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        寬溫域向心關(guān)節(jié)軸承徑向游隙試驗研究

        2022-06-07 10:26:02房議趙偉樺許冬冬陳志軍尉成果
        軸承 2022年1期
        關(guān)鍵詞:測量環(huán)境

        房議,趙偉樺,許冬冬,陳志軍,尉成果

        (1.洛陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機電工程學(xué)院,河南 洛陽 471000;2.洛陽軸承研究所有限公司,河南 洛陽 471039;3.河南省高性能軸承技術(shù)重點實驗室,河南 洛陽 471039;4.中國空氣動力研究與發(fā)展中心,四川 綿陽 621000)

        1 引言

        向心關(guān)節(jié)軸承作為典型的運動機構(gòu)執(zhí)行部件,對機構(gòu)的運動精度和穩(wěn)定性影響較大。目前,對于大溫度交變環(huán)境下向心關(guān)節(jié)軸承游隙變化的研究相對較少,國內(nèi)外只有少量的試驗報道,欠缺試驗數(shù)據(jù)和經(jīng)驗積累。文獻[1]進行了高溫合金向心關(guān)節(jié)軸承的摩擦磨損性能試驗研究,在高溫850 ℃、擺動5 000次工況下,試驗后軸承的徑向游隙增加量(在高溫冷卻后的常溫環(huán)境下測量)為0.008 mm。文獻[2]研發(fā)了磨損量檢測系統(tǒng),分析溫度對磨損量產(chǎn)生的影響并基于理論分析數(shù)據(jù)建立了補償磨損量檢測系統(tǒng)的熱誤差模型,提出了磨損量檢測系統(tǒng)熱誤差補償方案,可提高關(guān)節(jié)軸承壽命試驗機磨損量的檢測精度。文獻[3]研究表明,溫度引起的熱變形誤差占測量系統(tǒng)總誤差的 40%~70%。文獻[4]建立了關(guān)節(jié)軸承壽命試驗機在線磨損量檢測綜合模型,試驗過程中載荷變化產(chǎn)生的磨損量與計算值較為接近,驗證了此工況條件下多體綜合誤差模型的正確性,但磨損量和游隙測試量單一,也并未排除軸系對磨損量測量的影響。文獻[5]研制了第二代關(guān)節(jié)軸承游隙檢測裝置,對游隙實現(xiàn)了半自動化控制測量;文獻[6]根據(jù)向心關(guān)節(jié)軸承裝配后的徑向游隙變化規(guī)律提出了一種快速評價方法,用于指導(dǎo)裝配后關(guān)節(jié)軸承游隙的快速估算。文獻[7]開展了低溫/寬溫域環(huán)境下自潤滑關(guān)節(jié)軸承摩擦磨損規(guī)律和模擬服役性能的研究。

        根據(jù)向心關(guān)節(jié)軸承游隙的相關(guān)研究可以發(fā)現(xiàn),目前游隙測量試驗設(shè)計中主要存在4個問題:1)關(guān)節(jié)軸承測量研究多為高溫環(huán)境或低溫環(huán)境(基本是液氮、液氫、液氧等低溫液體介質(zhì)[7]),沒有涉及寬溫域環(huán)境;2)測量過程中未考慮溫度變化導(dǎo)致材料變形造成的位移量變動;3)試驗環(huán)境箱設(shè)計不符合環(huán)境箱試驗標準,影響測量精度和穩(wěn)定性;4)位移測量點單一導(dǎo)致一定的測量誤差。

        針對上述問題,依據(jù)環(huán)境箱校準標準[8],增加多點位移測量,使用綜合游隙計算方式減小溫度產(chǎn)生的位移誤差,開發(fā)了寬溫域徑向游隙在線監(jiān)測系統(tǒng),并對寬溫域下向心關(guān)節(jié)軸承徑向游隙進行試驗測量和分析。

        2 測量原理

        向心關(guān)節(jié)軸承的徑向游隙應(yīng)在成品狀態(tài)下測量,測量時將一個套圈固定,另一個套圈在直徑方向移動,在圓周上相隔 120°的3處進行徑向移動量測量,其算術(shù)平均值即為徑向游隙值[9]。按照標準進行徑向游隙在線測量,關(guān)節(jié)軸承套圈在徑向上下移動時,由于支承軸承在軸系兩側(cè)固定,整個軸系會跟隨支承軸承的徑向游隙上下移動,從而導(dǎo)致一定的測量誤差[4],測量過程中溫度變化導(dǎo)致的材料變形量同樣會在關(guān)節(jié)軸承徑向上產(chǎn)生測量誤差;然而,軸系左右兩側(cè)的徑向移動變化量并不完全一致,測試中需將軸系左右兩側(cè)變化量的平均值作為軸系徑向移動變化量去除,以獲得被測軸承的徑向游隙。

        為提高徑向游隙測量準確性,根據(jù)關(guān)節(jié)軸承徑向游隙測量方法,考慮支承軸承自身徑向游隙,加載偏斜,支承軸承與試驗軸承的不一致性,軸系需要在圓周方向旋轉(zhuǎn)且經(jīng)歷寬溫域環(huán)境溫度的大幅變化,工裝的加工、裝配和定位等因素造成的測量誤差,設(shè)計了向心關(guān)節(jié)軸承試驗機。該試驗機可裝配4套同規(guī)格關(guān)節(jié)軸承,軸系左右變化對稱,保證軸系在計算誤差時得到的數(shù)值明確,避免其他因素造成的測量不一致性。本試驗機采用多點位移量測量方案,通過位移量反映徑向游隙[10],實現(xiàn)徑向游隙的在線測量。

        如圖1所示,被測軸承溫度測量點4處,從左至右依次記為T1,T2,T3,T4,環(huán)境箱內(nèi)壁與被測軸承之間的距離需超過50 mm[9]以避免溫度不均勻或梯度過大造成測量誤差;位移測量點3處,使用標定桿配合環(huán)境箱外的位移傳感器進行測量,記錄測量點的位移量,依次記為W1,W2,W3。

        1—徑向加載裝置;2—底座;3—加載襯套;4—試驗主軸;5—襯套;6—壓蓋;7—關(guān)節(jié)軸承;8—端蓋。

        向心關(guān)節(jié)軸承徑向游隙測試流程為:

        1)按圖1方案安裝試驗件并置于環(huán)境箱內(nèi)。

        2)設(shè)定環(huán)境箱溫度并保溫,直到T1,T2,T3,T4穩(wěn)定至設(shè)定溫度且差值小于±5 ℃。

        3)調(diào)節(jié)位移傳感器位置,使位移量位于傳感器測量范圍的中間位置。

        4)對加載襯套施加豎直方向的推力,待位移傳感器數(shù)值穩(wěn)定后記錄此時的測量值,記為W11,W21,W31。

        5)對加載襯套施加豎直方向的拉力,待位移傳感器數(shù)值穩(wěn)定后記錄此時的測量值,記為W12,W22,W32。

        6)計算2次測量后的位移差值,對應(yīng)位置位移差值記為δ1=W11-W12,δ2=W21-W22,δ3=W31-W32,其中δ1,δ2,δ3分別為主軸左側(cè)、加載位置、主軸右側(cè)的徑向位移量。

        7)計算綜合徑向游隙,記為C1=|δ2-(δ1+δ3)/2|,該值實際上是包含4套關(guān)節(jié)軸承平均徑向游隙、軸系配合尺寸等的綜合游隙,通過增加軸系2個端點的位移測量,同時減小了由于溫度變化、工裝安裝、支承軸承徑向游隙等因素導(dǎo)致的位移量變動。

        8)重復(fù)上述過程,在圓周方向多處測量[5]并記錄綜合徑向游隙C2,C3,…,C72,最后計算其算術(shù)平均值。

        對于上述試驗方法,若連續(xù)變換環(huán)境溫度,步驟3是必須的;步驟4,5由計算機自動完成。根據(jù)經(jīng)驗,高精度位移傳感器(量程小)會在溫度連續(xù)變化時出現(xiàn)超量程或輸出至非線性段,因此在寬溫域每個環(huán)境階段測量徑向游隙時,必須保證被測軸承溫度變化不大,或者在位移傳感器測量數(shù)值波動不大的情況下進行,此時被測軸承的運行狀態(tài)和溫度較為穩(wěn)定,可以得到比較準確的測量結(jié)果。

        3 向心關(guān)節(jié)軸承試驗機的設(shè)計

        3.1 試驗機結(jié)構(gòu)及工作原理

        根據(jù)徑向游隙在線測量原理,所研制試驗機由環(huán)境箱、支承軸系、加載組件、監(jiān)控系統(tǒng)等組成,能夠模擬寬溫域環(huán)境下關(guān)節(jié)軸承的轉(zhuǎn)速、載荷、裝配關(guān)系、環(huán)境溫度等工況,具備轉(zhuǎn)速、溫度、載荷、位移等參數(shù)的測量功能。試驗機設(shè)計原理如圖2 所示,主體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

        圖2 向心關(guān)節(jié)軸承試驗機原理圖

        環(huán)境箱采用液氮制冷和電阻絲加熱,營造干燥空氣環(huán)境或氣氮環(huán)境(空氣主要成分為氮氣),保證寬溫域環(huán)境的實現(xiàn)。試驗工裝完全置于環(huán)境箱內(nèi)部且與環(huán)境箱內(nèi)壁的最近距離為127 mm,保證關(guān)節(jié)軸承測試溫度的穩(wěn)定性和一致性并提高測量精度。環(huán)境箱上平面與試驗機工作臺面密切貼合,并在工裝與臺面之間設(shè)置聚四氟乙烯保溫層以提升溫度穩(wěn)定性。試驗工裝(圖1)采用簡支梁結(jié)構(gòu),可裝配4套向心關(guān)節(jié)軸承。以上設(shè)計可針對性地解決徑向游隙測量中存在的問題,實現(xiàn)向心關(guān)節(jié)軸承徑向游隙、環(huán)境溫度、外圈表面溫度、扭矩、載荷等參數(shù)的測量。

        1—徑向加載組件;2—反射屏;3—四氟保溫板;4—工作臺;5—驅(qū)動裝置;6—反射屏;7—底座;8—壓蓋;9—環(huán)境箱;10—溫度傳感器;11—位移傳感器;12—安裝支架;13—標定桿;14—試驗工裝。

        3.2 試驗機參數(shù)設(shè)置

        向心關(guān)節(jié)軸承試驗機的主要技術(shù)參數(shù)見表1,傳感器參數(shù)見表2。

        表1 向心關(guān)節(jié)軸承試驗機主要技術(shù)參數(shù)

        表2 向心關(guān)節(jié)軸承試驗機傳感器參數(shù)

        4 試驗驗證及結(jié)果分析

        4.1 試驗條件

        以GE90TX型關(guān)節(jié)軸承(圖4)為例進行分析,其摩擦副材料為鋼/PTFE織物,基本參數(shù)見表3。寬溫域環(huán)境下的溫度測量點及測量參數(shù)見表4,依據(jù)上述測量原理進行試驗并計算徑向游隙。

        圖4 GE90TX型關(guān)節(jié)軸承

        表3 GE90TX型關(guān)節(jié)軸承的基本參數(shù)

        表4 徑向游隙試驗的測量參數(shù)

        4.2 試驗結(jié)果分析

        整個試驗過程中軸承工作正常,各項監(jiān)測數(shù)據(jù)無異常。試驗完成后拆機檢查并對試驗數(shù)據(jù)進行處理,不同規(guī)格關(guān)節(jié)軸承的結(jié)果類似,同樣以GE90TX型關(guān)節(jié)軸承為例進行說明。

        4.2.1 綜合徑向游隙

        在每個設(shè)定溫度下,圓周方向每間隔10°測量一個位置的徑向游隙,共得到72個值。GE90TX型關(guān)節(jié)軸承的綜合徑向游隙曲線如圖5所示。

        圖5 寬溫域環(huán)境下GE90TX型關(guān)節(jié)軸承的綜合游隙

        由圖5可知:

        1)除部分在-120 ℃測量所得徑向游隙外,溫度越低,徑向游隙整體水平越小。

        2)每個設(shè)定溫度下,徑向游隙曲線均在一定范圍內(nèi)波動,但波動值較小,屬于正常現(xiàn)象;溫度越低,徑向游隙曲線波動越大,表明軸承常溫下狀態(tài)更穩(wěn)定。

        3)徑向游隙最大值為0.213 mm,出現(xiàn)在50 ℃時;最小值為0.139 mm,出現(xiàn)在-160 ℃時。

        4)-120 ℃時,隨著角度變化,徑向游隙呈先變大后變小的趨勢,原因是試驗軸承內(nèi)部溫度還未完全達到環(huán)境溫度(即軸承外圈溫度),隨著保溫時間的增加,后半段數(shù)據(jù)整體看來較為正常。

        4.2.2 綜合徑向游隙平均值

        綜合徑向游隙的平均值曲線如圖6所示,設(shè)定環(huán)境溫度25 ℃時的測試值為綜合徑向游隙基準值,觀察關(guān)節(jié)軸承徑向游隙隨溫度的變化趨勢可知:綜合徑向游隙變化范圍為0.160~0.215 mm,變化幅度為0.055 mm,徑向游隙受溫度影響較大,溫度越低,綜合徑向游隙越?。浑m然在-120 ℃時測試曲線(圖6)的波動較大,但在該溫度階段下72個徑向游隙的平均值為0.160 mm,同樣符合徑向游隙曲線變化趨勢,表明該試驗方法取72個值進行測試合理、有效,可以排除低溫測量時的部分誤差,更客觀地反映軸承徑向游隙。

        圖6 GE90TX型關(guān)節(jié)軸承綜合游隙平均值

        5 結(jié)論

        針對寬溫域向心關(guān)節(jié)軸承游隙測量存在的典型問題,提出一種降低游隙測試誤差的測量方法,研制開發(fā)了寬溫域向心關(guān)節(jié)軸承試驗機,采用多位移點和溫度點,提高環(huán)境箱與保溫層之間的距離等措施,能夠有效降低徑向游隙測量誤差并提高測量精度。

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