航空飞行器用超高速角接触球轴承的研制与试验验证

郝大庆，李鸿亮，郑艳伟，韩涛，徐润润

(1.洛阳轴承研究所有限公司，河南 洛阳 471039；2.河南省高性能轴承技术重点实验室，河南 洛阳 471039)

1 概述

随着航空飞行器转子系统向高转速方向发展，飞行器需在短时间内追踪到目标并实施打击，且能够完成多个循环动作，这就要求起支承作用的角接触球轴承在高速(转速高达120 000 r/min)、频繁启停工况下工作，轴承易出现非常规的疲劳失效。国内某主机厂家对超高速轴承的设计要求见表1，选用国外轴承，并进行台架试验，轴承仅能满足主机20次启停循环， 试验寿命仅30 h，失效模式主要为轴承散套，沟道烧伤，保持架断裂等。

表1 超高速轴承设计要求

国内外对角接触球轴承做了大量研究：文献[1]建立了拟静力学蠕滑分析模型，分析了轴承的运动学和力学性能；文献[2]考虑了钢球陀螺旋转、离心力等，基于赫兹接触理论建立了高速角接触球轴承拟动力学分析模型，分析了结构参数和工况参数对轴承动态特性的影响；文献[3]建立了角接触球轴承完全动力学模型，分析了轴承打滑机理，并提出了轴承润滑热失效条件；文献[4-5]介绍了高速精密角接触球轴承保持架材料的选择；文献[6]分析了精密角接触球轴承的运动学和发热机理，并开展了相关试验研究，给出了最佳预紧量和润滑剂量；文献[7]基于动力学和摩擦生热原理，建立轴承热机耦合模型，分析了轴承在高速工况下的运动特性、温度分布、动刚度等；文献[8-9]开展了燃气轮机用高温高速角接触球轴承的设计分析和试验机研制；文献[10-12]分析了高速角接触球轴承的动力学特性，研究范围从轴承润滑油的拖动特性到保持架稳定性、摩擦功耗等；文献[13]分析发现某辅助动力起动机动力转子角接触球轴承的失效原因为润滑油喷嘴堵塞，润滑油流量和流向发生变化；文献[14]分析发现某起动机出现异常振动和碰磨的原因为转子质心不在轴线或挠度大，转子轴系刚度不足，轴承精度不高等；文献[15-16]分析了高速角接触球轴承的打滑特性，给出了钢球与沟道的摩擦学及润滑特性；文献[17-18]建立了轴承动力学模型，为轴承动力学分析奠定了基础；文献[19]分析了燃气轮机用角接触球轴承出现早期剥落的原因为润滑不良；文献[20]采用氮化硅陶瓷球轴承，实现了长寿命、低功耗，并将陶瓷球轴承用于乘用车涡轮增压器；文献[21]分析了保持架结构形式和引导方式，润滑剂流量对轴承温升和保持架打滑率的影响，并进行了试验验证，保持架单边引导更利于轴承高速运转。

上述文献对角接触球轴承研究的最高转速仅为每分钟几万转，关于转速高达120 000 r/min且频繁启停的角接触球轴承的研究较少；故有必要开展该类航空飞行器用超高速角接触球轴承的设计分析，并进行相应的试验验证。

2 超高速轴承设计

2.1 材料

在高速工况下，轴承自身会产生大量的摩擦热，实际工作温度短时会超过180 ℃，接触区温度高达500 ℃，常规的GCr15轴承钢已不能满足要求。根据航空发动机主轴轴承的设计经验，该工况下轴承套圈和钢球材料一般选择8Cr4Mo4V钢，与国外M50钢性能相当，在高温下硬度高，抗疲劳，耐磨损，且具有良好的尺寸稳定性以及较好的加工性能。保持架材料一般选用强度高，弹性好，耐磨损，抗磁性强的QSn6.5-0.1锡青铜，具有良好的切削加工性能，且耐腐蚀。

2.2 引导方式

高速工况下采用套圈引导，保持架运转更稳定。由于钢球离心力较大，钢球在内圈上的滑动速度较大，摩擦生热多，故采用外圈引导，钢球与内圈沟道摩擦产生的热量可及时扩散。此外，外圈引导可使保持架过梁尺寸加大，强度提高。

2.3 参数选取

为提高轴承承载能力及寿命，需选取直径大的钢球；为减小钢球离心力的影响，降低钢球与套圈之间的旋滚比，减少摩擦，需要直径小的钢球。在运行过程中，球轴承接触角受到温度、离心力、装配等因素的影响会发生变化，影响轴承的载荷分布，而载荷分布与轴承寿命紧密相关，需在设计时给予考虑。综合考虑轴承的高速性能和承载能力，对轴承主要结构参数进行优化，钢球直径为4.762 5 mm，球数为10，接触角为13°～17°。轴承主参数确定后，其他参数可参考角接触球轴承的设计方法得到。

3 动力学分析

考虑钢球与套圈、套圈与保持架、钢球与保持架之间的相互作用，建立轴承完全动力学仿真分析模型，分析时考虑钢球的陀螺旋转及离心力、润滑油的拖拽等。轴承动力学求解时，需先给定初始解，初始解由轴承静力学分析得到。

为准确描述轴承各零件之间的运动关系，建立如图1所示坐标系，动力学模型参考文献[10]。

图1 轴承坐标系

轴承在超高速且频繁启停的工况下工作，需计算轴承的接触应力评判其承载能力。自旋滑动是轴承摩擦和发热的重要因素，自旋滑动较大时，沟道表面易烧伤，有必要分析轴承运转过程中钢球的旋滚比。在该工况下球与保持架的碰撞力较大，影响保持架的稳定性，球与保持架的碰撞力和保持架打滑率可作为评判保持架是否稳定运行的重要指标。此外，该类轴承失效模式为非常规疲劳失效，对其疲劳寿命的分析仅供参考。

3.1 接触应力

在轴向载荷为200 N，径向载荷为300 N时，不同转速下轴承的最大接触应力如图2所示：1)随转速升高，内圈最大接触应力减小，外圈最大接触应力增大，超过100 000 r/min时，外圈接触应力大于内圈接触应力；2)钢球与内、外圈的最大接触应力为2 200 MPa，满足不高于2 400 MPa(经验值)的要求。

图2 轴承最大接触应力随转速的变化曲线

3.2 旋滚比

由于钢球离心力的作用，高速角接触球轴承多采用外沟道控制，外沟道旋滚比接近为0，下文分析钢球在内沟道上的旋滚比。在轴向载荷为200 N，径向载荷为300 N时，不同转速下钢球的最大旋滚比如图3所示： 随转速升高，钢球最大旋滚比增大，达到120 000 r/min时，最大旋滚比为0.5，满足最大旋滚比不大于0.6(经验值)的要求。

图3 钢球最大旋滚比随转速的变化曲线

3.3 钢球与保持架的碰撞力和保持架打滑率分析

在轴向载荷为200 N，径向载荷为300 N时，不同转速下钢球与保持架的最大碰撞力和保持架打滑率分别如图4、图5所示。由图4可知：随转速升高，钢球与保持架的最大碰撞力增大，最大碰撞力为18 N，根据经验要求，该轴承在超高速工况下工作时不会出现保持架断裂等异常现象。由图5可知：随转速升高，保持架打滑率增大，最大值为8%，满足低于10%的要求[22]。

图4 钢球与保持架的最大碰撞力随转速的变化曲线

图5 保持架打滑率随转速的变化曲线

3.4 疲劳寿命

参考GB/T 6391—2010《滚动轴承 额定动载荷和额定寿命》，轴承额定动载荷为

(1)

f1=0.95，

式中：α为接触角；Z为球数；Dw为球径；fi，fe分别为内、外圈沟曲率半径系数；Dpw为球组节圆直径；i为轴承列数。

轴承当量动载荷为

Pr=XFr+YFa，

(2)

式中：X为径向动载荷系数；Fr为径向载荷；Y为轴向动载荷系数；Fa为轴向载荷。

轴承在最高转速120 000 r/min下工作，按照可靠性为99%计算其疲劳寿命，润滑系数取1。8Cr4Mo4V钢高温性能较好，在计算轴承寿命时材料系数可取5甚至更大，但该轴承工作温度高达180 ℃，转速高达120 000 r/min且有启停次数要求，计算时材料系数取2。轴承疲劳寿命为

(3)

由(1)～(3)式可得轴承疲劳寿命约为55 h。

4 试验验证

为验证设计的角接触球轴承是否满足要求，与国外轴承进行同样的台架试验，试验机结构如图6所示，包括加载系统、高温润滑系统、电控系统、自动控制系统、软件系统等。采用飞溅润滑(轴承最下端方位角为0°钢球的一半浸在润滑油中，轴承旋转时润滑油飞溅到沟道内)，试验过程中实时监测被试轴承外圈温度、润滑油温度及主体振动。试验机测试精度见表2。

1—回油口；2—轴向加载；3—1#工位轴承测温孔；4—2#工位轴承测温孔；5—进油口；6—径向加载；7—3#工位轴承测温孔；8—4#工位轴承测温孔。

表2 试验机测试精度

试验过程中内圈转速从0逐步增加到120 000 r/min，运行一段时间后，降速至0，如此往复变化，如图7所示。

图7 内圈转速变化示意图

测量轴承运转过程中的振动加速度和温度，分别如图8和图9所示： 1)轴承最大振动加速度低于19.6 m/s2，满足不高于58.8 m/s2的设计要求，且振动无突增；2)试验轴承温度均低于100 ℃，未超过轴承套圈和钢球的热处理回火温度。转速一个循环为100 min，轴承连续完成了30个循环，寿命超过50 h。

图8 试验轴承振动加速度

图9 试验轴承温度

试验前、后轴承内、外径及径向游隙无变化，拆解试验后的轴承如图10所示,保持架和钢球无异常磨损。

(a)1#轴承

轴承通过了台架试验，启停次数和寿命均能满足设计要求。

5 结束语

为满足某主机厂家的设计要求，开展了航空飞行器转子系统用超高速角接触球轴承的设计和试验验证工作，所开发的轴承满足转速120 000 r/min，启停次数30次，寿命50 h的设计要求。轴承交付主机单位后，随主机进行了试验考核，国产轴承寿命和循环次数比国外轴承提高了50%。分析结果可为航空飞行器转子系统用超高速角接触球轴承的理论分析和试验研究提供参考。