一種高速轉(zhuǎn)子軸承加載測量設備

胡英貝, 李猛,韓濤，高奮武,郝大慶

(1.洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039；2. 上海航天控制技術(shù)研究所，上海 200233)

飛行器專用高速轉(zhuǎn)子運行在高速旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)下且需要有較長的穩(wěn)定工作壽命，其內(nèi)部使用精密高速角接觸球軸承[1]，軸承承受的軸向載荷是影響高速轉(zhuǎn)子工作穩(wěn)定性及壽命的關鍵因素。為保證高速轉(zhuǎn)子在正常運轉(zhuǎn)中的旋轉(zhuǎn)精度、軸系剛度、振動和噪聲、高速運行壽命處于優(yōu)化狀態(tài)，需要對軸承施加穩(wěn)定且精確的軸向載荷，使軸承在軸向和徑向得到正確定位[1]。

控制軸向加載可以提高高速轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)精度和軸承剛性，減小軸系內(nèi)部軸承的軸向和徑向竄動量，降低軸承的振動和噪聲，避免因軸向載荷過大造成軸承運轉(zhuǎn)時摩擦過大，導致急劇發(fā)熱和壽命降低，還可防止發(fā)射時振動引起的高速轉(zhuǎn)子零件損傷，減小摩擦磨損，從而使高速軸承滿足設計壽命要求[1]。

由于高速轉(zhuǎn)子需要整體裝配后再進行軸向加載測量，且整體質(zhì)量達50 kg以上，人工搬運和安裝極為不便且無法保證安全性。從吊裝安全及便利的因素考慮，需要高速轉(zhuǎn)子軸承加載測量設備帶有專用的便捷式起吊抓取設備。由于設計要求高、考慮因素多，綜合加工難度大等原因，國內(nèi)還沒有針對航天用外轉(zhuǎn)子式高速轉(zhuǎn)子軸承軸向載荷的測量設備，隨著中國航天技術(shù)的發(fā)展，為滿足實際測量要求，需要研制針對航天用外轉(zhuǎn)子式高速轉(zhuǎn)子軸承軸向載荷的專用測量設備。

1 主要功能及性能指標

1.1 主要功能

(1)精確測量高速轉(zhuǎn)子內(nèi)部軸承實際受到的軸向載荷。

(2)在測量臺上實現(xiàn)轉(zhuǎn)子相對定子的360°回轉(zhuǎn)，滿足多點測量。

(3)加載設備擁有獨立的提升及抓取裝置，方便高速轉(zhuǎn)子的吊裝并保證其安全性。

1.2 性能指標

(1)使用范圍：高速轉(zhuǎn)子的直徑為φ550～700 mm；長度為300～400 mm。

(2)位移測量量程：±200 μm。

(3)設備位移分辨力0.1μm；軸向載荷分辨力1 N；位移測量重復性±0.5 μm。

(4)軸向載荷Fa測量范圍為20～400 N，測量精度和重復性為±5%Fa。

(5)設備對高速轉(zhuǎn)子具有可靠抓取功能，測量過程中應平穩(wěn)、無沖擊。

2 測量原理

2.1 高速轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)及內(nèi)部受力分析

高速轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)如圖1所示，其內(nèi)部軸承采用面對面裝配且采用定位預緊方式[1]，內(nèi)部零件的尺寸鏈直接影響其預載。工藝要求加載螺母鎖緊，軸端單元端蓋與中心軸軸肩接觸時，軸承預載荷應為設計的額定載荷，施加的多余軸向力由中心軸承載，因此兩者的接觸情況是軸承預載是否準確的關鍵。為避免灰塵進入軸端單元影響高速轉(zhuǎn)子質(zhì)量，在裝配工藝要求下只能通過改變內(nèi)環(huán)擋圈尺寸調(diào)整高速轉(zhuǎn)子的軸向載荷。

1—軸端單元；2—中心軸；3—轉(zhuǎn)子；4—內(nèi)環(huán)擋圈；5—軸承；6—單元外殼體；7—內(nèi)擋圈；8—端蓋；9—加載螺母；10—繞組

2.2 測量原理

設備采用間接測量原理[2]，通過位移量間接求得加載載荷。將高速轉(zhuǎn)子在額定載荷下的位移量作為位移基準值，對高速轉(zhuǎn)子施加逐漸增大的軸向載荷，達到位移基準值時的軸向載荷即為當前高速轉(zhuǎn)子承受的軸向載荷。根據(jù)測量載荷與額定載荷的比較，通過調(diào)整內(nèi)環(huán)擋圈尺寸調(diào)節(jié)軸向載荷，最終使其達到額定載荷的要求范圍。

2.3 具體實施方案

將高速轉(zhuǎn)子一端的軸端單元加載螺母擰緊，保證此軸端單元與中心軸軸肩緊密貼合，卸下另一端的軸端單元，拆除內(nèi)環(huán)擋圈后再裝上軸端單元并擰緊加載螺母，此時沒有內(nèi)環(huán)擋圈尺寸鏈的影響，可保證高速轉(zhuǎn)子兩端軸端單元的端蓋與中心軸軸肩均達到緊密接觸的狀態(tài)，并以此作為高速轉(zhuǎn)子處于額定載荷的狀態(tài)。

使用起吊裝置將高速轉(zhuǎn)子整體吊裝至氣浮導軌上的等高支撐架上，氣浮導軌摩擦力基本為零，通過空氣高速轉(zhuǎn)子加載系統(tǒng)向高速轉(zhuǎn)子施加微小的軸向力，推動高速轉(zhuǎn)子整體移動，使軸端端蓋與測量設備的定位工裝接觸且位置固定，利用位移傳感器記錄中心軸軸端的位移值，作為位移基準值[2]。

裝上之前卸掉的內(nèi)環(huán)擋圈，該軸端單元不再使用加載螺母擰緊，通過空氣高速轉(zhuǎn)子加載系統(tǒng)向高速轉(zhuǎn)子再次施加微小的軸向力，使軸端端蓋與測量設備的定位工裝接觸，由于內(nèi)環(huán)擋圈的影響，中心軸軸肩與軸端單元端蓋沒有緊密接觸。通過空氣高速轉(zhuǎn)子加載系統(tǒng)向高速轉(zhuǎn)子施加不斷增大的軸向力，通過壓力傳感器檢測壓力值的變化，隨著軸向力的不斷增加，中心軸整體有向定位工裝移動的趨勢，當位移傳感器的顯示值達到原記錄的基準值時，可以判斷中心軸軸肩與軸端單元的端蓋處于緊密貼合狀態(tài)，此時壓力傳感器的示值即為高速轉(zhuǎn)子內(nèi)部軸承承受的軸向載荷[2]。

將測量載荷與工藝載荷進行對比，如果測量載荷大于工藝載荷，則減小內(nèi)環(huán)擋圈的尺寸；如果測量載荷小于工藝載荷，則增大內(nèi)環(huán)擋圈的尺寸。并最終使測量載荷處于工藝載荷要求范圍。

3 主要結(jié)構(gòu)設計

外轉(zhuǎn)子式高速轉(zhuǎn)子軸承加載測量設備如圖2所示，主要由空氣高速轉(zhuǎn)子加載系統(tǒng)、空氣導軌、測量系統(tǒng)、起吊及抓取裝置組成。

1—可調(diào)高度式滾輪地腳；2—基準底板；3—空氣高速轉(zhuǎn)子加載系統(tǒng)；4—左支撐架；5—上固定板；6—帶自定位功能滑軌； 7—智能型提升裝置；8—懸掛式輕觸手柄；9—抓取裝置；10—右支撐架；11—被測外轉(zhuǎn)子式高速轉(zhuǎn)子；12—測量附件工裝；13—高精度位移傳感器；14—等高支撐架；15—右氣浮托舉滑塊；16—氣浮導軌；17—左氣浮托舉滑塊

3.1 空氣高速轉(zhuǎn)子加載系統(tǒng)

根據(jù)項目總體技術(shù)方案，選用氣缸加載方式實現(xiàn)對高速轉(zhuǎn)子內(nèi)部軸承施加連續(xù)變化可控的軸向載荷，即將空氣主軸的端面充當氣缸活塞，通過精密調(diào)壓閥調(diào)節(jié)供給氣缸的壓強實現(xiàn)連續(xù)變化的軸向載荷，然后通過精密壓力傳感器測量氣缸腔體中的壓強，利用壓強和氣缸活塞面積換算出氣缸輸出的力。因為此時氣浮導軌水平放置，靠壓縮空氣形成的氣膜充當支承體，消除了高速轉(zhuǎn)子重力影響，基本無摩擦力的影響，所以可得到準確施加到軸承上的軸向載荷，即

F=PS，

式中：F為施加到軸承上的載荷；P為壓力傳感器測得的壓強值；S為氣缸活塞面積。

設計的空氣高速轉(zhuǎn)子軸端面積為0.001 m2，按照20～400 N的載荷測量范圍計算可知，高精度壓力傳感器測量量程達到0.5 MPa,即可滿足軸向載荷的測量要求，而且擁有設計冗余。

3.1.1 加載力的準確性

為保證測量的準確性，要求加載氣缸輸出的力能夠準確施加在被測軸承上，加載方向為純軸向加載，不允許有徑向分量，加載作用點應通過被測軸承的中心，因此要求氣缸加載力的傳輸應通過高精度直線導向系統(tǒng)。

根據(jù)以上要求，選用了空氣高速轉(zhuǎn)子加載系統(tǒng)，其優(yōu)點為：(1)高精度的直線導向作用；(2)旋轉(zhuǎn)精度高；(3)與軸套之間基本無摩擦，可消除高速轉(zhuǎn)子自身摩擦力對加載載荷的影響，保證軸向精密加載系統(tǒng)與被測高速轉(zhuǎn)子軸承的同心度,以及加載工裝上定位座端面與加載系統(tǒng)軸線的垂直度。

3.1.2 加載的平穩(wěn)性

為保證氣缸動作的平穩(wěn)性，在空氣高速轉(zhuǎn)子的下端設計動作氣缸及自動脫離限位裝置。加載時動作氣缸首先動作，將氣浮導軌上的承載滑塊和被加載高速轉(zhuǎn)子預頂?shù)轿?，通過限位裝置控制高速轉(zhuǎn)子滑動至距離測量附件工裝0.3～0.5 mm的位置，縮小空氣高速轉(zhuǎn)子加載過程中的行程，避免造成加載沖擊。然后，通過大氣缸進行加載，自動脫離裝置可使動作氣缸與空氣高速轉(zhuǎn)子相互脫離，還可通過單向節(jié)流閥控制氣缸運動的速度，保證軸向載荷的準確性和整個加載過程平穩(wěn)無沖擊。

3.2 氣浮導軌

為消除摩擦力對測量的影響，提高精確加載系統(tǒng)輸出力的準確性，選用氣浮導軌支撐高速轉(zhuǎn)子。在精密加載系統(tǒng)向高速轉(zhuǎn)子輸出軸向載荷時，氣浮導軌可以使高速轉(zhuǎn)子在水平方向上進行平穩(wěn)無摩擦的水平運動。另外，氣浮導軌上方安裝有根據(jù)被測高速轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)尺寸設計的V形等高支撐架，用來支撐外轉(zhuǎn)子式高速轉(zhuǎn)子中的軸端單元，可保證高速轉(zhuǎn)子在測量臺上360°回轉(zhuǎn)，滿足多點測量的要求。

設計時應適當增加氣浮承載冗余設計，從而增大氣浮導軌的承載力及穩(wěn)定性，可方便以后更換更大尺寸及更大質(zhì)量的高速轉(zhuǎn)子進行測量。

3.3 測量系統(tǒng)

3.3.1 位移測量系統(tǒng)

位移測量系統(tǒng)原理如圖3所示，主要包括位移傳感器及其測量電路。

圖3 位移測量系統(tǒng)原理框圖

位移傳感器選用瑞士Tesa GT21型高精度電感式軸向測頭，主要技術(shù)指標為：重復誤差0.01 μm；測量范圍±2 mm；測量力0.63 N；頻率響應60 Hz；防護等級IP65。

軸向位移傳感器的布置遵循阿貝測量原理，即測量基準與測量桿精確地位于一條直線上。由于測量過程中的溫度波動會引起測量結(jié)果的變化，因此使用Tesa的低膨脹系數(shù)測頭類產(chǎn)品，可在相對較大的溫度范圍內(nèi)保持高精度的測量。

測量電路包括電感式傳感器前置電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，作用是將傳感器感應的位移信號等比例轉(zhuǎn)換為電壓信號，再轉(zhuǎn)換為計算機可識別處理的數(shù)字信號。

3.3.2 壓力測量系統(tǒng)

壓力測量系統(tǒng)選用航天空氣動力技術(shù)研究所生產(chǎn)的YZD-2B型高精度壓力傳感器，該傳感器為組合式結(jié)構(gòu)，選用進口擴散硅壓力芯片作敏感元件，內(nèi)置放大器，具有零點調(diào)整和靈敏度調(diào)整的功能，標準信號輸出。

其技術(shù)參數(shù)為：測量范圍0～0.7 MPa；線性誤差±0.2%FS；重復性誤差0.3%FS；激勵電壓12 V(DC)；絕緣電阻1 000 MΩ/100 V(DC);工作溫度-10～+60 ℃;安全過載荷率150%FS。

3.3.3 數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)

為實現(xiàn)位移和壓力數(shù)據(jù)的采集分析，選用ADLink公司生產(chǎn)的PCI9111多功能數(shù)據(jù)采集卡對位移和壓力傳感器的輸出進行數(shù)字采樣，數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)示意圖

PCI9111多功能數(shù)據(jù)采集卡為12位，具有1/4 096的分辨率，相對應將電感位移傳感器±200 μm及壓力傳感器400 N進行細分，完全可以滿足設備分辨率的要求。

其主要性能指標為：轉(zhuǎn)換器采用ADS774或兼容芯片；分辨率為12位；轉(zhuǎn)換類型為逐次逼近；輸入通道采用16路單端；模擬輸入范圍(軟件可調(diào))，雙極性時±10 V，±5 V，±2.5 V，±1.25 V和±0.625 V；單極性時0～10 V，0～5 V，0～2.5 V和0～1.25 V；轉(zhuǎn)換時間8 μs；采樣頻率最大為每秒110 000次；過壓保護為120%；增益1，2，4時精度為0.01%FS ±1LSB，增益8，16時精度為0.02%FS ±1LSB；輸入阻抗10 MΩ；觸發(fā)模式采用軟件觸發(fā)、內(nèi)部定時器觸發(fā)、外部觸發(fā)；數(shù)據(jù)傳輸有程序控制、中斷、DMA。

3.4 起吊抓取系統(tǒng)

起吊裝置選用美國Gorbel公司使用G-Force技術(shù)的智能型提升裝置，為提高安全系數(shù)，提升重量選為150 kg，為被測高速轉(zhuǎn)子質(zhì)量的3倍。G-Force系列技術(shù)的優(yōu)點為：

(1)自如的速度控制，可隨操作者同步移動，速度可快可慢，適用于變速而精確的操作環(huán)境。

(2)毫米級的精確度，確保運送精密、昂貴或易碎部件時控制精確。

(3)安全的選擇，智能型提升裝置比手工提升更為安全、靈巧，可極大地降低工傷事故及工件損傷事故。

(4)承重超載保護，在負載超過其額定起重量時會自行保護，無法提升。

(5)斷電保護，在發(fā)生斷電的情況下，載荷將被保護性地制動并鎖定在原位。

(6)操作人員到位功能，控制手柄的握把采用了內(nèi)置的光電傳感器，除非操作人員持握發(fā)出運行指令，否則該傳感器將禁止設備運行。

抓取裝置選用Festo公司的氣動抓取模塊和機械鎖扣形式，形成雙保險以確保高速轉(zhuǎn)子的安全。

4 試驗分析

4.1 試驗結(jié)果

試驗軸承為高速轉(zhuǎn)子軸端單元內(nèi)部的7007C軸承，工藝要求額定載荷為80 N。將高速轉(zhuǎn)子安裝在測量設備上，第1次軸向載荷測量結(jié)果為303 N，遠遠大于額定載荷，初步判定內(nèi)環(huán)擋圈尺寸過大。修磨內(nèi)環(huán)擋圈，減小其寬度尺寸后的第2次測量結(jié)果為110 N。然后根據(jù)軸承的軸向剛度精確計算內(nèi)環(huán)擋圈修研尺寸，修研完成后裝入高速轉(zhuǎn)子，再進行多次測量，測量結(jié)果見表1。

表1 高速轉(zhuǎn)子載荷測量結(jié)果 N

由表可知，測量載荷已達到高速轉(zhuǎn)子的額定載荷，而且測量最大誤差為4%，完全滿足測量精度和重復性±5%Fa的要求。

測量載荷不一致的原因可能是軸系內(nèi)部軸承與內(nèi)環(huán)擋圈平行差的影響，測量得知軸承與內(nèi)環(huán)擋圈平行差為1 μm，每次安裝過程及測量過程中需旋轉(zhuǎn)高速轉(zhuǎn)子組件的轉(zhuǎn)子部分，存在一定的相位差，從而引起高速轉(zhuǎn)子中尺寸鏈的微小變化，導致測量數(shù)據(jù)存在一定的波動性。

4.2 加載準確性驗證

可通過軸系剛度分析方法測試軸系加載是否準確。具體測試方法為：在軸系剛度測試模塊上測量高速轉(zhuǎn)子組件軸向剛度的變化，通過無級加載對軸承組件施加連續(xù)增加的軸向載荷，同時通過位移傳感器測量軸承組件的軸向變形量。開始時高速轉(zhuǎn)子組件內(nèi)部因存在間隙而導致整個軸系剛度較小，軸向變形量隨著軸向載荷的增大變化很快，當軸向載荷增大到一定程度后，高速轉(zhuǎn)子組件內(nèi)部間隙消除，軸系軸向變形量趨于穩(wěn)定，即軸承組件的軸向變形量隨軸向載荷的增大不再變化或變化很小，此時測試過程結(jié)束。

對測試數(shù)據(jù)進行分析，找出軸承組件軸向變形量隨軸向載荷變化的拐點，則軸向變形量拐點對應的軸向載荷即為被測軸承組件的預載荷[3]。高速轉(zhuǎn)子剛度曲線如圖5所示。從高速轉(zhuǎn)子剛度曲線可看出，曲線的剛度拐點明顯位于80 N處。

圖5 高速轉(zhuǎn)子剛度曲線

5 結(jié)束語

軸承加載測量設備針對外轉(zhuǎn)子式高速轉(zhuǎn)子軸端單元內(nèi)軸承組件軸向加載而研制，保證高速轉(zhuǎn)子中軸承組件的精確加載，可以實現(xiàn)高速轉(zhuǎn)子軸向載荷的測量，保證裝配后高速轉(zhuǎn)子的軸向載荷滿足設計工藝要求。還可用于外轉(zhuǎn)子式高速轉(zhuǎn)子裝配過程中內(nèi)部軸承組件預載荷或軸承組件修研量的測量和控制，從而提高外轉(zhuǎn)子式高速轉(zhuǎn)子的裝機合格率和裝配效率。

另外，可根據(jù)用戶反饋的實際測量數(shù)據(jù)進行改進，以滿足客戶提出的各項要求，為提高航天用外轉(zhuǎn)子式高速轉(zhuǎn)子的裝機質(zhì)量提供有力保證。