脂潤滑密封軸承高溫高速試驗(yàn)機(jī)

王健，李宜謙，李鴻亮，賈虹，王芳

(洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039)

脂潤滑密封軸承被廣泛應(yīng)用于家用電器、機(jī)械設(shè)備、汽車、摩托車、航空和航天及武器裝備等領(lǐng)域，特別是在航空和航天、武器裝備等系統(tǒng)中,脂潤滑密封軸承一般要承受高速、高溫、重載等惡劣工況，其潤滑狀態(tài)、旋轉(zhuǎn)精度、極限工作能力和可靠性水平直接影響配套主機(jī)的工作性能[1]。為了提高特殊工況下脂潤滑密封軸承的設(shè)計(jì)水平和產(chǎn)品質(zhì)量，為密封軸承的配套裝機(jī)以及軸承產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和理論分析提供真實(shí)有效的數(shù)據(jù)參考,開發(fā)了一種脂潤滑密封軸承高溫高速試驗(yàn)機(jī)，介紹了其主體設(shè)計(jì)以及軸承裝機(jī)試驗(yàn)情況。

1 主要技術(shù)參數(shù)

(1)試驗(yàn)軸承為2～4套內(nèi)徑為8～25 mm的深溝球軸承或角接觸球軸承；(2)轉(zhuǎn)速為3 000～60 000 r/min ，穩(wěn)態(tài)誤差≤±0.5%FS；(3)徑向載荷為0.1～10 kN，穩(wěn)態(tài)誤差≤±1%FS；(4)軸向載荷為0.1～5 kN，穩(wěn)態(tài)誤差≤±1%FS；(5)加熱溫度為室溫至300 ℃；(6)測控方式為計(jì)算機(jī)自動控制/現(xiàn)場手動控制、自動監(jiān)測記錄；(7)測試參數(shù)為轉(zhuǎn)速、主機(jī)電流、溫度、振動、徑向載荷及軸向載荷。

2 結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)

該試驗(yàn)機(jī)由試驗(yàn)主體部件、電主軸驅(qū)動系統(tǒng)、液壓加載系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、電氣控制與軟件系統(tǒng)等組成。

試驗(yàn)軸承安裝在試驗(yàn)主體部件的試驗(yàn)頭工裝內(nèi)，電主軸通過尼龍繩聯(lián)軸器與試驗(yàn)軸系相連，可變頻調(diào)速；液壓加載系統(tǒng)通過加載組件給試驗(yàn)軸承施加徑向與軸向載荷；冷卻系統(tǒng)為加載軸承及電主軸提供循環(huán)水冷卻；電氣控制與軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對試驗(yàn)機(jī)的控制以及試驗(yàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時顯示和采集。試驗(yàn)機(jī)工作原理如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)機(jī)工作原理

2.1 主體結(jié)構(gòu)

2.1.1 試驗(yàn)主體設(shè)計(jì)

試驗(yàn)主體是試驗(yàn)機(jī)的核心部分,結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由試驗(yàn)頭組件、軸向加載組件、徑向加載組件、上蓋與底座組成。主體殼體為剖分式不銹鋼件，分為上蓋與底座兩部分，便于拆裝；軸向、徑向加載組件為薄膜式油缸結(jié)構(gòu)，分別在液壓力的作用下通過加載活塞向試驗(yàn)軸承施加軸向、徑向載荷；試驗(yàn)頭組件安裝在主體底座內(nèi)，上部由上蓋通過螺釘壓緊固定。

殼體上蓋安裝6只溫度傳感器(4只測試軸承溫度，2只測試加熱器溫度)和2只振動傳感器(測試試驗(yàn)軸承振動)；主軸后端安裝1只速度傳感器(測試主軸轉(zhuǎn)速)。

2.1.2 試驗(yàn)頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)頭的結(jié)構(gòu)直接影響試驗(yàn)機(jī)的可靠性和工作特征。該試驗(yàn)頭采用簡支梁結(jié)構(gòu)，軸系受力狀態(tài)較好，易于實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)速。圖3為7003AC-2RZ試驗(yàn)頭的結(jié)構(gòu)，2套7003AC-2RZ試驗(yàn)軸承位于試驗(yàn)主軸兩端(面對面安裝)、中間為加載軸承，考慮到與試驗(yàn)軸承轉(zhuǎn)速、承載的匹配，加載軸承同樣選用2套7003AC-2RZ(背對背彈簧定壓預(yù)緊安裝)。

1—左襯套；2—軸向加載套；3—鎖緊螺母；4—試驗(yàn)軸承；5—加熱器；6—隔套；7—試驗(yàn)主軸；8—徑向加載套；9—彈簧；10—加載軸承；11—拆卸環(huán)；12—聯(lián)軸器凸緣；13—右襯套圖3 7003AC-2RZ試驗(yàn)頭結(jié)構(gòu)圖

左、右襯套內(nèi)各有6只200 W的電加熱器，環(huán)抱著試驗(yàn)軸承實(shí)現(xiàn)高溫加熱(加熱結(jié)構(gòu)如圖4所示)，每邊6只加熱器串聯(lián)外加220 V電源總加熱功率可達(dá)1.2 kW。加熱溫度由溫度傳感器測試并反饋到溫控系統(tǒng)，由溫控儀進(jìn)行加熱控制從而達(dá)到試驗(yàn)加熱自動閉環(huán)控制的目的(加熱溫度閉環(huán)控制原理如圖5所示)。徑向加載套內(nèi)部開有水槽，可通循環(huán)水對加載軸承進(jìn)行冷卻，降低溫升保證可靠性。

圖4 試驗(yàn)頭加熱結(jié)構(gòu)圖

圖5 加熱溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖

考慮到高溫工作條件，試驗(yàn)主軸材料采用38CrMoAlA氮化處理，襯套、隔套等零件采用線膨脹系數(shù)較小的9Cr18不銹鋼材料制造。

2.1.3 試驗(yàn)主軸的校核

試驗(yàn)主軸是整個旋轉(zhuǎn)軸系的關(guān)鍵部件，其熱處理工藝、加工精度及動平衡等級均直接影響著整個試驗(yàn)軸系的高速運(yùn)行狀態(tài)。為適應(yīng)試驗(yàn)軸承的高溫、高轉(zhuǎn)速及聯(lián)合載荷要求，除了要求試驗(yàn)主軸具有較高精度外，還要對其進(jìn)行強(qiáng)度、剛度及振動穩(wěn)定性的理論校核計(jì)算。一般借助Solidworks COSMOSXpress軟件可快速完成試驗(yàn)主軸在受力作用下的強(qiáng)度、剛度計(jì)算。

圖6為試驗(yàn)主軸在最大試驗(yàn)載荷作用下的強(qiáng)度應(yīng)力分析，最大彎曲應(yīng)力值σca=48.69 MPa，38CrMoAlA軸許用彎曲應(yīng)力[σ-1]=75 MPa[2]，則σca<[σ-1]，故試驗(yàn)主軸的強(qiáng)度滿足要求。

圖6 軸的強(qiáng)度應(yīng)力分析

圖7為試驗(yàn)主軸在最大試驗(yàn)載荷作用下的剛度變形分析,最大彎曲變形為6.89 μm，對剛度要求較嚴(yán)的軸允許撓度為[2]

圖7 軸的剛度變形分析

[Ymax]=0.000 2×L=0.016 6 mm,

(1)

式中：L為軸的長度，mm?？芍囼?yàn)主軸剛度滿足要求。

軸是一個彈性體，當(dāng)其高速旋轉(zhuǎn)時，由于軸及軸上零件的材料組織不均勻，制造有誤差或?qū)χ胁涣嫉龋蜁a(chǎn)生以離心力為表征的周期性干擾力，從而引起軸的振動。強(qiáng)迫振動的頻率與軸自振頻率重合時就會發(fā)生共振現(xiàn)象，軸在引起共振時的轉(zhuǎn)速稱為臨界轉(zhuǎn)速。如果軸的轉(zhuǎn)速停留在臨界轉(zhuǎn)速附近，就會加大軸的變形以致達(dá)到使軸甚至整個設(shè)備破壞的程度。因此對于高速軸必須進(jìn)行臨界轉(zhuǎn)速的計(jì)算，使其工作轉(zhuǎn)速避開其臨界轉(zhuǎn)速。臨界轉(zhuǎn)速有很多個，最低的一個稱為1階臨界轉(zhuǎn)速，其余為2階、3階、…。在1階臨界轉(zhuǎn)速下，振動最激烈，最為危險(xiǎn)，所以通常主要計(jì)算1階臨界轉(zhuǎn)速[2]。1階臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算式為[3]

(2)

式中：Wi為支撐間第i個圓盤重力，N；Gj為外伸端第j個圓盤重力，N；W0為軸的自重，N，對實(shí)心軸W0=60.5×10-6d2L；d為軸的直徑，mm；l0為支撐間距離，mm；ai,bi分別為支撐間第i個圓盤至左、右支撐間的距離，mm；cj為外伸端第j個圓盤至支撐間的距離，mm；λ1為系數(shù),取λ1=13.4[3]。

計(jì)算得nc1=99 896 r/min。其工作轉(zhuǎn)速應(yīng)取n<0.75ncl=74 922 r/min。由此可知該試驗(yàn)主軸在74 922 r/min以下工作是可靠的。

2.2 電主軸驅(qū)動系統(tǒng)

電主軸驅(qū)動系統(tǒng)由智能型變頻器、電主軸和控制系統(tǒng)組成。高頻電主軸電動機(jī)具有在高速下運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)可靠、輸出功率較高的特性。由給定變頻器的控制信號(手動或計(jì)算機(jī)發(fā)命令)使電主軸運(yùn)轉(zhuǎn)，電主軸實(shí)際轉(zhuǎn)速值由轉(zhuǎn)速傳感器經(jīng)變送器反饋給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)對轉(zhuǎn)速的控制量進(jìn)行PID調(diào)節(jié)后D/A輸出，形成系統(tǒng)閉環(huán)控制，控制原理如圖8所示。

圖8 電主軸轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖

2.3 液壓加載系統(tǒng)

試驗(yàn)機(jī)采用液壓加載方式對試驗(yàn)軸承施加載荷，液壓加載原理如圖9所示。葉片泵提供的壓力油經(jīng)過濾后進(jìn)入閥座，再經(jīng)溢流閥溢流后分兩路進(jìn)入兩個比例減壓閥，比例減壓閥在控制器的作用下輸出給定壓力大小的壓力油。軸向活塞在油壓作用下通過軸向加載套把軸向載荷施加在軸承外圈上，徑向活塞在油壓作用下通過中間徑向加載套把徑向載荷施加在試驗(yàn)軸承內(nèi)圈上。

1—油箱；2—吸油過濾器；3—電動機(jī)；4—葉片泵；5—空氣過濾器；6—液位計(jì)；7—冷卻器；8—管路濾油器；9—溢流閥；10—壓力表；11—比例減壓閥；12—壓力傳感器；13—壓力表；14，15—薄膜液壓缸圖9 液壓加載系統(tǒng)原理圖

2.4 冷卻系統(tǒng)

試驗(yàn)機(jī)采用獨(dú)立的循環(huán)水冷卻系統(tǒng)，對電主軸及中間加載軸承進(jìn)行冷卻。為確保使用的可靠性，防止銹蝕，水箱采用不銹鋼鋼板焊接而成，冷卻液為皂化液。

2.5 電氣控制與軟件系統(tǒng)

試驗(yàn)機(jī)的電氣控制與軟件系統(tǒng)是以工業(yè)控制計(jì)算機(jī)為核心，由操作系統(tǒng)控制單元、計(jì)算機(jī)測控系統(tǒng)單元、試驗(yàn)主體測控系統(tǒng)單元和軟件程序組成，完成對整個試驗(yàn)機(jī)的功能控制和信號測試。其測控系統(tǒng)框圖如圖10所示。

圖10 計(jì)算機(jī)測控系統(tǒng)框圖

軟件程序采用Borland C++Builder編寫，主要實(shí)現(xiàn)對試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)的實(shí)時監(jiān)控，在主界面(圖11)上實(shí)時顯示并記錄轉(zhuǎn)速、載荷、溫度、振動、電流等測試參數(shù)以及時域曲線，試驗(yàn)過程中如監(jiān)測參數(shù)異常，系統(tǒng)可報(bào)警停機(jī)，同時具有試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析功能。

圖11 軟件主界面

3 驗(yàn)證試驗(yàn)

3.1 高速性能試驗(yàn)

在脂潤滑密封軸承高溫高速試驗(yàn)機(jī)上，采用7003AC-2RZ試驗(yàn)頭工裝外接潤滑系統(tǒng)，按下述試驗(yàn)條件進(jìn)行高速性能試驗(yàn)。軸承型號為7003AC(開式)，試驗(yàn)最高轉(zhuǎn)速為60 000 r/min，常溫油潤滑，徑向載荷0.5 kN，軸向載荷0.2 kN。

試驗(yàn)由低速6 000 r/min開始跑合，依次升高轉(zhuǎn)速至60 000 r/min，并在60 000 r/min運(yùn)行30 min，同時將徑向、軸向載荷分別升至0.5，0.2 kN。試驗(yàn)情況見表1。

表1 高速性能試驗(yàn)情況

3.2 加熱試驗(yàn)

在脂潤滑密封軸承高溫高速試驗(yàn)機(jī)上，采用7003AC-2RZ試驗(yàn)頭工裝進(jìn)行靜態(tài)加熱試驗(yàn)。開啟左、右加熱器進(jìn)行加熱，溫控儀設(shè)定溫度為300 ℃，加熱測點(diǎn)為軸承外圈。加熱過程中，200 ℃以下升溫速率較快，48 min內(nèi)兩端均達(dá)到設(shè)定溫度300 ℃，1#位比4#位升溫快些，主要是因?yàn)閮商幍纳釛l件不同。試驗(yàn)情況見表2。

表2 加熱試驗(yàn)情況

3.3 脂潤滑高溫高速試驗(yàn)

在脂潤滑密封軸承高溫高速試驗(yàn)機(jī)上，采用7003AC-2RZ試驗(yàn)頭工裝開啟左、右加熱器，設(shè)定溫度90 ℃，按下述試驗(yàn)條件進(jìn)行高溫高速性能試驗(yàn)。軸承型號為7003AC-2RZ，試驗(yàn)最高轉(zhuǎn)速為40 000 r/min，脂潤滑，加熱溫度為90 ℃，徑向載荷為1.8 kN，軸向載荷為0.26 kN。

脂潤滑是一種簡單、方便的潤滑方式，但一般僅適用于中、低速范圍。由于脂的稠度較大，在軸承高速運(yùn)轉(zhuǎn)時，剪切發(fā)熱較為嚴(yán)重，而潤滑脂本身起不到冷卻作用[4]。若再加上外界的高溫環(huán)境，軸承的運(yùn)行工況就更為惡劣。脂潤滑密封軸承的高溫高速性能與其內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、精度等級、潤滑脂性能及填脂量有著很大的關(guān)系，本試驗(yàn)軸承精度為P4，選用7018潤滑脂，填脂量控制在內(nèi)部空間的10%～15%。

對于脂潤滑的軸承試驗(yàn)需要在軸承運(yùn)行初期進(jìn)行跑合，根據(jù)軸承內(nèi)部潤滑脂質(zhì)量、填充量等因素，跑和時間可持續(xù)幾十分鐘，甚至幾小時[5]。

試驗(yàn)跑合過程密切觀察軸承溫升情況，待每個階段穩(wěn)定后再依次升高轉(zhuǎn)速、載荷直至試驗(yàn)最大值。圖12、圖13為跑合過程中轉(zhuǎn)速、載荷調(diào)節(jié)曲線，圖14～圖16為試驗(yàn)過程中振動、電流、溫度變化情況。

圖12 轉(zhuǎn)速升速曲線

圖13 載荷加載曲線

圖14 振動變化曲線

圖15 電流變化曲線

圖16 溫度變化曲線

經(jīng)過了105 min的跑合至最高試驗(yàn)條件，即轉(zhuǎn)速40 000 r/min、徑向載荷1.8 kN、軸向載荷0.26 kN，穩(wěn)定運(yùn)行15 min。試驗(yàn)狀態(tài)穩(wěn)定(溫度、振動、電流均無波動也無繼續(xù)升高趨勢)，說明軸承已達(dá)到平衡狀態(tài)。表3為最高試驗(yàn)條件下15 min的運(yùn)行情況。

表3 高溫高速試驗(yàn)情況

4 結(jié)束語

介紹了脂潤滑密封軸承高溫高速試驗(yàn)機(jī)的總體設(shè)計(jì),通過具體試驗(yàn)驗(yàn)證考核了試驗(yàn)機(jī)60 000 r/min最高轉(zhuǎn)速能力、300 ℃高溫加熱能力，并通過代表型號7003AC-2RZ軸承的裝機(jī)試驗(yàn)考核了試驗(yàn)機(jī)在高速、高溫、聯(lián)合載荷下的綜合運(yùn)行能力及可靠性。該脂潤滑密封軸承高溫高速試驗(yàn)機(jī)總體方案設(shè)計(jì)合理，控制系統(tǒng)控制原理正確、抗干擾能力強(qiáng)且運(yùn)行安全穩(wěn)定；軟件系統(tǒng)界面清晰、操作方便且功能齊全；可為高溫、高速、重載工況下使用的密封軸承的設(shè)計(jì)及裝機(jī)使用提供真實(shí)有效的試驗(yàn)數(shù)據(jù)參考。