飞机机轮轴承静态载荷模拟试验方法
【专利摘要】一种飞机机轮轴承静态载荷模拟试验方法，所使用的试验机包括拖动系统和加载系统组成，通过拖动系统使试验轴承按规定的转速旋转，加载系统为试验轴承提供试验载荷，保证试验轴承按规定的载荷试验，模拟飞机在起飞、高速滑行、着陆时冲击瞬间、侧偏着陆以及停止过程中机轮轴承受力工况、试验条件等使用工况状态，全面地反映机轮轴承的工况，以对其强度、寿命进行准确的评估，能模拟飞机载荷实际施加在机轮轴承的载荷力分布和飞机侧偏停机时机轮轴承侧偏受力工况，能够有效、可靠的激发出故障。为研究更高转速、更重负荷的航空机轮轴承提供可信的试验依据，缩短了研制周期。
【专利说明】飞机机轮轴承静态载荷模拟试验方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种飞机机轮轴承负荷试验机，具体是一种模拟飞机机轮轴承在飞机 静止状态时承受负荷工况的试验方法。
【背景技术】
[0002] 随着飞机的发展，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，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。
[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] 目前国内外轴承试验机种类繁多，可均为铁路用轴承、风电轴承和机床轴承等轴 承试验机，结构上大体为使用电主轴带动安装在轴承座内的试验轴承的内圈旋转，如中国 专利CN201210103079公开的高速轴承试验机，轴承轴向的另一侧利用轴向加载装置实现 轴向载荷加载，轴承径向一侧利用径向加载装置实现径向载荷加载。
[0013] 试验机的工作方式决定了被测件的试验方法，因此，现有技术中的轴承试验方法 均大同小异，其方法及原理如用于航空机轮轴承试验，就显得力不从心了。
[0014] 其一，在驱动轴承旋转方面，现有技术方法中所应用的试验机使用电主轴带动旋 转的是轴承的内圈，这有悖于航空机轮轴承外圈旋转的旋转方式，因而此类试验机原理上 无法模拟航空机轮的实际使用工况。目前国内也有"外圈旋转内圈固定"的滚动轴承模拟 试验方法，如中国专利CN201010254885中公开的外圈旋转内圈固定的滚动轴承模拟试验 方法，此类方法为将电机通过联轴器与试验轴承的外圈连接。该方法存在诸多缺陷，比如， 驱动电机直接带动外圈同步旋转，如需进行轴向加载，轴向施加力通过试验轴承外圈直接 作用在电机转子，而电机转子不可能承受上百千牛的轴向推力，因此此类方法不能实现轴 向加载。
[0015] 其二，现有技术试验机加载装置的加载载荷值受限，远达不到目前机轮轴承的高 负荷试验要求。现有技术典型的轴承试验机，其驱动轴承旋转的方式为使用电主轴直接带 动安装在轴承座内的试验轴承的内圈同步旋转，如需进行轴向加载，轴向力最终作用在电 主轴的转子上，而电主轴的转子不可能承受上百千牛的轴向推力，因此限制了此类型的轴 承试验机的轴向加载载荷。
[0016] 其三，现有技术典型的试验机以电机驱动主轴来直接驱动轴承内圈的方式，使得 对轴承内圈的径向、轴向的偏移量要求很高，一旦偏移量过大，高速旋转带来的离心不平衡 就会威胁到整个试验机，因此此类试验机加载能力有限，高速和重负荷不可兼得。这就导致 了此类试验机使用局限性，进而导致现有试验方法只能分别完成机轮轴承的载荷试验或转 速试验，却无法完成机轮轴承的模拟试验来模拟机轮轴承实际使用工况。
[0017] 其四，现有技术的各类轴承试验机，在试验时均需要相应的陪试轴承，陪试轴承与 试验轴承冋步、冋轴转动，且承受试验轴承径向、轴向载荷的反作用力。因此，试验机在试验 高速轴承时，需要能承受更高转速的陪试轴承；试验高负荷的轴承时，需要能承受更高负荷 的陪试轴承；进行轴承寿命试验时，每试验一次，需要达上一对寿命更长的陪试轴承。一方 面这使得试验机的极限功能受限于陪试轴承，如需研制更高性能的轴承则不可行。另一方 面，额外增加的一对陪试轴承，以及旋转的主轴，都和试验轴承处于一个工装内，在旋转时 都是发热体，摩擦力导致整体温度急剧增高，使得试验对加载载荷的测量、轴承温度的测量 误差增大，且大大降低了试验机的安全系数，容易因轴承的软化导致安全事故。这现有试验 方法的可实施性受限，也降低其试验数据的可信度。
[0018] 其五，现有技术方法中，在进行当量静载荷加载时，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。
[0019] 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。
[0020] 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， 此时对机轮轴承在飞机静止时工作状态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】
[0021] 为克服现有技术中存在的不能模拟飞机侧偏停机时机轮轴承侧偏受力工况，不能 有效、可靠的激发出故障的，本发明提出了一种飞机机轮轴承静态载荷模拟试验方法。
[0022] 本发明通过轴承试验机的加载装置进行所述的飞机机轮轴承静态载荷模拟试验。 所述的轴承试验机的加载装置包括液压缸、固定板、载荷传感器、立柱、活动板、橡胶轮、力口 载头、加载轴、制动器和制动盘；加载装置通过立柱固定在地基板的上表面；固定板固定在 立柱顶端端面上；液压缸安装在所述固定板上表面的几何中心，并使该液压缸的伸缩杆穿 过固定板后位于该固定板的下表面与活动板上表面之间；所述活动板水平安装在所述立柱 的中部，并以立柱为导轨上下移动；所述活动板上表面几何中心安装有载荷传感器；所述 活动板下表面有导轨槽，加载头的加载基板安装在该导轨槽内；在液压缸的伸缩杆的端面 与活动板之间固定安装载荷传感器；加载轴的两端分别固定在加载头的两个加载臂上；试 验轴承安装在加载轴的中部；橡胶轮套装在所述试验轴承的外圈上；制动盘套装在加载轴 上，并且该制动盘上的法兰与橡胶轮的一个端面固定连接；所述制动盘的制动碟片位于制 动器的制动夹片中；所述制动器的上端固定在加载头内加载基板的下表面。
[0023] 本发明的具体步骤是：
[0024] 步骤1 :静态加载试验，模拟飞机静止时重负荷状态。所述静态加载试验的内容包 括试验轴承在额定载荷下有无裂纹和变形；所述静态加载试验中，在机轮屈服载荷下，机轮 轴承外环不允许松动。所述的机轮屈服载荷为机轮的最大载荷；具体过程是：
[0025] 第一步：安装试验轴承。
[0026] 第二步：载荷传感器调零。通过提升活动板的高度，使安装在该活动板下方的橡胶 轮处于悬空状态；调整载荷传感器至零位。
[0027] 第三步：调整试验机至加载的临界状态。通过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橡胶轮的位置，使该橡胶 轮的圆周表面与静止的鼓轮的圆周表面接触。
[0028] 第四步：静载荷加载试验。
[0029] 首先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和试验 轴承的最大试验载荷。
[0030] 当所述各试验参数确定后，对试验轴承进行加载。加载中：
[0031] 通过加大加载油缸进口处的油压，使油缸输出的工作压力在0?6s内线性增加至 13. 8MPa，通过鼓轮向轴承施加径向载荷；所述作用在试验轴承的试验载荷在0?6s内线性 加载至850KN。当作用在试验轴承的试验载荷达到850KN时，保持该载荷20s。当保持该载 荷20s后，通过减小加载油缸进口处的油压，使油缸输出的工作压力在0?6s内线性减小 至OMPa，使作用在试验轴承的试验载荷在0?6s内线性卸载至0KN。
[0032] 加载试验过程中，若发生由试验轴承断裂或外环松动引起的振动、噪声异常现象， 则直接卸载，并进行第五步试验。
[0033] 第五步：卸载后向上移动加载头使得橡胶轮离开鼓轮。拆卸试验轴承并采用常规 方法检测该轴承的有无裂纹及变形。若试验轴承有裂纹及变形，试验结束；反之进行步骤 2〇
[0034] 步骤2,静态侧偏加载试验：所述静态侧偏加载试验是模拟飞机静止时侧偏重负 荷状态下轴承在额定载荷下有无裂纹、变形。在机轮屈服载荷下，机轮轴承外环不允许松 动。所述的机轮屈服载荷为机轮的最大载荷。
[0035] 试验过程如下：
[0036] 第一步：确定U型加载头的侧偏角度a。所述侧偏角度为飞机的侧偏角。所述的 侧偏角a为〇?20°，并调整U型加载头在活动板下端导轨内与垂直方向的夹角，以模拟 飞机的侧偏角。
[0037] 第二步：安装试验轴承。
[0038] 第三步：载荷传感器调零。按照步骤1第二步的方法将载荷传感器调零。
[0039] 第四步：调整试验机至加载的临界状态。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橡胶轮的位置，使该橡胶 轮的圆周表面与静止的鼓轮的圆周表面接触。
[0040] 第五步：静载荷侧偏加载试验。
[0041] 首先确定侧偏加载试验的参数。所述的加载试验参数包括：油缸输出的工作压力、 试验轴承的最大试验载荷、试验轴承径向载荷和轴向载荷。
[0042] 当所述各试验参数确定后，对试验轴承进行加载。加载中：
[0043] 通过加大加载油缸进口处的油压，使油缸输出的工作压力在0?6s内线性增加至 13. 8MPa，通过鼓轮向轴承施加径向载荷；所述作用在试验轴承的试验载荷在0?6s内线性 加载至850KN。当作用在试验轴承的试验载荷达到850KN时，保持该载荷20s。当保持该载 荷20s后，通过减小加载油缸进口处的油压，使油缸输出的工作压力在0?6s内线性减小 至OMPa，使作用在试验轴承的试验载荷在0?6s内线性卸载至0KN。
[0044] 加载试验过程中，若发生由试验轴承断裂或外环松动等原因引起的振动、噪声异 常现象，则直接卸载，并进行第六步试验。
[0045] 第六步：卸载后向上移动加载头使得橡胶轮离开鼓轮。拆卸试验轴承并采用常规 方法检测该轴承的有无裂纹及变形。
[0046] 所述静载荷加载试验和静态侧偏加载试验时，油缸的输出的工作压力P均通过公 式⑴确定：
【权利要求】
1. 一种飞机机轮轴承静态载荷模拟试验方法，通过轴承试验机的加载装置进行所述的 飞机机轮轴承静态载荷模拟试验；所述的轴承试验机的加载装置包括液压缸、固定板、载荷 传感器、立柱、活动板、橡胶轮、加载头、加载轴、制动器和制动盘；加载装置通过立柱固定在 地基板的上表面；固定板固定在立柱顶端端面上；液压缸安装在所述固定板上表面的几何 中心，并使该液压缸的伸缩杆穿过固定板后位于该固定板的下表面与活动板上表面之间； 所述活动板水平安装在所述立柱的中部，并以立柱为导轨上下移动；所述活动板上表面几 何中心安装有载荷传感器；所述活动板下表面有导轨槽，加载头的加载基板安装在该导轨 槽内；在液压缸的伸缩杆的端面与活动板之间固定安装载荷传感器；加载轴的两端分别固 定在加载头的两个加载臂上；试验轴承安装在加载轴的中部；橡胶轮套装在所述试验轴承 的外圈上；制动盘套装在加载轴上，并且该制动盘上的法兰与橡胶轮的一个端面固定连接； 所述制动盘的制动碟片位于制动器的制动夹片中；所述制动器的上端固定在加载头内加载 基板的下表面； 其特征在于，飞机机轮轴承静态载荷模拟试验的步骤是： 步骤1:静态加载试验，模拟飞机静止时重负荷状态；所述静态加载试验的内容包括试 验轴承在额定载荷下有无裂纹和变形；所述静态加载试验中，在机轮屈服载荷下，机轮轴承 外环不允许松动；所述的机轮屈服载荷为机轮的最大载荷；具体过程是： 第一步：安装试验轴承； 第二步：载荷传感器调零；通过提升活动板的高度，使安装在该活动板下方的橡胶轮 处于悬空状态；调整载荷传感器至零位； 第三步：调整试验机至加载的临界状态；通过加载油缸推动加载活动板沿立柱以Imm/ 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橡胶轮的位置，使该橡胶轮的 圆周表面与静止的鼓轮的圆周表面接触； 第四步：静载荷加载试验； 首先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和试验轴承 的最大试验载荷； 当所述各试验参数确定后，对试验轴承进行加载；加载中： 通过加大加载油缸进口处的油压，使油缸输出的工作压力在O?6s内线性增加至 8. 89MPa，通过鼓轮向轴承施加径向载荷；所述作用在试验轴承的试验载荷在O?6s内线性 加载至850KN ;当作用在试验轴承的试验载荷达到850KN时，保持该载荷20s ;当保持该载 荷20s后，通过减小加载油缸进口处的油压，使油缸输出的工作压力在0?6s内线性减小 至OMPa，使作用在试验轴承的试验载荷在0?6s内线性卸载至OKN ; 加载试验过程中，若发生由试验轴承断裂或外环松动引起的振动、噪声异常现象，则直 接卸载，并进行第五步试验； 第五步：卸载后向上移动加载头使得橡胶轮离开鼓轮；拆卸试验轴承并采用常规方法 检测该轴承的有无裂纹及变形；若试验轴承有裂纹及变形，试验结束；反之进行步骤2 ; 步骤2,静态侧偏加载试验：所述静态侧偏加载试验是模拟飞机静止时侧偏重负荷状 态下轴承在额定载荷下有无裂纹、变形；在机轮屈服载荷下，机轮轴承外环不允许松动；所 述的机轮屈服载荷为机轮的最大载荷； 试验过程如下： 第一步：确定U型加载头的侧偏角度a ;所述侧偏角度为飞机的侧偏角；所述的侧偏 角a为O?20°，并调整U型加载头在活动板下端导轨内与垂直方向的夹角，以模拟飞机 的侧偏角； 第二步：安装试验轴承； 第三步：载荷传感器调零；按照步骤1第二步的方法将载荷传感器调零； 第四步：调整试验机至加载的临界状态；控制加载油缸推动加载活动板沿立柱以Imm/ 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橡胶轮的位置，使该橡胶轮的 圆周表面与静止的鼓轮的圆周表面接触； 第五步：静载荷侧偏加载试验； 首先确定侧偏加载试验的参数；所述的加载试验参数包括：油缸输出的工作压力、试 验轴承的最大试验载荷、试验轴承径向载荷和轴向载荷； 当所述各试验参数确定后，对试验轴承进行加载；加载中： 通过加大加载油缸进口处的油压，使油缸输出的工作压力在0?6s内线性增加至 8. 89MPa，通过鼓轮向轴承施加径向载荷；所述作用在试验轴承的试验载荷在0?6s内线性 加载至850KN ;当作用在试验轴承的试验载荷达到850KN时，保持该载荷20s ;当保持该载 荷20s后，通过减小加载油缸进口处的油压，使油缸输出的工作压力在0?6s内线性减小 至OMPa，使作用在试验轴承的试验载荷在0?6s内线性卸载至OKN ; 加载试验过程中，若发生由试验轴承断裂或外环松动等原因引起的振动、噪声异常现 象，则直接卸载，并进行第六步试验； 第六步：卸载后向上移动加载头使得橡胶轮离开鼓轮；拆卸试验轴承并采用常规方法 检测该轴承的有无裂纹及变形。
2. 如权利要求1所述飞机机轮轴承静态载荷模拟试验方法，其特征在于，静载荷加载 试验和静态侧偏加载试验时，油缸的输出的工作压力P均通过公式（1)确定：
式中：D为液压缸内径，单位为m ;F为液压缸推力，单位为N ;P为工作压力，单位为MPa。
3. 如权利要求1所述飞机机轮轴承静态载荷模拟试验方法，其特征在于，所述试验轴 承的最大试验载荷为该试验轴承的屈服载荷。
4. 如权利要求1所述飞机机轮轴承静态载荷模拟试验方法，其特征在于，静态侧偏加 载试验时,试验轴承的径向载荷^通过公式（2)确定， Fr = FXcos a (2) 试验轴承的轴向载荷Fa通过公式（3)确定： Fa=FX sin a ⑶。
【文档编号】G01M13/04GK104344955SQ201410593872
【公开日】2015年2月11日 申请日期:2014年10月29日 优先权日:2014年10月29日
【发明者】邓伟林, 习鹤, 张炜, 肖继平 申请人:西安航空制动科技有限公司