尾傳動軸軸承性能試驗機的研制

高佳麒 劉靜 王春月 王媛媛 陳興明

基金項目：國家重點研發計劃（2021YFB3400404）

第一作者簡介：高佳麒（1998-），男，助理工程師。研究方向為非標設計。

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.15.003

摘? 要：直升機市場的不斷發展，對與直升機尾傳動軸相配套的深溝球軸承的性能和可靠性提出更高的要求。為了對某款直升機尾傳動軸所使用的深溝球軸承進行壽命和可靠性試驗，現設計一款尾傳動軸軸承性能試驗機，使用變頻器控制電機改變試驗軸承轉速，使用彈簧加載系統和絲杠螺母加載系統來模擬軸承在實際工作過程中的受載情況，通過溫度傳感器和振動傳感器測量軸承運轉狀態。經過多個型號軸承的載荷譜試驗后，證明該試驗機運行穩定可靠，能夠滿足設計要求，可用于直升機尾傳動軸軸承的試驗研究。

關鍵詞：尾傳動軸軸承；試驗機；設計；振動；性能試驗

中圖分類號：TH89? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2024）15-0013-04

Abstract： The continuous development of the helicopter market has posed higher requirements for the performance and reliability of the deep groove ball bearing matched with the helicopter tail drive shaft. In order to test the life and reliability of the deep groove ball bearing used in the tail drive shaft of a certain helicopter， a performance testing machine for the tail drive shaft bearing is designed， and the frequency converter is used to control the motor to change the speed of the test bearing. The spring loading system and screw nut loading system are used to simulate the load of the bearing in the actual working process， and the running state of the bearing is measured by temperature sensor and vibration sensor. Through the load spectrum tests of several types of bearings， it is proved that the testing machine runs stably and reliably， can meet the design requirements， and can be used for the experimental study of helicopter tail drive shaft bearings.

Keywords： tail drive shaft bearing; testing machine; design; vibration; performance test

我國國土面積龐大，人口密集度高，雖然公路、鐵路等多種交通方式總長度位于世界前列，但仍舊難以滿足運輸要求。充分利用空間資源，發展相對快捷的空中交通刻不容緩。直升機由于可以低空、低速懸停，因垂直起降、懸停需要的場地空間小等優點而被廣泛應用于觀光旅游、救援、消防、通信、農業和商務運輸等多個行業。

雖然直升機市場龐大，但直升機相關技術的落后和市場意識薄弱，中航直升機股份有限公司是國產直升機的唯一制造商，在民用市場份額僅占4%。近年來，我國政府也加強對民用直升機產業的重視[1]，在全國各地鼓勵通航產業建設。目前，政府逐步放開對低空空域的管制。民用直升機產業發展的限制越來越少，預計未來民用直升機國產化趨勢將越來越明顯。

1? 尾傳動軸軸承簡介

直升機尾傳動軸位于主減速器和尾減速器之間，將主減速器的扭矩傳遞給尾漿，帶動尾槳旋轉。直升機傳動系統結構如圖1所示。由于尾傳動軸為高速旋轉部件，且需要長時間連續工作，對與之相配套的尾傳動軸軸承的使用壽命和性能有著極高的要求。深溝球軸承由于摩擦力矩小、噪音低、高轉速時性能好[2]，在承受徑向力的同時能承受一定的軸向力，因此常常被選用為尾傳動軸軸承。

在直升機的結構設計中，主減速器和尾減速器的傳動距離長、傳動級數多、傳動效率高。與其他的傳動系統相比，在制造、配合、安裝和維修過程中有著更加嚴格的標準和要求。許多廠商在軸承裝機之前要求通過試驗證明軸承性能和可靠性。

圖1? 直升機傳動系統結構圖

2? 軸承試驗平臺

現根據試驗軸承（如圖2所示）在實際工況中的安裝方式、受載、潤滑條件和轉速等條件來研制試驗機，對軸承進行性能試驗和耐久性試驗[3]。

圖2? 試驗軸承

2.1? 試驗平臺主要參數

尾傳動軸軸承試驗機的主要結構如圖3所示，主要參數見表1，測量項目及精度見表2。

注：1為軸向加載裝置；2為徑向加載裝置；3為試驗軸系；4為驅動電機；5為床身。

圖3試驗平臺主體結構圖

該試驗裝置主要由床身、加載系統、試驗軸系統、驅動系統和測控系統組成。試驗裝置主體采用剖分式結構，便于做各種型號的軸承試驗。采用臥式平臺通過地腳螺栓固定在地面上，減少試驗過程中產生的振動。床身上設有滑軌，可以通過滑軌來調整箱體和驅動電機的位置[4]。

表1試驗平臺主要性能參數

表2試驗平臺測量項目及精度

2.2軸承試驗組件

軸承試驗組件是整個試驗機的核心部分，其結構如圖4所示，主要由試驗主軸、試驗軸承、陪試軸承、箱體、振動傳感器和溫度傳感器等組成。

試驗軸承安裝在試驗主軸的懸臂處與軸小間隙配合，2套陪試軸承與軸小間隙配合。直升機尾傳動軸在設計過程中對軸的重量有著嚴格要求，由于直升機自身的結構限制，尾傳動軸通常會做成薄壁圓筒的形式，并且軸的實際轉速接近臨界轉速[5]。為了減少軸的振動對軸承的影響，軸與內圈在裝配過程中通常會安裝橡膠圈來減少橫向位移和振動。試驗大綱要求試驗過程中軸的軸向跳動和徑向跳動不大于0.01 mm，為了減少主軸跳動對軸承試驗的影響，將主軸設計成軸徑較大的實心軸。加工過程中做調質處理，可以提高主軸的綜合力學性能，并在安裝軸承處進行局部G42的熱處理，終加工前進行液氮處理，加工完成后做動平衡。在軸和軸承的裝配過程中，對軸進行液氮處理，使其尺寸縮小后進行裝配，以取得相應的過盈量。

2.3軸承驅動方式

試驗軸承載荷譜要求轉速為0～5 000 r/min，為了留有足夠的余量和考慮到未來會做其他型號軸承的載荷譜試驗，暫時選定驅動電機的最高轉速為8 000 r/min。試驗過程中驅動電機為試驗軸系提供動力，電機通過聯軸器和試驗主軸軸系聯接，測控系統通過變頻器調節電機電源頻率來控制主電機轉速。驅動電機的選型需要計算系統的摩擦力矩。

本次試驗軸承和陪試軸承采用脂潤滑。潤滑脂填充量：軸承內部空間30%左右。試驗主體總的摩擦力矩主要包括試驗軸承摩擦力矩、2套陪試軸承的摩擦力矩。根據軸承類型和潤滑方式選擇摩擦力矩的計算公式并計算系統總的摩擦力矩。

最終確定設備為高轉速、低扭矩、小功率和低慣量的機械模型，根據設備需求和節能原則選定的伺服電動機功率為5.5 kW，額定轉矩為17.5 N·m，額定轉速為2 000 r/min，最高轉速為8 000 r/min，能夠滿足試驗要求。

2.4? 軸承加載方式

針對試驗軸承只承受較小的軸向且載荷變化平穩的情況，利用軸端彈簧加載系統進行加載，彈簧加載系統的結構圖如圖5所示。彈簧加載系統相比于液壓加載系統和氣動加載系統制造工藝簡單、造價低，極大降低了制造和試驗成本。彈簧在受載時產生彈性形變，將彈性勢能轉化為機械能，同時彈簧能夠吸收振動和沖擊能量，儲存及輸出能量。試驗過程中通過專用扳手扳動加力螺桿旋轉，連接套帶動加載彈簧拉伸，產生的加載值通過拉力傳感器讀出。

2.5? 電氣測控系統

軟件采用統一標準：計算機操作系統選用Windows操作系統，測控系統軟件開發工具上位機PXI選用LabVIEW，應用軟件采用結構化設計，模塊化編程，具有較強的可讀性和可移植性。控制系統具有自動控制和手動控制2種控制方式，兩者之間能夠快速無擾動地進行切換[6]。

注：1為床身；2為墊板；3為支架；4為導向桿；5為加力螺桿；6為連接套；7為加載彈簧；8為錐套；9為拉力傳感器；10為螺桿。

圖5彈簧加載系統

試驗數據的采集由工控機控制自動進行，數據采集的時間間隔可根據試驗要求進行調整。測控系統能按要求對試驗測試數據自動進行采集、顯示、存儲，且數據采集準確、顯示穩定，采集的數據可以以表格的形式打印輸出，電氣測控系統界面如圖6所示。

3裝機試驗

對某型號的直升機尾傳動軸軸承進行裝機試驗，該試驗件為脂潤滑的密封深溝球軸承。試驗平臺主體部分如圖7所示。

耐久性試驗是試驗軸承在某一載荷和轉速下持續長時間運轉，通過高頻率的采集溫度和振動等數據來判斷試驗軸承是否會出現異常現象。此次耐久性試驗設置為每1分鐘采集一次試驗數據。此次試驗共10個循環，本次選取的是從開機到第一個循環結束的數據生成的振動曲線圖和溫度曲線圖。每個循環持續時間10 h，共采集了540組數據。

圖7試驗平臺主體部分

從圖8試驗軸承的振動曲線中可以看出，軸承振動最小值為11.3 m/s2，振動最大值為12.6 m/s2。試驗開始后隨時間波動但總體逐漸趨于平穩，且振動值始終在試驗要求范圍之內。

圖8試驗軸承的振動曲線

從圖9試驗軸承的溫度變化曲線可以看出，試驗軸承溫度隨時間逐漸升高直到出現最高溫度56.75 ℃后趨于平穩。試驗過程中室溫為23.36 ℃，試驗軸承最大溫升為33.39 ℃。最大溫升符合試驗要求。

圖9試驗軸承的溫度變化曲線

4結束語

通過對試驗過程中軸承溫度和振動數據的檢測可以得知，本次試驗方案和試驗技術可行，軸承的振動值和溫度始終在試驗要求范圍之內，試驗機驅動系統能夠按照試驗方案完成啟停和轉速控制，數據采集系統能夠及時準確地記錄試驗過程中溫度、振動等參數。試驗軸承疲勞剝落等異常現象，試驗方案和試驗數據已經交付給生產廠家，試驗結論已經獲得廠家和用戶認可。該次試驗的成功可以為相關軸承的設計、工藝和后續的失效分析提供判定依據，也可以為以后相似軸承的試驗提供參考。

參考文獻：

[1] 于夕朦，付浩，孫培德.直升機行業研究報告：國內市場需求逐步釋放，發展前景廣闊[R].長城證券，2023.

[2] 鄧四二，賈群義，薛進學.滾動軸承設計原理[M].北京：中國標準出版社，2014.

[3] 周有華，陳林元，郭希，等.密封軸承性能試驗機的定型設計[J].軸承，1996（2）：38-42，47.

[4] 劉蘇亞.軸承試驗機及試驗技術[J].軸承，2011（8）：55-59.

[5] 馬偉，莊樹明，孫勇，等.軸承試驗技術及試驗機[J].工程與試驗，2022，62（2）：71-74，113.

[6] 范紅偉，艾青牧，李家新，等.基于VB語言的航空發動機深溝球軸承參數化結構設計[J].機械，2020，47（10）：34-40.