動(dòng)力渦輪軸承性能試驗(yàn)臺(tái)的研制

王春月，劉靜，劉丹丹

(1.洛陽(yáng)LYC軸承有限公司，河南 洛陽(yáng) 471039；2.航空精密軸承國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽(yáng) 471039)

動(dòng)力渦輪常用于燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)中，氣流流過(guò)葉片時(shí)產(chǎn)生作用力，對(duì)轉(zhuǎn)子葉片做功而使其轉(zhuǎn)動(dòng)，將燃?xì)饬鞯哪芰哭D(zhuǎn)換為機(jī)械能，從而驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載(如旋翼或螺旋槳等)。與飛機(jī)機(jī)翼希望升力大而阻力小的原理類似，氣流通過(guò)動(dòng)力渦輪時(shí)產(chǎn)生的作用力極大而阻力小，在此作用力的驅(qū)動(dòng)下，渦輪葉片直接受到高溫高壓氣流的沖擊，因此對(duì)動(dòng)力渦輪軸承的性能和壽命也提出了更高的要求。

為了向動(dòng)力渦輪軸承的設(shè)計(jì)部門和軸承裝機(jī)用戶提供特定工況下相關(guān)性能原始數(shù)據(jù)，尤其對(duì)于航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)、船舶等特種裝備上的動(dòng)力渦輪軸承，判斷軸承是否能達(dá)到預(yù)期的使用性能、壽命與可靠性而進(jìn)行試驗(yàn)顯得更加重要，試驗(yàn)臺(tái)是開(kāi)展上述工作的必要手段。因此，針對(duì)動(dòng)力渦輪軸承的高溫運(yùn)行工況、極限載荷條件及其運(yùn)轉(zhuǎn)特點(diǎn)，研制了一種動(dòng)力渦輪軸承試驗(yàn)裝置，通過(guò)多方面技術(shù)方案的實(shí)施，可以模擬動(dòng)力渦輪軸承的實(shí)際運(yùn)行工況，從而滿足軸承性能試驗(yàn)的要求。

1 主要技術(shù)要求

試驗(yàn)軸承為三點(diǎn)接觸球軸承(φ150 mm×φ370 mm×69 mm)和圓柱滾子軸承(φ220 mm×φ300 mm×48 mm)。根據(jù)主機(jī)條件，軸承實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)工況應(yīng)滿足以下主要技術(shù)要求：試驗(yàn)軸承內(nèi)徑150～230 mm，外徑200～380 mm；最高轉(zhuǎn)速5 500 r/min，且可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速；最大軸向載荷50 kN，最大徑向載荷46 kN，均可實(shí)現(xiàn)連續(xù)可調(diào)；軸承最高工作溫度125 ℃。另外，系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)在線監(jiān)控軸承的工作狀態(tài)，可以自動(dòng)和手動(dòng)控制各項(xiàng)參數(shù)，并對(duì)軸承的性能參數(shù)進(jìn)行存儲(chǔ)、顯示和處理，系統(tǒng)出現(xiàn)故障可啟動(dòng)自動(dòng)保護(hù)措施。

2 試驗(yàn)臺(tái)主體結(jié)構(gòu)

如圖1所示，試驗(yàn)臺(tái)由試驗(yàn)平臺(tái)及可剖分殼體、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、潤(rùn)滑及加熱系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)等組成。

圖1 試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

試驗(yàn)臺(tái)主體尺寸(長(zhǎng)×寬×高)為2 000 mm×1 200 mm×300 mm；試驗(yàn)主軸徑向跳動(dòng)不大于0.015 mm。試驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)多樣化，可采取2種試驗(yàn)形式：三點(diǎn)接觸球軸承試驗(yàn)時(shí)，左端為試驗(yàn)軸承，中間和右端為陪試軸承；圓柱滾子軸承試驗(yàn)時(shí)，兩端為陪試軸承，中間為試驗(yàn)軸承。試驗(yàn)臺(tái)加載原理如圖2所示，在油缸施力點(diǎn)處的加載力為

F=MS，

(1)

式中：M為油路壓力，MPa；S為加載油缸的面積，mm2。

三點(diǎn)接觸球軸承試驗(yàn)時(shí)，油缸施力點(diǎn)在FB處，則

FB=MS=1.256M，

(2)

FD=MS=12.266M。

(3)

圓柱滾子軸承試驗(yàn)時(shí)，油缸施力點(diǎn)在FB處，則

FA=FB+FC，

(4)

FC=165FB/350，

(5)

FA=1.47FB=1.47MS=1.85M。

(6)

圖2 試驗(yàn)軸承加載原理圖

3 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

為保證試驗(yàn)軸承達(dá)到試驗(yàn)要求的轉(zhuǎn)速，采用試驗(yàn)軸承內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)、外圈固定的形式，軸承內(nèi)圈與軸緊配合，驅(qū)動(dòng)主軸帶動(dòng)內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)，即通過(guò)控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)滿足試驗(yàn)要求轉(zhuǎn)速。

電動(dòng)機(jī)的功率選擇非常重要，功率過(guò)小，會(huì)出現(xiàn)“小馬拉大車”現(xiàn)象，造成電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期過(guò)載，導(dǎo)致其因發(fā)熱而損壞；功率過(guò)大，又造成“大材小用”，增加設(shè)備成本。因此，為使電動(dòng)機(jī)在額定負(fù)載下運(yùn)行，需要根據(jù)軸承的摩擦力矩進(jìn)行計(jì)算選擇。分別計(jì)算試驗(yàn)軸承和陪試軸承的摩擦力矩，取圓柱滾子軸承的摩擦因數(shù)為0.001 1，雙列角接觸球軸承的摩擦因數(shù)為0.002 4，單列三點(diǎn)接觸球軸承的摩擦因數(shù)為0.002 0[1]。

三點(diǎn)接觸球軸承試驗(yàn)時(shí)：最大軸向載荷Fa為50 kN，最大徑向載荷Fr為3 kN，最高轉(zhuǎn)速n1為3 600 r/min，經(jīng)計(jì)算得出總的摩擦力矩M1=24.86 N·m，則所需功率P1=Mn/9 550=9 kW。

圓柱滾子軸承試驗(yàn)時(shí)：軸承不承受軸向力，最大徑向載荷Fr為46 kN，最高轉(zhuǎn)速n為5 500 r/min。同理，計(jì)算得此時(shí)所需功率P2為12 kW。

考慮到直流電動(dòng)機(jī)效率系數(shù)η為0.8，則電動(dòng)機(jī)功率應(yīng)該為P=P2/η=15 kW。但考慮到此試驗(yàn)臺(tái)的擴(kuò)展性及后續(xù)試驗(yàn)，故選擇稍高功率的電動(dòng)機(jī)，最終選定37 kW的高速電動(dòng)機(jī)，額定轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，最高轉(zhuǎn)速8 000 r/min。

4 液壓系統(tǒng)

試驗(yàn)臺(tái)液壓系統(tǒng)工作壓力為14 MPa(油泵最大供油能力)，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。圖中：Ⅰ路油為徑向油缸，壓力范圍0～10 MPa(F折合加載力=P壓力×S加載盤面積，折合加載力為0～120 kN);Ⅱ路油為軸向油缸，壓力范圍0～5 MPa(折合加載力為0～6 280 N)。載荷控制精度為±2%F.S.，可分別無(wú)極調(diào)節(jié)Ⅰ向和Ⅱ向加載油壓，且互不干擾。

圖3 液壓系統(tǒng)

5 潤(rùn)滑及加熱系統(tǒng)

試驗(yàn)臺(tái)潤(rùn)滑、加熱系統(tǒng)如圖4所示，總流量20 L/min，潤(rùn)滑油加熱范圍為室溫至100 ℃，潤(rùn)滑油箱引出3路供油支路對(duì)相應(yīng)的軸承進(jìn)行潤(rùn)滑。試驗(yàn)軸承要求在高溫環(huán)境下運(yùn)轉(zhuǎn)，因此在試驗(yàn)軸承潤(rùn)滑油支路添加加熱裝置，將被加熱的高溫潤(rùn)滑油噴淋到試驗(yàn)軸承上，靠對(duì)流傳熱的方式使試驗(yàn)軸承升溫，從而達(dá)到模擬高溫運(yùn)行環(huán)境的目的。為保證潤(rùn)滑油的溫度恒定，加熱過(guò)的潤(rùn)滑油需經(jīng)溫度傳感器測(cè)試達(dá)到預(yù)期溫度才可使用。由于高溫會(huì)影響軸承壽命，陪試軸承的潤(rùn)滑油路不僅無(wú)需加熱，反而需要兼顧冷卻的作用，因此在回油管路上裝有冷卻裝置(油冷機(jī))，對(duì)回到油箱的油統(tǒng)一冷卻，循環(huán)利用。

圖4 潤(rùn)滑及加熱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

6 電氣控制系統(tǒng)

電氣控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖5所示，通過(guò)溫度傳感器、振動(dòng)傳感器及壓力傳感器將試驗(yàn)軸承的各項(xiàng)參數(shù)傳輸?shù)叫畔⒉杉ㄉ喜⒎答伣o工控機(jī)，最終在工控機(jī)的屏幕上實(shí)時(shí)顯示，從而驗(yàn)證試驗(yàn)軸承是否能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

圖5 電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

另外，變頻器與工控機(jī)通過(guò)串口通信來(lái)控制主軸電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速；系統(tǒng)的報(bào)警和啟動(dòng)、停止通過(guò)開(kāi)關(guān)量板卡控制。

7 結(jié)束語(yǔ)

使用該試驗(yàn)臺(tái)對(duì)圓柱滾子軸承進(jìn)行了徑向加載試驗(yàn)，對(duì)三點(diǎn)接觸球軸承進(jìn)行了軸向和徑向同時(shí)加載試驗(yàn)，并按試驗(yàn)要求進(jìn)行了極限載荷、極限轉(zhuǎn)速試驗(yàn)。試驗(yàn)過(guò)程中，油壓可順利無(wú)極調(diào)節(jié)，油路系統(tǒng)不存在漏油現(xiàn)象且兩路調(diào)節(jié)過(guò)程互不干擾，試驗(yàn)臺(tái)運(yùn)行可靠、平穩(wěn)，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)性能及試驗(yàn)效果，可以為主機(jī)用戶和動(dòng)力渦輪軸承的研發(fā)和檢驗(yàn)單位提供有力的評(píng)估依據(jù)和原始數(shù)據(jù)支持。