飞机机轮轴承侧偏负荷冲击试验方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种飞机机轮轴承负荷冲击试验机，具体是一种模拟飞机机轮轴承在 飞机侧偏着陆瞬间承受侧偏负荷冲击工况的试验方法。
【背景技术】
[0002] 恶劣天气是影响飞机正常起降的重要原因之一。天气突变，微下冲气流的侵袭，以 及在复杂气象条件下的飞行、迫降等，都有可能使飞机遭遇到侧风，侧风和风切变一直是飞 机着陆安全的重要威胁因素，侧风着陆是其中一种最复杂和危险的飞行方式，不仅考验飞 行员的飞行经验和应变能力，更考验着飞机整个起落架的性能，而机轮轴承就是其中最重 要的部件之一，它关系到飞机的安全返航、持续作战能力和适应机场的能力。随着航空业的 发展，飞机起飞与着陆时速度及重量逐渐增加，起飞与着陆过程中的安全问题日益突出，对 机轮轴承的性能与可靠性要求也越来越高。
[0003] 机轮轴承不仅用来支撑机轮，引导机轮的旋转方向，减小转动过程中的摩擦，并承 受对机轮和轮轴之间的各种载荷。而且，轴承对飞机的工作性能、寿命、各项经济指标及可 靠性都有很大影响，甚至在某些情况下也会造成飞行安全事故。
[0004] 作为易损件的机轮轴承，因为机轮轴承未能正常工作的事故占一定的比例，因此 如何有效的提高飞机着陆时的安全性，提高飞机对各种载荷状况、跑道状况、气候条件的适 应能力，成为飞机机轮轴承的主要研究目标。
[0005] 大部分轴承的运动方式是外圈固定、内圈旋转。飞机机轮轴承有它独特之处，区别 于其他轴承最大的特点是外圈旋转、内圈固定的运动方式，以及它在使用过程中的工况。
[0006] 由于飞机采用的圆锥轴承的几何特点及设计特点，它可以承受径向和轴向的综合 载荷。外滚道与轴承中心线夹角越大，能承受的轴向推力和径向推力的比值越大，滚棒和滚 道的接触线越长，那么承受载荷的能力越强。飞机处于不同的工作状态，轴承的受力情况不 同。
[0007] 1、飞机处于静止状态，轴承主要承受静止载荷。飞机的重力产生的停机载荷P通 过轴承的滚棒传递给外滚道，即轮毂。P可沿轴向分解为轴向力N和垂直于外滚道的力F。
[0008] 2、飞机在地面滑行时，主要也承受垂直载荷。由于地面的不绝对平整，飞机的上下 震动的幅度大于飞机的重力。
[0009] 3、着陆时，机轮接地的瞬间首先主要受到巨大的静止垂直冲击载荷，继而机轮以 很高的加速度加速达到与飞机同样的速度在地面滑跑。如果飞机产生了重着陆，轴承在未 运转的状态下承受这种冲击载荷的危害是很大的。如果带侧滑接地，如侧风较大的时候，机 轮还要收到较大的侧向载荷，机轮受到侧向摩擦力时，由于惯性作用，飞机有向一侧倾斜的 趋势。因此作用在外侧轴承上的垂直载荷和侧向载荷要比内侧大。
[0010] 轴承常见的几种失效方式中，对飞机机轮轴承威胁最大的为机轮轴承在承受较大 的冲击载荷后，由于过载包括局部过载而使接触面发生塑性屈服，称为塑性变形失效。
[0011] 随着目前世界各国对大型运输机的需求越来越大，研制高转速重负荷的机轮轴承 也越来越迫切，人们也越来越认识到机轮轴承试验的重要性。轴承试验是轴承设计和制造 过程中一个不可或缺的重要验证过程，在轴承试验机上按照轴承的实际安装工况、实际运 行状态，即轴承的转速、轴向载荷、径向载荷以及环境温度、润滑状态等按照实际工况给定 进行运转，达到预定寿命或到轴承失效。
[0012] 根据机轮轴承在飞机侧偏着陆瞬间的受力工况，在飞机着陆时，飞机机轮触地到 机轮旋转至与飞机速度同等的线速度，这一速度上升沿历时小于200ms。如果轴承试验机需 模拟飞机着陆时机轮轴承的工况，这要求轴承试验机在200ms以内将机轮轴承速度驱动至 飞机着陆转速，同时载荷加载至额定载荷，并能模拟飞机着陆时对机轮轴承的冲击加速度。 巨大载荷的加载冲击，使得由机轮轴承的摩擦阻力带来的阻力矩非常大，如此苛刻的条件， 目前的科学技术不大可能利用电机或电主轴直接将机轮轴承在200ms以内驱动至如此高 的转速。
[0013] 现有技术方法中，在进行当量动载荷加载时，均为轴向载荷与径向载荷分别进行 加载。此类理论方法如应用在航空机轮轴承模拟试验中，原理上为将轴向力与径向力的合 力来模拟机轮轴承的侧偏受力工况。但对比分析飞机机轮轴承实际工况和此类试验方法， 发现在实现机轮轴承侧偏加载力时，如从轴向和径向分别加载形成合力来模拟侧偏力，这 使得两个机轮轴承的受力是平均的，且每个机轮轴承的受力幅面大并且受力均衡，尤其是 轴向加载使得机轮轴承在承受轴向力时，受力面积为其整个侧幅面，轴向力也均衡地分布 于其整个侧幅面，从而使得轴向力平均的施加于试验轴承内的每一个滚体上；可是，实际侧 偏的飞机机轮，由于机轮轮胎表面为圆弧形，负荷使机轮轮胎的侧面表面形成一个受力平 面，其力传导至机轮轴承，机轮内两套轴承受力不均，侧偏力偏向于侧偏方向的那套机轮轴 承，且每套轴承的受力幅面小而且并不均衡，轴承内每一个滚体的受力都不一样。
[0014] 国内外现有轴承试验机种类繁多，均未涉及冲击载荷的试验。目前国内探索飞机 着陆冲击工况的试验方法为起落架的落震试验，以整套起落架为代价，使用吊车悬挂至一 定高度进行自由落体的落震试验，得到相关冲击加速度等试验数据。此方法成本高，试验实 施难度大，只能勉强模拟冲击时的加速度且试验过程中机轮并未能转动，与飞机实际着陆 工况相差甚大，试验数据不可靠。
[0015] 随着现代飞机性能要求的不断提高，对飞机机轮的性能提出了更高的要求，机轮 应具有重量轻、承载能力大、寿命高，并能承受大的冲击载荷，因此，对机轮的选用轴承也提 出更高的要求。机轮轴承通过重载、冲击载荷和寿命试验结果，以供机轮选用已是必然趋 势。
[0016] 综上所述，国内专门针对飞机机轮轴承的模拟试验方法可以说仍是片薄弱区域， 尤其是在模拟飞机高速重负荷的侧偏冲击试验领域上。此时对机轮轴承在飞机侧偏着陆 瞬间的工况数据的探索迫在眉睫，推出针对航空机轮轴承工况相符的模拟试验方法势在必 行。
【发明内容】
[0017] 为克服现有技术中存在的飞机实际着陆工况相差甚大，试验数据不可靠的不足， 本发明提出了一种飞机机轮轴承侧偏负荷冲击试验方法。
[0018] 本发明的具体过程是：
[0019] 步骤1，确定U型加载头的侧偏角度α:所述侧偏角度为飞机的侧偏角。所述的侧 偏角α为0~20°。将U型加载头在活动板下端导轨内调整偏移角度，使其与垂直方向的 夹角从0°调整至8°，并利用导轨两端面的螺栓压紧。
[0020] 步骤2,测量并记录试验前轴承游隙，安装试验轴承：试验轴承一组两套对称安装 在压轮内，试验轴承的外圈固定在钢圈内，内圈安装在加载轴上。加载轴两端通过轴套安装 在加载头的加载臂上。在完成安装后的各轴承内圈表面粘贴热电偶，并将该热电偶与数据 采集器通过导线连接。
[0021] 步骤3,载荷传感器调零：通过加载系统使安装在该活动板下方的压轮处于悬空 状态；调整载荷传感器至零位。所述载荷传感器调零是通过控制加载油缸伸缩杆的伸出长 度，提升活动板的高度，使安装在该活动板下方的压轮处于悬空状态。
[0022] 步骤4,调整试验机至冲击加载的状态：控制加载油缸推动加载活动板沿立柱以 lmm/s的速度向下移动；通过加载活动板调整安装在加载头上的压轮的位置，使该压轮的 圆周表面与静止的鼓轮4的圆周表面保持间隙量，并通过调整该间隙量实现调整冲击加速 度和冲击载荷峰值。
[0023] 步骤5,侧偏负荷冲击载荷试验：
[0024] 第一步：确定加载试验的参数。所述的加载试验参数包括：油缸输出的工作压力、 试验轴承的试验载荷、压轮的线速度和鼓轮的线速度。
[0025] 确定所述加载试验的参数时：
[0026]I确定缸输出的工作压力P:
[0027] 油缸输出的工作压力P通过公式（1)确定：
[0028]
⑴
[0029] 式中：D是液压缸内径，单位为m;F是液压缸推力，单位为N;P是工作压力，单位为 MPa〇
[0030]II确定试验轴承的试验载荷：
[0031] 所述试验轴承的试验载荷包括试验轴承的径向载荷^和试验轴承的轴向载荷 F。，其中：
[0032] 试验轴承的径向载荷^通过公式（2)确定：
[0033]Fr=FXcosα(2)
[0034] 试验轴承的轴向载荷Fa通过公式（3)确定：
[0035]Fa =FXsina(3)
[0036]III确定压轮的线速度与鼓轮的线速度：
[0037] 根据压轮的线速度与鼓轮的线速度相同的原理，得到公式（4):
[0038] 压轮直径XπX试验轴承的最高工作转速=鼓轮直径XπX鼓轮转速（4)
[0039] 通过所述公式（4)确定鼓轮的转速。
[0040] 由于压轮与试验轴承两者同轴同步转动，故压轮的转速与试验轴承的转速相同。 三相交流变频调速异步电机的转速与鼓轮的转速相同。
[0041] 第二步：当所述各试验参数确定后，对试验轴承进行侧偏冲击载荷和转速谱加载 试验。试验中：
[0042]启动三相交流变频