航空关节轴承寿命试验机发展综述

胡占齐，李巍，杨育林，齐效文，刘长鑫

(燕山大学 关节轴承共性技术航空科技重点实验室，河北 秦皇岛 066004)

关节轴承是一种球面滑动轴承，具有承载力大、抗冲击性强的特点，在航空航天飞行器以及众多军事设备中有着广泛的应用[1-3]。关节轴承主要失效形式是磨损，使得轴承内、外圈间隙增大，引起轴承支承部位的振动，磨损严重时还可导致相关部件的失效。如某型号战斗机曾发生由于关节轴承磨损断裂导致操作系统失效的事故，严重影响了飞行器的安全[4-5]。

由于关节轴承摩擦学理论研究还不成熟，在关节轴承摩擦磨损性能分析、寿命计算公式拟合、额定动、静载荷确定等方面仅靠理论研究还无法解决，需要对关节轴承进行寿命试验。因此，作为评价关节轴承摩擦磨损性能的检测设备，关节轴承寿命试验机的研制是一项基础而又重要的工作。

下文对国内外典型的航空关节轴承寿命试验机进行评述，分析了轴承寿命试验机的组成系统，针对寿命试验机现有问题提出了改进方案，并在此基础上预测了试验机的发展趋势。

1 典型关节轴承寿命试验机

国内外已研制出一定数量的关节轴承寿命试验机，为关节轴承的性能评价与研制提供了重要的数据。由关节轴承运动形式可知，常规关节轴承是一个3自由度转动副，故常规关节轴承寿命试验机运动维数不超过三维，特殊直升机主旋翼系统关节轴承寿命试验机运动维数不超过四维。现以试验机运动维数为准则，将现有关节轴承寿命试验机分为一维运动寿命试验机、二维运动寿命试验机和多维模拟台架寿命试验机。针对每一类型选取典型的寿命试验机，对其加载方式、检测参数、环境模拟方式、性能特点进行评述。

1.1 一维运动寿命试验机

在试验芯轴的带动下，关节轴承内圈相对外圈绕z轴往复摆动，轴承运动形式如图1所示。

图1 轴承一维运动示意图

相对商业化的摩擦学试验机，关节轴承寿命试验机还处于发展阶段，主要以一维运动形式为主，典型的关节轴承一维运动寿命试验机特点见表1。

表1 典型关节轴承一维运动寿命试验机

续表

1.2 二维运动寿命试验机

轴承外圈相对内圈同时绕x轴和z轴往复摆动，轴承运动形式如图2所示。

图2 轴承二维运动示意图

1.3 多维模拟台架寿命试验机

多维模拟台架寿命试验机是在二维运动的基础上，试验芯轴相对轴承内圈沿z轴往复运动，轴承运动形式如图3所示。二维与多维模拟台架寿命试验机研究报道较少，其特点见表2。

图3 轴承多维运动示意图

表2 关节轴承二维与多维模拟台架寿命试验机

1.4 特点分析

由表1和表2可知，各试验机对动力系统的选取、系统参数的设定、检测参数的要求、环境模拟系统的配置都不相同。

1)大多数寿命试验机采用液压系统加载，能够施加较大载荷，可控性好、反应迅速；部分寿命试验机采用杠杆加载方式，加载稳定性高，不易产生振动。

2)大部分寿命试验机研制过程中没有考虑环境因素变化对检测精度的影响，如热变形、受力变形、振动、电磁干扰、陪试轴承磨损等因素；少数考虑了环境因素的影响，但对误差产生的原因、误差辨识以及误差补偿没有进行深入研究。

3)对检测数据可信度的研究不够，即试验数据是否真实反映轴承的摩擦磨损性能无法判断。

2 试验机组成

关节轴承寿命试验机由5大系统组成，即加载系统、摆动系统、环境模拟系统、检测与控制系统、轴承夹具系统。

2.1 加载系统

加载系统主要在试验过程中对轴承施加径向或轴向载荷，要求所加载荷稳定性好、调节范围宽、加卸载操作方便。目前常用的加载方法主要有液压装置加载[28]、杠杆装置加载[29]、螺纹装置加载[30-32]、气动装置加载[33-34]、电磁装置加载[35]和偏心机构加载[36]。

2.2 摆动系统

摆动系统是将动力源的单向转动转换成执行机构的双向摆动，摆动系统的选择对轴承寿命试验机可靠性和智能化有着至关重要的影响。目前典型的摆动系统有齿轮-齿条驱动机构、曲柄摇杆机构、液压摆动马达和直线往复转化装置。

2.3 环境模拟系统

环境模拟系统是借助环境箱或相关调温装置较真实的模拟关节轴承的工况，如真空环境[37]、高低温环境[27]、盐雾及沙尘环境[38]、污水及油脂环境[18]等。同时有相关摩擦学试验机[39-40]采用了局部加热的方式进行环境模拟，此技术减少了试验预热时间和加热能源的消耗。

2.4 检测与控制系统

检测系统是对寿命试验机执行参数或关节轴承摩擦学参数进行检测，例如试验机加载载荷、摆动角度、摆动频率及次数、关节轴承磨损量、摩擦力矩(摩擦因数)、摩擦温度等。检测数据的可信度直接影响关节轴承寿命及性能的评价。

2.5 轴承夹具系统

轴承夹具系统主要用于安放试验轴承，并将加载机构施加力传递到试验轴承上，同时通过试验芯轴带动关节轴承往复摆动。大部分关节轴承夹具系统中都装有滚动轴承，但在试验过程中滚动轴承也会有摩擦磨损和附加扭矩的产生，这对真实反映关节轴承摩擦磨损性能会产生影响。

3 试验机存在的问题

关节轴承寿命试验机的研制涉及机械、电气、控制、测量等多学科知识，虽然目前国内外已研制出一定数量的关节轴承寿命试验机，但其仍存在一些问题。

3.1 设计标准不完善，数据兼容性差

关节轴承寿命试验机多基于高校或科研单位需求自行研制生产，试验机的设计参数、关键部件结构、检测系统的精度与布置等不统一，导致相同试件在不同试验机上所得的试验结果兼容性差，给关节轴承寿命预测带来不确定性。

国内外已针对不同工况条件颁布了相应的关节轴承寿命试验标准，如美国标准MIL-B-81820《低速自调心自润滑关节轴承通用规范》、MIL-B-81819《高速自调心自润滑关节轴承通用规范》和中国标准GJB 5502—2005《低速摆动自润滑向心关节轴承规范》，标准中对关节轴承的检测方式、加载载荷、摆动频率、失效判据等作了详细的说明。因此，设计人员应参照试验标准制定试验机设计标准，同时重视各系统关键部件的选取与布置，强调并统一检测传感器的精度，从而提升不同试验机所得数据的兼容性，便于关节轴承摩擦磨损性能及寿命的分析与对比。

3.2 间接检测轴承各项性能参数

关节轴承相关试验数据(如摩擦温度、磨损量等)均采用间接方式采集，即检测传感器无法直接接触或者感应到轴承内部摩擦磨损的情况，只能通过相关途径进行间接的测量，对真实反映关节轴承摩擦磨损性能产生影响。

需要针对关节轴承的结构形式，改善检测方式，使传感器尽可能贴近关节轴承摩擦表面；同时深入研究关节轴承摩擦磨损机理，寻找能准确反映轴承内部摩擦特性并易于检测的参数，从而使测量更加可信、可靠。

3.3 在线检测抗干扰能力较差

大部分关节轴承寿命试验机采用在线检测方式，实时采集、记录关节轴承试验过程中的相关数据，但环境因素会对试验机检测精度产生影响，自身抗干扰能力较弱。

因此，可借鉴数控机床或三坐标测量仪的设计经验，融入误差分析、误差辨识、误差补偿等理论或技术手段，消除或减小环境因素所造成的误差，提升寿命试验机检测的可信度。目前针对关节轴承磨损量检测系统热变形和试验机传动系统径向波动干扰已有相关的补偿方法[41-43]。

3.4 检测数据可信度评价工作不足

由于各项环境因素的干扰，关节轴承试验数据是否能真实反映轴承的摩擦磨损性能无法准确判断，非常需要一种可在试验机全生命周期内对检测数据可信度进行评价的方法，对同一台寿命试验机误差补偿前后检测可信度进行对比和对不同寿命试验机检测精度进行比较。

3.5 多维模拟台架寿命试验机研制不足

多维运动试验是在一维运动寿命试验的基础上，使关节轴承运动更贴近于实际工况，其试验数据对于分析评价关节轴承寿命性能更具有说服力，但多维模拟台架寿命试验机的研制进步较慢。

3.6 环境模拟系统功能单一，设备体积大

目前的轴承寿命试验机环境模拟系统功能单一，不能综合模拟轴承实际的工况条件。环境模拟系统多采用体积庞大的环境箱，试验过程中需将轴承夹具和部分设备机体都置于环境箱内，造成试验轴承装卸不便，增加了能量消耗，延长了试验时间。

3.7 智能化程度不高

现有关节轴承寿命试验机只能做到试验数据在线检测与实时记录，不能对试验数据进行在线分析统计；对已记录的试验数据不能建立完善的数据库，不能对一系列关节轴承寿命与性能进行智能评价。

4 发展趋势

关节轴承寿命试验机的发展还较为落后，其作为关节轴承研发的重要支撑，仍有很大的发展空间。结合关节轴承寿命试验机现存的问题和先进测量仪器发展的趋势[44]，预测关节轴承寿命试验机的发展趋势如下。

4.1 检测可信度更高

更加重视检测误差的分析、加强环境因素的研究和着重考虑关节轴承寿命试验机关键部件的设计与选用。借鉴数控机床误差补偿技术，发展轴承寿命试验机在线误差补偿技术，对环境因素造成的误差进行分析、辨识、建模及补偿，寿命试验机检测精度更高，为更好地评价关节轴承性能提供支持。

4.2 建立检测可信度评价体系

结合关节轴承寿命试验机动态测量、小样本、工况复杂干扰多的特点，建立试验机检测可信度评价体系，能够对试验机检测数据可信度进行定量评价。

4.3 检测数据兼容性提高

参照标准规范试验机设计参数，统一关节轴承寿命试验机设计标准，重视所用传感器测量精度与可靠性，减少试验过程中的误差，使相同试件在不同试验机上所得试验数据具有可比性。

4.4 简易轴承寿命试验机和多维模拟台架寿命试验机共同发展

关节轴承摩擦学试验的2个主要任务是：摩擦磨损机理分析与寿命预测。摩擦磨损机理分析通常采用一维运动寿命试验机，在满足工况要求和试验精度的情况下，试验机结构应尽可能简单，关节轴承装卸更加便捷；轴承寿命预测应使试验条件接近于实际工况，重视多维模拟台架寿命试验机的研制，进一步完善关节轴承寿命试验机构形体系。

4.5 环境模拟更完善、结构更紧凑

环境模拟系统能充分考虑轴承服役的复杂工况，借鉴局部环境模拟技术(局部加热、冷却技术)，在满足环境要求的条件下，减少试验准备时间和能量消耗。

4.6 智能化程度更高，控制系统提升

关节轴承寿命试验机的智能化发展，能够对试验数据实时采集、记录的同时进行数据的统计分析，并建立相关轴承试验数据库，最终为评价关节轴承相关性能提供依据。进一步促进关节轴承寿命试验机专用控制系统的开发，提高控制系统在试验机中的通用性和开放性。

5 结束语

关节轴承寿命试验机已成为关节轴承研发过程中不可或缺的检测设备，现有的典型寿命试验机还存在设计标准不统一、在线检测数据可信度低、检测可信度评价体系不完善、多维运动模拟台架数量少、环境模拟系统功能单一、试验机智能化程度低等问题。仍需要从可信度、可靠性、智能化3方面同时提升轴承寿命试验机检测水平，进一步推动关节轴承研究与应用的发展。