汽車水泵軸連軸承試驗機的設計

瞿慶春，申志新，李榮德，楊嘯

(1.洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039；2.洛陽礦山機械工程設計研究院，河南 洛陽 471000)

汽車水泵主要由殼體、帶輪、軸和軸承、滑環(huán)密封及葉輪等組成，其中軸承是決定水泵噪聲及其使用壽命的關鍵部件。隨著汽車工業(yè)規(guī)定的保證功率越來越高，對單獨成套零部件的功能可靠性和使用壽命的要求也越來越高，開展對汽車水泵軸連軸承的性能與壽命試驗研究也成為當務之急。為提高水泵軸連軸承的設計水平及產品質量，為水泵軸承設計和理論分析提供有效的數(shù)據(jù)支持，開發(fā)了一種水泵軸連軸承試驗機，下文介紹試驗機設計及試驗情況。

1 主要技術參數(shù)

試驗軸承內徑為Φ10～32 mm；試驗機最大徑向載荷為8 kN，最高轉速為10 000 r/min，穩(wěn)態(tài)誤差≤±1%；試驗軸承工作介質為水蒸氣；試驗軸承最高環(huán)境溫度為100 ℃；試驗機測控方式為微機自動控制、自動監(jiān)測、自動報警停機和自動記錄；測量參數(shù)為溫度、轉速、主機電流、振動和徑向載荷。

2 結構及設計

該試驗機由試驗主體、床身、傳動部件、液壓加載系統(tǒng)、電氣控制與軟件系統(tǒng)等組成。根據(jù)試驗軸承的安裝特點以及水泵的工作特性，并參考國外汽車水泵軸連軸承試驗機資料，試驗機設計為雙工位，可同時試驗2套軸承，效率較高。試驗主體由電動機、皮帶和驅動主軸進行二級傳動，首先由第一組同步帶輪組合經變頻電動機驅動傳動主軸，再通過另一組楔形帶輪組合驅動試驗軸承，通過控制變頻器可實現(xiàn)試驗機轉速參數(shù)范圍內任意轉速的調控。

試驗主體安裝于一對導軌上，可以自由滑動。試驗中當油缸處于拉的工作狀態(tài)時，就會對試驗主體產生一個拉力，此拉力與楔形皮帶張力相等，且正好作用在軸連軸承上，此力的大小由比例加載系統(tǒng)及液壓缸控制，力傳感器監(jiān)測，對軸承承受的載荷形成一個閉環(huán)控制。同時，通過在壽命試驗的基礎上增加高溫控制箱和水箱，該試驗機還能對軸承進行高溫及防水試驗；電氣控制與軟件系統(tǒng)實現(xiàn)對試驗機的控制以及試驗數(shù)據(jù)的實時顯示和采集，試驗機工作原理如圖1所示。

圖1 試驗機工作原理

2.1 試驗主體結構

試驗主體是試驗機的核心部分，結構如圖2所示。主要由試驗頭組件、導軌組件、水箱組件、徑向加載組件、上蓋及底座組成。主體殼體為剖分式不銹鋼件，分為上蓋與底座2部分，便于拆裝；通過液壓油缸給試驗軸承施加徑向載荷；試驗頭組件安裝在主體底座的套筒上，套筒由上蓋通過螺釘壓緊固定；水箱組件內裝有加熱棒控制水溫。

1—水箱組件；2—底板；3—導軌組件；4—底座；5—上蓋；6—試驗頭組件

2.1.1 試驗頭結構

試驗頭結構直接影響試驗機的可靠性和工作特性。該試驗頭模擬軸連軸承的實際安裝及工作情況，試驗軸承直接安裝在軸承套上(過盈配合)，軸承套上方有一小孔，水蒸氣由小孔進入試驗軸承，軸承套安裝在套筒上；軸承套上安裝有密封件，防止大量水蒸氣進入試驗軸承；試驗軸懸臂端安裝有皮帶輪，考慮到在水環(huán)境下工作，整個試驗頭組件采用9Cr18鋼制造，試驗頭組件如圖3所示。

1—軸承套；2—密封件；3—試驗軸承；4—振動傳感器支架；5—振動傳感器；6—軸套；7—皮帶輪

壽命試驗時需要計算試驗軸承滾道的徑向載荷，可由帶輪徑向載荷計算出試驗軸承滾道的載荷，試驗軸承受力如圖4所示。

圖4 試驗軸承受力圖

由圖4可知

(1)

(2)

式中:P為帶輪徑向載荷；P1為球溝道處徑向載荷；P2為圓柱滾子滾道處徑向載荷；L1為滾道間距；L2為圓柱滾子滾道中心與帶輪中心的間距。

2.1.2 試驗主軸的校核

由于試驗軸承組件中包含了試驗軸，故在設計時不用校核試驗軸的強度及剛性，只需校核試驗軸系的臨界轉速，避免試驗軸系的自振頻率與其強迫振動頻率重合，引起試驗軸系的共振，借助UG NX軟件可完成試驗軸系的模態(tài)分析，模態(tài)分析如圖5所示。

圖5 試驗軸系模態(tài)分析

由試驗軸系模態(tài)分析結果可看出其一階自振頻率為507.1 Hz，試驗機最高轉速為15 000 r/min，在此轉速下變頻電動機的運轉頻率為100 Hz，即試驗機的強迫振動頻率最大為100 Hz。因其一階自振頻率遠大于強迫振動頻率的最大值，故該試驗軸系不會產生共振。

2.2 水箱加熱系統(tǒng)

水箱組件由不銹鋼板焊接而成，連接處用橡皮墊密封防止泄漏。水箱中設有電加熱棒，加熱溫度由溫度傳感器測試并反饋到溫控系統(tǒng)，可實現(xiàn)加熱的自動閉環(huán)控制。通過控制水溫產生水蒸氣，水蒸氣通過軸承套上的小孔進入到軸承后部的密封圈內部，由此模擬水泵軸連軸承的實際工況。

2.3 液壓加載系統(tǒng)

試驗機采用液壓加載方式，液壓加載原理如圖6所示。葉片泵提供的液壓油經過濾后進入閥座，再經過溢流閥后分2路進入比例減壓閥，其在控制器的作用下輸出給定壓力的液壓油，液壓缸拉動安裝有直線導軌的底座把徑向載荷施加到試驗軸承上。

2.4 電動機驅動及傳動系統(tǒng)

該系統(tǒng)由變頻電動機、智能變頻器、傳動軸組件和控制系統(tǒng)組成。因試驗機要求最高轉速為15 000 r/min，變頻電動機最高轉速為3 000 r/min，故該系統(tǒng)采用二級傳動設計。由給定變頻器的控制信號(手動或計算機發(fā)命令)使變頻電動機運轉，并通過同步帶輪驅動傳動主軸，傳動主軸通過楔形帶輪驅動試驗軸承旋轉，其控制原理如圖7所示。

1—吸油過濾器；2—葉片泵；3—電動機；4—空氣濾清器；5—液位計；6—冷卻器；7—管路過濾器；8—溢流閥；9—壓力表；10—比例減壓閥；11—三位四通換向閥；12—壓力傳感器；13—壓力表；14—液壓缸

圖7 傳動系統(tǒng)控制原理圖

2.5 電氣控制與軟件系統(tǒng)

電氣控制與軟件系統(tǒng)是以工業(yè)控制計算機為核心，由操作系統(tǒng)控制單元、計算機測控系統(tǒng)單元、試驗主體測控系統(tǒng)單元和軟件程序組成，完成對整個試驗機的功能控制和信號測試。

測試采集系統(tǒng)主要進行溫度、壓力、振動及轉速等試驗參數(shù)的測試和采集。所有試驗數(shù)據(jù)除了必需使用二次儀表顯示以外，其余均在計算機通信界面上顯示，對主機轉速、徑向載荷、拉壓力等重要試驗參數(shù)可實現(xiàn)雙重顯示，確保關鍵數(shù)據(jù)的可靠性和準確性。

試驗機計算機監(jiān)控系統(tǒng)由工控機、信號采集卡、電壓輸出卡、通訊卡、數(shù)字輸入/輸出卡、信號調理板、功率驅動卡及信號濾波單元等組成，對其中的主機轉速進行閉環(huán)自動控制；對軸承環(huán)境溫度、轉速、載荷及振動，主機電流、電壓等參數(shù)進行實時監(jiān)測、記錄、數(shù)據(jù)處理、顯示和保存。監(jiān)控系統(tǒng)的計算機軟件采用基于Windows操作平臺下的Blander C++Bulder編程工具完成，主要實現(xiàn)對試驗機系統(tǒng)的實時監(jiān)控，試驗過程中如檢測參數(shù)異常，系統(tǒng)可報警停機，同時具有試驗數(shù)據(jù)分析功能。

3 驗證試驗

采用該試驗機對WIR163084X型水泵軸連軸承進行壽命試驗，轉速n=6 000 r/min，環(huán)境溫度為80 ℃，帶輪徑向載荷P為1.248 kN；L1=14.5 mm,L2=23 mm，由 (1)和(2)式可得出P1=1.98 kN，P2=3.22 kN。根據(jù)軸承廠家資料，P1側基本額定動載荷為C01=6.6 kN，P2側基本額定動載荷為C02= 14.1 kN，可知在此試驗條件下試驗軸承P1和P2側的壽命為

(3)

(4)

由此可看出，球軸承側壽命遠小于滾子軸承側壽命，用戶要求該軸承整體壽命應達到210 h，故在此試驗條件下隨機選取4套軸承(編號為1#～4#)進行試驗，結果見表1。

表1 WIR163084X型水泵軸連軸承壽命試驗結果

通過對WIR163084X型水泵軸連軸承的裝機試驗考核了試驗機在高速、高溫和徑向載荷作用下的綜合運行能力及可靠性，4套試驗軸承在210 h總運轉時間內均無異常發(fā)生，運轉過程無非正常停機，表明該試驗機滿足了設計使用要求。

4 結束語

水泵軸連軸承試驗機已交付廠家使用，試驗機可真實地模擬軸承的實際工況，對軸承進行各項性能和耐久性試驗；可測出軸承在不同工況下的載荷、溫升和轉速，并對軸承壽命進行評定。