■ 尹美 陳興明 易長(zhǎng)樂/中國(guó)航發(fā)動(dòng)研所

隨著直升機(jī)對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)質(zhì)量、傳遞效率、噪聲和可靠性要求的不斷提高，具有低密度、耐高溫、低損耗、長(zhǎng)壽命等優(yōu)異性能的陶瓷滾動(dòng)體軸承開始被越來越多地應(yīng)用到傳動(dòng)系統(tǒng)中。

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，主要用于定位支承軸和齒輪等旋轉(zhuǎn)構(gòu)件，引導(dǎo)旋轉(zhuǎn)構(gòu)件精確轉(zhuǎn)動(dòng)，并將旋轉(zhuǎn)構(gòu)件產(chǎn)生的力和力矩傳到機(jī)匣上，同時(shí)為軸和齒輪提供足夠的支承剛性。滾動(dòng)軸承性能的優(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)。

陶瓷滾動(dòng)體軸承在先進(jìn)旋翼傳動(dòng)系統(tǒng)的應(yīng)用情況

美國(guó)先進(jìn)旋翼傳動(dòng)系統(tǒng)研究（ART）計(jì)劃對(duì)陶瓷滾動(dòng)體軸承進(jìn)行了深入的研究。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)，250h持久試驗(yàn)和斷油試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：在高速工況下，陶瓷滾動(dòng)體與鋼制內(nèi)外圈配合工作優(yōu)于鋼制滾動(dòng)體與鋼制內(nèi)外圈；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，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。

圖1 FAG公司的Si3N4陶瓷滾動(dòng)體軸承

波音公司對(duì)陶瓷滾動(dòng)體軸承最小量潤(rùn)滑進(jìn)行了試驗(yàn)研究。試驗(yàn)表明，陶瓷滾動(dòng)體軸承具有較好的潤(rùn)滑性能裕度，軸承減少了摩擦，提高了疲勞壽命和抗腐蝕能力，并能顯著減小滾動(dòng)體離心力，可顯著提高高速軸承壽命。

FAG公司為了模擬陶瓷滾動(dòng)體軸承（見圖1）在苛刻工況下的運(yùn)行性能，利用碎屑攝入試驗(yàn)和預(yù)破環(huán)套圈試驗(yàn)，對(duì)全鋼軸承（內(nèi)外圈、滾動(dòng)體均為M50NiL材料）、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Al3O2顆粒（顆粒尺寸0.1～0.2mm），預(yù)破環(huán)后的軸承外圈三維表面掃描如圖2所示，碎屑攝入試驗(yàn)過程中監(jiān)測(cè)滑油金屬屑鐵含量如圖3所示。由圖2可見，外圈滾道預(yù)破壞尺寸長(zhǎng)度達(dá)到0.03mm，深度達(dá)到3μm。由圖3可知，混合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。在碎屑攝入試驗(yàn)中，相比于標(biāo)準(zhǔn)全鋼軸承，混合軸承的使用壽命有很大提升，超過6倍（到試驗(yàn)暫停時(shí)），二次淬硬的鋼軸承使用壽命提升超過3倍（到試驗(yàn)暫停時(shí)），二次淬硬鋼和Si3N4陶瓷球的使用壽命得到極大提升，超過10倍（到試驗(yàn)暫停時(shí)）。

圖2 預(yù)破環(huán)后的軸承外圈三維表面掃描

圖3 滑油金屬屑監(jiān)測(cè)-鐵含量的比較

陶瓷滾動(dòng)體軸承在我國(guó)直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的應(yīng)用

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)體軸承以其優(yōu)異的性能逐漸被應(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以及行星輪系等部位。

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)30min的難度非常大。而高速運(yùn)行條件下，陶瓷滾動(dòng)體軸承具有較小的離心力、陀螺力矩、溫升及較穩(wěn)定的軸承溝道間隙，更加有利于軸承在高速、貧油或無油條件下工作。為了對(duì)比鋼制軸承和陶瓷滾動(dòng)體軸承性能，在專用軸承試驗(yàn)器上進(jìn)行鋼制軸承和陶瓷滾動(dòng)體軸承（兩組軸承類型和尺寸相同，但滾動(dòng)體材料分別為M50鋼和Si3N4陶瓷）的轉(zhuǎn)速試驗(yàn)、潤(rùn)滑試驗(yàn)及斷油試驗(yàn)，并進(jìn)行了分析。

對(duì)比試驗(yàn)說明，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)滑的需求也有所降低。當(dāng)潤(rùn)滑失效時(shí)，Si3N4陶瓷滾動(dòng)體軸承可顯著降低溫升，從而保持長(zhǎng)時(shí)間的良好運(yùn)行，這對(duì)于直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)高速輸入端位置無疑是非常適用的。

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（約99%）的時(shí)間，內(nèi)外圈保持相同的轉(zhuǎn)速，因此內(nèi)外圈無相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，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，使?jié)L動(dòng)體與內(nèi)外圈滾道金屬表面直接接觸。由于滾動(dòng)體與內(nèi)外圈相對(duì)位置比較固定，在振動(dòng)作用下滾動(dòng)體與內(nèi)外圈滾道在接觸區(qū)域附近發(fā)生微動(dòng)磨損，具體表現(xiàn)為軸承內(nèi)外圈滾道表面形成間隔等距離的、與滾動(dòng)體表面仿形的損傷壓痕，即假布氏印痕。

離合器位置軸承運(yùn)行工況特點(diǎn)決定了該位置軸承容易出現(xiàn)假布氏印痕現(xiàn)象，如果不改善軸承的假布氏現(xiàn)象，逐步發(fā)展將導(dǎo)致軸承滾道表面材料出現(xiàn)疲勞剝落，因此減緩假布氏現(xiàn)象對(duì)降低該位置軸承損傷具有重要意義。陶瓷球相對(duì)鋼球硬度更高，粗糙度更低，質(zhì)量更輕，摩擦系數(shù)更小，對(duì)潤(rùn)滑油需求量更小。因此在軸承尺寸和結(jié)構(gòu)無法更改的情況下，采用Si3N4滾動(dòng)體可有效減緩假布氏現(xiàn)象。經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，內(nèi)圈滾道假布氏印痕得到明顯改善，Si3N4滾動(dòng)體表面狀態(tài)良好。

尾傳動(dòng)軸的應(yīng)用

直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)通過尾傳動(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，因此要求軸承能在少量潤(rùn)滑脂情況下仍能保持正常工作，在無潤(rùn)滑脂情況下具備較好的熱穩(wěn)定性。

為摸清密封油脂潤(rùn)滑Si3N4陶瓷球軸承在漏脂條件下的性能變化趨勢(shì)，開展了尾傳動(dòng)軸軸承在完全無潤(rùn)滑脂和極少量潤(rùn)滑脂情況下的性能試驗(yàn)研究。研究表明Si3N4陶瓷滾動(dòng)體軸承對(duì)潤(rùn)滑需求少，僅用極少量潤(rùn)滑脂仍能在允許溫度范圍內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間正常運(yùn)行。另外，Si3N4陶瓷滾動(dòng)體軸承的熱穩(wěn)定性較好，即使在沒有油脂的情況下，軸承運(yùn)行至約105min時(shí)也沒有出現(xiàn)抱死現(xiàn)象。

槳距操縱桿位置的應(yīng)用

槳距操縱桿軸承通常為雙列角接觸球軸承，安裝于尾槳槳距操縱軸內(nèi)，其工作時(shí)需承受助力器操縱的動(dòng)態(tài)軸向載荷。由于直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)尾減速器采用飛濺潤(rùn)滑，滑油流經(jīng)路徑較長(zhǎng)，槳距操縱桿軸承潤(rùn)滑非常困難。為了保證軸承的正常潤(rùn)滑和工作，在槳距操縱桿的位置仍采用密封脂潤(rùn)滑軸承，但是軸承潤(rùn)滑脂會(huì)被減速器內(nèi)部的油霧稀釋，導(dǎo)致油脂的流失，對(duì)于保持其正常工作均有不利，因此采用密封油脂潤(rùn)滑Si3N4陶瓷滾動(dòng)體雙列角接觸球軸承，以減少潤(rùn)滑需求。Si3N4陶瓷滾動(dòng)體軸承具有摩擦小、潤(rùn)滑需求較小和發(fā)熱小的特點(diǎn)，在槳距操縱桿位置應(yīng)用陶瓷滾動(dòng)體軸承是非常合適的。

行星輪系上的應(yīng)用

陶瓷材料滾動(dòng)體還可用在行星輪系的調(diào)心滾動(dòng)體軸承上。行星齒輪調(diào)心滾動(dòng)體軸承在自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)的共同作用下，離心載荷較大，且須在潤(rùn)滑系統(tǒng)失效情況下軸承滿足30min干運(yùn)轉(zhuǎn)要求。如圖4所示，調(diào)心滾動(dòng)體軸承鼓形滾動(dòng)體采用Si3N4陶瓷材料，外圈與行星齒輪一體化結(jié)構(gòu)，由于Si3N4陶瓷混合軸承具有密度小、摩擦小、耐磨損、熱穩(wěn)定性好、潤(rùn)滑需求小等優(yōu)點(diǎn)，運(yùn)轉(zhuǎn)過程中將減小離心力造成的附加應(yīng)力，潤(rùn)滑系統(tǒng)失效情況下具有比鋼制軸承更高的可靠性，同時(shí)可有效降低軸承重量，這對(duì)于提升傳動(dòng)系統(tǒng)可靠性和使用性能都十分有益。

圖4 陶瓷滾動(dòng)體行星軸承

結(jié)束語

直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)陶瓷滾動(dòng)體軸承具有優(yōu)異的性能，Si3N4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)。

直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)在應(yīng)用了陶瓷滾動(dòng)體軸承后，不僅提高了干運(yùn)轉(zhuǎn)性能還有效降低了軸承重量。

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)性能更好，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)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)等還不夠成熟，設(shè)計(jì)方面須對(duì)陶瓷滾動(dòng)體軸承使用壽命預(yù)測(cè)理論和游隙分析開展進(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；無損檢測(cè)方面，須開發(fā)可靠高效的檢測(cè)方法和儀器；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，須開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)性能等精確化設(shè)計(jì)技術(shù)。相信隨著這些技術(shù)的發(fā)展，陶瓷滾動(dòng)體軸承將會(huì)在直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)中得到更廣泛的應(yīng)用。