雙驅(qū)動軸承試驗機(jī)的負(fù)載特性研究

韓紅彪，潘榮銘仁

(河南科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，河南 洛陽 471003)

軸承試驗機(jī)用于測試軸承的各項性能，驗證其是否符合設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，針對試驗中出現(xiàn)的問題改進(jìn)軸承設(shè)計，同時在軸承設(shè)計定型后對軸承的質(zhì)量進(jìn)行檢測。因此，研制相應(yīng)的軸承試驗機(jī)對軸承設(shè)計和制造至關(guān)重要[1-4]。對于某型航空軸承，根據(jù)其特殊的實際工況需求，需設(shè)計專用的雙驅(qū)動軸承試驗機(jī)，為確保試驗機(jī)正常運行，達(dá)到設(shè)計條件，需要研究雙驅(qū)動軸承試驗機(jī)在不同工作條件下的負(fù)載特性，便于正確設(shè)計驅(qū)動系統(tǒng)和選擇電動機(jī)。

1 試驗機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)和受力分析

根據(jù)軸承試驗要求設(shè)計的雙驅(qū)動軸承試驗機(jī)的機(jī)械原理如圖1所示。試驗機(jī)采用臥式設(shè)計，其驅(qū)動軸系分為左、右2個部分，每個軸系都由電動機(jī)、聯(lián)軸器、增速箱、主軸和2套支承軸承組成。左、右側(cè)軸系分別驅(qū)動軸承內(nèi)、外圈旋轉(zhuǎn)。通過固定在試驗機(jī)中部的徑向加載液壓缸向試驗軸承外圈施加徑向載荷Fr(不大于18 kN)；通過固定在外圈軸系支承軸承4軸肩處的加載液壓缸，經(jīng)支承軸承4的外圈向試驗軸承施加軸向載荷Fa(不大于40 kN)。

圖1 雙驅(qū)動軸承試驗機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)簡圖

根據(jù)雙驅(qū)動軸承試驗機(jī)的轉(zhuǎn)速控制要求，試驗機(jī)兩側(cè)的電動機(jī)需帶動試驗軸承內(nèi)、外圈實現(xiàn)同時同向或反向旋轉(zhuǎn)。在試驗機(jī)進(jìn)行帶載荷試驗時，通過增速比為1∶10的增速箱后，試驗機(jī)主軸轉(zhuǎn)速應(yīng)達(dá)到1 500～10 000 r/min，并可實現(xiàn)在此速度區(qū)間內(nèi)的無級調(diào)速。同時，在試驗機(jī)進(jìn)行空載極限轉(zhuǎn)速試驗時，試驗機(jī)主軸轉(zhuǎn)速應(yīng)能達(dá)到30 000 r/min。在上述試驗過程中，主軸轉(zhuǎn)速誤差為±0.5% F.S，主軸的每萬轉(zhuǎn)升降速響應(yīng)時間不超過10 s。

為正確設(shè)計驅(qū)動系統(tǒng)并選擇合適的電動機(jī)，就需要分析試驗機(jī)在不同試驗條件下的負(fù)載特性。在試驗過程中，每個主軸的負(fù)載力矩主要是其上各軸承的摩擦力矩和加速/制動力矩，而各軸承的摩擦力矩與其所承受的徑向力、軸向力和轉(zhuǎn)速等因素密切相關(guān)，需要對每個軸系進(jìn)行受力分析。右側(cè)軸系的簡化受力分析如圖2所示(左右兩側(cè)軸系的受力對稱)，圖中：0為試驗軸承的中心，3和4分別為支承軸承3和支承軸承4的中心，軸承跨距分別為L1和L2。

圖2 右側(cè)軸系簡化受力圖

當(dāng)試驗機(jī)處于高轉(zhuǎn)速試驗階段時，支承軸承和試驗軸承在高速運轉(zhuǎn)的同時受到加載系統(tǒng)所施加的外部載荷的作用，各軸承會產(chǎn)生較大的摩擦力矩，根據(jù)力矩平衡公式可得

F3L1=Fr(L1+L2)，

(1)

F3=F4+Fr，

(2)

(3)

整理 (1)，(2) 式可得

(4)

(5)

2 負(fù)載特性分析

在雙驅(qū)動軸承試驗機(jī)軸系中，試驗軸承為新型角接觸球軸承，單側(cè)軸系采用一對與被測軸承型號相同的角接觸球軸承支承。因此，在進(jìn)行單側(cè)系統(tǒng)中軸承摩擦力矩計算時，需要計算2個支承軸承及試驗軸承的摩擦力矩。單側(cè)系統(tǒng)的總扭矩T等于在加速/制動工況下主軸的加速/制動扭矩Ts與各軸承的總摩擦力矩M之和，即

T=Ts+M，

(6)

(7)

則根據(jù)對應(yīng)的工作轉(zhuǎn)速n計算得單側(cè)系統(tǒng)所需的總功率P為

(8)

式中：α為角加速度，r/s2；m為軸系質(zhì)量，kg；r為軸系平均半徑，m；Δω為單位時間轉(zhuǎn)速增量；t為主軸每萬轉(zhuǎn)加速時間，s。按照設(shè)計要求，α=105 r/s2,r=0.06 m,m=76 kg,t=10 s；將數(shù)值代入(6)與(7)式后，計算出主軸的加速/制動扭矩Ts=14.4 N·m。

當(dāng)進(jìn)行負(fù)載試驗時，對于單側(cè)軸系，軸系總摩擦力矩等于各軸承的摩擦力矩之和，即

M=MB+Mz3+Mz4，

(9)

式中：MB為試驗軸承的旋轉(zhuǎn)摩擦力矩；Mz3，Mz4分別為支承軸承3、支承軸承4的旋轉(zhuǎn)摩擦力矩。

對于軸承摩擦力矩的計算，經(jīng)典計算公式在高速運轉(zhuǎn)條件下考慮的變量較少，計算結(jié)果并不準(zhǔn)確[5]。因此，采用SKF公司提出的計算公式[6]，對于試驗軸承，其摩擦力矩為

MB=Mrr+Msl+Mseal+Mdrag，

(10)

式中：Mrr為滾動摩擦力矩；Msl為滑動摩擦力矩；Mseal為密封件的摩擦力矩；Mdrag為由于拖曳損失、渦流和飛濺等導(dǎo)致的摩擦力矩。各部分的具體計算可查閱文獻(xiàn)[6]。對于軸系中的支承軸承，其摩擦力矩Mz3,Mz4的計算方法與試驗軸承的摩擦力矩計算方法相同。

根據(jù)上述公式可計算得到不同轉(zhuǎn)速下試驗機(jī)主軸的負(fù)載扭矩和功率。某航空軸承在負(fù)載試驗(承受最大徑向載荷和最大軸向載荷)及空載極限轉(zhuǎn)速試驗時驅(qū)動系統(tǒng)的負(fù)載扭矩/功率隨主軸轉(zhuǎn)速的變化如圖3所示。

圖3 某航空軸承負(fù)載扭矩/功率隨主軸轉(zhuǎn)速的變化

由上述分析結(jié)果可知：負(fù)載試驗時系統(tǒng)負(fù)載扭矩達(dá)到最大值，最大扭矩T=83.82 N·m；空載極限轉(zhuǎn)速試驗時系統(tǒng)所需功率最大，最大功率P=105.63 kW。

3 電動機(jī)和變頻器選型

由雙驅(qū)動軸承試驗機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)可知，傳動系統(tǒng)中有增速箱、聯(lián)軸器等環(huán)節(jié)，增速箱為采用8級精度齒輪的二級增速箱，其傳動比為1∶10，每級傳動效率η1=0.97；聯(lián)軸器為梅花接軸聯(lián)軸器，機(jī)械效率η2=0.98。則電動機(jī)所需實際扭矩Tc及實際功率Pc分別為

(11)

(12)

計算可得Tc=92.76 N·m；Pc=116.98 kW。由于電動機(jī)需要負(fù)載啟動，并能夠在快速加、減速過程中進(jìn)入瞬時高負(fù)載狀態(tài)；另外，電動機(jī)采用恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，為與試驗機(jī)的工況需求相適應(yīng)，電動機(jī)選型時需要足夠的功率余量[7]。因此，選擇西門子1LE0系列電動機(jī)，其主要參數(shù)見表1；變頻器則選擇功率模塊為PM240的G120變頻器，其額定輸出功率為250 kW，額定輸出電流為400 A。

表1 電動機(jī)主要參數(shù)

轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)如圖4所示，PLC通過2臺變頻器分別對兩側(cè)軸系電動機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制，同時，使用交叉耦合方式對電動機(jī)進(jìn)行同步控制。

圖4 轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)架構(gòu)圖

4 試驗驗證

根據(jù)上述設(shè)計選型，將所選用電動機(jī)安裝在雙驅(qū)動軸承試驗機(jī)上進(jìn)行了試運行，得到了電動機(jī)在負(fù)載及空轉(zhuǎn)試驗時電動機(jī)的實際運轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖5、圖6所示。由于試驗機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的相關(guān)采樣數(shù)據(jù)在儲存時為斷續(xù)的值，加之試驗時受到擾動，因此實測數(shù)據(jù)出現(xiàn)離散。

從圖5a可以看出：當(dāng)試驗進(jìn)行至t=7 s時，試驗機(jī)進(jìn)行軸向與徑向加載，電動機(jī)轉(zhuǎn)速出現(xiàn)小幅度的下降，在控制策略的作用下，轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)做出反應(yīng)并在2 s后繼續(xù)加速，最終達(dá)到并穩(wěn)定在設(shè)定的主軸轉(zhuǎn)速(10 000 r/min)，說明電動機(jī)滿足驅(qū)動系統(tǒng)所需的最大扭矩要求。從圖6a可以看出：空載極限轉(zhuǎn)速試驗共持續(xù)45 s，電動機(jī)轉(zhuǎn)速在算法控制下呈現(xiàn)相對平穩(wěn)的上升趨勢，在28 s時電動機(jī)達(dá)到預(yù)設(shè)轉(zhuǎn)速(30 000 r/min)，經(jīng)過調(diào)節(jié)后在第31 s時轉(zhuǎn)速達(dá)到穩(wěn)態(tài)。試驗中電動機(jī)最大功率約為120 kW，每萬轉(zhuǎn)的加速響應(yīng)時間均在10 s以內(nèi)，達(dá)到設(shè)計中對于電動機(jī)每萬轉(zhuǎn)升降速響應(yīng)時間的要求，說明所選電動機(jī)滿足試驗機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)所需的最大功率和加速時間。

圖5 某航空軸承負(fù)載試驗結(jié)果

圖6 某航空軸承空載試驗結(jié)果

從圖5b可以看出：在低速階段，由于速度控制策略所設(shè)定的加速度較大，導(dǎo)致電動機(jī)的實際扭矩相比計算結(jié)果較大；隨著轉(zhuǎn)速升高，加速度逐漸下降，實際扭矩與計算結(jié)果接近；從圖6b 看出：電動機(jī)的輸出功率在低速階段受速度控制策略影響，與計算結(jié)果相比較大；隨著轉(zhuǎn)速的升高，加速度逐漸減小并接近計算值；通過多項式擬合法整理試驗數(shù)據(jù)后得到的扭矩/功率曲線的變化趨勢逐漸與計算結(jié)果相一致，驗證了上述計算方法的可靠性。

5 結(jié)束語

試驗機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的整體設(shè)計滿足了某型航空雙轉(zhuǎn)子軸承試驗所需的高轉(zhuǎn)速、快速響應(yīng)的要求。通過試驗與設(shè)計方案相互印證，最終達(dá)到新型軸承試驗機(jī)的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。實際運行中得到的負(fù)載特性數(shù)據(jù)為試驗機(jī)雙驅(qū)動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速控制研究奠定了基礎(chǔ)，保證了試驗機(jī)整體的成功研制。該試驗機(jī)在為我國高轉(zhuǎn)速雙轉(zhuǎn)子軸承研制提供了可靠的試驗設(shè)備的同時，為相關(guān)設(shè)備的后續(xù)研發(fā)提供了參考。