航空電機(jī)軸承參數(shù)優(yōu)化

王多亮，姜艷紅，郭帥，張劍，陳彬

（1. 中浙高鐵軸承有限公司，浙江 龍游 324400；2. 浙江省高速列車傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 龍游324400；3. 軍用裝備傳動(dòng)核心基礎(chǔ)零（部）件技術(shù)創(chuàng)新中心，浙江 龍游 324400）

航空電機(jī)軸承作為航空電機(jī)的關(guān)鍵零件，直接影響著飛機(jī)的飛行性能[1]。航空電機(jī)軸承因使用工況的特點(diǎn)多使用密封深溝球軸承，軸承結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)參數(shù)的不同取值對(duì)軸承的性能指標(biāo)有較大的影響，國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者開展了多方面的研究。文獻(xiàn) [2] 和 [3] 對(duì)航空電機(jī)軸承進(jìn)行故障分析并根據(jù)故障形式對(duì)保持架結(jié)構(gòu)、潤(rùn)滑和內(nèi)、外圈溝曲率半徑系數(shù)進(jìn)行改進(jìn)。文獻(xiàn) [4] 對(duì)高速球軸承密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化和驗(yàn)證。文獻(xiàn) [5] 利用ADORE 對(duì)陀螺電機(jī)主軸軸承進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。文獻(xiàn) [6] 通過(guò)考慮熱效應(yīng)及潤(rùn)滑劑非牛頓型的球軸承彈性流體動(dòng)壓潤(rùn)滑模型，對(duì)長(zhǎng)壽命球軸承的彈流與密封進(jìn)行分析研究。文獻(xiàn) [7] 分析了密封間隙和長(zhǎng)度對(duì)深溝球軸承密封性能的影響。文獻(xiàn) [8] 分析了不同密封結(jié)構(gòu)對(duì)密封深溝球軸承防塵和漏脂的影響。文獻(xiàn) [9] 分析了不同密封槽設(shè)計(jì)、密封唇設(shè)計(jì)對(duì)密封性能的影響。文獻(xiàn) [10] 分析了深溝球軸承密封圈脫落的原因及改進(jìn)方式。本文根據(jù)軸承的使用工況，基于 Adore 分析了軸承的溝曲率系數(shù)變化、徑向游隙變化對(duì)軸承疲勞壽命、滾動(dòng)體與保持架的碰撞力、軸承零件的磨損率、功率損失等參數(shù)的影響，為軸承的設(shè)計(jì)參數(shù)選取提供理論支撐。

1 概述

航空電機(jī)軸承為深溝球結(jié)構(gòu)，左右兩端各安裝 1 套軸承支撐轉(zhuǎn)子軸，常用轉(zhuǎn)速為 12 000 r/min，徑向載荷為 100 N，內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)、外圈固定。其結(jié)構(gòu)主參數(shù)見表1，軸承零件材料特性參數(shù)見表2。

表1 軸承主參數(shù)

表2 材料特性參數(shù)

2 動(dòng)力學(xué)仿真分析

基于 Adore 分析不同的內(nèi)、外溝曲率系數(shù)和徑向游隙對(duì)疲勞壽命、磨損率、兜孔碰撞力、功率損失的影響。基于軸承的設(shè)計(jì)理論內(nèi)、外圈溝曲率系數(shù)取值范圍為 0.51～0.54 之間，所以本分析內(nèi)、外圈溝曲率系數(shù)按 0.51～0.54、間隔 0.01進(jìn)行取值。徑向游隙按 10～25 μm、間隔 5 μm取值進(jìn)行分析。

如圖1 所示，展示了外溝曲率半徑系數(shù)的變化對(duì)軸承疲勞壽命、磨損率、兜孔碰撞力及功率損失的影響。從圖中可知，疲勞壽命隨著外圈溝曲率系數(shù)的增大呈下降趨勢(shì)，其原因?yàn)殡S著外溝曲率半徑系數(shù)的增大，滾動(dòng)體與溝道的密合度下降，滾道與滾動(dòng)體的接觸面積減小，在相同的載荷下，受力面積減小、接觸應(yīng)力增加，導(dǎo)致軸承的疲勞壽命下降。隨著滾動(dòng)體與滾道的接觸面積減小，1# 滾動(dòng)體、外滾道、內(nèi)滾道的磨損率隨著外溝曲率系數(shù)的增大亦減小。隨著外溝曲率系數(shù)的增大，保持架兜孔與滾動(dòng)體的碰撞力變化不大，呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。功率損失隨著外溝曲率系數(shù)的增大呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，其原因?yàn)閮?nèi)部摩擦減小，發(fā)熱減少。

圖1 外溝曲率半徑系數(shù)對(duì)軸承動(dòng)態(tài)性能的影響

如圖2 所示，展示了內(nèi)溝曲率半徑系數(shù)的變化對(duì)軸承疲勞壽命、磨損率、兜孔碰撞力及功率損失的影響。從圖中可知，疲勞壽命、磨損率、兜孔碰撞力及功率損失隨內(nèi)圈溝曲率半徑系數(shù)的變化和隨外圈溝曲率半徑變化的影響類似，均呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。

圖2 內(nèi)溝曲率半徑系數(shù)對(duì)軸承動(dòng)態(tài)性能的影響

如圖3 所示，展示了徑向游隙的變化對(duì)軸承疲勞壽命、磨損率、兜孔碰撞力及功率損失的影響。從圖中可知，疲勞壽命隨著徑向游隙的增大呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)，其原因?yàn)殡S著徑向游隙的增大，承受徑向載荷的滾動(dòng)體數(shù)量減少導(dǎo)致最大接觸應(yīng)力增加，疲勞壽命減少。磨損率、兜孔碰撞力及功率損失隨著徑向游隙的增大亦呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)，其原因?yàn)殡S著徑向游隙增大，承受載荷的滾動(dòng)體數(shù)量減少，滾動(dòng)體與套圈的接觸面積減少，導(dǎo)致摩擦磨損、功率損耗亦出現(xiàn)降低的趨勢(shì)。

圖3 徑向游隙對(duì)軸承動(dòng)態(tài)性能的影響

3 參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

正交設(shè)計(jì)是利用規(guī)格化的“正交表”，科學(xué)地挑選參數(shù)條件，能在較多的參數(shù)條件下挑選出較優(yōu)的方案[11]。以軸承疲勞壽命、磨損率、兜孔碰撞力、功率損失作為優(yōu)化目標(biāo)對(duì)軸承進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。以內(nèi)、外圈溝曲率半徑系數(shù)、徑向游隙作為影響以上四目標(biāo)值的影響因素，分 4 個(gè)水平進(jìn)行分析，因素水平表見表3。根據(jù)正交優(yōu)化表確定 L16（43），確定 16 種方案，方案表見表4。

表 3 因素水平表

16 種不同組合方案，疲勞壽命、磨損率、兜孔碰撞力及功率損失的變化情況如圖4 所示。不同方案疲勞壽命結(jié)果如圖4a 所示，疲勞壽命的數(shù)量級(jí)均達(dá)到 107h，方案 1、5、6 與其他方案相比具有較高的壽命值。如圖4b 所示 1～16方案中外圈磨損率、1# 球磨損率、內(nèi)圈磨損率差別不大，結(jié)合圖4c 兜孔碰撞力峰值、圖4d 功率損失的情況，內(nèi)、外圈溝曲率系數(shù)、徑向游隙可在方案 1、5、6 中選取。

圖4 不同方案的指標(biāo)變化情況

對(duì)方案 1、5、6 中內(nèi)、外圈的最大接觸應(yīng)力及接觸應(yīng)力差值進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表5所示。從表5 中的計(jì)算結(jié)果可見，三種方案軸承滾道的最大接觸應(yīng)力差別不大，均小于 1 500 MPa，方案 5 的內(nèi)、外圈最大接觸應(yīng)力差值最小。根據(jù)內(nèi)、外圈等應(yīng)力設(shè)計(jì)原則，方案 5 設(shè)計(jì)參數(shù)可作為設(shè)計(jì)的主導(dǎo)方案。

表 5 最大接觸應(yīng)力

4 結(jié)論

基于 Adore 分析了某航空電機(jī)軸承內(nèi)、外圈溝曲率半徑系數(shù)、徑向游隙對(duì)軸承疲勞壽命、磨損率、兜孔碰撞力、功率損失的影響。主要得出以下結(jié)論：

（1）疲勞壽命隨著外圈溝曲率系數(shù)的增大而下降，磨損率、兜孔碰撞力、功率損失也隨外圈溝曲率系數(shù)的增大而呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。

（2）疲勞壽命、磨損率、兜孔碰撞力、功率損失隨著內(nèi)圈溝曲率系數(shù)的增大呈現(xiàn)出與隨外圈溝曲率系數(shù)增大相同的變化趨勢(shì)。

（3）疲勞壽命、磨損率、兜孔碰撞力、功率損失隨著徑向游隙的增大呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)。

（4）通過(guò)正交設(shè)計(jì)法，計(jì)算分析了 16 種方案軸承的疲勞壽命等指標(biāo)的分布情況。因軸承承受的載荷屬于輕載，疲勞壽命等指標(biāo)無(wú)顯著的區(qū)別，綜合考核溝曲率半徑系數(shù)、徑向游隙對(duì)磨損率、兜孔碰撞力的影響和內(nèi)、外圈等應(yīng)力設(shè)計(jì)原則，設(shè)計(jì)方案中內(nèi)、外圈溝曲率系數(shù)、徑向游隙亦取較小的取值范圍。