郭忠烈，費(fèi)逸偉，姜旭峰，彭顯才，劉鴻銘

(空軍勤務(wù)學(xué)院航空油料物資系，江蘇 徐州 221000)

軸承試驗(yàn)機(jī)用于航空潤滑油工況模擬分析

郭忠烈，費(fèi)逸偉，姜旭峰，彭顯才，劉鴻銘

(空軍勤務(wù)學(xué)院航空油料物資系，江蘇 徐州 221000)

工況模擬是研究潤滑油實(shí)際使用性能的有效手段。文章分析了利用軸承試驗(yàn)機(jī)從轉(zhuǎn)速、載荷、溫度、供油方式以及流量幾個(gè)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(shù)，研究了軸承試驗(yàn)機(jī)的發(fā)展以及應(yīng)用情況，表明用軸承試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行航空潤滑油工況模擬有技術(shù)基礎(chǔ)和實(shí)用價(jià)值。

軸承試驗(yàn)機(jī)；航空潤滑油；工況模擬

0 引言

潤滑劑的軸承試驗(yàn)是檢驗(yàn)潤滑劑潤滑功能的一種重要手段，也是進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)臺架試驗(yàn)之前必須經(jīng)過的試驗(yàn)程序[1]，航空發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)驗(yàn)室通常采用摩擦-磨損試驗(yàn)機(jī)檢驗(yàn)潤滑油的潤滑性，由于一般的摩擦-磨損試驗(yàn)機(jī)是將復(fù)雜的實(shí)際摩擦情況簡化，以便于研究，造成摩擦-磨損試驗(yàn)機(jī)的結(jié)果與實(shí)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(yàn)不僅是各種航空潤滑油必須進(jìn)行的考核項(xiàng)目之一，還是進(jìn)行工況模擬的重要手段[2]，可以更真實(shí)地模擬航空潤滑油的實(shí)際使用情況，對于研究航空潤滑油實(shí)際工況下的性能變化有重要意義。

1 軸承試驗(yàn)機(jī)及其相關(guān)技術(shù)

1.1軸承試驗(yàn)機(jī)組成與種類

軸承試驗(yàn)是在軸承試驗(yàn)機(jī)上按照軸承的實(shí)際轉(zhuǎn)速、負(fù)荷、工作溫度、壓力等條件進(jìn)行的模擬試驗(yàn)，是進(jìn)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(shè)計(jì)要求和最終定型裝機(jī)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(yàn)機(jī)可以用于研究軸承潤滑油膜形成機(jī)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(yàn)機(jī)也有各種不同種類，針對不同行業(yè)有汽車軸承試驗(yàn)機(jī)、鐵路軸承試驗(yàn)機(jī)、航空航天軸承試驗(yàn)機(jī)、艦艇軸承試驗(yàn)機(jī)等，按其試驗(yàn)類型不同，軸承試驗(yàn)機(jī)又可分為壽命試驗(yàn)機(jī)、模擬試驗(yàn)機(jī)、性能試驗(yàn)機(jī)、材料試驗(yàn)機(jī)、設(shè)計(jì)驗(yàn)證試驗(yàn)機(jī)、強(qiáng)化試驗(yàn)機(jī)等。不同的軸承試驗(yàn)機(jī)組成基本相同，通常由支撐平臺、試驗(yàn)軸承、驅(qū)動(dòng)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(yàn)軸承為試驗(yàn)機(jī)主體，驅(qū)動(dòng)裝置和加載裝置用于實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的模擬，潤滑系統(tǒng)用于軸承潤滑，同時(shí)也實(shí)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(jì)算機(jī)、PLC以及控制軟件等實(shí)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(zhǔn)確性直接影響模擬效果。

由于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的工作條件苛刻，要求試驗(yàn)機(jī)有極高的轉(zhuǎn)速，能承受較大的負(fù)荷和試驗(yàn)溫度，并且要求數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，這使得航空軸承試驗(yàn)機(jī)相對于其他試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，功率更高，技術(shù)要求也更加嚴(yán)格。

1.2航空潤滑油工況模擬主要控制方式

利用軸承試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行潤滑油的工況模擬要求試驗(yàn)機(jī)按照實(shí)際軸承的工作參數(shù)運(yùn)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(fù)荷、潤滑油供油方式以及流量。

(1)試驗(yàn)機(jī)溫度的控制

航空發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑系統(tǒng)相比其他機(jī)械設(shè)備工作溫度更高，并且隨著飛機(jī)速度的增加而升高，表1[5]為航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑系統(tǒng)溫度與飛機(jī)速度的關(guān)系，在軸承試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行工況模擬要求其潤滑油溫度至少達(dá)到實(shí)際工作條件的溫度。

表1 航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)飛行馬赫數(shù)與潤滑系統(tǒng)溫度的關(guān)系

軸承試驗(yàn)機(jī)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(dāng)溫度過高時(shí)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(yùn)龍[6]等人提出了電磁感應(yīng)的加熱方式，將電磁感應(yīng)加熱結(jié)合到軸承試驗(yàn)機(jī)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(diǎn)，加熱和冷卻速度得到提升，且溫度控制也更為精確。

(2)試驗(yàn)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制

航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速在10000 r/min以上，作為工況模擬的軸承試驗(yàn)機(jī)也需要相應(yīng)的轉(zhuǎn)速。軸承試驗(yàn)機(jī)是通過驅(qū)動(dòng)裝置帶動(dòng)軸承運(yùn)轉(zhuǎn)的，其驅(qū)動(dòng)方式主要有三相異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)、電主軸直接驅(qū)動(dòng)和伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)三種方式，其中三相異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式適用于轉(zhuǎn)速在1000 r/min以內(nèi)；當(dāng)轉(zhuǎn)速超過10000 r/min時(shí)采用電主軸直接驅(qū)動(dòng)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(dá)150000 r/min；伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dá)0.05%。因而采用電主軸直接驅(qū)動(dòng)方式能滿足航空發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速要求。

(3)試驗(yàn)機(jī)載荷的控制

超音速飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)軸承負(fù)荷達(dá)到680～900 MPa，而對于渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)其減速器齒輪承受的負(fù)荷高達(dá)1100～1200 MPa[7]，試驗(yàn)機(jī)通過負(fù)荷加載裝置加載軸承的負(fù)荷。對軸承的負(fù)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(dòng)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(dòng)而導(dǎo)致負(fù)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(dòng)加載；液壓比例自動(dòng)加載和液壓伺服加載方式可以實(shí)現(xiàn)大范圍負(fù)荷自動(dòng)加載，適用于航空軸承試驗(yàn)機(jī)的負(fù)荷加載。

(4)試驗(yàn)機(jī)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(yàn)機(jī)進(jìn)行工況模擬時(shí)還要考慮試驗(yàn)機(jī)的供油方式以及流量大小。航空發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)中不斷循環(huán)，各軸承流量分布不相同，如某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)在壓氣機(jī)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(dá)到了7～20 L/min[9]。因此，進(jìn)行工況模擬時(shí)要根據(jù)所研究的發(fā)動(dòng)機(jī)型號選擇與之相同供油方式的試驗(yàn)機(jī)，同時(shí)控制其供油流量要與實(shí)際流量相同。

1.3航空潤滑油工況模擬的油液監(jiān)控技術(shù)

利用軸承試驗(yàn)機(jī)對航空潤滑油工況進(jìn)行模擬，可以利用油液監(jiān)控技術(shù)對潤滑油進(jìn)行監(jiān)控分析以評價(jià)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(dòng)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(tuán)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(diǎn)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(xué)組分的變化分析。

(2)鐵譜分析

鐵譜分析技術(shù)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(shè)備的磨損情況，從而評價(jià)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(jī)械設(shè)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(yàn)以及分析能力都有很大依賴。

(3)自動(dòng)磨粒分析

自動(dòng)磨粒分析同樣是通過分析磨粒的大小、數(shù)量等評定設(shè)備的磨損情況，相比鐵譜分析技術(shù)，自動(dòng)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(shí)驗(yàn)室和洛克希德·馬丁公司共同研制的LNF-C自動(dòng)磨粒顆粒分析儀可以對潤滑油中4～100 μm的顆粒進(jìn)行計(jì)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(shè)備的磨損程度，因而適合用于軸承試驗(yàn)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(jìn)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(dá)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(yàn)機(jī)的研究與應(yīng)用

將軸承試驗(yàn)機(jī)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(yàn)平臺和標(biāo)準(zhǔn)方法，其中有代表性的標(biāo)準(zhǔn)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(yàn)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(yàn)使用FAG滾動(dòng)軸承潤滑脂檢驗(yàn)機(jī)FE9試驗(yàn)》，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(yàn)方面，美軍航空潤滑油的軸承試驗(yàn)方法有FS 791B-3410《航空渦輪油的高溫沉積和沉降特性試驗(yàn)方法》和FS 791C-3450《航空渦輪潤滑油沉積性試驗(yàn)方法》，英國航空潤滑油標(biāo)準(zhǔn)中要求潤滑油必須通過相應(yīng)的軸承臨界溫度試驗(yàn)，我國也有航空潤滑油全尺寸軸承試驗(yàn)，可見將軸承試驗(yàn)機(jī)用于潤滑劑的評定已經(jīng)得到廣泛認(rèn)可。

由于軸承試驗(yàn)機(jī)對于軸承設(shè)計(jì)、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(yàn)機(jī)的硬件和軟件的開發(fā)一直受到廣大學(xué)者的重視。崔海濤等[10]開發(fā)了一種評價(jià)軸承潤滑性的軸承試驗(yàn)平臺，用該平臺模擬汽輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)工況，可以實(shí)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(jià)。耿延龍等[11]針對軋機(jī)油膜軸承工作環(huán)境惡劣，對潤滑油性能要求苛刻的特點(diǎn)，研制了軋機(jī)油膜軸承試驗(yàn)機(jī)，用于模擬高速線材精軋機(jī)組的實(shí)際工況，并用該試驗(yàn)機(jī)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(yàn)機(jī)能夠模擬高速線材的實(shí)際工況，可進(jìn)行潤滑油的對比試驗(yàn)。李云峰等[12]研制了航空發(fā)動(dòng)機(jī)中介軸承試驗(yàn)器，該軸承試驗(yàn)器針對航空發(fā)動(dòng)機(jī)中介軸承的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)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(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明該軸承試驗(yàn)器能夠按照設(shè)定參數(shù)平穩(wěn)運(yùn)行，監(jiān)測系統(tǒng)采集和處理數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。李智剛等[13]針對一臺航空主軸試驗(yàn)機(jī)只能模擬主軸的某一個(gè)軸承的情況，設(shè)計(jì)了航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸系軸承試驗(yàn)機(jī)，該試驗(yàn)機(jī)將航空發(fā)動(dòng)機(jī)主軸軸系的重要軸承放在一起進(jìn)行試驗(yàn)，可對多個(gè)軸承進(jìn)行工況模擬，節(jié)約了試驗(yàn)成本和時(shí)間。王恒迪等[14]針對軸承試驗(yàn)機(jī)溫度監(jiān)控點(diǎn)多、溫度范圍寬的要求，設(shè)計(jì)了軸承試驗(yàn)機(jī)的多點(diǎn)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(yàn)機(jī)對溫度監(jiān)控的要求?？到ǚ宓萚15]利用軋機(jī)油膜軸承試驗(yàn)臺對新研制的油膜軸承油進(jìn)行試驗(yàn)，分析了試驗(yàn)臺運(yùn)行的穩(wěn)定性，評價(jià)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(yàn)機(jī)技術(shù)在不斷的發(fā)展之中，伴隨著軸承試驗(yàn)機(jī)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(zhǔn)確性都得到提高，這為利用軸承模擬航空發(fā)動(dòng)機(jī)工況奠定了基礎(chǔ)。同時(shí)也發(fā)現(xiàn)，航空軸承試驗(yàn)機(jī)用于航空潤滑油性能的研究應(yīng)用實(shí)例還比較少，但在其他領(lǐng)域軸承試驗(yàn)機(jī)用于評定潤滑油性能已經(jīng)有了成功的應(yīng)用，這為軸承試驗(yàn)機(jī)應(yīng)用于航空潤滑油工況模擬提供了可借鑒的寶貴經(jīng)驗(yàn)。

3 結(jié)束語

對潤滑油的工況模擬是研究潤滑油實(shí)際使用性能的一種有效手段，而對于航空發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑油而言，普通的摩擦-磨損試驗(yàn)機(jī)結(jié)果不能完全反應(yīng)潤滑油的潤滑性能，利用軸承試驗(yàn)機(jī)可以模擬航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承的工作條件，真實(shí)地反應(yīng)航空潤滑油在航空發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際工況下的潤滑性能。

利用航空軸承試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行潤滑油的工況模擬關(guān)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(yàn)后的油樣進(jìn)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(guān)文獻(xiàn)可以看出，軸承試驗(yàn)機(jī)技術(shù)一直受到廣大研究者的重視，在不斷改進(jìn)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(shù)支撐，同時(shí)，軸承試驗(yàn)機(jī)在其他領(lǐng)域用于潤滑油研究的成功應(yīng)用也為航空潤滑油的工況模擬提供了參考經(jīng)驗(yàn)。目前，軸承試驗(yàn)機(jī)用于航空潤滑油工況模擬的實(shí)例還比較少，但由于軸承試驗(yàn)機(jī)能較真實(shí)地模擬航空發(fā)動(dòng)機(jī)工作條件，且相對于發(fā)動(dòng)機(jī)臺架試驗(yàn)更加經(jīng)濟(jì)快速，軸承試驗(yàn)機(jī)用于航空潤滑油的工況模擬無疑是一個(gè)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(wù)學(xué)院在讀，主要研究方向：航空油料應(yīng)用技術(shù)。E-mail：1241781945@qq.com