陶瓷滾動(dòng)體軸承在直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用

姚 燦

(海軍裝備部駐武漢地區(qū)軍事代表局駐長(zhǎng)沙地區(qū)軍事代表室，湖南 株洲 412002)

0 引言

滾動(dòng)軸承是直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵動(dòng)部件之一，其性能的優(yōu)劣直接影響和決定著直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)精度、壽命、極限轉(zhuǎn)速、承載能力、耐溫能力、穩(wěn)定性、可靠性和動(dòng)態(tài)性能等關(guān)鍵指標(biāo)[1-3]。

直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)中不同位置軸承運(yùn)行工況(轉(zhuǎn)速、載荷及潤(rùn)滑條件等)差異較大，如：高速輸入級(jí)位置的軸承轉(zhuǎn)速高(達(dá)20900 r/min)；離合器位置軸承工作時(shí)內(nèi)、外圈相對(duì)轉(zhuǎn)速為0(軸承內(nèi)部難以形成潤(rùn)滑油膜)；行星輪系位置軸承既有公轉(zhuǎn)又有自轉(zhuǎn)，同時(shí)需承受較大的離心載荷；尾減槳距操縱桿位置軸承需要承受動(dòng)態(tài)軸向操縱載荷，且齒輪飛濺帶入軸承的滑油量少，軸承潤(rùn)滑條件苛刻；尾傳動(dòng)軸支承軸承位于減速器外部，無(wú)法采用油潤(rùn)滑來(lái)帶走軸承熱量，只能采用脂潤(rùn)滑。另外，根據(jù)民機(jī)適航條例和軍機(jī)要求，“減速器潤(rùn)滑系統(tǒng)故障或失效的情況下，須能在規(guī)定的狀態(tài)安全運(yùn)轉(zhuǎn)30分鐘以上”。直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)使用全鋼制軸承存在一定的局限性，近年來(lái)出現(xiàn)了多起軸承問(wèn)題引發(fā)的直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)故障。

陶瓷滾動(dòng)體軸承由于在高溫、高速、潤(rùn)滑差(脂潤(rùn)滑、貧油或者無(wú)油條件)和輕質(zhì)(要求軸承質(zhì)量輕)等工況條件下具有比全鋼制軸承更加優(yōu)越的性能[4]，已在直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)中得到應(yīng)用。

1 陶瓷滾動(dòng)體軸承的優(yōu)缺點(diǎn)

1.1 陶瓷滾動(dòng)體軸承的優(yōu)點(diǎn)

陶瓷滾動(dòng)體軸承具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1)陶瓷幾乎不怕腐蝕，陶瓷滾動(dòng)軸承適宜于在布滿腐蝕性介質(zhì)的惡劣條件下工作；

2)陶瓷滾動(dòng)小球的密度低，重量輕，轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)對(duì)外圈的離心作用低，使用壽命大大延長(zhǎng)；

3)陶瓷受熱脹冷縮的影響小，在軸承的間隙一定時(shí)，可允許軸承在溫差變化較劇烈的環(huán)境中工作；

4)陶瓷的彈性模量高，受力時(shí)不易變形，有利于提高工作速度，并達(dá)到較高的精度。

1.2 陶瓷滾動(dòng)體軸承的缺點(diǎn)

陶瓷滾動(dòng)體軸承具有以下缺點(diǎn)：

1)陶瓷脆性大，耐沖擊能力低，易碎，且陶瓷加工能力低，因此加工困難；

2)陶瓷產(chǎn)品不易回收利用，因此成本較高。

2 國(guó)外旋翼機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)用研究

美國(guó)先進(jìn)旋翼機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)研究(ART)計(jì)劃對(duì)陶瓷滾動(dòng)體軸承進(jìn)行了深入研究。西科斯基公司針對(duì)Pyrowear 53鋼制角接觸球軸承和Si3N4陶瓷球面滾動(dòng)體軸承進(jìn)行了扭矩、轉(zhuǎn)速性能試驗(yàn)，250 h持久試驗(yàn)和斷油試驗(yàn)。結(jié)果表明：在高速工況下，陶瓷滾動(dòng)體與鋼制套圈配合的工作性能優(yōu)于鋼制滾動(dòng)體與鋼制套圈；陶瓷滾動(dòng)體軸承的溫度和振動(dòng)水平低于鋼制軸承；陶瓷滾動(dòng)體軸承產(chǎn)生的熱量少，干運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間長(zhǎng)，改進(jìn)其保持架后還可進(jìn)一步提高其生存力。

波音公司對(duì)陶瓷滾動(dòng)體軸承最潤(rùn)滑潤(rùn)滑流量進(jìn)行試驗(yàn)研究表明，陶瓷滾動(dòng)體軸承具有較好的潤(rùn)滑性能裕度，軸承摩擦損耗降低，疲勞壽命和抗腐蝕能力提高，滾動(dòng)體離心力減小，高速軸承壽命顯著提高。

FAG公司為了模擬陶瓷滾動(dòng)體軸承在苛刻工況下的運(yùn)行性能，利用碎屑攝入試驗(yàn)和預(yù)破壞套圈試驗(yàn)，對(duì)全鋼軸承、二次淬硬鋼軸承(內(nèi)外圈、滾動(dòng)體均為M50NiL材料)和混合陶瓷軸承(滾動(dòng)體為Si3N4，內(nèi)外圈為M50NiL材料)進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，所用碎屑為Al2O3顆粒(顆粒尺寸0.1～0.2 mm)。預(yù)破壞后的軸承外圈三維表面掃描見(jiàn)圖1。碎屑攝入試驗(yàn)過(guò)程中監(jiān)測(cè)滑油金屬屑鐵含量如圖2所示。由圖1可知，混合陶瓷軸承比全鋼軸承更能抵抗碎屑污染，而二次淬硬全鋼軸承也表現(xiàn)出很好的優(yōu)異性。

圖1 預(yù)破環(huán)后的軸承外圈三維表面掃描

圖2 滑油金屬屑監(jiān)測(cè)- 鐵含量的比較

SKF公司在AW169直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的主減速器行星輪上進(jìn)行了調(diào)心滾動(dòng)體軸承研究。軸承的鼓形滾動(dòng)體采用Si3N4陶瓷材料，外圈為與行星齒輪一體化結(jié)構(gòu)。運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中離心力造成的附加應(yīng)力減小，軸承重量降低約30%，潤(rùn)滑系統(tǒng)失效情況下可靠性比鋼制軸承更高，大大提升了傳動(dòng)系統(tǒng)的可靠性和使用性能。

3 我國(guó)直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的應(yīng)用研究

隨著我國(guó)直升機(jī)傳動(dòng)技術(shù)的不斷發(fā)展，陶瓷滾動(dòng)體軸承逐漸應(yīng)用于傳動(dòng)系統(tǒng)高速輸入端、離合器、尾傳動(dòng)軸和尾減速器槳距操縱桿等部位。

3.1 直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)高速輸入端的應(yīng)用

直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)高速輸入端軸承的工作特點(diǎn)為軸承轉(zhuǎn)速高、發(fā)熱量大，在潤(rùn)滑系統(tǒng)故障或失效情況下，軸承在規(guī)定的工況下運(yùn)轉(zhuǎn)30 min的難度非常大。而陶瓷滾動(dòng)體軸承，更加有利于在高速、貧油或無(wú)油條件下工作。為了對(duì)比鋼制軸承和陶瓷滾動(dòng)體軸承的性能，進(jìn)行了兩種軸承的轉(zhuǎn)速試驗(yàn)、潤(rùn)滑試驗(yàn)及斷油試驗(yàn)(兩組軸承類型和尺寸相同，滾動(dòng)體材料分別為M50鋼和Si3N4陶瓷)。對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果(圖3)表明，Si3N4陶瓷滾動(dòng)體軸承相比鋼制滾動(dòng)體軸承，在高速工況下發(fā)熱量明顯減小；對(duì)潤(rùn)滑的需求降低，當(dāng)潤(rùn)滑失效時(shí)，Si3N4陶瓷滾動(dòng)體軸承溫升也顯著降低，軸承干運(yùn)轉(zhuǎn)能力更強(qiáng)。

圖3 高速輸入級(jí)位置軸承對(duì)比試驗(yàn)趨勢(shì)圖

3.2 直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)離合器位置的應(yīng)用

直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)離合器位置軸承外場(chǎng)使用時(shí)，絕大部分時(shí)間內(nèi)外圈轉(zhuǎn)速相同，即軸承內(nèi)外圈相對(duì)轉(zhuǎn)速為0。在振動(dòng)載荷作用下滾動(dòng)體與套圈接觸處的油膜破裂，滾動(dòng)體與內(nèi)外圈滾道金屬表面直接接觸。接觸區(qū)域附近發(fā)生微動(dòng)磨損，軸承內(nèi)外圈滾道表面會(huì)出現(xiàn)間隔的、與滾動(dòng)體表面仿形的損傷壓痕，即假布氏印痕。該現(xiàn)象逐步發(fā)展將導(dǎo)致軸承滾道表面材料出現(xiàn)剝落。為此進(jìn)行了鋼球軸承和陶瓷球?qū)Ρ仍囼?yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明采用陶瓷滾動(dòng)體可明顯改善軸承的假布氏印痕現(xiàn)象。

3.3 直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)尾傳動(dòng)軸的應(yīng)用

直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)通過(guò)尾傳動(dòng)軸將主減速器動(dòng)力傳輸至尾減速器。其支承軸承通常為密封脂潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)，軸承失效主要原因?yàn)闈?rùn)滑脂泄漏失效，因此要求軸承在少量潤(rùn)滑脂情況下仍能保持正常工作，甚至在無(wú)潤(rùn)滑脂情況下具備較好的熱穩(wěn)定性。

為掌握密封脂潤(rùn)滑Si3N4陶瓷球軸承在漏脂條件下的性能變化趨勢(shì)，開(kāi)展了尾傳動(dòng)軸軸承在完全無(wú)潤(rùn)滑脂和少量潤(rùn)滑脂條件下的性能試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明尾傳動(dòng)軸處Si3N4陶瓷滾動(dòng)體軸承在極少量潤(rùn)滑脂條件下仍能在許用溫度內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，甚至能在無(wú)油脂條件下較長(zhǎng)時(shí)間地運(yùn)轉(zhuǎn)。

3.4 直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)槳距操縱桿位置的應(yīng)用

槳距操縱桿軸承安裝于尾槳槳距操縱軸內(nèi)，工作時(shí)需承受助力器操縱的動(dòng)態(tài)軸向載荷。尾減速器采用飛濺潤(rùn)滑，滑油流經(jīng)路徑較長(zhǎng)，因此該軸承潤(rùn)滑條件較差。為保證軸承的正常潤(rùn)滑和工作，槳距操縱桿的位置通常采用密封脂潤(rùn)滑軸承，但是減速器內(nèi)部的油汽會(huì)進(jìn)入軸承內(nèi)部，潤(rùn)滑脂易被稀釋流失，對(duì)軸承工作不利。因此，在該位置采用密封油脂潤(rùn)滑Si3N4陶瓷滾動(dòng)體軸承，以減少軸承的潤(rùn)滑需求。Si3N4陶瓷滾動(dòng)體軸承具有摩擦小、潤(rùn)滑需求少和發(fā)熱低的特點(diǎn)，在槳距操縱桿位置是非常適用的。

4 總結(jié)與展望

陶瓷滾動(dòng)體軸承與鋼制軸承相比具有密度小、熱穩(wěn)定性好、高剛度、高硬度、表面粗糙度小、摩擦小、潤(rùn)滑需求低等優(yōu)點(diǎn)，因此在國(guó)外先進(jìn)直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)開(kāi)始廣泛應(yīng)用。

目前陶瓷滾動(dòng)體軸承在我國(guó)直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)用的位置包括高速輸入端、離合器位置、尾傳動(dòng)軸和槳距操縱桿。高速輸入端陶瓷滾動(dòng)體軸承發(fā)熱量較小，干運(yùn)轉(zhuǎn)性能好；離合器位置陶瓷滾動(dòng)體軸承假布氏印痕明顯改善，使用壽命更長(zhǎng)；尾傳動(dòng)軸陶瓷滾動(dòng)體軸承在少量潤(rùn)滑脂狀態(tài)仍能保持長(zhǎng)時(shí)間正常運(yùn)行；槳距操縱桿軸承在潤(rùn)滑脂被滑油沖蝕后仍可繼續(xù)正常工作。

雖然陶瓷滾動(dòng)體軸承性能優(yōu)異，但國(guó)內(nèi)相關(guān)設(shè)計(jì)分析方法、加工制造及檢測(cè)等工藝還不夠成熟。設(shè)計(jì)方面還需對(duì)陶瓷滾動(dòng)體軸承使用壽命預(yù)測(cè)理論和游隙分析方法開(kāi)展進(jìn)一步研究。在加工制造方面，國(guó)內(nèi)基礎(chǔ)理論研究欠缺，尚不具備產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)能力；無(wú)損檢測(cè)方面，需開(kāi)發(fā)可靠高效的檢測(cè)方法和儀器；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，需發(fā)展基于軸承接觸力學(xué)性能、熱學(xué)性能、摩擦學(xué)性能匹配以及軸承動(dòng)力學(xué)性能等精細(xì)化設(shè)計(jì)技術(shù)[5]。隨著這些技術(shù)的完善，陶瓷滾動(dòng)體軸承將會(huì)在我國(guó)直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)中得到更廣泛的應(yīng)用。