国外航空机体球轴承标准分析
2014-03-04李彦伟赵颖春
李彦伟 林 晶 张 令 赵颖春
(中航工业综合技术研究所,北京 100028)
国外航空机体球轴承标准分析
李彦伟 林 晶 张 令 赵颖春
(中航工业综合技术研究所,北京 100028)
基于SAE和EN的航空机体球轴承产品标准,对比分析了SAE和EN的航空机体球轴承标准体系,对相应的SAE和EN产品标准的主要技术内容,包括尺寸、材料、表面处理、密封固定性能、润滑、无载旋转启动力矩、静态承载能力、动态承载能力等性能进行了对比分析,指出了标准之间存在的共同点和差异,为我国航空机体球轴承标准体系建设工作提供一定的借鉴。
机体;球轴承;标准
球轴承泛指利用球的滚动实现最小摩擦,并限制一个物体相对于另一个物体运动的各种类型轴承。航空机体球轴承是指在飞机机体如起落架、方向舵、襟翼、缝翼、尾翼、安定面、操纵系统件使用的球轴承。机体球轴承具有摩擦阻力小、启动快、效率高、易于互换等优点,是飞机传递运动与承受载荷的重要支撑零件,在飞机中的应用越来越广泛。
航空机体球轴承主要有深沟球轴承和调心球轴承,如图1所示。深沟球轴承是滚动轴承中最为普遍的一种类型。基本型的深沟球轴承由外圈、内圈、钢球和保持架组成,可同时承受径向和轴向载荷。调心球轴承由、内圈、钢球、保持架和具有球面滚道的外圈组成,其特点是具有调心性能,以补偿轴的两支点轴线不同轴产生的角度偏差和轴的挠度的影响。
国外经过多年的发展,对航空机体球轴承的尺寸、启动力矩、硬度、极限载荷、径向动载荷等综合性能开展了全面的研究,已经形成了较为完善的标准体系,保证了航空机体球轴承的质量和规范性,为航空机体球轴承的研制和使用提供了重要的标准资料。
我国在航空机体球轴承方面与国外相比还存在很大的差距,通用规范不完整,缺乏必要的产品标准,整个标准体系不完善,标准的操作性差,亟需补充相应的通用规范和产品标准,形成系统的航空机体球轴承标准体系。
本文基于SAE和EN的航空机体球轴承产品标准,对比分析了SAE和EN的航空机体球轴承标准体系,对相应的SAE和EN产品标准的主要技术内容,包括尺寸、材料、表面处理、密封固定性能、润滑、无载旋转启动力矩、静态承载能力、动态承载能力等性能进行了对比分析,为我国航空机体球轴承标准体系建设工作提供一定的借鉴。
图1 航空机体球轴承类型
1 标准体系分析
1.1 SAE标准体系分析
SAE标准是美国机动车工程师学会标准,包括轿车、飞机、材料及制造等标准。如图2所示,SAE航空机体球轴承标准体系相对完善,包括了通用规范、产品标准、试验方法标准等。目前美国的航空机体球轴承产品标准主要包含普通轴承钢材料和不锈轴承钢材料两种系列产品标准,普通轴承钢材料系列产品标准体系相对完善,按承载能力划分,覆盖了重载、中载、轻载和特轻载球轴承;按滚动体列数划分,覆盖了单列和双列球轴承;按调心类型划分,覆盖了非调心、调心和外部调心球轴承;并且还包括特宽球轴承、精密球轴承和滑轮球轴承三种特殊球轴承。不锈轴承钢材料系列产品标准体系相对不太完善,只涉及部分产品标准。
图2 SAE航空机体球轴承标准体系框图
1.2 EN标准体系分析
EN标准是欧洲标准,是欧洲最主要的标准制定机构标准。如图3所示,EN航空机体球轴承的标准体系也相对完善,包括了技术规范和系列产品标准等,虽然不具有独立的试验方法标准,但技术规范具有试验方法附录,虽然没有专门的航空机体球轴承技术规范,但具有航空机体滚动轴承技术规范,此技术规范涉及的产品标准大部分为球轴承产品标准。
EN的产品标准中,主要包括了深沟球轴承和调心球轴承两个系列。深沟球轴承系列产品标准针对每个直径系列,分别给出了普通钢制、普通钢制镀镉和不锈钢制三种类型轴承的产品标准,这些同直径系列不同类型的产品标准的设置主要为满足不同的使用需求。调心球轴承系列产品标准包括EN 3287~EN 3289、EN 4034。
1.3 SAE和EN标准体系对比分析
从标准组成看,SAE和EN的产品组成各有特点。其中SAE产品标准按承载能力划分为重载、中载、轻载和特轻载球轴承,并且还包括特宽球轴承、精密球轴承和滑轮球轴承三种特殊球轴承,而EN产品标准中没有,但EN产品标准包括法兰式外圈的双列自调心球轴承。EN产品标准按承载能力划分只分为标准和轻载两种系列轴承,直径系列0和2为标准系列,直径系列8和9为轻载系列。SAE产品标准不仅包括双列自调心球轴承,也包括单列自调心球轴承和外部调心球轴承,而EN产品标准只包括双列自调心球轴承,但EN产品标准将钢制镀镉轴承单独列为一类产品标准,明确指出了镀镉轴承的技术参数,与其他轴承进行区分,这更有利于镀镉轴承的科学合理使用。
图3 EN航空机体球轴承标准体系框图
2 标准技术内容分析
目前国内外较常使用的机体球轴承标准主要为AS 7949及其SAE产品标准、EN 3280及其EN产品标准,下面对这些常用的机体球轴承标准的主要的技术内容进行进一步的对比分析。
2.1 尺寸系列
从标准中可以看出,SAE系列产品的规格包含内径为0.19 in到2.312 5 in共18个规格,相当于公制的内径为5 mm~80 mm,EN的产品系列中包含内径为5 mm~30 mm共10个规格。从产品规格看,SAE标准的产品系列多,尺寸范围广,最大可到80 mm。
2.2 材料
SAE和EN产品标准中材料及硬度的要求见表1。
表1 材料及硬度要求
美国的52100材料和欧洲的FE-PL31材料均对照于中国的GCr15材料,从对比可以看出,SAE和EN对于普通钢材料和硬度的要求基本一致。
欧洲的FE-PM43材料均对照于中国的9Cr18材料,美国的440N材料是新开发材料,现还没有中国材料与之对应,与欧洲的FE-PM43材料的主要区别是增加了氮元素,在过去的几十年中,氮作为合金元素被用来提高钢的性能变得越来越诱人。目前,各国已相继开发出含氮不锈轴承钢(如法国的XD15N、日本的ES1等)。美国采用1种在标准大气压下熔炼可使马氏体不锈钢的氮含量达到极限值的技术,开发出了含氮马氏体不锈轴承钢——440N。此钢可被整体淬硬,最小硬度可达HRC60,同时增加氮含量可获得更高的硬度和耐蚀性能。用440N制成的轴承的耐腐蚀性能和无噪音性能对于航空和计算机工业是非常有用的。
从对比可以看出,SAE和EN对于不锈钢材料不一致,但对硬度的要求基本一致。
2.3 表面处理
SAE和EN产品标准中表面处理的相关要求见表2。
航空机体球轴承表面处理主要是为了使轴承具有防腐蚀性能。SAE产品标准根据普通钢和不锈钢两种材料分别规定了表面处理的部位和方式,镀锌镍有耐腐蚀性好、氢脆性小、润滑性好、附着力强等特点,同时环境污染较小,因此近些年采用镀锌镍的表面处理方式较多。镀镉在防腐蚀等方面的性能与镀锌镍的性能相近,但由于镉属于重金属,对环境有污染,因此在一些国家禁止使用。表面钝化是不锈钢常用的一种表面处理方法,具有一定的耐腐蚀性能。而EN并没有在产品标准中规定表面处理,但EN技术规范中规定了表面处理可参照轴承产品标准或相关设计文件,相应放宽了对机体球轴承表面处理的规定。
表2 表面处理要求
2.4 密封固定性能
因为设计目的,SAE产品标准规定自调心角度不大于10°,但允许密封蠕变或移动所产生的较大角度。基于自调心球轴承功能的要求,EN产品标准规定自调心角度不小于6°。可见SAE和EN产品标准对自调心角度规定的区别,在自调心角度满足实际使用需要的前提下,以上规定均合理。
SAE和EN产品标准中保证密封固定完好所规定的最大扭矩对比见图4。
图4 最大扭矩对比图
从图4可见,对于同规格轴承,EN产品标准规定的扭矩小于SAE产品标准规定的扭矩。对于同规格轴承,保证密封固定完好所规定的最大扭矩值越大,密封固定性能越高。
2.5 润滑
轴承对滚动轴承的疲劳寿命和摩擦、磨损、温升、振动等有着重要影响,没有正常的润滑,轴承就不能良好的工作。轴承的良好润滑是减小轴承摩擦和磨损的有效措施。
SAE和EN产品标准中润滑要求见表3。
SAE和EN产品标准规定的填脂量相同,填脂量的大小影响轴承润滑效果,机体球轴承为低速摆动或旋转的轴承,填脂量过小会导致轴承缺少润滑剂,从而影响润滑效果。SAE产品标准规定了润滑剂所符合的标准,而EN产品标准规定了润滑剂的性能,SAE规定的标准中对润滑剂性能的规定与EN产品标准中的规定基本一致。
表3 润滑要求
2.6 无载旋转启动力矩
无载旋转启动力矩是机体球轴承的一项重要参数,用于评价轴承的灵活性,图5为SAE和EN主要系列轴承的无载旋转启动力矩对比图。
图5 无载旋转启动力矩对比图
由图5可见,SAE和EN产品在无载旋转启动力矩方面的要求存在着一定的差异。与EN产品标准相比,SAE产品标准规定的无载旋转启动力矩较大,并且随着轴承规格的增大,启动力矩值增加幅度也增大。这是由于轴承规格增加,启动力矩半径相应增大和摩擦力相应增大等因素共同作用的结果。
2.7 静态承载能力
静态承载能力是航空机体球轴承关键的技术参数,包括径向和轴向许用静载荷要求。轴承许用静载荷由基本额定静载荷计算得出,径向许用静载荷计算如式(1)所示,
式中:
CN——径向许用静载荷,kN;
C0——基本额定静载荷,kN;
R——径向载荷安全系数。
轴向许用静载荷计算如式(2)所示,
式中:
Famax.——轴向许用静载荷,kN;
C0——基本额定静载荷,kN;
A——轴向载荷安全系数。
基本额定静载荷为作用于非旋转轴承上,并使最大承载滚动体与内圈或外圈滚道接触的薄弱处产生0.0001倍滚动体直径永久变形的载荷。为了方便查阅,SAE和EN产品标准均直接给出了径向和轴向许用静载荷。
图6 径向许用静载荷对比图
图7 轴向许用静载荷对比图
从图6和图7中可以看出,SAE和EN的产品标准中,轴承的径向许用静载荷基本一致。EN产品标准规定的轴向许用静载荷大于SAE产品标准规定的轴向许用静载荷。并且EN规定许用静载荷测试后,轴承不应产生永久变形并且手动旋转轴承检测轴承旋转灵活性不应明显降低,而SAE未作此规定,只是规定了手动旋转轴承检测轴承旋转灵活性不应明显降低。在载荷值和合格判定要求两方面都明显发现EN产品标准的轴承静态承载能力高于SAE产品标准的轴承。
2.8 动态承载能力
动态承载能力是航空机体球轴承的一项重要性能,直接影响航空机体球轴承的寿命。SAE产品标准中针对内圈或外圈承载的两种情况,分别规定了轴承的径向动态承载能力,SAE产品标准规定的径向额定动载荷为使轴承能成功进行10000次摆角为90°的循环摆动情况下所承受的载荷,图8为内外圈承载情况下径向额定动载荷对比图。
图8 径向额定动载荷对比图
由图8可见,外圈承载情况下的径向额定动载荷略高于内圈承载情况下的径向额定动载荷,但两种情况下随轴承规格改变的载荷变化趋势基本一致。
EN产品标准并未对轴承的动态承载能力作任何规定。也许是因为产品标准编制人员认为航空机体球轴承使用工况为低速摆动,相信轴承制造商能生产和销售满足寿命要求的航空机体球轴承。但个人认为产品标准对轴承动态承载能力的规定是必要的。
3 结论
通过对SAE和EN机体球轴承产品标准的对比分析可以看出,两者的技术体系和产品的技术水平基本一致。
在标准体系方面,SAE和EN的产品标准体系各有特点。但均包含深沟球轴承和调心球轴承,EN产品标准涉及镀镉轴承,SAE产品标准涉及单列调心轴承,分别满足了使用的需求。
在轴承材料方面,SAE产品标准中的含氮不锈轴承钢制轴承具有更好的硬度、耐蚀和无噪声性能。
在无载旋转启动力矩方面,与EN产品标准相比,SAE产品标准规定的无载旋转启动力矩较大,可见SAE轴承的旋转灵活性较差。
在轴承的静态承载能力方面,在载荷值和合格判定要求两方面都明显发现EN产品标准的轴承静态承载能力高于SAE产品标准的轴承。
在轴承的动态承载能力方面,SAE产品标准详细规定了轴承的动态承载能力,而EN产品标准未对轴承的动态承载能力作任何规定。
通过对国外航空机体球轴承标准体系和产品标准的对比分析,对于开展我国航空机体球轴承标准体系建设工作,确定产品的尺寸、材料、表面处理、润滑和机械性能等关键的技术参数,提高航空机体球轴承技术水平具有重要的参考价值。
(编辑:劳边)
V229+.2 ,V26-65
C
1003–6660(2014)01–0052–05
[收修订稿日期] 2013-10-10