航空机轮主轴轴承滑蹭损伤（CageSlip）机理分析与监测方法研究

一、引言

航空机轮作为飞机唯一与地面接触的运动部件，在起飞加速、着陆制动及地面滑行阶段承受复杂载荷，而主轴轴承作为机轮传动系统的核心，需在低速 in）、重载（起飞时单轮载荷可达数十千牛）及频繁启停的工况下稳定工作。 3%的机轮故障源于主轴轴承失效，其中滑蹭损伤（Cage Slip）占比超 40% 该损伤表现为保持架与滚道、 滚动体间的非匀速滑动摩擦，初期会导致润滑脂加速劣化，后期则引发保持架磨损变形、滚道表面划伤， 严重时造成轴承卡死，直接威胁飞机地面运行安全。

当前针对轴承滑蹭损伤的研究多聚焦于高速旋转的航空发动机主轴轴承，而航空机轮主轴轴承的低速重载特性使其滑蹭损伤机理与高速轴承存在显著差异，现有监测方法难以直接适用。因此，针对航空机轮主轴轴承的滑蹭损伤机理展开分析，并提出适配其工况的监测方法，对提升飞机地面运行安全性具有重要现实意义。

二、航空机轮主轴轴承滑蹭损伤机理分析

航空机轮主轴轴承多采用深沟球轴承或角接触球轴承，其核心功能是通过滚动体的旋转实现主轴与机轮壳体间的低摩擦传动，而保持架的作用是引导滚动体均匀分布，避免滚动体间碰撞。正常工况下，保持架通过滚动体的摩擦力驱动，与滚道保持同步旋转，此时保持架与滚道、滚动体间仅存在微小的滑动摩擦；当滑蹭损伤发生时，保持架转速低于理论同步转速，导致保持架与滚道内壁、滚动体端面产生剧烈滑动摩擦，进而引发损伤。结合航空机轮的运行工况，其滑蹭损伤的核心诱因可归纳为以下三点：

（一）转速波动与低速黏滞

地面滑行阶段，飞机需频繁启停或调整速度，导致机轮主轴轴承转速在 0-500r/min 区间频繁波动。当转速低于100r/min 时，滚动体与滚道间的油膜难以 根据 论， 油膜厚度与转速呈正相关，低速下润滑脂的流动性下降，滚动体与滚道 对保持架的驱动力不足，无法维持保持架与滚道的同步旋转，导致保持架“滞后”滑蹭。 转弯时，机轮转速降至50-80r/min，轴承内部油膜厚度不足0.1μm，保持架滑蹭率（实际转速与同步转速的差值占比）可达 15%-20% ，显著高于高速工况下的5%以下。

（二）径向载荷失衡与冲击

起飞着陆阶段，机轮承受的径向载荷可达设计额定载荷的1.2-1.5 倍，且地面不平整或制动冲击会导致载荷瞬时波动。当径向载荷失衡时，轴承内部滚动体受力不均，部分滚动体与滚道间的接触压力超阈值，导致滚动体旋转阻力增大；同时，失衡载荷会使保持架产生偏斜，破坏保持架与滚动体的正常接触关系，引发保持架局部与滚道内壁的滑动摩擦。例如，飞机着陆时若单侧机轮先接触地面，该侧机轮轴承径向载荷瞬时增至30kN 以上，保持架偏斜量可达0.2mm，直接导致保持架与外圈滚道的局部滑蹭，短期内即可造成滚道表面划痕。

（三）润滑失效与污染物侵入

航空机轮轴承采用长效润滑脂润滑，其润滑性能直接影响滑蹭损伤的发生概率。地面运行环境中，机轮易沾染跑道上的沙尘、油污等污染物，若密封件老化失效，污染物会侵入轴承内部，导致润滑脂劣化——污染物颗粒会破坏油膜连续性，同时增大滚动体与保持架间的摩擦系数；此外，长期高温（制动时轴承温度可达120-150℃）会导致润滑脂基础油挥发、稠化剂碳化，使润滑脂失去润滑能力，进一步加剧保持架与滚动体的滑动摩擦，形成“润滑失效-滑蹭损伤-润滑进一步恶化”的恶性循环。某航空维修案例显示，未及时更换润滑脂的机轮轴承，其滑蹭损伤发生率是正常维护轴承的3.2 倍。

三、航空机轮主轴轴承滑蹭损伤监测方法

针对航空机轮主轴轴承的低速重载特性，需设计兼顾灵敏度与实用性的监测方法，实现滑蹭损伤的早期预警。结合现有监测技术，本文提出“振动信号特征提取+温度实时监测”的组合监测方案，具体如下：

（一）基于振动信号的滑蹭特征识别

滑蹭损伤发生时，保持架与滚道、滚动体的非匀速摩擦会产生特定频率的振动信号，通过采集并分析该信号可实现损伤识别。具体步骤如下：

• 信号采集：在机轮轮毂靠近轴承的位置安装压电式加速度传感器，采样频率设为2000-5000Hz（适配低速工况下的低频振动），采集飞机地面滑行、启停阶段的振动信号；

• 特征提取：对原始振动信号进行小波降噪处理，消除地面干扰噪声后，通过傅里叶变换提取特征频率正常工况下，轴承振动以滚动体通过频率（BPF）为主；滑蹭发生时，会出现保持架滑蹭频率（CSF），其计算公式为C SF=(n/60) ×(1 - (d/D)×cosα)，其中 n 为轴承转速（r/min） d 为滚动体直径（mm），D 为轴承节圆直径（mm），α为接触角（°）；

• 损伤判定：设定CSF 幅值阈值（根据轴承型号通过实验标定，通常为正常BPF 幅值的1.5-2 倍），当测到 CSF 幅值超阈值且持续时间超过5s 时，判定为滑蹭损伤预警。

该方法的优势在于可实现非侵入式监测，且对早期滑蹭损伤的识别准确率可达 85%以上，已在某型民航客机机轮测试中验证有效。

（二）基于温度的辅助监测

滑蹭损伤引发的滑动摩擦会导致轴承温度异常升高，因此温度监测可作为振动监测的补充，实现双重预警。具体方案为：

• 在轴承内圈安装PT100 铂电阻温度传感器，实时采集轴承工作温度，采样间隔设为1s；

• 设定温度阈值：根据轴承润滑脂的最高耐受温度（通常为 120^∘C; ），设定预警阈值为100℃、报警阈值为 110℃；

• 当温度超预警阈值时，结合振动信号中的CSF 特征进行综合判定——若仅温度升高，可能为润滑脂劣或载荷过大；若温度升高伴随CSF 超阈值，则可确诊为滑蹭损伤。

温度监测的优势在于稳定性高、抗干扰能力强，可有效避免振动监测因地面噪声导致的误判，二者结合可将滑蹭损伤的判定准确率提升至 92% 以上。

四、结论与展望

本文针对航空机轮主轴轴承的低速重载特性，分析了滑蹭损伤的产生机理，指出转速波动导致的油膜失效、径向载荷失衡引发的保持架偏斜、润滑失效与污染物侵入是核心诱因；进而提出“振动信号特征提取+温度实时监测”的组合监测方法，通过识别保持架滑蹭频率与温度异常，实现滑蹭损伤的早期预警。该研究可为航空机轮轴承的健康管理提供技术支持，有助于降低轴承失效风险。

未来研究可进一步优化监测算法，结合机器学习技术实现滑蹭损伤的程度评估（如轻度、中度、重度），同时探索无线传感技术在机轮轴承监测中的应用，减少有线传感器的安装限制，提升监测系统的实用性与可靠性。

参考文献

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