高速復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)備滾動軸承故障試驗(yàn)平臺研究

潘冬，張永祥，李琳

(海軍工程大學(xué) 動力工程學(xué)院，武漢 430000)

對于工作轉(zhuǎn)速超過3 000 r/min的滾動軸承,且測量傳感器無法安裝于軸承座、信號傳遞路徑比較復(fù)雜，將這類軸承定義為高速復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)備滾動軸承，比如艦用燃?xì)廨啓C(jī)主軸承、直升機(jī)行星齒輪減速箱中的行星輪軸承等。這類軸承一旦發(fā)生故障且沒有及時發(fā)現(xiàn)與防護(hù)，將造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，影響主機(jī)運(yùn)行并造成嚴(yán)重后果。因此，通過創(chuàng)新設(shè)計，開發(fā)了具有油膜減振器和凸緣螺栓支承結(jié)構(gòu)，可在不同轉(zhuǎn)速、不同載荷變化規(guī)律下工作的高速復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)備滾動軸承故障模擬平臺，以進(jìn)行該類軸承故障機(jī)理、診斷方法的研究。

1 故障模擬平臺的功能

根據(jù)高速復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)備滾動軸承的使用工況及研究需要，所設(shè)計的故障模擬平臺需具備如下功能：

1)可模擬艦用燃?xì)廨啓C(jī)、航空發(fā)動機(jī)滾動軸承的支承結(jié)構(gòu)，使研究成果具有可推廣性；

2)可對帶故障的軸承進(jìn)行模擬試驗(yàn)，也可進(jìn)行軸承疲勞試驗(yàn)，開展軸承疲勞故障機(jī)理研究；

3)可實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速和按特定規(guī)律調(diào)速，以適應(yīng)不同工況，從而模擬艦用復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)備滾動軸承在海洋環(huán)境影響下的實(shí)際運(yùn)行工況；

4)具備智能管理技術(shù)，能夠?qū)收掀脚_的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行高精度自動控制、對平臺狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測、報警和參數(shù)自動記錄。

2 故障模擬平臺整體結(jié)構(gòu)及組成

滾動軸承故障模擬平臺主要由主軸、試驗(yàn)軸承、支承結(jié)構(gòu)、驅(qū)動伺服電動機(jī)、加載裝置、控制系統(tǒng)以及潤滑系統(tǒng)等組成，如圖1所示。

1—電動機(jī)；2—支承軸承；3—主軸；4—徑向加載裝置；5—支承結(jié)構(gòu)；6—軸向加載裝置

2.1 主軸及試驗(yàn)軸承

針對艦用燃?xì)廨啓C(jī)及航空發(fā)動機(jī)的使用工況及軸承類型，故障模擬平臺的主軸設(shè)計為剛性轉(zhuǎn)子，且主軸最高轉(zhuǎn)速對應(yīng)的頻率應(yīng)小于主軸一階固有頻率的65%。

為使故障模擬平臺的研究結(jié)果具有工程應(yīng)用價值，該平臺可對內(nèi)徑50 mm、外徑80 mm的深溝球軸承、角接觸球軸承、圓柱滾子軸承及圓錐滾子軸承進(jìn)行故障模擬試驗(yàn)。

2.2 支承結(jié)構(gòu)

試驗(yàn)軸承的支承結(jié)構(gòu)是故障模擬平臺的重要組成部分，以某燃?xì)廨啓C(jī)的主軸承支承結(jié)構(gòu)為原型，設(shè)計了具有油膜減振器和凸緣螺栓連接結(jié)構(gòu)的支承結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

1—機(jī)匣；2—外凸緣；3—內(nèi)凸緣；4—試驗(yàn)軸承；5—油膜減振器外支承；6—彈性鼠籠支承；7—輻板；8—底座

彈性鼠籠支承結(jié)構(gòu)的剛度為1.87×107N/m，與GT25000燃?xì)廨啓C(jī)的相近。凸緣螺栓連接結(jié)構(gòu)由凸緣、墊片和螺栓組成一組組合密封結(jié)構(gòu)的可拆連接，構(gòu)造簡單、可靠性能優(yōu)良，廣泛應(yīng)用于航空航天、核能等工業(yè)領(lǐng)域中。油膜減振器具有良好的減振性能，結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高且成本低。本試驗(yàn)臺的阻尼器采用全油膜設(shè)計，并設(shè)計了多個油膜減振器外支承，通過改變阻尼器半徑間隙、油液動力黏度、偏心率等參數(shù)，研究不同阻尼器結(jié)構(gòu)對軸承振動的影響。

2.3 電動機(jī)選型

故障模擬平臺的驅(qū)動電動機(jī)需較高的工作轉(zhuǎn)速及功率，且應(yīng)具有較高的運(yùn)行控制精度和可靠性。為模擬燃?xì)廨啓C(jī)等設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行工況，需要有一定的功率和轉(zhuǎn)速儲備，而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速有規(guī)律的周期波動，對伺服電動機(jī)的頻率響應(yīng)提出了很高的要求，最終選擇最高額定轉(zhuǎn)速12 000 r/min，功率30 kW的高速、精密交流伺服電動機(jī)。

2.4 加載裝置

試驗(yàn)軸承要求軸向載荷在0～30 kN、徑向載荷在0～80 kN的范圍內(nèi)連續(xù)變化，不宜采用機(jī)械加載方式[4-5]；另外，由于載荷較大且加載時間較長，電加載方式也不可取[6]；電-液伺服系統(tǒng)具有控制方便、檢測信號快、測量精度高、結(jié)構(gòu)小巧、輸出功率大等優(yōu)點(diǎn)[7-9]，因此，為確保系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性，選擇液壓加載方式進(jìn)行加載。

在液壓加載系統(tǒng)中，需要確保加載力連續(xù)可調(diào)、加載過程平衡準(zhǔn)確，實(shí)現(xiàn)波動周期小于4 s、載荷波動量達(dá)到平均載荷的30%，為此選擇電液比例閥進(jìn)行加載力的調(diào)節(jié)[10]。由于需實(shí)現(xiàn)加載壓力的連續(xù)調(diào)節(jié)和加載保壓的試驗(yàn)要求，加載油缸的行程小(即所需的流量小)，而加載力的調(diào)節(jié)范圍很大，屬高增益系統(tǒng)。通過比較分析，軸向加載系統(tǒng)采用比例減壓閥調(diào)節(jié)方式，徑向加載系統(tǒng)采用比例換向閥調(diào)節(jié)方式[11]。

綜合考慮以上要求，設(shè)計的液壓加載裝置如圖3所示。

1—油箱；2—濾清器；3—油泵；4—手動減壓閥；5—電磁閥；6—壓力表；7—溢流閥；8—壓力傳感器；9—軸向加載油缸；10—伺服閥； 11—壓力表；12—溢流閥；13—壓力傳感器；14—徑向加載油缸

2.5 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)由拉壓傳感器、測速傳感器、光電編碼器、工控機(jī)、信號調(diào)理及A/D模塊、D/A模塊、I/O模塊伺服控制器、伺服電動機(jī)、液壓伺服閥等組成，如圖4所示。

圖4 控制系統(tǒng)示意圖

故障模擬平臺控制界面包括參數(shù)設(shè)置、參數(shù)顯示、工況報警、數(shù)據(jù)記錄4個部分：1)參數(shù)設(shè)置可保證試驗(yàn)軸承在恒定的載荷和轉(zhuǎn)速下運(yùn)行或按某種時間變化曲線運(yùn)行；2)顯示界面可顯示軸承徑向、軸向載荷的平均值,平均轉(zhuǎn)速,潤滑油壓力,油膜減振器及軸承循環(huán)周次等主要參數(shù)，以及軸承徑向、軸向載荷隨時間的變化曲線；3)工況報警主要是為了防止操作人員誤操作而引起設(shè)備損壞和人員傷害，當(dāng)重要參數(shù)的數(shù)值超過規(guī)定的工作范圍時發(fā)出報警信號；4)數(shù)據(jù)記錄部分用于自動記錄軸承故障平臺的運(yùn)行參數(shù)。

2.6 潤滑系統(tǒng)

故障模擬平臺的試驗(yàn)軸承、加載軸承和支承軸承都需要進(jìn)行潤滑，以確保平臺安全、可靠地運(yùn)行。對于高速運(yùn)行的滾動軸承，選用油氣潤滑進(jìn)行冷卻的效果相對較好，且冷卻設(shè)備簡單，所以軸承故障模擬平臺的冷卻系統(tǒng)可選用油氣潤滑，油氣潤滑系統(tǒng)由空氣壓縮機(jī)、氣水分離器、空氣壓力調(diào)節(jié)閥和油氣混合器組成。也可考慮采用壓力油潤滑方式，但需要注意油量的控制，避免因油量過大使軸承出現(xiàn)嚴(yán)重發(fā)熱現(xiàn)象。

3 應(yīng)用案例

為驗(yàn)證軸承故障模擬平臺的可靠性和實(shí)用性，采用6010軸承作為試驗(yàn)軸承，應(yīng)用線切割方法在軸承內(nèi)圈上切割一個寬0.1 mm、深0.1 mm的槽模擬軸承表面損傷類故障。測量傳感器采用BK 4534加速度傳感器，2個測點(diǎn)分別位于軸承座附近和機(jī)匣上，通過試驗(yàn)測得了軸承在100～9 000 r/min時不同測點(diǎn)處對應(yīng)的振動信號。為說明高速工況的振動情況，給出9 000 r/min工況下的振動信號，如圖5和圖6所示。從圖中可以看出：不同測點(diǎn)所獲取的振動信號是不同的，靠近軸承座的振動信號沖擊特性比機(jī)匣上測得的振動信號要強(qiáng)，數(shù)值上也要大一些。而通過試驗(yàn)成功測得故障軸承的振動信號，說明試驗(yàn)臺可以實(shí)現(xiàn)對故障軸承的工況模擬，試驗(yàn)臺的設(shè)計合理可靠。

(a)軸向

(a) 軸向

4 結(jié)束語

通過綜合運(yùn)用機(jī)械、液壓和控制技術(shù)，對軸承的支承結(jié)構(gòu)進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計，解決了軸承故障模擬平臺的高速驅(qū)動及控制技術(shù)、高精度動靜態(tài)加載及控制技術(shù)的技術(shù)難題，構(gòu)建的軸承故障模擬平臺既能對故障軸承實(shí)現(xiàn)模擬試驗(yàn)，也能模擬裝備實(shí)際工作時的運(yùn)行工況。最高轉(zhuǎn)速應(yīng)可達(dá)10 000 r/min，試驗(yàn)軸承的軸向載荷最大達(dá)到30 kN，徑向載荷最大達(dá)到80 kN，可應(yīng)用于多種設(shè)備軸承的故障模擬。