軸承試驗(yàn)機(jī)高溫潤滑系統(tǒng)的改進(jìn)

谷運(yùn)龍，范圍廣，許冬冬，賈虹，楊丹峰

（1.洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039；2.河南省高性能軸承技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽 471039；3.滾動軸承產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟，河南 洛陽 471039；4.萬向集團(tuán)公司技術(shù)中心，杭州 311215）

對實(shí)際工況的模擬是實(shí)現(xiàn)軸承試驗(yàn)有效性和可信度的前提，環(huán)境溫度模擬是其中的重要內(nèi)容。航空發(fā)動機(jī)軸承的環(huán)境溫度模擬試驗(yàn)需將潤滑油加熱到一定溫度后供給試驗(yàn)軸承，最高溫度可達(dá)到180～200℃［1］。目前，常規(guī)高溫潤滑系統(tǒng)存在加熱時(shí)間長，潤滑油炭化嚴(yán)重等缺點(diǎn)，需要定時(shí)對系統(tǒng)進(jìn)行清理并更換濾芯，影響試驗(yàn)進(jìn)程；而且，對于需要模擬變溫環(huán)境的試驗(yàn)，常規(guī)高溫潤滑系統(tǒng)的工作效率較低，無法實(shí)現(xiàn)節(jié)能、高效的目的；因此，通過電磁感應(yīng)加熱技術(shù)對軸承試驗(yàn)機(jī)高溫潤滑系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，以滿足高溫潤滑系統(tǒng)的需求。

1 常規(guī)高溫潤滑系統(tǒng)

常規(guī)的軸承試驗(yàn)機(jī)高溫潤滑系統(tǒng)采用電加熱管直接在油箱中對潤滑油進(jìn)行加熱，然后采用噴射或環(huán)下供油方式對軸承進(jìn)行潤滑。

電加熱管通過其表面的高溫與周圍的潤滑油進(jìn)行換熱，往往存在電加熱管表面溫度很高，而油箱內(nèi)潤滑油溫度梯度變化很大的問題，會導(dǎo)致各處潤滑油的溫度不一，而且電加熱管附近的潤滑油炭化嚴(yán)重。如果要求的潤滑油溫度過高，這種加熱方式會造成潤滑油過濾系統(tǒng)堵塞，需要定期對濾芯進(jìn)行清洗更換。

另外，航空發(fā)動機(jī)軸承需進(jìn)行變溫試驗(yàn)。由于常規(guī)高溫潤滑系統(tǒng)采用換熱方式對潤滑油進(jìn)行加熱，使?jié)櫥蛷母邷亟档降蜏貢r(shí)需關(guān)閉加熱管并打開冷卻器，導(dǎo)致變溫過程較長，效率較低。

2 電磁感應(yīng)加熱潤滑系統(tǒng)

電磁感應(yīng)加熱是一種新型、安全、高效、節(jié)能的加熱技術(shù)，比傳統(tǒng)式電加熱升溫快、溫控精度高，熱效率高達(dá)95%，同等條件下比電阻式加熱方式節(jié)電30%以上［2］，預(yù)熱時(shí)間縮短一半。因此，將其用于軸承試驗(yàn)機(jī)高溫潤滑系統(tǒng)中，以解決常規(guī)高溫潤滑系統(tǒng)加熱效率低等問題。

2.1 系統(tǒng)原理

結(jié)合電磁感應(yīng)加熱原理及軸承試驗(yàn)機(jī)高溫潤滑系統(tǒng)的需求，將潤滑系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，其原理如圖1所示。

圖1 電磁感應(yīng)潤滑加熱系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic diagram of electromagnetic induction lubrication and heating system

如圖1所示，通過油泵將潤滑油從油箱中抽出并分為2路，一路作為常溫油供給常溫潤滑系統(tǒng)，另一路進(jìn)入電磁加熱管內(nèi)進(jìn)行加熱后供給高溫潤滑系統(tǒng)。其中，調(diào)節(jié)溢流閥使?jié)櫥瓦_(dá)到規(guī)定的壓力（通過壓力表及壓力傳感器監(jiān)測）。根據(jù)系統(tǒng)的需求，計(jì)算選取油箱體積，泵及電動機(jī)、溢流閥和各類傳感器的型號。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電磁感應(yīng)加熱系統(tǒng)包括機(jī)械主體及溫度控制系統(tǒng)。機(jī)械主體主要由螺旋式20＃鋼管、外敷感應(yīng)線圈及保溫層組成；溫度控制系統(tǒng)主要由中頻感應(yīng)電源、溫度傳感器及溫控儀組成。

機(jī)械主體采用20＃無縫鋼管螺旋上升盤繞而成，根據(jù)系統(tǒng)需要及油箱大小確定尺寸。具體計(jì)算在此不做詳述。

溫度控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)高溫潤滑系統(tǒng)的核心，其工作原理為：通過整流電路將工頻交流電壓轉(zhuǎn)變成直流電壓，再經(jīng)過功率控制電路將其轉(zhuǎn)換成中頻電壓；當(dāng)變化的交流電通過線圈時(shí)，產(chǎn)生變化的磁場，使螺旋管表面產(chǎn)生渦流效應(yīng)，促使管道發(fā)熱，管道表面的熱量與流經(jīng)管道的潤滑油進(jìn)行換熱，達(dá)到加熱潤滑油的效果。

換熱過程在被加熱的管道與其內(nèi)表面附近的潤滑油間進(jìn)行，而遠(yuǎn)離表面的潤滑油無法進(jìn)行換熱，從而出現(xiàn)集膚效應(yīng)，而感應(yīng)加熱的交變電流的頻率越高，集膚效應(yīng)越嚴(yán)重［3］。因此，中頻感應(yīng)電源的頻率設(shè)計(jì)尤為重要。

其中，頻率與電流透入深度的關(guān)系為

式中：δ為電流透入深度，mm；ρ為金屬材料的電阻率，Ω·mm；μ為金屬材料的磁導(dǎo)率，H／m；f為電源的頻率，Hz。通過設(shè)計(jì)計(jì)算，電源頻率選擇為980 Hz。

如圖2所示，電磁感應(yīng)加熱系統(tǒng)采用閉環(huán)控制，將高溫潤滑油出口處的溫度信號接入溫度控制儀中與設(shè)定值進(jìn)行對比，通過差值控制電磁感應(yīng)加熱器的輸出功率，選擇最合適的控制策略，使加熱速度最大化并防止過熱現(xiàn)象的發(fā)生。

圖2 電磁感應(yīng)加熱系統(tǒng)原理圖Fig.2 Schematic diagram of electromagnetic induction heating system

溫度控制策略的原理為：當(dāng)潤滑油實(shí)際溫度與預(yù)設(shè)溫度差別較大時(shí)，電源功率采用較大的百分比，增大加熱速度；當(dāng)兩者溫度差別較小時(shí)，采用較小的功率比，降低加熱速度，防止加熱溫度有大的超調(diào)量。

為防止溫度控制方案失效，在溫度控制儀中設(shè)置報(bào)警溫度值，當(dāng)實(shí)際溫度超過報(bào)警值時(shí)，溫度控制儀將信號分別發(fā)送給電磁加熱控制器及報(bào)警控制器，并關(guān)閉加熱器，發(fā)出報(bào)警信號，保證系統(tǒng)的安全。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證本方案的可行性，在ZYS-103型軸承試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)采用4套QJS206軸承，轉(zhuǎn)速20 000 r／min，軸向及徑向載荷均為1 000 N，潤滑油為4050，潤滑油壓力為0.5 MPa，潤滑油溫度設(shè)定為150℃，噴嘴直徑為1.5 mm。常規(guī)高溫潤滑系統(tǒng)和電磁感應(yīng)加熱系統(tǒng)的加熱、冷卻時(shí)間如圖3所示。電磁感應(yīng)加熱系統(tǒng)的噴嘴處潤滑油溫度、回油溫度及油箱溫度如圖4所示。

圖3 供油溫度與時(shí)間的關(guān)系Fig.3 Relationship between oil supply temperature and time

圖4 電磁感應(yīng)加熱系統(tǒng)的溫度曲線Fig.4 Temperature curve of electromagnetic induction heating system

從圖3可以看出：將潤滑油加熱到150℃，電磁感應(yīng)加熱方法所用時(shí)間是常規(guī)方法的一半；采用相同的冷卻器將加熱油冷卻到相同溫度，電磁感應(yīng)加熱系統(tǒng)所用時(shí)間約20 min，常規(guī)方式冷卻時(shí)間為30 min，電磁加熱方式冷卻效果更好。

由于電磁感應(yīng)加熱只對感應(yīng)加熱管內(nèi)的潤滑油進(jìn)行加熱，加熱的范圍小，針對性強(qiáng)，能夠很快對所需加熱的潤滑油進(jìn)行加熱。對于冷卻，電磁感應(yīng)系統(tǒng)關(guān)閉加熱器后，只需對加熱管路內(nèi)的剩余高溫油及整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)剩余的熱量進(jìn)行冷卻，相比常規(guī)方法所需冷卻的熱量少，因此冷卻效果更好。從圖4可以看出，采用電磁感應(yīng)加熱技術(shù)，潤滑油溫度加熱速度快，而油箱中的潤滑油溫度變化較小。

4 結(jié)束語

通過分析常規(guī)軸承試驗(yàn)機(jī)高溫潤滑系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中的存在問題，提出了電磁感應(yīng)加熱方式，根據(jù)系統(tǒng)需求設(shè)計(jì)了新型的軸承試驗(yàn)機(jī)高溫潤滑系統(tǒng)，包括機(jī)械主體設(shè)計(jì)，溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)等。通過在相同試驗(yàn)條件下與常規(guī)方法的對比試驗(yàn)可知，電磁感應(yīng)加熱系統(tǒng)能夠縮短加熱及冷卻時(shí)間，更好地滿足實(shí)際需求。