軸承試驗機用于航空潤滑油工況模擬分析

郭忠烈，費逸偉，姜旭峰，彭顯才，劉鴻銘

(空軍勤務學院航空油料物資系，江蘇 徐州 221000)

軸承試驗機用于航空潤滑油工況模擬分析

郭忠烈，費逸偉，姜旭峰，彭顯才，劉鴻銘

(空軍勤務學院航空油料物資系，江蘇 徐州 221000)

工況模擬是研究潤滑油實際使用性能的有效手段。文章分析了利用軸承試驗機從轉(zhuǎn)速、載荷、溫度、供油方式以及流量幾個方面模擬航空潤滑油工況的控制方法，介紹了潤滑油工況模擬中的幾種油液監(jiān)測技術，研究了軸承試驗機的發(fā)展以及應用情況，表明用軸承試驗機進行航空潤滑油工況模擬有技術基礎和實用價值。

軸承試驗機；航空潤滑油；工況模擬

0 引言

潤滑劑的軸承試驗是檢驗潤滑劑潤滑功能的一種重要手段，也是進行發(fā)動機臺架試驗之前必須經(jīng)過的試驗程序[1]，航空發(fā)動機軸承在高溫、高速、重載荷的苛刻條件下工作，對其潤滑油的潤滑性提出了更高的要求。實驗室通常采用摩擦-磨損試驗機檢驗潤滑油的潤滑性，由于一般的摩擦-磨損試驗機是將復雜的實際摩擦情況簡化，以便于研究，造成摩擦-磨損試驗機的結果與實際情況難以完全一致，只能在一定條件下表征潤滑油的潤滑性能。潤滑油的軸承試驗不僅是各種航空潤滑油必須進行的考核項目之一，還是進行工況模擬的重要手段[2]，可以更真實地模擬航空潤滑油的實際使用情況，對于研究航空潤滑油實際工況下的性能變化有重要意義。

1 軸承試驗機及其相關技術

1.1軸承試驗機組成與種類

軸承試驗是在軸承試驗機上按照軸承的實際轉(zhuǎn)速、負荷、工作溫度、壓力等條件進行的模擬試驗，是進行軸承工況模擬的一種重要手段，不僅是考核軸承是否滿足設計要求和最終定型裝機的必要內(nèi)容[2]，也是研究潤滑劑、軸承材料特性的有效途徑。軸承試驗機可以用于研究軸承潤滑油膜形成機理、油膜壓力分布和潤滑部位溫度、摩擦系數(shù)、磨損等的變化規(guī)律[3]，是評定潤滑油潤滑性能的可靠方法[4]。

不同行業(yè)對軸承的要求不同，軸承試驗機也有各種不同種類，針對不同行業(yè)有汽車軸承試驗機、鐵路軸承試驗機、航空航天軸承試驗機、艦艇軸承試驗機等，按其試驗類型不同，軸承試驗機又可分為壽命試驗機、模擬試驗機、性能試驗機、材料試驗機、設計驗證試驗機、強化試驗機等。不同的軸承試驗機組成基本相同，通常由支撐平臺、試驗軸承、驅(qū)動裝置、加載裝置、潤滑系統(tǒng)、測控系統(tǒng)等組成，其中支撐平臺和試驗軸承為試驗機主體，驅(qū)動裝置和加載裝置用于實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和負荷的模擬，潤滑系統(tǒng)用于軸承潤滑，同時也實現(xiàn)潤滑油溫度、壓力、流量等狀態(tài)的模擬，測控系統(tǒng)是利用傳感器、計算機、PLC以及控制軟件等實現(xiàn)對轉(zhuǎn)速、載荷、溫度、壓力等參數(shù)的檢測和控制，測控的準確性直接影響模擬效果。

由于航空發(fā)動機的工作條件苛刻，要求試驗機有極高的轉(zhuǎn)速，能承受較大的負荷和試驗溫度，并且要求數(shù)據(jù)準確可靠，這使得航空軸承試驗機相對于其他試驗機結構更加復雜，功率更高，技術要求也更加嚴格。

1.2航空潤滑油工況模擬主要控制方式

利用軸承試驗機進行潤滑油的工況模擬要求試驗機按照實際軸承的工作參數(shù)運行。對于航空潤滑油而言，主要影響工況模擬效果的因素是：潤滑油溫度、軸承轉(zhuǎn)速、軸承負荷、潤滑油供油方式以及流量。

(1)試驗機溫度的控制

航空發(fā)動機潤滑系統(tǒng)相比其他機械設備工作溫度更高，并且隨著飛機速度的增加而升高，表1[5]為航空渦輪發(fā)動機潤滑系統(tǒng)溫度與飛機速度的關系，在軸承試驗機上進行工況模擬要求其潤滑油溫度至少達到實際工作條件的溫度。

表1 航空渦輪發(fā)動機飛行馬赫數(shù)與潤滑系統(tǒng)溫度的關系

軸承試驗機潤滑系統(tǒng)通常采用電加熱管對油箱中的潤滑油直接加熱，然后將加熱后的潤滑油輸送到軸承潤滑部位，以此模擬潤滑油的工作溫度，該方法直接快速，但也容易造成加熱不均，且當溫度過高時容易造成電加熱管附近的潤滑油炭化，堵塞過濾系統(tǒng)，為此，谷運龍[6]等人提出了電磁感應的加熱方式，將電磁感應加熱結合到軸承試驗機高溫潤滑油系統(tǒng)中，該方式克服了傳統(tǒng)電熱管加熱的缺點，加熱和冷卻速度得到提升，且溫度控制也更為精確。

(2)試驗機轉(zhuǎn)速的控制

航空渦輪發(fā)動機的轉(zhuǎn)速在10000 r/min以上，作為工況模擬的軸承試驗機也需要相應的轉(zhuǎn)速。軸承試驗機是通過驅(qū)動裝置帶動軸承運轉(zhuǎn)的，其驅(qū)動方式主要有三相異步電動機驅(qū)動、電主軸直接驅(qū)動和伺服電機驅(qū)動三種方式，其中三相異步電機驅(qū)動方式適用于轉(zhuǎn)速在1000 r/min以內(nèi)；當轉(zhuǎn)速超過10000 r/min時采用電主軸直接驅(qū)動方式，該方式用到的主要部件是電主軸、變頻器、轉(zhuǎn)速傳感器和潤滑冷卻器，其最高轉(zhuǎn)速可達150000 r/min；伺服電機驅(qū)動方式的轉(zhuǎn)速不超過10000 r/min，但它有更寬的調(diào)速范圍和更高的控制精度，其轉(zhuǎn)速控制精度可達0.05%。因而采用電主軸直接驅(qū)動方式能滿足航空發(fā)動機的轉(zhuǎn)速要求。

(3)試驗機載荷的控制

超音速飛機發(fā)動機軸承負荷達到680～900 MPa，而對于渦槳發(fā)動機其減速器齒輪承受的負荷高達1100～1200 MPa[7]，試驗機通過負荷加載裝置加載軸承的負荷。對軸承的負荷加載方式有杠桿砝碼加載、彈簧加載、液靜壓加載、液壓比例自動加載、液壓伺服加載等，其中杠桿砝碼加載方式簡單，但容易因振動而導致負荷不穩(wěn)；彈簧加載方式的加載范圍較??；液靜壓加載方式簡單可靠，加載范圍大，但仍需手動加載；液壓比例自動加載和液壓伺服加載方式可以實現(xiàn)大范圍負荷自動加載，適用于航空軸承試驗機的負荷加載。

(4)試驗機供油方式與流量

由于不同的供油方式和供油流量對潤滑油的工況模擬有很大影響，使用軸承試驗機進行工況模擬時還要考慮試驗機的供油方式以及流量大小。航空發(fā)動機主軸軸承采用的供油方式主要有噴射供油、環(huán)下供油、噴管供油和葉輪供油等，其中常用的是噴射和環(huán)下供油[8]，而潤滑油在渦輪發(fā)動機中不斷循環(huán)，各軸承流量分布不相同，如某型航空發(fā)動機在壓氣機前軸承的流量大致為1～5 L/min，后軸承流量為3～13 L/min，而渦輪軸承達到了7～20 L/min[9]。因此，進行工況模擬時要根據(jù)所研究的發(fā)動機型號選擇與之相同供油方式的試驗機，同時控制其供油流量要與實際流量相同。

1.3航空潤滑油工況模擬的油液監(jiān)控技術

利用軸承試驗機對航空潤滑油工況進行模擬，可以利用油液監(jiān)控技術對潤滑油進行監(jiān)控分析以評價潤滑油潤滑效果，常用的監(jiān)控方法包括紅外光譜、鐵譜、自動磨粒分析和原子光譜分析等。

(1)紅外光譜分析

紅外光譜分析是根據(jù)化合物官能團的特征吸收峰確定化合物類型的方法，可以定量和定性地分析潤滑油中各組分的變化。通過監(jiān)測抗氧劑含量和羰基峰的變化可以判斷潤滑油的氧化程度，監(jiān)測抗磨劑的含量可以判斷抗磨劑失活的條件，監(jiān)測硫酸鹽的含量可以判斷油液中硫化程度和堿性添加劑的消耗情況，利用積炭散射特性會使紅外光譜極限傾斜的特點可以判斷油品中積炭的含量水平[9]，紅外光譜可用于油品中化學組分的變化分析。

(2)鐵譜分析

鐵譜分析技術是利用磁場分離出潤滑油中的磨損顆粒，通過分析磨粒的形貌、大小、數(shù)量和成分判斷設備的磨損情況，從而評價潤滑油的潤滑效果。鐵譜儀可分為分析式鐵譜儀、直讀式鐵譜儀、旋轉(zhuǎn)式鐵譜儀和在線鐵譜儀。前三者都是離線檢測，需要取樣分析，而在線鐵譜儀能夠?qū)崿F(xiàn)在線檢測，適合大型機械設備的狀態(tài)檢測。鐵譜可分析的顆粒范圍大，對直徑為0.1～1000 μm的顆粒都敏感，但鐵譜分析對非鐵質(zhì)顆粒的檢測能力低，且對操作人員的經(jīng)驗以及分析能力都有很大依賴。

(3)自動磨粒分析

自動磨粒分析同樣是通過分析磨粒的大小、數(shù)量等評定設備的磨損情況，相比鐵譜分析技術，自動磨粒分析對操作人員的依賴減少，分析速度更快。由美國海軍研究實驗室和洛克希德·馬丁公司共同研制的LNF-C自動磨粒顆粒分析儀可以對潤滑油中4～100 μm的顆粒進行計數(shù)和形貌識別，測定磨損金屬的大小分布、產(chǎn)生速度、形貌特征，鑒別設備的磨損程度，因而適合用于軸承試驗后的油樣分析。

(4)原子光譜分析

光譜分析是由于金屬原子特定吸收或者發(fā)射一定波長的譜線，根據(jù)吸收或是發(fā)射的特征波長來對潤滑油中金屬元素進行定量和定性分析。美國公司研制的MOA型原子發(fā)射光譜儀可以快速檢測20多種元素，而等離子體光譜儀ICP的檢測范圍更寬，可以檢測60多種元素，并且檢測限低至10-9級，檢測精度達到1%。光譜可分析的元素種類多，速度快且精度高，可通過測定磨粒元素類型和濃度判定磨損的部位和磨損程度，但光譜只能分析小于10 μm的磨粒，也不能分析磨粒的形貌和尺寸等。

2 軸承試驗機的研究與應用

將軸承試驗機用于潤滑脂使用壽命的評定已經(jīng)很成熟，國內(nèi)外都有一些用于潤滑脂的軸承試驗平臺和標準方法，其中有代表性的標準方法包括美國的ASTM D3336《升溫下滾珠軸承中潤滑脂使用壽命的試驗方法》以及FS 791B331.2《高溫下潤滑脂在抗磨軸承中工作性能測定法》，德國的DIN 51821-1989《潤滑脂檢驗使用FAG滾動軸承潤滑脂檢驗機FE9試驗》，我國的SH/T 0428《高溫下潤滑脂在抗磨軸承中工作性能測定法》等。在潤滑油試驗方面，美軍航空潤滑油的軸承試驗方法有FS 791B-3410《航空渦輪油的高溫沉積和沉降特性試驗方法》和FS 791C-3450《航空渦輪潤滑油沉積性試驗方法》，英國航空潤滑油標準中要求潤滑油必須通過相應的軸承臨界溫度試驗，我國也有航空潤滑油全尺寸軸承試驗，可見將軸承試驗機用于潤滑劑的評定已經(jīng)得到廣泛認可。

由于軸承試驗機對于軸承設計、潤滑材料特性、潤滑劑性能等方面的研究都有重要意義，近年來，軸承試驗機的硬件和軟件的開發(fā)一直受到廣大學者的重視。崔海濤等[10]開發(fā)了一種評價軸承潤滑性的軸承試驗平臺，用該平臺模擬汽輪機運轉(zhuǎn)工況，可以實現(xiàn)對主軸轉(zhuǎn)速、徑向加載力、軸瓦表面溫度、潤滑油供油壓力的在線測量和控制，可用于潤滑油氧化耐久性、抗磨損性能、抗腐蝕性能等的評價。耿延龍等[11]針對軋機油膜軸承工作環(huán)境惡劣，對潤滑油性能要求苛刻的特點，研制了軋機油膜軸承試驗機，用于模擬高速線材精軋機組的實際工況，并用該試驗機比較了國外某知名潤滑油公司的潤滑油與蘭州潤滑油研究開發(fā)中心的潤滑油，表明該軸承試驗機能夠模擬高速線材的實際工況，可進行潤滑油的對比試驗。李云峰等[12]研制了航空發(fā)動機中介軸承試驗器，該軸承試驗器針對航空發(fā)動機中介軸承的結構特點而研發(fā)，可以控制軸承的轉(zhuǎn)速、載荷以及溫度等工作參數(shù)，監(jiān)測油膜厚度、溫度、壓力等，用4050航空潤滑油進行試驗，結果表明該軸承試驗器能夠按照設定參數(shù)平穩(wěn)運行，監(jiān)測系統(tǒng)采集和處理數(shù)據(jù)準確。李智剛等[13]針對一臺航空主軸試驗機只能模擬主軸的某一個軸承的情況，設計了航空發(fā)動機軸系軸承試驗機，該試驗機將航空發(fā)動機主軸軸系的重要軸承放在一起進行試驗，可對多個軸承進行工況模擬，節(jié)約了試驗成本和時間。王恒迪等[14]針對軸承試驗機溫度監(jiān)控點多、溫度范圍寬的要求，設計了軸承試驗機的多點溫度監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)方便快速地調(diào)整傳感器類型和增減溫控儀表的數(shù)量，測試性能好，溫度數(shù)據(jù)更新快，滿足各類試驗機對溫度監(jiān)控的要求?？到ǚ宓萚15]利用軋機油膜軸承試驗臺對新研制的油膜軸承油進行試驗，分析了試驗臺運行的穩(wěn)定性，評價不同軋制工況下油膜軸承油的承載性、抗磨性和抗泡性。

通過以上可知，軸承試驗機技術在不斷的發(fā)展之中，伴隨著軸承試驗機性能的提高，可模擬更加苛刻的工作條件，測試數(shù)據(jù)的可靠性和準確性都得到提高，這為利用軸承模擬航空發(fā)動機工況奠定了基礎。同時也發(fā)現(xiàn)，航空軸承試驗機用于航空潤滑油性能的研究應用實例還比較少，但在其他領域軸承試驗機用于評定潤滑油性能已經(jīng)有了成功的應用，這為軸承試驗機應用于航空潤滑油工況模擬提供了可借鑒的寶貴經(jīng)驗。

3 結束語

對潤滑油的工況模擬是研究潤滑油實際使用性能的一種有效手段，而對于航空發(fā)動機潤滑油而言，普通的摩擦-磨損試驗機結果不能完全反應潤滑油的潤滑性能，利用軸承試驗機可以模擬航空發(fā)動機軸承的工作條件，真實地反應航空潤滑油在航空發(fā)動機實際工況下的潤滑性能。

利用航空軸承試驗機進行潤滑油的工況模擬關鍵在于對軸承轉(zhuǎn)速、載荷、溫度、潤滑油供油方式及流量的模擬，對軸承試驗后的油樣進行紅外光譜分析、鐵譜分析、磨粒分析、原子光譜分析等可以作為潤滑油性能評估的依據(jù)，判斷潤滑油在模擬工況下的潤滑效果。從相關文獻可以看出，軸承試驗機技術一直受到廣大研究者的重視，在不斷改進更新中，這為更好地模擬航空潤滑油的工作情況提供了技術支撐，同時，軸承試驗機在其他領域用于潤滑油研究的成功應用也為航空潤滑油的工況模擬提供了參考經(jīng)驗。目前，軸承試驗機用于航空潤滑油工況模擬的實例還比較少，但由于軸承試驗機能較真實地模擬航空發(fā)動機工作條件，且相對于發(fā)動機臺架試驗更加經(jīng)濟快速，軸承試驗機用于航空潤滑油的工況模擬無疑是一個很好的選擇。

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Analysis on Using Bearing Test Machine to Simulate the Working Condition of Aviation Lubricating Oil

GUO Zhong-lie, FEI Yi-wei, JIANG Xu-feng, PENG Xian-cai, LIU Hong-ming

(Department of Aviation Oil and Material, Air Force Logistics College, Xuzhou 221000, China)

Working condition simulation is an effective way to study the actual performance of lubricating oil. In this paper, some control methods were analysed, including about using bearing test machine to simulate the working condition of aviation lubricating oil in respects of speed, load, temperature, supply ways and flow. Several oil liquid monitoring techniques used in working condition simulation of lubricant were introduced, the development and application of bearing test machines were studied. A conclusion was drawn that simulating the working condition of aviation lubricating oil by bearing test machine has technological base and practical value.

bearing test machine; aviation lubricating oil; working condition simulation

10.19532/j.cnki.cn21-1265/tq.2017.06.009

1002-3119(2017)06-0043-04

TE626.34

A

2017-05-22。

郭忠烈，碩士研究生，空軍勤務學院在讀，主要研究方向：航空油料應用技術。E-mail：1241781945@qq.com