韋 祥， 李本威， 李 朋， 吳易明， 張 赟

（1.海軍航空大學(xué)航空基礎(chǔ)學(xué)院，山東煙臺(tái) 264001；2.洛陽(yáng)軸承研究所有限公司，河南洛陽(yáng) 471039）

0 引 言

直升機(jī)渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)軸承是支承壓氣機(jī)、自由渦輪、燃?xì)鉁u輪等轉(zhuǎn)子及齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的重要部件，通常工作在高溫、高轉(zhuǎn)速、高載荷的惡劣工況下，承受著高速、熱載荷與機(jī)械載荷的多重作用。嚴(yán)苛的工作環(huán)境造成渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)軸承壽命短、故障率高，嚴(yán)重影響發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性與使用壽命［1］。因此評(píng)估軸承在發(fā)動(dòng)機(jī)中的工作狀態(tài)具有重要的工程意義。

渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)軸承存在軸向徑向載荷、變轉(zhuǎn)速、交變載荷、油潤(rùn)滑等諸多因素，導(dǎo)致軸承具有復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)行為。其中最典型的案例就是高速輕載條件下，軸承極易產(chǎn)生“打滑”現(xiàn)象?！按蚧爆F(xiàn)象導(dǎo)致滾動(dòng)體公轉(zhuǎn)速度與自轉(zhuǎn)速度與理論值［2］有較大偏差，同時(shí)打滑誘發(fā)滾動(dòng)軸承的振動(dòng)噪聲。打滑產(chǎn)生的局部高溫破壞潤(rùn)滑油膜，嚴(yán)重縮短軸承使用壽命［3-5］。由于其復(fù)雜性，軸承中油液潤(rùn)滑作用、熱效應(yīng)、動(dòng)力學(xué)行為、磨損規(guī)律、異?；蚬收咸卣鞯睦碚撗芯刻幱诎l(fā)展階段，對(duì)于上述理論的試驗(yàn)驗(yàn)證更是匱乏，嚴(yán)重制約了渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)軸承狀態(tài)監(jiān)控、早期故障預(yù)警、壽命評(píng)估等技術(shù)的發(fā)展與工程應(yīng)用。

目前，軸承試驗(yàn)平臺(tái)難以同時(shí)滿足超高轉(zhuǎn)速、高溫、大載荷的同時(shí)加載，其結(jié)果與軸承真實(shí)工作狀態(tài)有較大的差距［6］。同時(shí)工業(yè)部門(mén)的試驗(yàn)平臺(tái)更注重軸承產(chǎn)品性能試驗(yàn)，采集參數(shù)少，采樣頻率低，難以成為有效的科研平臺(tái)［7-9］。針對(duì)上述理論與工程需求，本文研發(fā)了渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)軸承試驗(yàn)平臺(tái)。該平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了熱載荷與機(jī)械載荷、高轉(zhuǎn)速工況同步模擬，并對(duì)油液溫度、軸承溫度、軸承磨損金屬顆粒、振動(dòng)、保持架轉(zhuǎn)速、軸心軌跡等進(jìn)行了全方位的監(jiān)測(cè)，為軸承狀態(tài)監(jiān)控、壽命評(píng)估與失效分析、動(dòng)力學(xué)行為等研究提供更有效的試驗(yàn)手段。

1 渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)軸承試驗(yàn)器總體設(shè)計(jì)方案

為模擬軸承在渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)上的潤(rùn)滑、溫度、受力、轉(zhuǎn)速等工況，分析軸承振動(dòng)、保持架轉(zhuǎn)速、打滑、磨損等現(xiàn)象，構(gòu)建了軸承試驗(yàn)平臺(tái)。根據(jù)軸承理論研究與工程需求，以及某型渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)主軸承受力、潤(rùn)滑、轉(zhuǎn)速、幾何尺寸等情況，提出試驗(yàn)器總體指標(biāo)，見(jiàn)表1。

表1 渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)軸承試驗(yàn)器總體設(shè)計(jì)指標(biāo)

某型渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)軸承類(lèi)型有向心推力球、深溝球、角接觸球、圓柱滾子軸承等，軸承內(nèi)徑在20～50 mm，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子最高轉(zhuǎn)速低于35 000 r／min，潤(rùn)滑方式均為油潤(rùn)滑，滑油壓力0.3 MPa。根據(jù)油品特性，設(shè)置滑油加溫區(qū)間為室溫～200℃。為了研究輕載與重載對(duì)軸承運(yùn)動(dòng)與性能的影響，徑向載荷區(qū)間為0～20 kN，軸向載荷區(qū)間0～10 kN。

圖1為渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)軸承試驗(yàn)器系統(tǒng)組成與原理圖。軸承試驗(yàn)器由試驗(yàn)主體與動(dòng)力系統(tǒng)、液壓加載系統(tǒng)、高溫潤(rùn)滑系統(tǒng)、采集與控制系統(tǒng)、滑油金屬屑末傳感器與金屬屑在線定量分析系統(tǒng)、高速振動(dòng)采集與分析系統(tǒng)、采用激光傳感器的保持架測(cè)量裝置等組成。試驗(yàn)器主體主要為軸承提供安裝殼體、各傳感器安裝點(diǎn)、潤(rùn)滑管路連接點(diǎn)、液壓加載端頭連接點(diǎn)。電主軸主要為試驗(yàn)器主體旋轉(zhuǎn)軸提供高轉(zhuǎn)速；液壓加載系統(tǒng)主要為試驗(yàn)軸承提供軸向徑向力；潤(rùn)滑系統(tǒng)主要為試驗(yàn)軸承提供潤(rùn)滑和熱載荷，為支撐軸系提供潤(rùn)滑；采集與控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)整個(gè)試驗(yàn)器的控制與參數(shù)采集。

圖1 軸承試驗(yàn)器系統(tǒng)工作原理圖

軸承試驗(yàn)器工作時(shí)，將軸承轉(zhuǎn)速、軸向力與徑向力、滑油供油溫度、流量等參數(shù)作為系統(tǒng)輸入?yún)?shù)，軸承試驗(yàn)器控制系統(tǒng)對(duì)電主軸輸出轉(zhuǎn)速控制指令，對(duì)高溫潤(rùn)滑系統(tǒng)輸出滑油溫度、流量控制指令，對(duì)液壓加載系統(tǒng)輸出軸向力徑向力控制指令。上述載荷施加在安裝于試驗(yàn)器主體內(nèi)部的試驗(yàn)軸承上，由采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)軸承保持架轉(zhuǎn)速、振動(dòng)、溫度、滑油金屬屑等參數(shù)的監(jiān)測(cè)、采集與分析。

圖2 軸承試驗(yàn)器系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖

為了進(jìn)一步說(shuō)明軸承試驗(yàn)器的整體連接結(jié)構(gòu)與工作原理，各系統(tǒng)組成與連接關(guān)系見(jiàn)圖2。高溫潤(rùn)滑系統(tǒng)為試驗(yàn)軸承提供高溫滑油，常溫潤(rùn)滑系統(tǒng)對(duì)支撐軸承提供常溫滑油；電主軸通過(guò)聯(lián)軸器與旋轉(zhuǎn)軸連接，提供試驗(yàn)所需轉(zhuǎn)速；液壓加載系統(tǒng)通過(guò)軸向力加載端頭與徑向力加載端頭將載荷施加于試驗(yàn)軸承，試驗(yàn)器實(shí)物見(jiàn)圖3。

圖3 渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)軸承試驗(yàn)器實(shí)物圖

2 軸承試驗(yàn)器分系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2.1 軸承試驗(yàn)器主體與動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)軸承試驗(yàn)器主體與動(dòng)力系統(tǒng)是試驗(yàn)器的核心部件，用于試驗(yàn)軸承的安裝、加載、潤(rùn)滑、驅(qū)動(dòng)。軸承主體系統(tǒng)包括安裝殼體、旋轉(zhuǎn)軸、加載軸承、試驗(yàn)軸承、支撐軸承。試驗(yàn)軸承安裝于旋轉(zhuǎn)軸左端，并置于高溫腔體中，加載軸承安裝于旋轉(zhuǎn)軸中部，支撐軸承安裝于旋轉(zhuǎn)軸右端，并置于常溫腔體中。

旋轉(zhuǎn)軸采用短粗軸，目的是避免加載徑向載荷時(shí)旋轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生彎曲形變，加載徑向載荷時(shí)同時(shí)加載彎矩。為方便被試軸承獨(dú)立加載、高溫潤(rùn)滑、監(jiān)測(cè)等，采用懸臂梁結(jié)構(gòu)。電主軸為整個(gè)軸系提供高轉(zhuǎn)速，并具有獨(dú)立的潤(rùn)滑和冷卻系統(tǒng)。軸向加載組件、徑向加載組件分別對(duì)試驗(yàn)軸承施加軸向、徑向載荷。試驗(yàn)器主體與動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4。

圖5是軸承試驗(yàn)器主體與傳感器安裝情況，殼體壓蓋上安裝溫度傳感器以直接測(cè)試軸承外圈溫度，振動(dòng)傳感器測(cè)試主體振動(dòng)以及軸承外圈振動(dòng)，主軸后段安裝電渦流位移傳感器。兩個(gè)電渦流傳感器呈90°垂直分布，測(cè)量旋轉(zhuǎn)軸運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性并繪制軸心軌跡。兩個(gè)加速度振動(dòng)傳感器分別安裝于主體外殼軸向端蓋與徑向端蓋，測(cè)量軸承軸向與徑向振動(dòng)。滑油管路安裝的溫度傳感器測(cè)量滑油進(jìn)油溫度、出油溫度。

圖4 試驗(yàn)器主體與動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖5 軸承試驗(yàn)器主體與傳感器實(shí)物圖

激光傳感器用于測(cè)量保持架轉(zhuǎn)速（滾動(dòng)體公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速），其測(cè)量原理如圖6所示，具體安裝位置見(jiàn)圖7。渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)某軸承是保持架外圈引導(dǎo)方式，保持架與外圈接近，與內(nèi)圈空隙較大，因此將激光傳感器發(fā)射裝置與接收裝置安裝于保持架與內(nèi)圈空隙位置。當(dāng)滾珠旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)切斷激光信號(hào)，旋轉(zhuǎn)過(guò)一定角度后激光接收裝置重新接收信號(hào)，已知軸承滾珠數(shù)后便可以獲得滾動(dòng)體公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速，可以對(duì)軸承打滑現(xiàn)象進(jìn)行分析。

圖6 激光傳感器測(cè)量保持架轉(zhuǎn)速原理圖

圖7 激光傳感器安裝位置圖

2.2 軸承試驗(yàn)器液壓加載系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

液壓加載系統(tǒng)是試驗(yàn)器的關(guān)鍵配套系統(tǒng)之一，試驗(yàn)時(shí)對(duì)試驗(yàn)軸承施加軸向、徑向載荷，該系統(tǒng)總體指標(biāo)參數(shù)：系統(tǒng)壓力16 MPa，系統(tǒng)流量3～10 L／min（可調(diào)節(jié)），系統(tǒng)工作油溫30～55℃，系統(tǒng)介質(zhì)VG46抗磨液壓油，監(jiān)測(cè)參數(shù)軸向徑向壓力、比例閥控制電壓、電磁閥參數(shù)電磁鐵電壓。

圖8為軸承試驗(yàn)器液壓加載系統(tǒng)原理示意圖，液壓加載系統(tǒng)通過(guò)管路和加載端頭與軸承主體連接。液壓泵提供壓力油流經(jīng)溢流閥后分兩路進(jìn)入軸向、徑向比例減壓閥，兩比例減壓閥在控制器的作用下分別輸出給定壓力大小的壓力油，壓力油分別進(jìn)入軸向、徑向油缸。徑向機(jī)械載荷通過(guò)徑向加載端頭直接作用于加載軸承外圈上，徑向機(jī)械載荷通過(guò)旋轉(zhuǎn)軸傳遞于試驗(yàn)軸承；軸向載荷通過(guò)軸向液壓加載端頭直接加載于試驗(yàn)軸承外圈，實(shí)物見(jiàn)圖9。

圖8 液壓加載系統(tǒng)原理示意圖

圖9 液壓加載系統(tǒng)實(shí)物圖

2.3 軸承試驗(yàn)器潤(rùn)滑系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

潤(rùn)滑系統(tǒng)為試驗(yàn)軸承提供潤(rùn)滑油以及熱載荷，總體設(shè)計(jì)指標(biāo)：加熱功率18 kW，供油壓力0～1 MPa，供油流量0～10 L／min，供油溫度室溫～200℃，過(guò)濾精度10～50μm，溫控誤差≤±1℃，加熱時(shí)間≤15 min，監(jiān)測(cè)參數(shù)試驗(yàn)軸承和支撐軸承供油溫度、回油溫度、供油流量、供油壓力、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、電動(dòng)機(jī)電流。其原理示意圖見(jiàn)圖10，實(shí)物圖見(jiàn)圖11。

圖10 潤(rùn)滑系統(tǒng)工作原理示意圖

圖11 潤(rùn)滑系統(tǒng)組成實(shí)物圖

由圖10和11可知，潤(rùn)滑系統(tǒng)包含常溫和高溫兩套獨(dú)立供、回油裝置。常溫潤(rùn)滑系統(tǒng)通過(guò)管路與軸承主體常溫腔體連接，潤(rùn)滑支撐軸承。高溫潤(rùn)滑系統(tǒng)通過(guò)管路與軸承主體高溫腔體連接，加熱并潤(rùn)滑試驗(yàn)軸承。其潤(rùn)滑過(guò)程如下：1號(hào)滑油泵將滑油從油箱泵至管道加熱器進(jìn)行加溫，管道加熱器將滑油加熱至指定溫度并對(duì)高溫腔體中的試驗(yàn)軸承進(jìn)行加溫與潤(rùn)滑。采用管道加熱器進(jìn)行加熱的方式可以更快地對(duì)滑油進(jìn)行加熱，滿足試驗(yàn)軸承熱載荷加載的實(shí)時(shí)性。同時(shí)管道加熱器采用電加熱，具有安全系數(shù)高，控制精度高等優(yōu)點(diǎn)。2號(hào)滑油泵將滑油從油箱泵至常溫腔體的支撐軸承。高溫回油流經(jīng)金屬屑傳感器后與常溫滑油匯合，經(jīng)風(fēng)扇冷卻器后由回油泵泵回滑油箱。采用兩套獨(dú)立的供油系統(tǒng)是為了避免高溫與常溫滑油混合導(dǎo)致熱損失，提高熱載荷加載精度。兩套獨(dú)立的系統(tǒng)也更便于設(shè)置多種試驗(yàn)工況，更加靈活自主。獨(dú)立供回油的方案避免了支撐軸承油路對(duì)滑油溫度、滑油壓力、磨損金屬顆粒等參數(shù)的影響，測(cè)量的技術(shù)參數(shù)嚴(yán)格反映試驗(yàn)軸承的情況。

2.4 軸承試驗(yàn)器采集與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

采集與控制系統(tǒng)試驗(yàn)器的電控與計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)由電控柜、變頻器、傳感器、放大器、低壓電氣元件、工控機(jī)、信號(hào)采集卡、通信卡、信號(hào)調(diào)理板、功率驅(qū)動(dòng)卡、信號(hào)濾波單元以及軟件程序等組成，主要用于實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)器轉(zhuǎn)速、載荷、環(huán)境溫度等功能的自動(dòng)控制以及溫度、振動(dòng)、電流等測(cè)試參數(shù)的數(shù)據(jù)采集與傳輸。轉(zhuǎn)速、軸向徑向力、溫度控制原理如圖12～14所示。軸承試驗(yàn)器具有手動(dòng)與自動(dòng)兩種控制模式。手動(dòng)模式用于系統(tǒng)的調(diào)試，自動(dòng)模式用于正式試驗(yàn)的控制。

試驗(yàn)器運(yùn)行時(shí)由計(jì)算機(jī)根據(jù)軟件程序發(fā)出指令信號(hào)，通過(guò)變頻器控制電主軸的啟停以及轉(zhuǎn)速變化，電主軸實(shí)際轉(zhuǎn)速值由轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)得并反饋給計(jì)算機(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié)，形成閉環(huán)控制，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制原理如圖12所示。

圖12 轉(zhuǎn)速控制原理示意圖

液壓加載系統(tǒng)采用閉環(huán)控制比例減壓加載方式，其原理如圖13所示。由于加載的快速響應(yīng)問(wèn)題，選用動(dòng)態(tài)性能較好的比例減壓閥和放大器。計(jì)算機(jī)根據(jù)軟件程序發(fā)出指令信號(hào)，指令信號(hào)經(jīng)放大器后控制比例閥，比例閥驅(qū)動(dòng)油缸給軸承提供軸向徑向載荷。油缸壓力作為反饋參數(shù)提供給工控機(jī)，采用閉環(huán)控制方式對(duì)軸承液壓加載系統(tǒng)進(jìn)行控制。

圖13 軸向徑向力控制原理示意圖

試驗(yàn)潤(rùn)滑系統(tǒng)滑油溫度控制，采用計(jì)算機(jī)通訊板卡或手動(dòng)調(diào)節(jié)參數(shù)的方式向溫控儀發(fā)送設(shè)定溫度，溫控儀向固態(tài)繼電器發(fā)送出發(fā)電壓信號(hào)，加熱元件工作。溫度傳感器將實(shí)測(cè)溫度信號(hào)反饋給溫控儀，根據(jù)輸入溫度信號(hào)調(diào)節(jié)固態(tài)繼電器輸出，形成閉環(huán)控制，控制原理如圖14所示。

圖14 溫度控制原理示意圖

圖15所示為軸承試驗(yàn)器采集軟件界面，顯示參數(shù)可根據(jù)需求進(jìn)行設(shè)置?？筛鶕?jù)具體情況對(duì)各監(jiān)測(cè)參數(shù)設(shè)置報(bào)警值，當(dāng)監(jiān)測(cè)參數(shù)超出閾值后報(bào)警并自動(dòng)停機(jī)。振動(dòng)數(shù)據(jù)有兩種采集模式，一種是實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，便于后續(xù)分析。另一種是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行后臺(tái)處理，實(shí)時(shí)顯示于采集軟件界面，便于對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。

圖15 軸承試驗(yàn)器采集軟件界面圖

3 渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)軸承打滑試驗(yàn)

由于缺乏軸承試驗(yàn)器以及保持架轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置，保持架打滑現(xiàn)象一直處于理論研究階段，試驗(yàn)分析極為缺乏。因此，根據(jù)建立的軸承試驗(yàn)器以及保持架測(cè)量裝置，對(duì)保持架打滑現(xiàn)象進(jìn)行了研究。由于打滑試驗(yàn)是一種危險(xiǎn)試驗(yàn)，設(shè)置不當(dāng)容易導(dǎo)致軸承嚴(yán)重打滑，溫升加劇，會(huì)損壞試驗(yàn)臺(tái)及試驗(yàn)軸承，因此對(duì)于軸向力進(jìn)行交替設(shè)置。內(nèi)圈轉(zhuǎn)速為3 000 r／min時(shí)軸承只承受徑向力，軸向力為0。內(nèi)圈轉(zhuǎn)速為6 000 r／min時(shí)同時(shí)施加軸向力和徑向力，作為保護(hù)系統(tǒng)的過(guò)渡態(tài)，依此類(lèi)推。試驗(yàn)方案見(jiàn)表2。

表2 打滑試驗(yàn)工況設(shè)置

圖16所示為打滑試驗(yàn)保持架轉(zhuǎn)速曲線，軸承不產(chǎn)生打滑時(shí)，保持架轉(zhuǎn)速與內(nèi)圈轉(zhuǎn)速比值為定值。針對(duì)某型軸承，不打滑時(shí)該比值理論計(jì)算結(jié)果為0.386。內(nèi)圈轉(zhuǎn)速為3 000 r／min時(shí)，保持架轉(zhuǎn)速為1 115 r／min，與內(nèi)圈轉(zhuǎn)速的比值為0.371 7，低于保持架轉(zhuǎn)速正常比值，產(chǎn)生輕微打滑。內(nèi)圈轉(zhuǎn)速為6 000 r／min且承受軸向徑向載荷，該比值為0.386，不打滑。9 000 r／min軸向空載作用下比值降約為0.35，打滑明顯加重。12 000 r／min工況下，軸向力小載荷作用下，即使徑向載荷較大，依舊發(fā)生打滑現(xiàn)象，比值均值為0.36。15 000 r／min工況下，軸承在不承受軸向力時(shí)保持架轉(zhuǎn)速迅速下降，比值在0.21～0.25之間，產(chǎn)生嚴(yán)重打滑，連續(xù)打滑會(huì)導(dǎo)致軸承溫度的激升與破壞。同時(shí)，轉(zhuǎn)速大于9 000 r／min時(shí)，保持架轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定，波動(dòng)較大，保持架易產(chǎn)生破壞。對(duì)比6 000 r／min與12 000 r／min兩種工況，軸承在承受相同載荷情況下，高轉(zhuǎn)速條件下也容易產(chǎn)生打滑。軸向力和徑向力對(duì)軸承打滑均有一定抑制作用，高轉(zhuǎn)速下需要更大的載荷來(lái)抑制打滑。

圖16 載荷對(duì)保持架轉(zhuǎn)速的影響

4 結(jié) 語(yǔ)

設(shè)計(jì)了一種渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)高速軸承試驗(yàn)器，該裝置具備向試驗(yàn)軸承同步加載熱載荷、軸向和徑向機(jī)械載荷和高轉(zhuǎn)速工況的能力，可以更加真實(shí)地模擬軸承在發(fā)動(dòng)機(jī)上的工況。該試驗(yàn)器對(duì)軸承油液溫度、軸承溫度、軸承磨損金屬顆粒、振動(dòng)、保持架轉(zhuǎn)速、軸心軌跡等進(jìn)行了全方位的監(jiān)測(cè)，為軸承狀態(tài)監(jiān)控、壽命評(píng)估與失效分析、動(dòng)力學(xué)行為等研究提供有效的試驗(yàn)平臺(tái)。通過(guò)對(duì)軸承保持架打滑現(xiàn)象的試驗(yàn)研究，驗(yàn)證了系統(tǒng)的可靠性，并從試驗(yàn)角度分析了影響保持架打滑的因素，為防止保持架打滑提供理論和數(shù)據(jù)支撐。