大飞机机体轴承现状需求解决方案及建议

　　摘　要：国外飞机机体轴承，产品标准规定了轴承的外形尺寸及公差、轴承的材料、游隙、热表处理和性能数据等，按产品标准可以进行产品的生产。国内飞机机体轴承没有产品标准，借用民用轴承的产品标准，而国内的民用轴承，外形尺寸有标准、公差有标准、游隙有标准、材料和热表处理等有标准…，只有把这些标准结合起来，才能进行产品的生产，严格讲，国内的民用轴承，也没有产品标准。国外飞机机体轴承技术规范规定了轴承的合格鉴定检验的项目及原理，而国内飞机机体轴承技术规范，只对民用轴承外形尺寸、公差、游隙、材料、热表处理等相关标准根据飞机机体的一些特殊要求进行了补充，没有针对不同的轴承类型制订不同的技术规范，未涉及轴承性能检验的内容，舍本逐末。针对目前大飞机的需求，国内军工定点的轴承厂所的生产和研发能力差强人意，杆端轴承、大规格关节轴承等不具备生产能力，自润滑关节轴承自润滑材料和加工工艺尚不过关，襟翼和缝翼滑轨滑轮架使用的滚轮轴承，从未进行过研究。对于目前国内飞机机体轴承的标准及生产现状，从大飞机的研制出发，提出组建临时轴承研发队伍和两手准备内外并举等解决方案，并对后续轴承标准发展和应用技术培训提出建议。
　　关键词：飞机机体轴承；产品标准；技术规范；关节轴承；自润滑关节轴承；滚轮轴承；杆端轴承
　　1　飞机机体轴承
　　飞机机体轴承是指在飞机机体如起落架、方向舵、襟翼、缝翼、尾翼、安定面、操纵系统等部件使用的航空轴承。 
　　与一般的民用轴承相比，航空轴承的工况特殊、技术要求高、可靠性要求高。航空轴承的技术规范为GJB269A-2000《航空滚动轴承通用规范》，GJB269A中航空轴承分六个组别：269A/1组、269A/2组、269A/3组、269A/4组、269A/5组和269A/6组。 
　　269A/1组用于高速、高温和重负荷条件下工作并要求高可靠性的轴承，主要指发动机主轴轴承；269A/2组用于在重负荷下工作并要求高可靠性的轴承，主要指螺旋桨轴承；269A/3组用于附件传动和航空电机轴承；269A/4组用于在冲击负荷下工作并要求高可靠性的轴承，主要指飞机起落架轴承；269A/5组用于在摆动或低速转动条件下，承受较大径向拉力小游隙轴承，主要指操纵机构轴承；269A/6组用于有摩擦力矩要求的灵敏轴承及微型陀螺电机轴承。 
　　飞机机体轴承主要是269A/3组、269A/4组和269A/5组轴承，以269A/5组轴承居多。飞机机体轴承工作温度一般在-65～325°F之间，承受较大径向力，摆动或低速转动的速率低，轴承采用润滑脂润滑、润滑脂至少填满轴承80%的内部空间，轴承与飞机机体同寿命。
　　2　飞机机体轴承标准现状
　　国外飞机机体轴承标准，包括轴承的产品标准和轴承的技术规范。产品标准规定了轴承的外形尺寸及公差、轴承的材料、游隙、热表处理和性能数据等；技术规范规定了轴承的合格鉴定检验和质量合格检验的项目及原理。针对不同类型的飞机机体轴承，有专用的技术规范，可操作性很强。如：减摩球轴承，产品标准有SAE AS21428、SAE AS21443、SAE AS27640～27649，对应的技术规范为SAE AS7949；减摩滚针轴承，产品标准有SAE AS24461、SAE AS24463～24464、SAE AS21438～21439、SAE AS21447、SAE AS21441～21442，对应的技术规范为SAE AS39901；自润滑关节轴承，产品标准有SAE AS14101～14104、SAE AS81820/1～81820/4，对应的技术规范为SAE AS81820等。
　　国内飞机机体轴承，借用民用轴承方面的标准。按产品标准的定义，就是按产品标准可以进行产品的生产。而国内民用轴承的生产，要结合多份标准，外形尺寸有外形尺寸标准、公差有公差标准、游隙有游隙标准、材料、热表处理按滚动轴承一般技术要求等，这些标准组合在一起，才能构成一份真正意义上的轴承产品标准。另外，民用轴承标准修订了多次，而飞机机体轴承因为要为老机型配套等方面的原因，标准大多还在执行64年的标准，而部分轴承新老标准尺寸与公差等差异很大，在处理生产订货问题时，经常搞错轴承的尺寸与公差；第三，部分类型的轴承尚未明确标准依据或无标准依据，如关节轴承的材料、游隙、热表处理、额定动负荷和额定寿命尚未明确标准依据，冲压外圈滚针轴承公差在GB290的老版本中有规定，标准修订后就没有了；第四，新老版本的飞机机体轴承产品目录，提供的信息较为分散，而且信息量相对较少，只能方便查询到轴承的内外径和宽度尺寸，轴承的游隙、材料、硬度、精度等级等需要花费大量的精力才有可能查询到。 
　　国内飞机机体轴承的技术规范为GJB269A-2000《航空滚动轴承通用规范》，该规范只是根据航空方面的技术要求，对民用轴承相关标准（公差标准、游隙标准、滚动轴承一般技术要求等）作出一些特别的补充。要查询飞机机体轴承的公差、游隙、硬度等，GJB269A中有明确规定则按GJB269A的规定，GJB269A未明确规定则按民用轴承的公差标准、游隙标准、滚动轴承一般技术要求等标准执行。同时，GJB269A规范重标不重本，特别是合格鉴定检验的项目不涉及轴承的性能检验；第三，GJB269A规范很笼统，没有针对具体的轴承类型制订不同的规范，只规定了各种类型轴承共性的一些检验项目。
　　3　大飞机机体轴承发展需求
　　3.1 大飞机机体新类型轴承的需求
　　3.1.1 自润滑关节轴承
　　自润滑关节轴承是在轴承外圈内球面粘贴一层自润滑衬垫，用衬垫滑动表面对内圈外球面的滑动磨擦来代替钢对钢表面的滑动磨擦。 
　　自润滑关节轴承结构紧凑、重量轻、耐冲击、免维护、安全可靠性高、寿命长，在飞机上使用，可大大简化设计，国内外飞机型号上应用广泛。
　　自润滑关节轴承的优异性能，使自润滑关节轴承成为飞机机械运动连接处的关键零件，是飞机的重要配套产品。 
　　上海轴承技术研究所具备自润滑关节轴承生产能力，但轴承收压加工和自润滑衬垫与外圈的粘接工艺技术不够成熟；同时，上海轴承技术研究所自润滑关节轴承产品没有系列化，规格有限。
　　3.1.2 滚轮轴承
　　缝翼、襟翼滑轨滑轮架是大型运输类飞机特有的结构件，滚轮轴承在缝翼、襟翼滑轨滑轮架上大量使用。新支线机ARJ21缝翼共六条滑轨，单机滚轮轴承共八种类型140套，委托美国TIMKEN公司和KAMATICS公司特制，TIMKEN公司特制的是传统的滚轮轴承，KAMATICS公司特制的是自润滑滚轮轴承。
　　滚轮轴承类似满载滚针轴承，区别是，外套圈特别厚，外套圈是工作面，支撑滑轨与滑轨相对运动。而自润滑滚轮轴承是一种全新的轴承类型，采用了自润滑衬垫代替了滚针，尺寸更小，承载能力更大，而且具有简化设计、减重和免维护的好处。目前，世界上生产自润滑滚轮轴承的航空轴承厂只有KAMATICS公司一家。 
　　目前，现役的国产飞机无滚轮轴承的应用，苏州轴承厂有滚轮轴承产品应用于民用领域。对于像180吨级的俄罗斯伊尔76飞机，缝翼、襟翼滑轨滑轮架使用的滚轮轴承单机约800套左右，所以，大飞机应重视滚轮轴承的研制。
　　3.1.3 杆端轴承
　　杆端轴承是轴承与操纵杆复合的一种新型轴承，其中杆端关节轴承是关节轴承安装在操纵杆上，而杆端滚动轴承是由轴承内套圈、滚动体和操纵杆复合的，操纵杆相当于轴承的外套圈。 
　　杆端轴承在飞机操纵系统应用广泛，主要是方便操纵系统的安装和维护、减轻操纵系统的重量。国外飞机操纵杆端轴承已有成熟的标准，而国内的轴承厂尚不能提供相关产品供飞机机体使用。
　　3.2  大飞机其他机体轴承的需求
　　3.2.1 无装球缺口关节轴承
　　哈尔滨轴承厂、洛阳轴承厂、虹山轴承厂和上海轴承技术研究所生产关节轴承，生产工艺落后，内外套圈单独加工，外套圈上加工有装球缺口，然后内套圈通过外套圈上的装球缺口与外套圈装配。这种带装球缺口的关节轴承，承载能力因为外套圈上加工的装球缺口而大幅降低；同时，由于外套圈上加工有装球缺口，在结构上装配时，装球缺口要避开径向载荷；第三，外套圈上装球缺口部位应力集中，容易产生疲劳裂纹。而国外关节轴承的收压加工工艺相当成熟，先加工内套圈，再在内套圈上收压外套圈，有效的避免了上述问题。
　　上海轴承技术研究所目前虽然具备了关节轴承的收压加工能力，但工艺不成熟、轴承个体差异大，连交付的产品都没有单独包装，轴承相互磕碰，质量问题比较严重。
　　3.2.2 大规格轴承
　　大飞机的吨位在200吨级左右，国内现役的国产飞机相对较小，国内轴承厂目前尚不能供应大规格的轴承。如关节轴承，可供应的内径Z大为35mm，而大飞机需求的关节轴承内径普遍在50mm以上。
　　3.2.3 特殊轴承
　　特殊轴承主要指由于结构空间、承载能力、润滑、重量等方面的制约，或为方便润滑、拆装、检修等，进行特殊设计的轴承，可能轴承与机体结构进行了复合，也可能尺寸与普通轴承有出入。 
　　4　大飞机机体轴承解决方案
　　4.1 通用飞机机体轴承
　　大飞机通用飞机机体轴承的选择，应统筹考虑，选择成熟的适航认可的标准产品。如：减摩球轴承，选择SAE AS21428、SAE AS21443、SAE AS27640～27649；减摩滚针轴承，选择SAE AS24461、SAE AS24463～24464、SAE AS21438～21439、SAE AS21447、SAE AS21441～21442；关节轴承，选择SAE AS81936系列、EN6046等；自润滑关节轴承，选择SAE AS14101～14104、SAE AS81820系列等；杆端轴承，选择SAE AS81935系列；自润滑衬套，选择SAE AS81934系列等。这些轴承虽然多数为英制尺寸，但也有公制尺寸的标准供选择。 
　　通过ARJ21飞机的研制，世界上主要的生产商的信息基本掌握、供应渠道较多，产品价格相对较低。
　　4.2 新类型飞机机体轴承
　　4.2.1 搜集飞机机体轴承产品信息
　　轴承产品信息的搜集，包括通用飞机机体轴承产品标准和技术规范的搜集和主要飞机机体轴承生产商的产品标准的搜集。通用飞机机体轴承产品标准和技术规范的搜集，将委托中国航空综合技术研究所；飞机机体轴承生产商的产品标准的搜集，可以通过参加航展或通过供应商索取生产商的产品目录。 
　　另外，大飞机的研制可能会参考俄罗斯的机种，也不排除与俄罗斯、乌克兰等进行合作，所以飞机机体轴承产品信息的搜集重点放在俄罗斯航空轴承产品信息的搜集上，特别是针对俄罗斯滚轮轴承产品信息的搜集。 
　　除此之外，轴承产品信息的搜集，还应注意供应信息的搜集和供应渠道的疏通。
　　4.2.2 组建临时轴承研发队伍
　　运十飞机研制时，集中过上海红星轴承厂、上海微型轴承厂和上海轴承技术研究所的一些设计人员，成立了轴承研发办公室，部分满足了运十的研制需求。 
　　大飞机的研制时，特别是在设计阶段，应集中洛阳轴承研究所、上海轴承技术研究所、洛阳轴承厂等厂所的设计人员成立临时的轴承研发队伍，针对设计需求，集中解决问题。
　　4.2.3 两手准备内外并举
　　在成立轴承研发办公室时，除考虑国内轴承研制单位外，瑞典SKF、德国SCHAEFFLER、日本NMB等国外轴承生产商也可以介入。 
　　瑞典SKF是世界大轴承公司，除滚轮轴承外，飞机机体轴承全部可以供应；FAG与INA合并后的德国SCHAEFFLER是世界第二大轴承公司，没有飞机机体轴承的标准产品，根据掌握的情况，波音空客飞机机体滚轮轴承多数是非标产品，而INA的滚针轴承是世界Z强的，滚轮轴承的研制应该不成问题；日本NMB产品类似瑞典SKF，价格低、供应周期短，可以通过日本NMB和瑞典SKF的竞争压低价格、缩短供应周期。 
　　5　建议
　　5.1 加强飞机机体轴承的标准化工作
　　鉴于飞机机体轴承国内的标准现状，要做好飞机机体轴承，首先就要从根本着手，切实加强飞机机体轴承的标准化工作，制订相应的飞机机体轴承产品标准和技术规范。
　　5.2 加强轴承应用技术培训
　　飞机研发过程中，在轴承选择合适情况下，如何Z大限度的使轴承发挥效能特别关键。轴承座孔和轴材料、公差的选择、加工精度、热表处理、润滑脂的确定、润滑脂的填充量、挡肩、倒角、润滑、防尘等的细节设计、轴承安装、预紧、维护等方方面面每一个环节都可能导致轴承提前失效。例如：某型机襟翼因为润滑结构设计不当而进行了重新设计；某型机方向舵因为位置太高、润滑不便而导致轴承磨损过快，迫使设计考虑选择自润滑关节轴承；某型机操纵系统因为公差选择不合适、加工精度不高和未考虑防尘等原因，有五套轴承设计进行重新选择和设计更改；某型机武器起挂设备因为轴偏软，仅能起挂200次左右，远不能达到起挂4500的设计需求等。所以，必须加强轴承应用技术的培训。
　　由于航空与轴承分属不同的行业，长期以来，两行业之间基本没有交流，做轴承的，不了解航空的需求，做航空的不了解轴承的应用技术。
　　2007年，瑞典的SKF公司、美国的TIMKEN公司根据中航一飞院的培训提纲已安排飞机机体轴承应用技术的培训，后续，根据需求，还将邀请这些公司进行相关的活动。
　　6　结束语
　　飞机机体轴承是飞机机体连接的基础件，是飞机机体的关节，飞机机体的所有运动都必须通过飞机机体轴承的转动或摆动完成，大飞机的研制，飞机机体轴承的研制和应用必须高度重视。
　　作者简介：胡忠会（1972-），男，籍贯陕西户县，一飞院标准材料研究室高级工程师。1996年毕业于西北工业大学，从事航空轴承和飞机管路卡箍等的应用研究。

来源：《大型飞机关键技术高层论坛暨中国航空学会2007年学术年会论文集》