航空電機軸承參數優化

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系統運行研究重點實驗室，浙江 龍游324400；3. 軍用裝備傳動核心基礎零（部）件技術創新中心，浙江 龍游 324400）

航空電機軸承作為航空電機的關鍵零件，直接影響著飛機的飛行性能[1]。航空電機軸承因使用工況的特點多使用密封深溝球軸承，軸承結構、設計參數的不同取值對軸承的性能指標有較大的影響，國內外諸多學者開展了多方面的研究。文獻 [2] 和 [3] 對航空電機軸承進行故障分析并根據故障形式對保持架結構、潤滑和內、外圈溝曲率半徑系數進行改進。文獻 [4] 對高速球軸承密封結構進行優化和驗證。文獻 [5] 利用ADORE 對陀螺電機主軸軸承進行優化設計。文獻 [6] 通過考慮熱效應及潤滑劑非牛頓型的球軸承彈性流體動壓潤滑模型，對長壽命球軸承的彈流與密封進行分析研究。文獻 [7] 分析了密封間隙和長度對深溝球軸承密封性能的影響。文獻 [8] 分析了不同密封結構對密封深溝球軸承防塵和漏脂的影響。文獻 [9] 分析了不同密封槽設計、密封唇設計對密封性能的影響。文獻 [10] 分析了深溝球軸承密封圈脫落的原因及改進方式。本文根據軸承的使用工況，基于 Adore 分析了軸承的溝曲率系數變化、徑向游隙變化對軸承疲勞壽命、滾動體與保持架的碰撞力、軸承零件的磨損率、功率損失等參數的影響，為軸承的設計參數選取提供理論支撐。

1 概述

航空電機軸承為深溝球結構，左右兩端各安裝 1 套軸承支撐轉子軸，常用轉速為 12 000 r/min，徑向載荷為 100 N，內圈旋轉、外圈固定。其結構主參數見表1，軸承零件材料特性參數見表2。

表1 軸承主參數

表2 材料特性參數

2 動力學仿真分析

基于 Adore 分析不同的內、外溝曲率系數和徑向游隙對疲勞壽命、磨損率、兜孔碰撞力、功率損失的影響?；谳S承的設計理論內、外圈溝曲率系數取值范圍為 0.51～0.54 之間，所以本分析內、外圈溝曲率系數按 0.51～0.54、間隔 0.01進行取值。徑向游隙按 10～25 μm、間隔 5 μm取值進行分析。

如圖1 所示，展示了外溝曲率半徑系數的變化對軸承疲勞壽命、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的增大呈下降趨勢，其原因為隨著外溝曲率半徑系數的增大，滾動體與溝道的密合度下降，滾道與滾動體的接觸面積減小，在相同的載荷下，受力面積減小、接觸應力增加，導致軸承的疲勞壽命下降。隨著滾動體與滾道的接觸面積減小，1# 滾動體、外滾道、內滾道的磨損率隨著外溝曲率系數的增大亦減小。隨著外溝曲率系數的增大，保持架兜孔與滾動體的碰撞力變化不大，呈現減小的趨勢。功率損失隨著外溝曲率系數的增大呈現下降趨勢，其原因為內部摩擦減小，發熱減少。

圖1 外溝曲率半徑系數對軸承動態性能的影響

如圖2 所示，展示了內溝曲率半徑系數的變化對軸承疲勞壽命、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圈溝曲率半徑系數的變化和隨外圈溝曲率半徑變化的影響類似，均呈現下降的趨勢。

圖2 內溝曲率半徑系數對軸承動態性能的影響

如圖3 所示，展示了徑向游隙的變化對軸承疲勞壽命、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降低的趨勢，其原因為隨著徑向游隙的增大，承受徑向載荷的滾動體數量減少導致最大接觸應力增加，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降低的趨勢，其原因為隨著徑向游隙增大，承受載荷的滾動體數量減少，滾動體與套圈的接觸面積減少，導致摩擦磨損、功率損耗亦出現降低的趨勢。

圖3 徑向游隙對軸承動態性能的影響

3 參數優化設計

正交設計是利用規格化的“正交表”，科學地挑選參數條件，能在較多的參數條件下挑選出較優的方案[11]。以軸承疲勞壽命、磨損率、兜孔碰撞力、功率損失作為優化目標對軸承進行優化設計。以內、外圈溝曲率半徑系數、徑向游隙作為影響以上四目標值的影響因素，分 4 個水平進行分析，因素水平表見表3。根據正交優化表確定 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果如圖4a 所示，疲勞壽命的數量級均達到 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、內圈磨損率差別不大，結合圖4c 兜孔碰撞力峰值、圖4d 功率損失的情況，內、外圈溝曲率系數、徑向游隙可在方案 1、5、6 中選取。

圖4 不同方案的指標變化情況

對方案 1、5、6 中內、外圈的最大接觸應力及接觸應力差值進行計算，計算結果如表5所示。從表5 中的計算結果可見，三種方案軸承滾道的最大接觸應力差別不大，均小于 1 500 MPa，方案 5 的內、外圈最大接觸應力差值最小。根據內、外圈等應力設計原則，方案 5 設計參數可作為設計的主導方案。

表 5 最大接觸應力

4 結論

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

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

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

（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出下降的趨勢。

（4）通過正交設計法，計算分析了 16 種方案軸承的疲勞壽命等指標的分布情況。因軸承承受的載荷屬于輕載，疲勞壽命等指標無顯著的區別，綜合考核溝曲率半徑系數、徑向游隙對磨損率、兜孔碰撞力的影響和內、外圈等應力設計原則，設計方案中內、外圈溝曲率系數、徑向游隙亦取較小的取值范圍。