船舶動(dòng)力傳動(dòng)軸承壽命模擬試驗(yàn)方法及試驗(yàn)臺(tái)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

王迪，宋少雷，張斌，陳芳華，卓繼志

(1.中國船舶集團(tuán)有限公司第七〇三研究所，哈爾濱 150010；2.海裝沈陽局哈爾濱地區(qū)某軍事代表室，哈爾濱 150010；3.浙江省機(jī)電產(chǎn)品質(zhì)量檢測所有限公司，杭州 310051)

軸承臺(tái)架模擬試驗(yàn)方法應(yīng)綜合考慮軸承的正常、極端工況以及環(huán)境因素，通過這些因素對(duì)軸承壽命影響因子進(jìn)行分析，確立全面、準(zhǔn)確、經(jīng)濟(jì)、合理的試驗(yàn)參數(shù)和試驗(yàn)方法。試驗(yàn)參數(shù)選擇是軸承臺(tái)架模擬試驗(yàn)方法確立的首要環(huán)節(jié)，主要從軸承使用環(huán)境和使用工況兩方面進(jìn)行分析與確立。對(duì)于軸承使用壽命評(píng)估，試驗(yàn)參數(shù)選擇越全面，試驗(yàn)結(jié)果越準(zhǔn)確，但試驗(yàn)設(shè)備也會(huì)越復(fù)雜，試驗(yàn)成本較大且經(jīng)濟(jì)性較差，有時(shí)甚至?xí)驗(yàn)榧夹g(shù)上的難度而影響產(chǎn)品的研制進(jìn)度。

1 臺(tái)架模擬試驗(yàn)方法

1.1 模擬試驗(yàn)參數(shù)全面性分析

船用軸承應(yīng)考慮的使用環(huán)境因素主要有海洋氣候環(huán)境和海浪波動(dòng)環(huán)境。海洋氣候環(huán)境模擬試驗(yàn)參數(shù)主要有海洋酸性環(huán)境和高低溫濕熱環(huán)境[1]；海浪波動(dòng)環(huán)境模擬試驗(yàn)參數(shù)主要有船舶高速行駛時(shí)的海浪沖擊和船舶泊航時(shí)的海浪波動(dòng)。

船舶動(dòng)力傳動(dòng)裝置軸承使用工況模擬參數(shù)主要有軸承安裝剛性、載荷、轉(zhuǎn)速和潤滑等。軸承安裝剛性模擬試驗(yàn)參數(shù)主要體現(xiàn)在試驗(yàn)工裝設(shè)計(jì)上，應(yīng)包括試驗(yàn)軸和安裝座的材料、熱處理工藝、配合公差等[2]，這些參數(shù)應(yīng)與實(shí)際使用工況一致或相近。載荷與轉(zhuǎn)速最合適的模擬參數(shù)是軸承實(shí)際的工作載荷譜與工作轉(zhuǎn)速譜，在未能獲取軸承實(shí)際工作載荷譜和轉(zhuǎn)速譜時(shí)，也應(yīng)包含軸承實(shí)際工作時(shí)的最大、最小載荷，最高、最低轉(zhuǎn)速等極端工況的模擬，并確定極端工況的大致時(shí)間占比，尤其不能忽略軸承實(shí)際工作時(shí)出現(xiàn)的正反轉(zhuǎn)、套圈轉(zhuǎn)動(dòng)方式、急加載與急卸載、急加速與急減速、軸承承受的彎矩和角向力等工況模擬參數(shù)。軸承潤滑最合適的模擬參數(shù)應(yīng)結(jié)合軸承的實(shí)際潤滑工況，包括潤滑油牌號(hào)、潤滑油溫和潤滑方式等。

1.2 軸承模擬試驗(yàn)參數(shù)合理性選擇

對(duì)于軸承使用壽命評(píng)估，在一臺(tái)試驗(yàn)臺(tái)架上同時(shí)模擬所有環(huán)境、工況參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)是最理想的情況[3-5]，但這會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)臺(tái)架結(jié)構(gòu)復(fù)雜、考核成本大等難題，而且有些參數(shù)從技術(shù)層面上也很難在一臺(tái)試驗(yàn)臺(tái)架上同時(shí)進(jìn)行模擬。因此，應(yīng)根據(jù)軸承具體應(yīng)用部位的工況與環(huán)境，通過軸承壽命影響因子分析分離出暫不進(jìn)行模擬或單獨(dú)進(jìn)行模擬的參數(shù)，只選擇影響因子大且必須同時(shí)在一臺(tái)試驗(yàn)臺(tái)架上進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)M的參數(shù)。

1.2.1 海洋氣候環(huán)境模擬參數(shù)

在試驗(yàn)臺(tái)架上模擬真實(shí)的海洋氣候環(huán)境具有很大難度，而且船舶動(dòng)力傳動(dòng)裝置軸承一般裝配在密閉齒輪箱內(nèi)，多采用噴油或?yàn)R油潤滑，即軸承處于油性環(huán)境中，故海洋氣候環(huán)境模擬參數(shù)試驗(yàn)可以采用強(qiáng)化手段，按GJB 150.9A—2009《軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法 第9部分:濕熱試驗(yàn)》，GJB 150.11A—2009《軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法 第11部分:鹽霧試驗(yàn)》，GJB 270A—2005《艦船滾動(dòng)軸承規(guī)范》等標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行濕熱、鹽霧和人工海水耐腐蝕試驗(yàn)，將自主研制軸承金屬材料與進(jìn)口軸承金屬材料進(jìn)行比對(duì)，評(píng)估自主研制軸承金屬材料及其表面處理的耐海洋環(huán)境能力，不必采用海洋氣候模擬環(huán)境下的全壽命試驗(yàn)。

1.2.2 海浪波動(dòng)環(huán)境模擬參數(shù)

船用設(shè)備均有抗海浪波動(dòng)以及海浪沖擊能力的要求，但對(duì)于軸承尚無單獨(dú)的技術(shù)指標(biāo)要求，故這一參數(shù)相關(guān)技術(shù)指標(biāo)有待進(jìn)一步論證。但由于軸承抗海浪波動(dòng)及海浪沖擊的能力直接影響配套設(shè)備的性能及可靠性，尤其是海浪環(huán)境會(huì)導(dǎo)致軸承提早失效并引發(fā)設(shè)備故障，因此海浪波動(dòng)模擬參數(shù)應(yīng)作為試驗(yàn)可選參數(shù)，并貫穿整個(gè)軸承壽命試驗(yàn)過程。建議軸承運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)時(shí)配以沖擊和波動(dòng)模擬，停運(yùn)試驗(yàn)時(shí)配以波動(dòng)模擬。

軸承海浪波動(dòng)模擬試驗(yàn)參數(shù)實(shí)現(xiàn)的一種有效方法是對(duì)試驗(yàn)臺(tái)架施加海浪沖擊與波動(dòng)的模擬振動(dòng)激勵(lì)。液壓激振器與振動(dòng)臺(tái)面剛性連接，振動(dòng)臺(tái)面則與軸承試驗(yàn)臺(tái)架平板連接，通過相關(guān)配合零件將模擬振動(dòng)激勵(lì)傳遞到試驗(yàn)軸承上，利用4個(gè)液壓激振器進(jìn)行振動(dòng)相位匹配，模擬海浪對(duì)軸承的沖擊與波動(dòng)作用。

1.2.3 高溫環(huán)境模擬參數(shù)

一般情況下，海洋環(huán)境溫度對(duì)船舶動(dòng)力傳動(dòng)裝置軸承壽命的影響不大，但許多工況下軸承實(shí)際工作的潤滑油溫較高，當(dāng)潤滑油溫高于80 ℃時(shí)，應(yīng)加入軸承高溫環(huán)境參數(shù)進(jìn)行模擬試驗(yàn)。潤滑油加熱模擬是較方便的方法，油溫設(shè)置應(yīng)針對(duì)具體部位的工況進(jìn)行分析確定。另外，高溫環(huán)境模擬參數(shù)應(yīng)貫穿整個(gè)軸承壽命試驗(yàn)過程。

1.2.4 使用工況模擬參數(shù)

軸承使用工況模擬參數(shù)一般包括軸承安裝剛性、載荷、轉(zhuǎn)速和潤滑4個(gè)方面，這些參數(shù)以盡可能與實(shí)際使用工況一致或相近為原則。由于這些參數(shù)對(duì)軸承壽命的影響較大，不僅不可缺少，而且應(yīng)同時(shí)體現(xiàn)。工況模擬參數(shù)的確定需要軸承試驗(yàn)工程師與軸承應(yīng)用工程師的緊密合作，除調(diào)查軸承實(shí)際應(yīng)用工況外，還應(yīng)調(diào)查軸承使用中的常見故障和失效模式，評(píng)估各工況對(duì)軸承壽命的影響，結(jié)合影響因子大小確定模擬權(quán)重。

2 模擬試驗(yàn)臺(tái)架主要技術(shù)參數(shù)

2.1 試驗(yàn)軸承類型

根據(jù)船舶動(dòng)力傳動(dòng)裝置滾動(dòng)軸承的實(shí)際使用情況，試驗(yàn)臺(tái)架設(shè)計(jì)的試驗(yàn)對(duì)象應(yīng)包含圓柱滾子軸承、調(diào)心滾子軸承、四點(diǎn)接觸球軸承等，根據(jù)軸承類型和使用工況，試驗(yàn)臺(tái)架設(shè)計(jì)應(yīng)能同時(shí)或單獨(dú)對(duì)試驗(yàn)軸承施加徑向、軸向載荷。

2.2 試驗(yàn)軸承尺寸段范圍

試驗(yàn)臺(tái)架覆蓋尺寸段范圍越廣，其經(jīng)濟(jì)性和精密性就越差，但鑒于小尺寸段軸承(外徑小于440 mm)試驗(yàn)臺(tái)架目前已有不少開發(fā)產(chǎn)品，而大尺寸段軸承(外徑大于520 mm)試驗(yàn)臺(tái)架基本處于空白狀態(tài)，根據(jù)船舶動(dòng)力傳動(dòng)裝置軸承的實(shí)際應(yīng)用情況，試驗(yàn)臺(tái)架的軸承尺寸段范圍設(shè)計(jì)為外徑φ300～780 mm。

2.3 試驗(yàn)軸承運(yùn)轉(zhuǎn)方式與轉(zhuǎn)速

根據(jù)船舶動(dòng)力傳動(dòng)裝置軸承實(shí)際使用情況，一般軸承以內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)為主且存在正反轉(zhuǎn)工況，故試驗(yàn)臺(tái)架以內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)外圈靜止模式設(shè)計(jì)且具備正反轉(zhuǎn)功能，同時(shí)應(yīng)具備旋轉(zhuǎn)時(shí)長、加減速速率可設(shè)置且自動(dòng)切換的功能。基于工況模擬應(yīng)盡可能一致的原則，試驗(yàn)臺(tái)架的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速應(yīng)覆蓋軸承實(shí)際使用的最高轉(zhuǎn)速，且留有高于最高轉(zhuǎn)速20%以上的余量。

2.4 試驗(yàn)載荷

試驗(yàn)臺(tái)架應(yīng)具備對(duì)軸承施加徑向、軸向載荷的功能，且加載、卸載速率應(yīng)滿足動(dòng)力傳動(dòng)裝置極端工況的要求。船舶動(dòng)力傳動(dòng)裝置軸承實(shí)際使用情況表明，由于輕載打滑導(dǎo)致的軸承早期失效故障較多，故在試驗(yàn)臺(tái)架加載系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)既要考慮最大加載能力，又要考慮最小載荷的施加精度。載荷范圍設(shè)計(jì)為徑向載荷Fr=5～250 kN，軸向載荷Fa=2～100 kN。為適應(yīng)不同寬度軸承的試驗(yàn)要求，試驗(yàn)臺(tái)架的徑向加載中心位置應(yīng)可調(diào)，設(shè)計(jì)最大可調(diào)距離為80 mm。

2.5 試驗(yàn)軸承裝機(jī)數(shù)量

由于船舶動(dòng)力傳動(dòng)裝置軸承尺寸段較大，本設(shè)計(jì)將裝機(jī)試驗(yàn)軸承的數(shù)量設(shè)計(jì)為2套，即雙工位試驗(yàn)設(shè)計(jì)，既可提高試驗(yàn)效率，又在技術(shù)上延長驅(qū)動(dòng)支承軸承的壽命。

2.6 狀態(tài)監(jiān)控參數(shù)與控制方式

試驗(yàn)過程中應(yīng)監(jiān)控的軸承狀態(tài)參數(shù)主要有轉(zhuǎn)速、徑向載荷、軸向載荷、振動(dòng)、溫度以及潤滑油溫、驅(qū)動(dòng)電流等。計(jì)算機(jī)控制程序可按試驗(yàn)條件設(shè)定軸承轉(zhuǎn)速譜、載荷譜、潤滑油溫和振動(dòng)激勵(lì)譜等模擬試驗(yàn)參數(shù)，自動(dòng)采集、記錄、保存試驗(yàn)數(shù)據(jù)。不同參數(shù)的數(shù)據(jù)采集周期可進(jìn)行單獨(dú)設(shè)置，且可隨時(shí)調(diào)閱參數(shù)監(jiān)控曲線，當(dāng)溫度、振動(dòng)或電流超過預(yù)設(shè)限值時(shí)，試驗(yàn)臺(tái)架能夠自動(dòng)報(bào)警并停機(jī)。

3 試驗(yàn)臺(tái)架主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

試驗(yàn)臺(tái)架主體結(jié)構(gòu)可采用如圖1所示方案，主要由振動(dòng)激勵(lì)裝置、床身部件、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、加載系統(tǒng)和試驗(yàn)單元組成。

1—驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；2—試驗(yàn)單元；3—加載系統(tǒng)；4—床身部件；5—振動(dòng)激勵(lì)裝置圖1 試驗(yàn)臺(tái)架主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案Fig.1 Design scheme for main structure of test bench

3.1 振動(dòng)激勵(lì)裝置

振動(dòng)激勵(lì)裝置的結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由基座、液壓激振器、振動(dòng)臺(tái)板、伺服閥、傳感器和控制器組成，液壓激振器固定安裝在基座上，并與振動(dòng)臺(tái)板剛性連接。

1—振動(dòng)臺(tái)板；2—液壓激振器(含位移傳感器)；3—基座

振動(dòng)激勵(lì)裝置的工作原理如圖3所示，輸入的目標(biāo)信號(hào)經(jīng)伺服控制器放大后進(jìn)入可控電液伺服閥，伺服閥將與輸入信號(hào)成比例的液壓油輸入液壓缸，通過調(diào)節(jié)液壓油的壓力使液壓缸在垂直方向上往復(fù)振動(dòng)，帶動(dòng)振動(dòng)臺(tái)板和試驗(yàn)臺(tái)架平板做相應(yīng)的沖擊與波動(dòng)模擬，從而實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)臺(tái)架的正弦、隨機(jī)、典型沖擊等海浪波動(dòng)環(huán)境模擬。伺服控制器采用雙閉環(huán)控制，控制原理如圖4所示，通過數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、反饋及分析處理，能獲得較好地控制模擬精度。

圖3 振動(dòng)激勵(lì)裝置工作原理圖Fig.3 Working principle of vibration exciter

圖4 振動(dòng)激勵(lì)裝置控制原理圖Fig.4 Control schematic diagram of vibration exciter

3.2 支承裝置

支承裝置主要包括床身平板和傳動(dòng)箱體兩大部件，傳動(dòng)箱體剛性固定在床身平板上，床身平板則與振動(dòng)臺(tái)板剛性連接。

3.3 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)通過傳動(dòng)帶與傳動(dòng)箱體相連，采用變頻器控制電動(dòng)機(jī)無級(jí)變速，能夠?qū)崿F(xiàn)急加速、急減速、恒速和正反轉(zhuǎn)自動(dòng)切換等模擬功能。傳動(dòng)箱體主要由傳動(dòng)主軸、傳動(dòng)座、固定盤和傳動(dòng)輪等組成。轉(zhuǎn)速精度一般控制在±2%范圍內(nèi)，加減速率根據(jù)軸承使用極端工況確定。傳動(dòng)箱體配置有回路冷卻潤滑系統(tǒng)，潤滑油溫一般控制在60 ℃以內(nèi)。

3.4 加載系統(tǒng)

加載系統(tǒng)主要由液壓站、油缸、加載臂、力傳感器、調(diào)節(jié)裝置和標(biāo)尺等組成。液壓站是加載系統(tǒng)的動(dòng)力源，其原理如圖5所示，通過液壓缸對(duì)試驗(yàn)軸承施加徑向、軸向載荷，經(jīng)力傳感器實(shí)時(shí)反饋監(jiān)測的徑向、軸向載荷，與比例閥形成精確閉環(huán)控制。加載系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮載荷范圍、載荷精度、加卸載速率等因素是否滿足軸承極端使用工況要求，船舶動(dòng)力傳動(dòng)裝置極端工況模擬載荷(尤其是小載荷時(shí))精度應(yīng)控制在±2%范圍內(nèi)。

圖5 液壓站原理圖Fig.5 Schematic diagram of hydraulic station

3.5 試驗(yàn)單元

試驗(yàn)臺(tái)架具有2個(gè)試驗(yàn)單元，分別安裝在驅(qū)動(dòng)軸兩端。試驗(yàn)單元由試驗(yàn)軸承、軸承座、試驗(yàn)軸、加載盤、加載座、內(nèi)圈壓蓋和外圈壓蓋等組成，如圖6所示。試驗(yàn)軸與軸承座的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮材料、熱處理工藝、配合公差等因素與實(shí)際應(yīng)用工況的一致性或相近性。

1,15—加載盤；2,14—內(nèi)圈壓蓋；3,13—試驗(yàn)軸承；4,12—加載座；5,11—軸承座；6,10—外圈壓蓋；7,9—試驗(yàn)軸；8—傳動(dòng)系統(tǒng)圖6 試驗(yàn)單元結(jié)構(gòu)方案示意圖Fig.6 Structure scheme diagram of test unit

4 結(jié)束語

臺(tái)架模擬試驗(yàn)是船舶動(dòng)力傳動(dòng)裝置軸承自主研制成功與否和改進(jìn)提升的重要依據(jù)。臺(tái)架模擬試驗(yàn)應(yīng)包括海浪沖擊與波動(dòng)、軸承工作高溫環(huán)境等環(huán)境模擬參數(shù)和軸承安裝剛性、載荷、轉(zhuǎn)速、潤滑等工況模擬參數(shù)。參數(shù)選取除了考慮軸承壽命影響因子的認(rèn)知和經(jīng)驗(yàn)外，還應(yīng)考慮原用進(jìn)口軸承使用過程中的常見故障和失效模式。

模擬試驗(yàn)臺(tái)架的設(shè)計(jì)除應(yīng)具有這些參數(shù)的模擬功能外，還應(yīng)考慮臺(tái)架部件耐環(huán)境參數(shù)試驗(yàn)的能力。對(duì)于船舶動(dòng)力傳動(dòng)裝置軸承的研制，海洋氣候環(huán)境適用性可以采用強(qiáng)化手段，按現(xiàn)有國軍標(biāo)進(jìn)行評(píng)估，通過評(píng)估后再在試驗(yàn)臺(tái)架上進(jìn)行模擬試驗(yàn)考核。