基于分形理论和加速试验的关节轴承磨损寿命预测方法研究

Spherical plain bearing is widely used in aerospace and weapon equipments, because of its characteristics of simple structure, large load capacity and self-aligning. Wear is its main failure mode, and it will cause a malfunction of control system, or even result in a disaster to the whole equipment. Therefore, research on efficient wear life prediction methods for spherical plain bearing has great importance to guarantee the equipments to serve reliably and safely. Some problems are in existence in wear life prediction methods for spherical plain bearing: Firstly, the wear mechanism how working conditions influence the wear process in spherical plain bearing is still indistinct at present; Secondly, wear life model is mainly from experience summary, and cannot be widely used due to lack of theoretical basis; Thirdly, efficiency of traditional life test for spherical plain bearing is too low to gain valid and sufficient wear data. Aiming at these problems, this project propose a new idea from introduction of fractal theory and accelerated testing: fractal theory will be applied to describe the microstructure and to solve the inapplicability of the traditional Hertz theory for same curvature contact of spherical plain bearing; accelerated testing will be adopted to develop wear life testing for spherical plain bearing, and the wear accelerated testing method under multiple performances degradation based on Copula model will be constructed. In summary, this project will carry on a systemic research on wear mechanism, life model, wear accelerated testing, and implement experimental validation in combination with engineering application, and it will consequently provide theoretic and methodological support to wear life prediction of spherical plain bearing.

关节轴承具有结构简单、承载大和自调心的特点，在航空航天、武器装备领域应用广泛。磨损是关节轴承主要失效模式，将导致操纵部件控制失效，甚至给整个装备带来灾难性事故，因此关节轴承磨损寿命预测研究对保障重大装备的可靠安全运行具有重要意义。针对关节轴承磨损寿命预测目前存在的影响因素作用机理不明晰、寿命模型主要依靠工程经验、寿命试验时间与成本巨大等问题，本项目提出将分形理论和加速试验相结合来研究关节轴承磨损寿命预测的新思路：引入分形理论描述关节轴承内外环接触面的微观形貌，解决传统Hertz接触强度理论无法解决关节轴承同曲率接触的问题；引入加速试验方法进行关节轴承磨损寿命试验，建立基于Copula模型的多性能退化磨损加速试验方法。本项目系统研究磨损机理、磨损寿命模型与磨损加速试验等制约关节轴承磨损寿命预测的瓶颈问题，并结合工程应用开展实验验证，为关节轴承磨损寿命预测提供理论和方法支撑。

关节轴承广泛应用于航空、武器装备等装备的操纵与传动系统。磨损是关节轴承主要失效模式，将导致操纵部件控制失效，甚至给整个装备带来灾难性事故，因此关节轴承磨损寿命预测研究对保障重大装备的可靠安全运行具有重要意义。.本项目从协调接触力学、失效物理、分形理论、加速试验相结合的角度，系统研究了关节轴承接触与磨损寿命预测基础理论。主要研究内容及成果如下：.1. 结合解析与数值方法建立了弹性球体无摩擦协调接触与非协调接触模型，此模型不受经典理论中弹性半空间的限制，可用于精确计算球体协调接触和非协调接触压力分布，针对不同结构和材料开展的大量三维有限元分析验证了模型的有效性和通用性，并应用该模型定量分析了关键接触参数之间的关系。.2. 在完整球面接触模型的基础上，应用受力等效原理建立了能准确计算关节轴承协调接触压力分布的解析模型，针对不同型号轴承开展的仿真研究表明该模型能准确描述关节轴承径向压力分布规律，并利用数值分析方法研究了关节轴承中自由边界效应的现象和规律。.3. 在关节轴承协调接触模型的基础上，融合滑动磨损计算方法，建立了关节轴承磨损失效物理模型，提出磨损非线性过程的分阶段分析方法和拐点辨识算法，并给出自润滑关节轴承磨损寿命方程。.4. 提出了基于分形理论的粗糙球面微观形貌表征方法，建立了球面接触下单微凸体分形模型，将宏观参数与分形参数耦合构造接触面系数，得到适用于协调接触下的面积分布函数；考虑协调球面接触中的摩擦因素，建立了协调球面分形接触模型，解决了传统Hertz接触强度理论无法适用于同曲率接触问题，克服了传统分形模型只能应用于平面和圆柱面的局限性。.5. 将Archard模型与球面分形理论融合，建立球面磨损分形模型，并结合推力关节轴承以及向心关节轴承的结构特点，分别建立其磨损寿命计算公式。该公式考虑了微观形貌及接触状态，能更加准确反映关节轴承的失效过程，寿命预测结果更为合理。.6. 以PTFE衬垫自润滑向心关节轴承GE20ET-2RS为试验对象开展了系统的磨损退化加速试验；分别应用本项目建立的磨损阶段线性分析方法和失效物理方法，建立相应的磨损率加速模型和磨损常数加速模型并开展寿命预测。本项目所提出方法能更深入准确地阐述自润滑关节轴承的磨损过程并给出最优的寿命预测结果。