航空重载关节轴承性能分析

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【摘 要】航空重载自关节轴承是飞机前起落架收放系统中的关键部件之一，本文针对自关节轴承在前起落架收放系统中的应用进行研究，分析关节轴承自身的受力特性，结合有限元软件Abaqus，计算出关节轴承工作表面的应力分布。研究表明，该关节轴承受载性能良好，负载下性能良好，满足前起落架收放性能要求。

【关键词】关节轴承；受力特性；有限元分析

0 引言

本文研究的航空重载关节轴承应用于某型飞机前起落架收放系统中的撑杆作动筒一端。关节轴承内外圈为球面接触，对于接触问题，利用解析方法求解应力分布及变形情况具有一定的困难。赫兹提出了经典的赫兹接触理论用于研究两物体因受压接触后产生的局部应力和应变分布规律。赫兹接触基于弹性半空间的假设，而关节轴承的内外圈接触压力分布在一个较大的区域上，已无法满足赫兹接触的基本假设，因此无法简单的用赫兹接触公式计算接触应力分布。杨咸启[1]等用有限元的方法计算了轴承中的接触载荷分布规律及应力状态。Michele Ciavarella和Paolo Decuzzi等改进了Persson理论，提出了较为实用的解析方法用来解决协调接触问题[2]。此外，对于关节轴承摩擦性能的研究主要用试验的方法进行。国内已相继研制出不同的试验机。1997年上海轴承技术研究所洪富越[3]等研制了大中型关节轴承磨损寿命试验机。2003年南京航空航天大学向定汉[4]等研制了NH100型重载关节轴承摩擦试验机，该试验机可提供较大的载荷。本文结合以上的研究成果，针对关节轴承在收放过程中的受载形式，分析了其受力状况。利用有限元分析软件Abaqus对关节轴承内外圈应力分布及最大位移进行了计算。

1 关节轴承受载分析及应力计算

1.1 P节轴承工程估算

关节轴承在起落架收放过程中主要承受径向载荷，轴向载荷较小，因此本文主要分析其径向受载时的力学性能。刘正明[5]等对向心自关节轴承进行了受力分析确定了当量载荷，在径向载荷作用下，最大压应力Pr与平均压应力Ps的关系：

式中，Pr为关节轴承最大压应力；Ps为关节轴承平均压应力；Fr为关节轴承径向载荷；R为关节轴承弧面半径。

根据前起落架收放的实际工况，自关节轴承的最大径向载荷为65809.40N，将该值代入计算，得出径向载荷作用在接触面上平均压应力为58.16MPa，最大压应力为76.30MPa。

1.2 有限元计算

利用现有的有限元软件Abaqus可较为方便的计算出静态径向载荷作用下关节轴承的应力分布，从而有利于判断关节轴承的危险点以及是否会发生破坏。关节轴承安装于耳环螺栓内，实际受载时，通过芯轴将载荷传递至关节轴承上。有限元建模时，除关节轴承外，保留耳环螺栓及芯轴模型。为减小计算量，将耳环螺栓及芯轴处理成刚性体，不参与计算。分析计算时，将芯轴两端固定，耳环螺栓端部施加载荷。芯轴与关节轴承内圈、关节轴承内外圈之间定义摩擦。

2 小结

本文通过对某型飞机前起落架收放系统上的关节轴承进行研究，分析其受力特性及应力分布情况。分析结果表明，该关节轴承符合强度要求，其性能满足起落架正常工作要求。

【参考文献】

[1]杨咸启，姜韶峰.关节轴承额定静负荷计算[J].轴承，1993（1）：9-15.

[2]Michele Ciavarella， Paolo Decuzzi. The State of Stress Induced by the Plane Frictionless Cylindrical Contact I. The Case of Elastic Similarity[J].Solids and Structures，2001（38）：4507-4523.

[3]洪富越，蒋志雄，等.大中型关节轴承磨损寿命试验机[J].轴承，1997（12）：31-34.

[4]向定汉，潘青林，骆心仪.PTFE编织复合材料重载关节轴承的旋转摩擦特性[J].复合材料学报，2003，20（6）：125-129.

[5]刘正明，王子明.向心自关节轴承受力分析及当量载荷的确定.水利发电，2004，30（5）：34-36.