車用增壓器滾動軸承試驗機的設(shè)計

萬賀，張占立，范玉春

(1.河南科技大學(xué) 機電工程學(xué)院,河南 洛陽 471003；2.91668部隊，上海 200083；3.黎明化工研究院 綜合分廠，河南 洛陽 471001)

汽車增壓器主要由進氣殼、排氣殼、蝸殼、轉(zhuǎn)子、軸承等部件組成，其中軸承是決定增壓器噪聲及使用壽命的關(guān)鍵零部件[1]。車用增壓器軸承工作在高速、高溫的環(huán)境下，大多采用滑動軸承，但隨著滾動軸承設(shè)計技術(shù)及材料應(yīng)用水平的提高，以及滾動軸承機械效率高、阻尼小、瞬態(tài)響應(yīng)性好等優(yōu)點，車用增壓器上應(yīng)用滾動軸承成為一種趨勢[2-3]。例如，美國Honeywell公司研制的T25BB高速滾動軸承渦輪增壓器于1993年開始在Nissan公司的車輛上小批量試用；瑞士ABB公司于1994年開始在VTR.4系列大型渦輪增壓器上應(yīng)用滾動軸承；日本IHI公司近年分別開發(fā)了適用于轎車、客車、載重汽車用的RHB3，RHB5和RHB7等采用滾動軸承的渦輪增壓器[4]。目前，國外的滾動軸承渦輪增壓器正處于完善和推廣應(yīng)用階段，而我國仍處于起步階段，因此研發(fā)了車用增壓器滾動軸承試驗機，便于進行該類軸承的性能、壽命等試驗工作。

1 主要技術(shù)參數(shù)及功能要求

試驗機最大軸向載荷為500 N，最高轉(zhuǎn)速為90 000 r/min，穩(wěn)態(tài)誤差≤±1%，工作介質(zhì)為潤滑油，試驗軸承內(nèi)徑范圍為φ10～20 mm，最高環(huán)境溫度為150 ℃；試驗機采用計算機全自動測控技術(shù)，對軸承的溫度、轉(zhuǎn)速、振動、載荷和主機電流等進行實時監(jiān)控，并對試驗數(shù)據(jù)進行實時記錄，還具有緊急情況下的自動報警停機功能。

2 試驗機組成

車用增壓器滾動軸承試驗機主要由機械結(jié)構(gòu)、加載系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)和電氣控制4部分組成。

2.1 機械結(jié)構(gòu)

機械結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括底座、試驗頭、液壓缸和電主軸等。電主軸通過聯(lián)軸器直接驅(qū)動試驗軸轉(zhuǎn)動，聯(lián)軸器之間采用直徑為3 mm的軟繩連接。通過液壓缸推動加載軸承實現(xiàn)加載。

1—液壓缸；2—加載軸承；3—試驗頭；4—聯(lián)軸器；5—電主軸；6—底板

2.1.1 試驗頭

試驗頭是試驗機的核心部件，用來完成試驗軸承的預(yù)緊、定位以及溫度傳感器和振動傳感器的安裝，內(nèi)部設(shè)有潤滑油管路。試驗頭結(jié)構(gòu)如圖2所示，套筒安裝在套筒上蓋與套筒底座之間，左、右端蓋分別連接在套筒兩端。試驗軸承可作為主軸的支承，與實際使用情況保持一致。

1—套筒底座；2—主軸套筒；3—左端蓋；4—主軸；5—套筒上蓋；6—右端蓋

2.1.2 軸系臨界轉(zhuǎn)速計算

臨界轉(zhuǎn)速計算是轉(zhuǎn)子支承系統(tǒng)動力學(xué)特性分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要內(nèi)容，目的是通過計算和試驗確定轉(zhuǎn)子支承系統(tǒng)的臨界轉(zhuǎn)速，分析相關(guān)影響因素，通過調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)避開臨界轉(zhuǎn)速，使增壓器穩(wěn)定工作[5]。試驗機軸系結(jié)構(gòu)如圖3所示，最左端軸承為加載軸承，最大軸向力為500 N，正常工況下為300 N左右；試驗軸承為雙列角接觸球軸承，正常工作轉(zhuǎn)速為70 000～90 000 r/min，預(yù)緊力為350 N，原始接觸角為15°，軸系的動平衡精度等級為G0.4。

圖3 軸系結(jié)構(gòu)示意圖

將軸系簡化為雙鉸支多圓盤鋼軸，其一階臨界轉(zhuǎn)速為[6]

(1)

式中：W0為實心鋼軸的重力，N；L為軸的全長，mm；λ1為兩端外伸軸的系數(shù)，取9.87；dv為軸的當(dāng)量直徑，mm；Wi為支承間第i個圓盤的重力，N；ai，bi分別為支承間第i個圓盤與左、右支承間的距離，mm；l為支承間距離，mm；Gj為外伸端第j個圓盤重力，N；cj為外伸端第j個圓盤與支承間的距離，mm；di為第i段軸的直徑，mm；li為第i段軸的長度，mm。軸系各參數(shù)測量結(jié)果見表1。

表1 軸系各參數(shù)測量結(jié)果

將上述參數(shù)代入(1)式可得ncr1=66 746 r/min，利用ANSYS對該軸系進行模態(tài)分析，得出該軸系的固有頻率，進而計算出該軸系的二階臨界轉(zhuǎn)速為14 267 r/min。也就是說,軸承正常工作轉(zhuǎn)速避開了一階及二階臨界轉(zhuǎn)速，增壓器可以穩(wěn)定工作。

2.2 加載系統(tǒng)

加載系統(tǒng)的工作原理如圖4所示。工作壓力為0.1～0.2 MPa，流量為0.08 L/min，電動機功率為0.75 kW，采用46#抗磨液壓油。比例減壓閥依據(jù)輸入電壓信號的變化輸出所需要的出口壓力。軸向加載方式為液壓缸恒向變載，通過低壓和高壓2條油路實現(xiàn)加載。低壓油路加載范圍為200～700 N，加載時通過2個阻尼孔降壓分流，當(dāng)溢流閥為最小調(diào)定壓力時，經(jīng)阻尼孔降壓后可達到200 N的加載力。高壓油路加載范圍為700～2 000 N，加載時通過溢流閥直接調(diào)節(jié)液壓缸進油口壓力。液壓缸的動作循環(huán)為：慢進→加載→保壓→快退→卸載。

1—油箱；2—吸油濾油器；3—泵；4—出口過濾器；5—比例溢流閥；6—三位四通電磁換向閥；7—阻尼孔；8—阻尼孔；9—二位二通電磁換向閥；10—液控單向閥；11—壓力傳感器；12—液壓缸；13—兩位四通電磁換向閥；14—單向閥；15—壓力表；16—電動機

2.3 潤滑系統(tǒng)

潤滑系統(tǒng)主要由液壓泵、電動機、溢流閥等組成，其工作原理如圖5所示。首先接通加熱電源，當(dāng)潤滑油溫度達到100 ℃后接通電動機電源，電動機帶動液壓泵將潤滑油從油箱抽出，通過溢流閥調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力，通過節(jié)流閥調(diào)節(jié)系統(tǒng)流量，使系統(tǒng)供油穩(wěn)定，潤滑處與油箱設(shè)置高度差使部分潤滑油可以自動流回油箱，在液壓系統(tǒng)的出口處裝有液壓表，用以測量加載系統(tǒng)潤滑油的實時壓力。

1—油箱；2—吸油濾油器；3—泵；4—電動機；5—溢流閥；6—出口過濾器；7—壓力表；8—壓力傳感器；9—節(jié)流閥

2.4 電氣控制

電氣控制部分主要由上位機、數(shù)據(jù)采集卡、傳感器、變頻器等組成，如圖6所示。上位機與變頻器之間通過串口實現(xiàn)通信，從而控制主軸電動機轉(zhuǎn)速。系統(tǒng)通過傳感器采集被測軸承和加載軸承的溫度和振動信號，采集到的信號經(jīng)過數(shù)據(jù)采集卡傳輸?shù)缴衔粰C中，由上位機對信號進行處理、分析并完成各個參數(shù)及結(jié)果顯示、狀態(tài)報警和打印報表等操作。

圖6 電氣控制部分結(jié)構(gòu)圖

3 試驗結(jié)果及分析

經(jīng)試車運行，試驗機運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，工作可靠，能準(zhǔn)確顯示轉(zhuǎn)速、載荷、溫度和振動等參數(shù)，并能按要求實現(xiàn)自動控制，說明試驗機可以滿足增壓器軸承的試驗要求。

對某型雙列角接觸球軸承進行裝機試驗，考核試驗機在轉(zhuǎn)速80 000 r/min、潤滑油溫度100 ℃和軸向載荷300 N工況下的工作性能及可靠性，4套試驗軸承在100 h的運轉(zhuǎn)時間內(nèi)均無異常，運轉(zhuǎn)過程平穩(wěn)、無非正常停機，各項監(jiān)控指標(biāo)都在要求范圍內(nèi)。對軸承外觀檢查，未發(fā)現(xiàn)溝道出現(xiàn)嚴(yán)重偏磨、打滑、明顯劃傷等現(xiàn)象，鋼球表面正常，未出現(xiàn)裂痕和明顯的磨損現(xiàn)象。試驗前后軸承游隙變化很小(表2)，表明試驗軸承可靠性滿足工況要求。

表2 壽命試驗前后軸承的游隙 μm

4 結(jié)束語

通過計算和優(yōu)化，設(shè)計的車用增壓器滾動軸承試驗機性能可靠，能夠滿足試驗要求，可以對安裝前軸承的可靠性進行評估，并依據(jù)試驗規(guī)范對載荷作用下軸承的性能、工作狀態(tài)、磨損疲勞壽命等進行檢驗，為軸承失效分析、壽命計算等提供依據(jù)。