軸承向心運動的特點，根據其不同規格慣性不同而導致旋轉時軸承與管件堵頭不同步，進而產生附加載荷作用的問題進行分析，研究調心軸承規格因素對導管組件附加載荷的影響，經過數據分析得出影響規律，并確定適合試驗的軸承規格，為實際試驗提供參考。

1 試驗裝置及影響分析

1.1 旋轉彎曲疲勞試驗裝置

根據HB 6442—1990《液壓導管及連接件彎管曲疲勞試驗》，旋轉彎曲疲勞試驗設備應類似于圖1 所示。試驗設備的尾座應設計成裝配后能調整軸線位置；旋轉頭座應具有一套低摩擦自動調心軸承，并設計成能使試件最大偏移25 mm，能在1500～3600 r/min 范圍內的某一速度恒速轉動；設備的基座應采用剛性材料制成[7]。

1.2 影響分析

進行旋轉彎曲疲勞試驗時，在偏移盤的偏心旋轉作用下，導管組件繞中心軸公轉，軸承內圈與管件堵頭配合滿足自動調心。當調心軸承的規格不同時，軸承內圈體積、質量會有所不同，而使其在旋轉過程中產生的慣性不同。所以，當導管組件在偏移盤控制下以一定撓度恒速公轉時，軸承內圈會因質量、慣性不同而出現滯后現象，此時導管堵頭會對軸承內圈產生力的作用并與其發生相對滑動，進而軸承內圈的滯后將會對導管組件產生附加載荷作用。

同時在偏載的作用下，軸承內部會因外載荷等因素而產生摩擦力矩作用在導管組件上，也會對其產生附加載荷的影響作用。著名A.Palmgren的軸承摩擦力矩經驗公式為：式中：M1為外載荷引起的摩擦力矩；Mv為潤滑劑引起的摩擦力矩；Mf為非滾道上的摩擦力矩。

綜上所述，在軸承調心運動過程中，軸承內圈滯后問題會直接對導管組件產生影響，也會間接影響軸承內部摩擦力矩進而反過來影響導管組件。調心軸承規格選取不當、軸承內圈滯后程度不同，以至于產生的附加載荷影響不同，對管件疲勞損傷、檢測結果影響也就不同。所以，明確最優的軸承規格尤為重要。本文建立符合實際試驗的模型，選用不同規格的軸承進行模擬，為實際提供參考。

2 有限元模型的建立

2.1 模型的簡化

在疲勞試驗中，導管與堵頭由外套螺母進行固定連接，導管根部固定在尾座上，堵頭端進行偏移加載。所以在模擬時，對導管與堵頭連接處施加綁定約束，對導管根部設定完全固定，對堵頭控制點設置邊界條件。如此可以將偏移系統、外套螺母和尾座結構進行省略，減少不必要的接觸影響計算效率。

2.2 材料參數

以管徑為6 mm、厚度為0.5 mm的導管作為模擬試驗對象。根據HB 6442—1990 可得，導管根部考核端理論應變值為1339，確定模擬轉速范圍為1500～2000 r/min。根據QJ 223—1977 堵頭尺寸要求與導管管徑標準，選取2203～2207 型號范圍的調心軸承進行模擬參考。具體材料參數如表1 所示。

2.3 邊界條件與摩擦接觸的確定

模擬時，對軸承設置耦合約束并給定偏移量，讓其沿管件徑向運動。對堵頭施加MPC約束，對軸承與外部控制點建立連接器，使堵頭繞軸向公轉、軸承繞軸向公轉且自轉。各模型之間除軸承規格不同，其余邊界條件設置皆一致。根據文獻[8]摩擦接觸采用罰函數法，模擬潤滑條件下，1Cr18Ni9Ti 不銹鋼堵頭與GCr15 軸承內圈之間的摩擦系數采用0.04，1Cr18Ni9Ti不銹鋼堵頭與自潤滑25-6-3-3 黃銅套間摩擦參數采用0.03。

3 有限元模擬結果分析

在施加偏載過程中，軸承規格雖不同但導管規格一致，撓度值相同，所以各規格軸承作用下的導管根部考核端的最大應變值相同，如圖2 所示，施加偏載后靜態偏載為1339。

通過控制模擬時的單一變量，對多規格軸承進行多種頻率的彎曲旋轉模擬。各種狀態下的最大應變值如表2 所示。

由表2 中數據可以看出，加載后應變值在理論值的范圍內，說明模擬中加載可靠。與加偏載狀態下的應變值相比，導管額外受到的應變值即為附加載荷的作用值。可以看到在附加載荷的作用下，各狀態下的最大彎曲應變值要偏離理想狀態（靜態偏載值）許多。

在固定高頻率運轉情況下，導管所受的載荷受軸承規格因素影響，且軸承規格與附加載荷大小成正比。并且2203 軸承與2204 軸承應變值變化較平緩，靜態加載到動態調試再到最終的高頻旋轉，二者的最大附加應變值僅為靜載荷的3.7%，在ISO 7257—2016 允許的靜載荷5%波動范圍內。而2204 規格以上附加載荷最高達到了10%以上，說明高頻率工作狀態下，2204 規格及以下軸承更適用于實際試驗，而2204 規格以上軸承，因附加載荷影響較大并不符合。

4 結論

本文通過有限元模擬分析，研究了旋轉彎曲疲勞試驗機調心軸承對導管附加載荷的影響。得出結論為：

1）高頻率工作狀態下，軸承規格與附加載荷大小成正比，2204 規格以上軸承對導管附加載荷影響較大，會加快導管疲勞，影響試驗準確性，不適用于實際試驗中；

2）高頻率工作狀態下，2204 規格及以下軸承對導管附加載荷影響較小，且在5%的允許范圍內，適用于實際試驗中；

3）由導管規格與堵頭尺寸可得，2204 軸承通用性更廣，所以結合實際成本與試驗效率綜合考慮，2204 調心軸承最適用于實際高頻率的旋轉彎曲疲勞試驗中，可為實際試驗提供參考。