陶瓷滚动体轴承在直升机传动系统中的应用
姚 灿
(海军装备部驻武汉地区军事代表局驻长沙地区军事代表室，湖南 株洲 412002)
滚动轴承是直升机传动系统的关键动部件之一，其性能的优劣直接影响和决定着直升机传动系统的旋转精度、寿命、极限转速、承载能力、耐温能力、稳定性、可靠性和动态性能等关键指标[1-3]。
直升机传动系统中不同位置轴承运行工况(转速、载荷及润滑条件等)差异较大，如：高速输入级位置的轴承转速高(达20900 r/min)；
离合器位置轴承工作时内、外圈相对转速为0(轴承内部难以形成润滑油膜)；
行星轮系位置轴承既有公转又有自转，同时需承受较大的离心载荷；
尾减桨距操纵杆位置轴承需要承受动态轴向操纵载荷，且齿轮飞溅带入轴承的滑油量少，轴承润滑条件苛刻；
尾传动轴支承轴承位于减速器外部，无法采用油润滑来带走轴承热量，只能采用脂润滑。另外，根据民机适航条例和军机要求，“减速器润滑系统故障或失效的情况下，须能在规定的状态安全运转30分钟以上”。直升机传动系统使用全钢制轴承存在一定的局限性，近年来出现了多起轴承问题引发的直升机传动系统故障。
陶瓷滚动体轴承由于在高温、高速、润滑差(脂润滑、贫油或者无油条件)和轻质(要求轴承质量轻)等工况条件下具有比全钢制轴承更加优越的性能[4]，已在直升机传动系统中得到应用。
1.1 陶瓷滚动体轴承的优点
陶瓷滚动体轴承具有以下优点：
1)陶瓷几乎不怕腐蚀，陶瓷滚动轴承适宜于在布满腐蚀性介质的恶劣条件下工作；
2)陶瓷滚动小球的密度低，重量轻，转动时对外圈的离心作用低，使用寿命大大延长；
3)陶瓷受热胀冷缩的影响小，在轴承的间隙一定时，可允许轴承在温差变化较剧烈的环境中工作；
4)陶瓷的弹性模量高，受力时不易变形，有利于提高工作速度，并达到较高的精度。
1.2 陶瓷滚动体轴承的缺点
陶瓷滚动体轴承具有以下缺点：
1)陶瓷脆性大，耐冲击能力低，易碎，且陶瓷加工能力低，因此加工困难；
2)陶瓷产品不易回收利用，因此成本较高。
美国先进旋翼机传动系统研究(ART)计划对陶瓷滚动体轴承进行了深入研究。西科斯基公司针对Pyrowear 53钢制角接触球轴承和Si3N4陶瓷球面滚动体轴承进行了扭矩、转速性能试验，250 h持久试验和断油试验。结果表明：在高速工况下，陶瓷滚动体与钢制套圈配合的工作性能优于钢制滚动体与钢制套圈；
陶瓷滚动体轴承的温度和振动水平低于钢制轴承；
陶瓷滚动体轴承产生的热量少，干运转时间长，改进其保持架后还可进一步提高其生存力。
波音公司对陶瓷滚动体轴承最润滑润滑流量进行试验研究表明，陶瓷滚动体轴承具有较好的润滑性能裕度，轴承摩擦损耗降低，疲劳寿命和抗腐蚀能力提高，滚动体离心力减小，高速轴承寿命显著提高。
FAG公司为了模拟陶瓷滚动体轴承在苛刻工况下的运行性能，利用碎屑摄入试验和预破坏套圈试验，对全钢轴承、二次淬硬钢轴承(内外圈、滚动体均为M50NiL材料)和混合陶瓷轴承(滚动体为Si3N4，内外圈为M50NiL材料)进行对比试验，所用碎屑为Al2O3颗粒(颗粒尺寸0.1～0.2 mm)。预破坏后的轴承外圈三维表面扫描见图1。碎屑摄入试验过程中监测滑油金属屑铁含量如图2所示。由图1可知，混合陶瓷轴承比全钢轴承更能抵抗碎屑污染，而二次淬硬全钢轴承也表现出很好的优异性。
图1 预破环后的轴承外圈三维表面扫描
图2 滑油金属屑监测- 铁含量的比较
SKF公司在AW169直升机传动系统的主减速器行星轮上进行了调心滚动体轴承研究。轴承的鼓形滚动体采用Si3N4陶瓷材料，外圈为与行星齿轮一体化结构。运转过程中离心力造成的附加应力减小，轴承重量降低约30%，润滑系统失效情况下可靠性比钢制轴承更高，大大提升了传动系统的可靠性和使用性能。
随着我国直升机传动技术的不断发展，陶瓷滚动体轴承逐渐应用于传动系统高速输入端、离合器、尾传动轴和尾减速器桨距操纵杆等部位。
3.1 直升机传动系统高速输入端的应用
直升机传动系统高速输入端轴承的工作特点为轴承转速高、发热量大，在润滑系统故障或失效情况下，轴承在规定的工况下运转30 min的难度非常大。而陶瓷滚动体轴承，更加有利于在高速、贫油或无油条件下工作。为了对比钢制轴承和陶瓷滚动体轴承的性能，进行了两种轴承的转速试验、润滑试验及断油试验(两组轴承类型和尺寸相同，滚动体材料分别为M50钢和Si3N4陶瓷)。对比试验结果(图3)表明，Si3N4陶瓷滚动体轴承相比钢制滚动体轴承，在高速工况下发热量明显减小；
对润滑的需求降低，当润滑失效时，Si3N4陶瓷滚动体轴承温升也显著降低，轴承干运转能力更强。
图3 高速输入级位置轴承对比试验趋势图
3.2 直升机传动系统离合器位置的应用
直升机传动系统离合器位置轴承外场使用时，绝大部分时间内外圈转速相同，即轴承内外圈相对转速为0。在振动载荷作用下滚动体与套圈接触处的油膜破裂，滚动体与内外圈滚道金属表面直接接触。接触区域附近发生微动磨损，轴承内外圈滚道表面会出现间隔的、与滚动体表面仿形的损伤压痕，即假布氏印痕。该现象逐步发展将导致轴承滚道表面材料出现剥落。为此进行了钢球轴承和陶瓷球对比试验验证，结果表明采用陶瓷滚动体可明显改善轴承的假布氏印痕现象。
3.3 直升机传动系统尾传动轴的应用
直升机传动系统通过尾传动轴将主减速器动力传输至尾减速器。其支承轴承通常为密封脂润滑结构，轴承失效主要原因为润滑脂泄漏失效，因此要求轴承在少量润滑脂情况下仍能保持正常工作，甚至在无润滑脂情况下具备较好的热稳定性。
为掌握密封脂润滑Si3N4陶瓷球轴承在漏脂条件下的性能变化趋势，开展了尾传动轴轴承在完全无润滑脂和少量润滑脂条件下的性能试验研究。试验结果表明尾传动轴处Si3N4陶瓷滚动体轴承在极少量润滑脂条件下仍能在许用温度内长时间运行，甚至能在无油脂条件下较长时间地运转。
3.4 直升机传动系统桨距操纵杆位置的应用
桨距操纵杆轴承安装于尾桨桨距操纵轴内，工作时需承受助力器操纵的动态轴向载荷。尾减速器采用飞溅润滑，滑油流经路径较长，因此该轴承润滑条件较差。为保证轴承的正常润滑和工作，桨距操纵杆的位置通常采用密封脂润滑轴承，但是减速器内部的油汽会进入轴承内部，润滑脂易被稀释流失，对轴承工作不利。因此，在该位置采用密封油脂润滑Si3N4陶瓷滚动体轴承，以减少轴承的润滑需求。Si3N4陶瓷滚动体轴承具有摩擦小、润滑需求少和发热低的特点，在桨距操纵杆位置是非常适用的。
陶瓷滚动体轴承与钢制轴承相比具有密度小、热稳定性好、高刚度、高硬度、表面粗糙度小、摩擦小、润滑需求低等优点，因此在国外先进直升机传动系统开始广泛应用。
目前陶瓷滚动体轴承在我国直升机传动系统应用的位置包括高速输入端、离合器位置、尾传动轴和桨距操纵杆。高速输入端陶瓷滚动体轴承发热量较小，干运转性能好；
离合器位置陶瓷滚动体轴承假布氏印痕明显改善，使用寿命更长；
尾传动轴陶瓷滚动体轴承在少量润滑脂状态仍能保持长时间正常运行；
桨距操纵杆轴承在润滑脂被滑油冲蚀后仍可继续正常工作。
虽然陶瓷滚动体轴承性能优异，但国内相关设计分析方法、加工制造及检测等工艺还不够成熟。设计方面还需对陶瓷滚动体轴承使用寿命预测理论和游隙分析方法开展进一步研究。在加工制造方面，国内基础理论研究欠缺，尚不具备产业化生产能力；
无损检测方面，需开发可靠高效的检测方法和仪器；
结构设计方面，需发展基于轴承接触力学性能、热学性能、摩擦学性能匹配以及轴承动力学性能等精细化设计技术[5]。随着这些技术的完善，陶瓷滚动体轴承将会在我国直升机传动系统中得到更广泛的应用。