旋转弯曲疲劳试验中调心轴承对导管附加载荷的影响

何建冬 王永健 包惠莉 徐淑赢

【关键词】航空导管；轴承；附加载荷；应变分析；旋转弯曲疲劳试验机

如果把发动机比作飞机的心脏，那么管路就像是飞机的血管，其可靠性直接影响飞行安全[1]。因此，检验管件的可靠性显得尤为重要。目前，应用疲劳试验机进行疲劳试验是最准确的检测方法。疲劳试验机能够进行零部件或材料构件的疲劳寿命、断裂韧性等性能测试，为产品的实际使用寿命和安全性能提供保障[2]。

近年来，我国针对航空导管领域的疲劳试验机进行了大量的研究与改良。上海仪器仪表自控系统检验测试所周迪锋[3]为保障卡套式管接头的密封性，研制了专用于卡套的旋转弯曲试验装置。沈阳航空航天大学舒送等[4]为测验出航空导管无扩口连接处的疲劳寿命，研制了航空导管旋转弯曲疲劳试验机。朴小东[5]通过改良旋转弯曲疲劳试验机中尾座调整机构、偏移盘等结构，实现降低振动对试验的影响，提高了工作效率。刘国庆[6]以电磁感应方式制造高温环境，满足飞机液压系统在高温环境下导管疲劳试验要求。这些研究表明：疲劳试验机为了满足试验的高精度与高要求，正在不断进行研发与改良。

本文针对疲劳试验机中调心轴承向心运动的特点，根据其不同规格惯性不同而导致旋转时轴承与管件堵头不同步，进而产生附加载荷作用的问题进行分析，研究调心轴承规格因素对导管组件附加载荷的影响，经过数据分析得出影响规律，并确定适合试验的轴承规格，为实际试验提供参考。

1 试验装置及影响分析

1.1 旋转弯曲疲劳试验装置

根据HB 6442—1990《液压导管及连接件弯管曲疲劳试验》，旋转弯曲疲劳试验设备应类似于图1 所示。试验设备的尾座应设计成装配后能调整轴线位置；旋转头座应具有一套低摩擦自动调心轴承，并设计成能使试件最大偏移25 mm，能在1500～3600 r/min 范围内的某一速度恒速转动；设备的基座应采用刚性材料制成[7]。

1.2 影响分析

进行旋转弯曲疲劳试验时，在偏移盘的偏心旋转作用下，导管组件绕中心轴公转，轴承内圈与管件堵头配合满足自动调心。当调心轴承的规格不同时，轴承内圈体积、质量会有所不同，而使其在旋转过程中产生的惯性不同。所以，当导管组件在偏移盘控制下以一定挠度恒速公转时，轴承内圈会因质量、惯性不同而出现滞后现象，此时导管堵头会对轴承内圈产生力的作用并与其发生相对滑动，进而轴承内圈的滞后将会对导管组件产生附加载荷作用。

同时在偏载的作用下，轴承内部会因外载荷等因素而产生摩擦力矩作用在导管组件上，也会对其产生附加载荷的影响作用。著名A.Palmgren的轴承摩擦力矩经验公式为：式中：M1为外载荷引起的摩擦力矩；Mv为润滑剂引起的摩擦力矩；Mf为非滚道上的摩擦力矩。

综上所述，在轴承调心运动过程中，轴承内圈滞后问题会直接对导管组件产生影响，也会间接影响轴承内部摩擦力矩进而反过来影响导管组件。调心轴承规格选取不当、轴承内圈滞后程度不同，以至于产生的附加载荷影响不同，对管件疲劳损伤、检测结果影响也就不同。所以，明确最优的轴承规格尤为重要。本文建立符合实际试验的模型，选用不同规格的轴承进行模拟，为实际提供参考。

2 有限元模型的建立

2.1 模型的简化

在疲劳试验中，导管与堵头由外套螺母进行固定连接，导管根部固定在尾座上，堵头端进行偏移加载。所以在模拟时，对导管与堵头连接处施加绑定约束，对导管根部设定完全固定，对堵头控制点设置边界条件。如此可以将偏移系统、外套螺母和尾座结构进行省略，减少不必要的接触影响计算效率。

2.2 材料参数

以管径为6 mm、厚度为0.5 mm的导管作为模拟试验对象。根据HB 6442—1990 可得，导管根部考核端理论应变值为1339，确定模拟转速范围为1500～2000 r/min。根据QJ 223—1977 堵头尺寸要求与导管管径标准，选取2203～2207 型号范围的调心轴承进行模拟参考。具体材料参数如表1 所示。

2.3 边界条件与摩擦接触的确定

模拟时，对轴承设置耦合约束并给定偏移量，讓其沿管件径向运动。对堵头施加MPC约束，对轴承与外部控制点建立连接器，使堵头绕轴向公转、轴承绕轴向公转且自转。各模型之间除轴承规格不同，其余边界条件设置皆一致。根据文献[8]摩擦接触采用罚函数法，模拟润滑条件下，1Cr18Ni9Ti 不锈钢堵头与GCr15 轴承内圈之间的摩擦系数采用0.04，1Cr18Ni9Ti不锈钢堵头与自润滑25-6-3-3 黄铜套间摩擦参数采用0.03。

3 有限元模拟结果分析

在施加偏载过程中，轴承规格虽不同但导管规格一致，挠度值相同，所以各规格轴承作用下的导管根部考核端的最大应变值相同，如图2 所示，施加偏载后静态偏载为1339。

通过控制模拟时的单一变量，对多规格轴承进行多种频率的弯曲旋转模拟。各种状态下的最大应变值如表2 所示。

由表2 中数据可以看出，加载后应变值在理论值的范围内，说明模拟中加载可靠。与加偏载状态下的应变值相比，导管额外受到的应变值即为附加载荷的作用值。可以看到在附加载荷的作用下，各状态下的最大弯曲应变值要偏离理想状态（静态偏载值）许多。

在固定高频率运转情况下，导管所受的载荷受轴承规格因素影响，且轴承规格与附加载荷大小成正比。并且2203 轴承与2204 轴承应变值变化较平缓，静态加载到动态调试再到最终的高频旋转，二者的最大附加应变值仅为静载荷的3.7%，在ISO 7257—2016 允许的静载荷5%波动范围内。而2204 规格以上附加载荷最高达到了10%以上，说明高频率工作状态下，2204 规格及以下轴承更适用于实际试验，而2204 规格以上轴承，因附加载荷影响较大并不符合。

4 结论

本文通过有限元模拟分析，研究了旋转弯曲疲劳试验机调心轴承对导管附加载荷的影响。得出结论为：

1）高频率工作状态下，轴承规格与附加载荷大小成正比，2204 规格以上轴承对导管附加载荷影响较大，会加快导管疲劳，影响试验准确性，不适用于实际试验中；

2）高频率工作状态下，2204 规格及以下轴承对导管附加载荷影响较小，且在5%的允许范围内，适用于实际试验中；

3）由导管规格与堵头尺寸可得，2204 轴承通用性更广，所以结合实际成本与试验效率综合考虑，2204 调心轴承最适用于实际高频率的旋转弯曲疲劳试验中，可为实际试验提供参考。