徐昌語(yǔ)，劉 祎，杜海濤

(北京航空精密機(jī)械研究所 精密制造技術(shù)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100076)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承載荷大、轉(zhuǎn)速高、工作環(huán)境復(fù)雜，易產(chǎn)生失效，其典型的失效形式是滾動(dòng)接觸疲勞。一旦軸承疲勞失效形成，后果特別嚴(yán)重，往往會(huì)造成飛行事故。而我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承、傳動(dòng)齒輪等關(guān)鍵部件的性能、質(zhì)量、壽命是長(zhǎng)期以來(lái)的“老大難”問(wèn)題[1]。為了提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承的耐磨性能和疲勞壽命，需要選用新材料，探索新工藝。但對(duì)于新材料和新工藝，需要大量的疲勞試驗(yàn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為軸承設(shè)計(jì)和壽命評(píng)估提供依據(jù)。

目前，國(guó)外已經(jīng)研制出許多疲勞試驗(yàn)設(shè)備。美國(guó)從20世紀(jì)50年代末起，為了發(fā)展先進(jìn)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)，解決關(guān)鍵的航空軸承材料、制造、潤(rùn)滑技術(shù)，專門(mén)研制相應(yīng)的疲勞試驗(yàn)設(shè)備，可快速、高效、低成本地開(kāi)展材料接觸疲勞性能試驗(yàn)，對(duì)美國(guó)發(fā)展和擁有全球領(lǐng)先的航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造技術(shù)發(fā)揮了非常重要的作用[2]。我國(guó)在這方面也開(kāi)展了相應(yīng)的工作，洛軸、哈軸以及沈陽(yáng)606研究所等都研制過(guò)類似設(shè)備，并開(kāi)展了部分鋼球或軸承的疲勞試驗(yàn)[3-4]。但是，由于其載荷小、轉(zhuǎn)速低，不能滿足航空發(fā)動(dòng)機(jī)大載荷、高轉(zhuǎn)速、長(zhǎng)壽命接觸疲勞試驗(yàn)的要求。

為了更好地開(kāi)展抗疲勞技術(shù)基礎(chǔ)研究，獲得航空發(fā)動(dòng)機(jī)主軸承壽命及可靠性的數(shù)據(jù)和規(guī)律，分析軸承失效原因以及提高軸承的使用壽命和可靠性，解決長(zhǎng)壽命軸承材料、制造和配合中存在的問(wèn)題，需要研制專用的航空發(fā)動(dòng)機(jī)主軸承試驗(yàn)機(jī)，并進(jìn)行大量的性能試驗(yàn)和壽命試驗(yàn)研究，給地面試車(chē)提供必要的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和依據(jù)[5]。

所設(shè)計(jì)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承疲勞試驗(yàn)機(jī)采用大功率高速電機(jī)驅(qū)動(dòng)(最大轉(zhuǎn)速可達(dá)20000 r/min)，利用電液伺服缸雙側(cè)并聯(lián)加載(最大載荷可達(dá)150 kN)，基于西門(mén)子S7-1500PLC搭建測(cè)控系統(tǒng)，可模擬渦扇、渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)主軸軸承工況，進(jìn)行該類發(fā)動(dòng)機(jī)主軸軸承的高速性能試驗(yàn)、超載試驗(yàn)、超轉(zhuǎn)試驗(yàn)、耐久性試驗(yàn)和斷油試驗(yàn)等。設(shè)備能按預(yù)設(shè)試驗(yàn)譜線準(zhǔn)確控制運(yùn)行參數(shù)，自動(dòng)運(yùn)行至完成試驗(yàn)，并且能夠?qū)υ囼?yàn)過(guò)程進(jìn)行運(yùn)行監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集和保存。

1 設(shè)備主要技術(shù)指標(biāo)

設(shè)備功率175 kW；試驗(yàn)最高轉(zhuǎn)速16000 r/min；軸向最大載荷150 kN；徑向最大載荷20 kN；載荷加載精度優(yōu)于0.5%FS；試驗(yàn)潤(rùn)滑最大供油壓力1 MPa，最大供油流量30 L/min，最高供油溫度200 ℃；試驗(yàn)軸承最大外徑300 mm。

2 試驗(yàn)機(jī)的關(guān)鍵系統(tǒng)組成

該軸承疲勞試驗(yàn)機(jī)的各系統(tǒng)配置及相互關(guān)系如圖1所示，其中關(guān)鍵系統(tǒng)主要包括機(jī)械系統(tǒng)(試驗(yàn)主體)、動(dòng)力系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)、加載系統(tǒng)、測(cè)控系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)等。

圖1 軸承試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)總圖

機(jī)械系統(tǒng)是整個(gè)軸承試驗(yàn)機(jī)的主體，采用臥式結(jié)構(gòu)，主要包括試驗(yàn)臺(tái)體、安裝平臺(tái)、高速電機(jī)安裝座等。安裝平臺(tái)采用鑄造件，具有良好的減震和承載能力。高速電機(jī)、高速聯(lián)軸節(jié)、主軸、試驗(yàn)腔、支撐殼體、支點(diǎn)軸承、加載油缸等均放置在一個(gè)平臺(tái)，高速電機(jī)與主軸之間用高速聯(lián)軸器相連。軸承試驗(yàn)機(jī)的機(jī)械系統(tǒng)三維設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 軸承試驗(yàn)機(jī)機(jī)械系統(tǒng)三維設(shè)計(jì)圖

試驗(yàn)臺(tái)體采用封閉式對(duì)稱結(jié)構(gòu)布局，兩個(gè)試驗(yàn)軸承腔位于主軸中央，支承軸承位于主軸兩端；動(dòng)力系統(tǒng)經(jīng)彈性聯(lián)軸節(jié)與主軸右端連接；軸向載荷由兩個(gè)對(duì)稱布置的油缸加載，徑向載荷由兩個(gè)油缸分別施加推力和拉力實(shí)現(xiàn)加載。試驗(yàn)臺(tái)體剖面圖如圖3所示。

圖3 軸承試驗(yàn)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)體剖面圖

動(dòng)力系統(tǒng)為軸承試驗(yàn)機(jī)的試驗(yàn)軸系提供動(dòng)力，根據(jù)試驗(yàn)要求，提供需要的轉(zhuǎn)速和扭矩，具備速度反饋和調(diào)速功能；主要由主電機(jī)及配套伺服驅(qū)動(dòng)器調(diào)速裝置、冷卻水系統(tǒng)、高速聯(lián)軸器等構(gòu)成；主電機(jī)采用高速伺服電機(jī)，電機(jī)功率175 kW，最高轉(zhuǎn)速20000 r/min。

潤(rùn)滑系統(tǒng)包括試驗(yàn)潤(rùn)滑系統(tǒng)和設(shè)備潤(rùn)滑系統(tǒng)兩部分。試驗(yàn)潤(rùn)滑系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)為試驗(yàn)軸承提供潤(rùn)滑保障以及符合試驗(yàn)要求的高溫試驗(yàn)工況，設(shè)備潤(rùn)滑系統(tǒng)為支承軸承提供潤(rùn)滑保障。

加載系統(tǒng)利用液壓缸對(duì)被試軸承實(shí)施軸向和徑向加載，加載力采用高精度力傳感器進(jìn)行測(cè)量和反饋，采取電液伺服缸加載的形式，通過(guò)電機(jī)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)伺服缸的位置，控制液壓缸的油壓大小，實(shí)現(xiàn)加載的全閉環(huán)控制。

測(cè)控系統(tǒng)包括控制系統(tǒng)和測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)軸承試驗(yàn)機(jī)各個(gè)系統(tǒng)的控制和所有試驗(yàn)參數(shù)信號(hào)的采集。

電氣系統(tǒng)為整個(gè)軸承試驗(yàn)機(jī)的用電設(shè)備提供電力保障。

3 試驗(yàn)機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 測(cè)控系統(tǒng)的組成

試驗(yàn)機(jī)測(cè)控系統(tǒng)主要作用是控制動(dòng)力系統(tǒng)、加載系統(tǒng)和潤(rùn)滑系統(tǒng)，實(shí)時(shí)采集試驗(yàn)機(jī)轉(zhuǎn)速、載荷、溫度、壓力、流量和振動(dòng)等試驗(yàn)參數(shù)，對(duì)試驗(yàn)轉(zhuǎn)速、滑油溫度、載荷實(shí)施閉環(huán)控制。

測(cè)控系統(tǒng)基于西門(mén)子PLC主控站搭建，主要由上位工控機(jī)、西門(mén)子S7-1500PLC系統(tǒng)(包含16路光電隔離開(kāi)關(guān)量I/O模塊、8通道高性能模擬量A/D模塊、8通道高速模擬量D/A模塊以及RS485通信模塊等)、各類信號(hào)傳感器和控制電磁閥，以及振動(dòng)測(cè)試分析系統(tǒng)等組成；采用現(xiàn)場(chǎng)分布式總線控制，完成對(duì)試驗(yàn)機(jī)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和驅(qū)動(dòng)裝置的控制任務(wù)。試驗(yàn)機(jī)測(cè)控系統(tǒng)原理框圖如圖4所示。

圖4 試驗(yàn)機(jī)測(cè)控系統(tǒng)原理框圖

3.2 試驗(yàn)參數(shù)的采集測(cè)試

試驗(yàn)機(jī)需要對(duì)試驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控，實(shí)時(shí)采集并顯示試驗(yàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速、加載載荷、軸承外圈溫度以及振動(dòng)等信號(hào)，并對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和保存。

如何把試驗(yàn)參數(shù)的非電量信號(hào)精確地測(cè)試出來(lái)，采用何種方法把它們轉(zhuǎn)換成PLC主控站需要的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)是本試驗(yàn)機(jī)測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容之一。為了達(dá)到測(cè)試精確、數(shù)據(jù)可靠的目的，通過(guò)對(duì)不同的試驗(yàn)參數(shù)測(cè)量分析，分別選用了不同的測(cè)試方法。

主軸轉(zhuǎn)速測(cè)量：電機(jī)轉(zhuǎn)速可以利用高速電機(jī)配套的編碼器檢測(cè)獲得，但為了進(jìn)行系統(tǒng)振動(dòng)頻譜分析，采用光電轉(zhuǎn)速傳感器進(jìn)行主軸轉(zhuǎn)速檢測(cè)，測(cè)量量程范圍0～20000 r/min，信號(hào)通過(guò)轉(zhuǎn)速采集模塊進(jìn)行采集處理。

載荷測(cè)量：兩個(gè)軸向載荷力傳感器采用量程10 t、直線度為±0.1%FS 的柱式負(fù)荷傳感器，由于采用兩側(cè)對(duì)稱并聯(lián)加載的方式，可以滿足軸向最大載荷150 kN的技術(shù)要求；徑向載荷力傳感器采用量程2.5 t、直線度為±0.1%FS的 S型拉壓式負(fù)荷傳感器。力傳感器經(jīng)過(guò)信號(hào)放大模塊處理后變送為4～20 mA電流信號(hào)，傳送給PLC主控站模擬量采集模塊。

溫度測(cè)量：試驗(yàn)機(jī)被試軸承溫度檢測(cè)采用變送一體Pt100溫度傳感器，測(cè)量范圍-50～300 ℃，變送器輸出4～20 mA電流信號(hào)提供給PLC模擬量采集模塊。

振動(dòng)測(cè)量：振動(dòng)傳感器選用高精度加速度傳感器，加速度測(cè)量范圍±50g；振動(dòng)信號(hào)需要實(shí)時(shí)高速采集，故采用DH8303高速動(dòng)態(tài)信號(hào)分析系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)采集和分析處理。

西門(mén)子S7-1500高速高性能模擬量采集模塊具有16位采樣精度，最大采樣頻率可達(dá)16 kHz，信號(hào)采集的穩(wěn)定性和可靠性高，而載荷和溫度測(cè)量采用電流信號(hào)能夠提高信號(hào)的抗干擾能力。

3.3 信號(hào)采集的防干擾設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)的軸承試驗(yàn)機(jī)最大功率超過(guò)200 kW，對(duì)測(cè)控系統(tǒng)的信號(hào)采集會(huì)產(chǎn)生較大干擾；而信號(hào)干擾與系統(tǒng)的接地方式有很大關(guān)系，接地技術(shù)是抑制噪聲的重要手段。在測(cè)控系統(tǒng)中不僅要進(jìn)行人身和設(shè)備安全的保護(hù)接地，而且要進(jìn)行使系統(tǒng)安全正常工作和防電磁干擾的接地。若接地處理不好，就會(huì)產(chǎn)生共模干擾。產(chǎn)生共模干擾的原因是計(jì)算機(jī)、變頻器和主軸電機(jī)采用了共同的地線，為了減小共模干擾，應(yīng)將它們各自單獨(dú)接地。同時(shí)，所有的電源地線、信號(hào)地線和屏蔽地線都要接到各自的總地線上，最后把3類地線匯總到公共的地線上。

另外，電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮增加濾波器和輸入輸出電抗器；元器件布局合理，信號(hào)線與動(dòng)力線分開(kāi)布線,所有信號(hào)電纜采用屏蔽電纜并可靠接地。

3.4 測(cè)控軟件的開(kāi)發(fā)

測(cè)控軟件系統(tǒng)包括PLC控制程序和上位機(jī)組態(tài)軟件。PLC控制程序基于西門(mén)子TIA 博途軟件平臺(tái)SIMATIC STEP 7軟件進(jìn)行開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)試驗(yàn)機(jī)關(guān)鍵系統(tǒng)的控制與信號(hào)采集。

上位機(jī)組態(tài)軟件基于VS2015平臺(tái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，監(jiān)測(cè)并控制整個(gè)試驗(yàn)機(jī)的狀態(tài)和運(yùn)行。軟件的總體架構(gòu)采用分層架構(gòu)，如圖5所示，在邏輯上將軟件系統(tǒng)分為操作系統(tǒng)層、數(shù)據(jù)層、業(yè)務(wù)邏輯層以及表現(xiàn)層。

圖5 測(cè)控系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

表現(xiàn)層：該層即為通常所說(shuō)的用戶界面層，是軟件系統(tǒng)的界面部分，負(fù)責(zé)接受用戶輸入、顯示系統(tǒng)輸出，負(fù)責(zé)其他功能模塊的協(xié)調(diào)調(diào)用。

業(yè)務(wù)邏輯層：該層為整個(gè)軟件系統(tǒng)的核心部分，負(fù)責(zé)處理具體的業(yè)務(wù)邏輯，包括試驗(yàn)人員信息管理、傳感器參數(shù)設(shè)置、試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置、載荷譜管理、試驗(yàn)控制、數(shù)據(jù)顯示和保存管理等模塊；各個(gè)業(yè)務(wù)功能模塊通過(guò)中間接口HslCommunication.dll控件實(shí)現(xiàn)與PLC控制系統(tǒng)的通信和數(shù)據(jù)交換。

數(shù)據(jù)訪問(wèn)層：負(fù)責(zé)與文件型、關(guān)系型等具體的物理數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行交互以實(shí)現(xiàn)對(duì)檢測(cè)結(jié)果的持久化保存。

操作系統(tǒng)層：上位機(jī)測(cè)控軟件在Windows 7操作系統(tǒng)平臺(tái)下使用Visual Studio 2015開(kāi)發(fā)工具進(jìn)行開(kāi)發(fā)。

軸承試驗(yàn)機(jī)測(cè)控軟件主界面如圖6所示，主要實(shí)現(xiàn)與S7-1500PLC主控站進(jìn)行實(shí)時(shí)通信；設(shè)定電機(jī)轉(zhuǎn)速、供油壓力、滑油溫度、加載載荷等參數(shù)；實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)機(jī)載荷的加載和卸載、主軸電機(jī)的啟動(dòng)和關(guān)閉，以及潤(rùn)滑系統(tǒng)進(jìn)回油泵的啟動(dòng)和關(guān)閉，方便用戶對(duì)試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測(cè)試運(yùn)行；能夠?qū)胗脩纛A(yù)設(shè)的試驗(yàn)譜線，根據(jù)譜線的轉(zhuǎn)速、載荷、運(yùn)行時(shí)間和循環(huán)次數(shù)等參數(shù)，自動(dòng)控制試驗(yàn)機(jī)的運(yùn)行；并對(duì)試驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行運(yùn)行監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集和保存，異常情況下自動(dòng)報(bào)警并停機(jī)。

圖6 試驗(yàn)機(jī)測(cè)控軟件主界面

3.5 液壓加載系統(tǒng)的精確控制

軸承試驗(yàn)機(jī)液壓加載系統(tǒng)采用電液伺服缸加載的形式，該套機(jī)構(gòu)主要包括伺服電機(jī)、電動(dòng)伺服缸、驅(qū)動(dòng)液壓缸以及執(zhí)行液壓缸等四大部分，其優(yōu)點(diǎn)是解決了常規(guī)液壓系統(tǒng)的壓力超調(diào)和噪聲問(wèn)題，提高了試驗(yàn)機(jī)的加載精度及加載穩(wěn)定性。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理如圖7所示，實(shí)物圖如圖8所示。

圖7 電液伺服加載系統(tǒng)原理圖

圖8 電液伺服加載系統(tǒng)實(shí)物圖

試驗(yàn)機(jī)加載系統(tǒng)的軸向力加載組件由兩個(gè)對(duì)稱的加力板、導(dǎo)軌、液壓缸、拉力傳感器和關(guān)節(jié)軸承等組成，如圖9所示。徑向力加載組件由液壓缸、直線軸承、拉力傳感器和關(guān)節(jié)軸承等組成，如圖10所示。

圖9 試驗(yàn)機(jī)軸向力加載組件

圖10 試驗(yàn)機(jī)徑向力加載組件

加載系統(tǒng)的控制采用PLC內(nèi)部PID控制器模塊，利用載荷力傳感器的實(shí)際反饋，對(duì)電液伺服缸伺服電機(jī)進(jìn)行精確的閉環(huán)控制，保證加載載荷的精確控制以及穩(wěn)定性。液壓加載系統(tǒng)PID閉環(huán)控制原理圖如圖11所示。

圖11 液壓加載系統(tǒng)PID閉環(huán)控制原理圖

通過(guò)優(yōu)化調(diào)節(jié)PID控制器的PID參數(shù)，提高加載系統(tǒng)伺服電機(jī)的控制加載精度。圖12為加載系統(tǒng)PID控制調(diào)試的階躍響應(yīng)曲線，從圖中可以看出加載系統(tǒng)載荷給定值和實(shí)際反饋值非常接近，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差小，加載精度高。

圖12 加載系統(tǒng)PID控制階躍響應(yīng)曲線

由于執(zhí)行液壓缸加載存在摩擦阻力，載荷力傳感器存在測(cè)量誤差，需要利用高精度數(shù)字測(cè)力儀對(duì)軸向加載組件系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定。具體標(biāo)定步驟如下。

① 將高精度數(shù)字測(cè)力儀與軸向載荷力傳感器進(jìn)行串聯(lián)；

② 從正反兩個(gè)方向上設(shè)定不同載荷進(jìn)行加載，記錄載荷力傳感器的反饋值和高精度數(shù)字測(cè)力儀的實(shí)測(cè)值；

③ 根據(jù)最小二乘法原理，計(jì)算該軸向加載組件系統(tǒng)的標(biāo)定系數(shù)；

④ 把計(jì)算獲得的標(biāo)定系數(shù)寫(xiě)入測(cè)控軟件，重新進(jìn)行加載測(cè)試。

軸向加載組件系統(tǒng)設(shè)定標(biāo)定系數(shù)后進(jìn)行加載試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)如表1所示；加載測(cè)試結(jié)果表明試驗(yàn)機(jī)軸向加載精度優(yōu)于0.5%FS，滿足試驗(yàn)機(jī)加載精度的技術(shù)要求。

表1 軸向加載組件系統(tǒng)標(biāo)定測(cè)試結(jié)果

3.6 試驗(yàn)載荷譜線的自動(dòng)控制

試驗(yàn)機(jī)某個(gè)性能試驗(yàn)的載荷譜線如表2所示。運(yùn)行試驗(yàn)前導(dǎo)入預(yù)設(shè)的試驗(yàn)譜線，測(cè)控軟件根據(jù)譜線當(dāng)前步驟的轉(zhuǎn)速、軸向載荷和徑向載荷等參數(shù)，自動(dòng)調(diào)節(jié)試驗(yàn)機(jī)的運(yùn)行參數(shù)，并記錄當(dāng)前步驟的運(yùn)行時(shí)間和循環(huán)次數(shù)，當(dāng)?shù)竭_(dá)設(shè)定的試驗(yàn)時(shí)間和循環(huán)次數(shù)時(shí)，自動(dòng)轉(zhuǎn)入譜線的下一步驟，直到所有譜線步驟運(yùn)行完成，自動(dòng)停止試驗(yàn)。

表2 性能試驗(yàn)載荷譜線

4 結(jié)束語(yǔ)

研制完成的大載荷發(fā)動(dòng)機(jī)軸承試驗(yàn)機(jī)，綜合應(yīng)用了機(jī)、電、液一體化的技術(shù)成果，能夠真實(shí)模擬航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承工況；設(shè)計(jì)采取了有效的抗干擾措施，解決了大功率電機(jī)的信號(hào)干擾難題；采用新型電液伺服缸和力傳感器全閉環(huán)調(diào)節(jié)的加載方式，突破了載荷加載精度優(yōu)于±0.5%FS的關(guān)鍵技術(shù)目標(biāo)；實(shí)現(xiàn)了速度、載荷、溫度等主參數(shù)的自動(dòng)調(diào)節(jié)控制，能按預(yù)設(shè)試驗(yàn)譜線準(zhǔn)確控制運(yùn)行參數(shù)，自動(dòng)運(yùn)行完成試驗(yàn)，并且能夠?qū)υ囼?yàn)過(guò)程進(jìn)行運(yùn)行監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集和保存以及異常情況自動(dòng)報(bào)警并停機(jī)等。

目前，該試驗(yàn)機(jī)已在中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院投入使用，開(kāi)展了多套航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承的試驗(yàn)及研究。實(shí)驗(yàn)證明了軸承疲勞試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理、運(yùn)行可靠，為航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承壽命和性能試驗(yàn)技術(shù)的進(jìn)步提供了基礎(chǔ)平臺(tái)和數(shù)據(jù)支撐，解決了發(fā)動(dòng)機(jī)軸承壽命、性能等試驗(yàn)的迫切需求，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。