王 琳，滕金磊，李 一，楊培平

（1.西北工業(yè)大學(xué)a.機(jī)電學(xué)院；b.機(jī)械基礎(chǔ)國家級實驗教學(xué)示范中心；c.機(jī)械基礎(chǔ)與航空制造國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心，西安 710072；2.東方電氣集團(tuán)東方電機(jī)有限公司，四川德陽 618000）

0 引言

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的工作環(huán)境較為惡劣，因此對風(fēng)電機(jī)組中的關(guān)鍵主軸軸承的壽命和可靠性提出了苛刻要求?；瑒虞S承因其承載力大、壽命長、穩(wěn)定性高等優(yōu)點而逐步在大功率風(fēng)電機(jī)組主軸軸系中得到應(yīng)用［1-2］。復(fù)雜的風(fēng)速變化導(dǎo)致風(fēng)電主軸滑動軸承時常工作于頻繁啟停、交變載荷及多種潤滑狀態(tài)下［3-5］，使得理論分析和數(shù)值計算難以對主軸滑動軸承配對材料副的摩擦磨損性能進(jìn)行準(zhǔn)確評估，因此需要開展頻繁啟停等典型工況下的滑動軸承摩擦磨損性能試驗及測試技術(shù)研究。

目前風(fēng)電軸承專用測試試驗機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價格昂貴，多用于專業(yè)廠家的產(chǎn)品開發(fā)和測試［6-8］等，而針對風(fēng)電主軸滑動軸承的試驗機(jī)相關(guān)研究極少，因此需要開發(fā)成本較小并能較好模擬風(fēng)電主軸滑動軸承頻繁啟停等典型工況的摩擦磨損試驗機(jī)［9-11］。

常見摩擦磨損試驗機(jī)的接觸形式多是球-盤、銷-盤、環(huán)-塊，無級變速，但難以模擬頻繁啟停，也無法直接用于滑動軸承摩擦磨損試驗［12-13］。針對風(fēng)電主軸滑動軸承材料摩擦磨損模擬的試驗設(shè)備尚不多見，特別是在頻繁啟停及連續(xù)變速等工況下，因此設(shè)計并搭建了一種能夠?qū)崿F(xiàn)頻繁啟停工況下滑動軸承摩擦磨損模擬的試驗機(jī)。通過與典型摩擦磨損試驗機(jī)的試驗結(jié)果對比驗證了摩擦力測量功能的準(zhǔn)確性，并開展了不同潤滑狀態(tài)下恒轉(zhuǎn)速工況、頻繁啟停工況的摩擦磨損試驗。

1 試驗機(jī)設(shè)計

1.1 試驗機(jī)組成

試驗機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)的組成示意圖和實物圖分別如圖1 和圖2 所示，包括伺服電動機(jī)、傳動模塊、加載模塊、試件模塊4 個主要部分。其中，傳動模塊由聯(lián)軸器、扭矩傳感器、試驗主軸及支承軸承等組成，伺服電動機(jī)通過聯(lián)軸器、扭矩傳感器驅(qū)動試驗主軸。加載模塊由螺紋加載桿、螺紋板簧、減振彈簧、彈簧導(dǎo)桿、壓力傳感器及傳感器托盤、柔性梁等組成。試驗過程中，螺紋加載桿向下旋轉(zhuǎn)加載，并通過螺紋板簧的配合實現(xiàn)反向自鎖功能；使用減振彈簧和彈簧導(dǎo)桿結(jié)構(gòu)減小試驗過程載荷波動的影響，載荷大小則由壓力傳感器測量；設(shè)計的柔性梁既可以傳遞載荷，又能反映受載試件表面的摩擦力變化。

圖1 風(fēng)電主軸滑動軸承模擬試驗機(jī)示意圖

圖2 風(fēng)電主軸滑動軸承模擬試驗機(jī)實物圖

試件模塊由可更換的上試件半環(huán)和下試件整環(huán)組成。上試件安裝在柔性梁下方，保持相對靜止；下試件通過錐形孔安裝在主軸最右端，并用螺栓預(yù)緊，隨主軸一起轉(zhuǎn)動；上、下試件采用環(huán)-環(huán)接觸以模擬滑動軸承軸瓦與軸頸的接觸。

上試件半環(huán)內(nèi)徑為30 mm、軸向長度為10 mm；下試件整環(huán)外徑為30 mm、軸向長度為28 mm，錐形內(nèi)孔比例為25∶1；2.2、2.3 節(jié)中的所有試件都統(tǒng)一為上述尺寸結(jié)構(gòu)，并且上、下試件的材料分別為聚醚醚酮和GCr15 鋼。聚醚醚酮是一種具有優(yōu)異耐熱、耐磨性能的熱塑性高分子樹脂材料，是風(fēng)電主軸滑動軸承軸瓦主要備選材料之一。

1.2 試驗機(jī)頻繁啟停功能的設(shè)計與實現(xiàn)

試驗機(jī)頻繁啟停指的是驅(qū)動電動機(jī)在最大和最小轉(zhuǎn)速之間周期性地升速和降速。為了實現(xiàn)上述工作狀態(tài)，設(shè)計了一套完整的電動機(jī)控制系統(tǒng)以提高試驗機(jī)的自動化操作性能及更好地實現(xiàn)對電動機(jī)頻繁啟停工作狀態(tài)的控制。該系統(tǒng)主要由交流伺服電動機(jī)、伺服驅(qū)動器和伺服電動機(jī)控制器組成，電動機(jī)控制系統(tǒng)的功能實現(xiàn)流程和實物組成分別如圖3 和圖4 所示。

圖3 電動機(jī)控制系統(tǒng)整體流程

圖4 電動機(jī)控制系統(tǒng)實物連接圖

電動機(jī)的升降速曲線對于伺服電動機(jī)的運(yùn)動狀態(tài)、控制精度、使用壽命等都有一定影響，常見的升降速曲線有梯形曲線、S 形曲線、三次速度升降速曲線等。以梯形曲線為例，通過伺服控制器和上位機(jī)軟件對電動機(jī)的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，具體的參數(shù)設(shè)置如表1 所示，與之相對應(yīng)的頻繁啟停下電動機(jī)運(yùn)行狀態(tài)如圖5 所示。

表1 電動機(jī)運(yùn)動過程關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)置

升速和降速是由伺服控制器參數(shù)的準(zhǔn)確設(shè)置實現(xiàn)，控制電動機(jī)在單個周期內(nèi)從起始速度加速至穩(wěn)定運(yùn)行速度（升速時間t1）、從穩(wěn)定運(yùn)行速度減速至靜止（降速時間t2）。

1.3 滑動軸承不同潤滑狀態(tài)模擬的實現(xiàn)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)所處的多變風(fēng)速環(huán)境使得風(fēng)電滑動軸承在運(yùn)行過程中頻繁啟停，風(fēng)電主軸滑動軸承的軸瓦和軸頸在頻繁啟停過程中一般要經(jīng)歷干摩擦、乏油潤滑和全膜潤滑等狀態(tài)。因此，模擬由頻繁啟停導(dǎo)致的滑動軸承不同潤滑狀態(tài)也是本試驗機(jī)的重要目標(biāo)之一。不同潤滑狀態(tài)的實現(xiàn)方式如圖6 所示。充分清理上、下試件后，試驗時不在對磨試件之間添加潤滑介質(zhì)，在保證試件初始粗糙度基本接近的情況下進(jìn)行試驗即可模擬干摩擦狀態(tài)；試驗過程中將下試件浸入油槽中，通過下試件旋轉(zhuǎn)帶油潤滑以模擬全膜潤滑狀態(tài)；使用標(biāo)準(zhǔn)注射針管在上試件的對磨面上定量（如0.1 mL）滴油，再使用細(xì)刷將滴落的油滴均勻地涂抹整個接觸面，放置通風(fēng)處靜置24 h，可認(rèn)為該試件在實際試驗過程中潤滑狀態(tài)為乏油潤滑［14］，且經(jīng)此處理的一批試件可認(rèn)為潤滑狀態(tài)一致。

1.4 摩擦力采集系統(tǒng)的設(shè)計及功能實現(xiàn)

圖7 為摩擦力測量原理。通過加載裝置將載荷Fn經(jīng)雙薄壁柔性梁施加于上試件和下試件，軸承轉(zhuǎn)動時上下試件在載荷作用下產(chǎn)生摩擦力，整個環(huán)面上的摩擦力合力矩引起了柔性梁的變形。將應(yīng)變片粘貼在柔性梁最大變形位置處，通過應(yīng)變片的電阻變化間接測量摩擦力大小。盡管在整個環(huán)-環(huán)接觸面每個點的切向上均存在摩擦力，但是環(huán)面上左右對稱接觸點的摩擦力豎直分力可以認(rèn)為相互抵消，因此可以使用水平方向的摩擦力Ff替代整個環(huán)面的摩擦力合力。

圖7 摩擦力測量原理

摩擦力采集系統(tǒng)設(shè)計框圖如圖8 所示，主要包括應(yīng)變片、信號調(diào)理模塊、A／D轉(zhuǎn)換模塊、主控制器和計算機(jī)等。使用金屬箔片式應(yīng)變片采集對應(yīng)的摩擦力信號，通過信號調(diào)理模塊對采集的信號進(jìn)行初步處理，模擬信號與數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換由STM32單片機(jī)內(nèi)置的A／D模塊完成，同時通過STM32 單片機(jī)的控制串口通信模塊將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)中，上位機(jī)則利用其強(qiáng)大的計算能力對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的數(shù)據(jù)處理。

圖8 摩擦力采集系統(tǒng)設(shè)計框圖

2 試驗及結(jié)果分析

分別開展試驗機(jī)測試結(jié)果的準(zhǔn)確性驗證試驗、不同潤滑狀態(tài)下的恒轉(zhuǎn)速摩擦磨損試驗以及不同潤滑狀態(tài)下的頻繁啟停摩擦磨損試驗，以模擬風(fēng)電機(jī)組中主軸滑動軸承材料在實際工作環(huán)境下的磨損狀況。由于下試件材料GCr15 鋼的硬度很高，其磨損可以忽略，因此后續(xù)對于滑動軸承磨損量的測量均是針對聚醚醚酮上試件的磨損量測量。2.2、2.3 節(jié)中試驗工況參數(shù)如表2 所示。

表2 滑動軸承摩擦磨損模擬試驗工況

2.1 試驗機(jī)測試結(jié)果的準(zhǔn)確性驗證

為了驗證所設(shè)計的摩擦磨損試驗機(jī)測試結(jié)果的準(zhǔn)確性，利用所設(shè)計的試驗機(jī)和Rtec MFT-5000 摩擦磨損試驗機(jī)分別開展相同工況和相同材料下的試驗，并將測試結(jié)果進(jìn)行對比。Rtec MFT-5000 摩擦磨損試驗機(jī)如圖9 所示，其摩擦接觸形式為環(huán)-塊接觸，故所設(shè)計的試驗機(jī)也采用環(huán)-塊接觸，采用的上、下試件如圖10 所示。試驗工況和材料情況如表3 所示。

表3 對比驗證試驗工況

圖9 Rtec MFT-5000摩擦磨損試驗機(jī)

圖10 試件實物

試驗結(jié)果對比如圖11 所示。兩者在試驗過程中的摩擦因數(shù)變化趨勢基本一致，初始磨合階段摩擦因數(shù)較大，隨時間的增加摩擦因數(shù)顯著減小，并在一個穩(wěn)定范圍內(nèi)波動。結(jié)果的差異既與2 種試驗機(jī)的加載方式有關(guān)，又與試驗過程因安裝固定偏差引起的偏載有關(guān)（見圖12），但差異量均在0.01（即小于10%）范圍內(nèi)。

圖11 2種試驗機(jī)試驗結(jié)果對比

圖12 摩擦磨損試驗過程中環(huán)-塊式接觸

2.2 不同潤滑狀態(tài)下滑動軸承恒轉(zhuǎn)速摩擦磨損試驗及結(jié)果分析

在常規(guī)發(fā)電工況下，某型風(fēng)電機(jī)組中風(fēng)電齒輪箱滑動軸承的線速度為0.25～0.50 m／s［15］。為了模擬此典型工況下滑動軸承在干摩擦、乏油潤滑、全膜潤滑3 種潤滑狀態(tài)下的摩擦磨損，設(shè)計了如表2 所示D1、D2、D3 試驗組，即轉(zhuǎn)速250 r／min（約0.4 m／s）、載荷150 N。分別在3 種不同潤滑狀態(tài)下持續(xù)試驗10 min，試驗過程中的摩擦力變化和磨損量差異分別如圖13和表4 所示?？梢钥闯?，干摩擦下摩擦力和磨損量最大，乏油潤滑下摩擦力和磨損量次之，全膜潤滑下摩擦力和磨損量最小。

表4 不同潤滑狀態(tài)下磨損量

圖13 不同潤滑狀態(tài)下摩擦力變化

2.3 不同潤滑狀態(tài)下滑動軸承頻繁啟停摩擦磨損試驗及結(jié)果分析

為了探究不同潤滑狀態(tài)下頻繁啟停所導(dǎo)致的轉(zhuǎn)速周期性變化對滑動軸承摩擦磨損的影響，開展了如表2 所示E1、E2、E3 工況的摩擦磨損試驗，并將結(jié)果與2.2 節(jié)恒轉(zhuǎn)速下的結(jié)果進(jìn)行對比，如圖14 所示。

圖14 頻繁啟停和恒轉(zhuǎn)速時不同潤滑狀態(tài)下摩擦力對比

可以看出，在干摩擦狀態(tài)下，頻繁啟停引起的周期性波動使摩擦力一開始略高于恒轉(zhuǎn)速下的摩擦力，但頻繁啟停下最終穩(wěn)定的平均摩擦力與恒轉(zhuǎn)速下的摩擦力數(shù)值基本一致；在乏油潤滑狀態(tài)下，頻繁啟停引起的周期性波動使摩擦力明顯大于恒轉(zhuǎn)速下的摩擦力，這是因為頻繁啟停過程中的低速階段存在相當(dāng)比例的粗糙峰直接接觸，無法形成穩(wěn)定的潤滑油膜；在全膜潤滑狀態(tài)下，頻繁啟停引起的周期性波動使摩擦力一開始高于恒轉(zhuǎn)速下的摩擦力，隨著試驗時間的增加，兩者趨于一致，這是受本試驗中全膜潤滑的實現(xiàn)方式所影響。

試驗前后的質(zhì)量差值對比如圖15 所示?？梢钥闯?，在相同工況下恒轉(zhuǎn)速的磨損量要大于頻繁啟停的磨損量，這是由于在同樣的運(yùn)轉(zhuǎn)時長下，恒轉(zhuǎn)速的平均轉(zhuǎn)速顯然比頻繁啟停的平均轉(zhuǎn)速要大。

圖15 頻繁啟停和恒轉(zhuǎn)速下磨損量對比

為了更深入地研究頻繁啟停與恒轉(zhuǎn)速下的差異，在試驗過程中還使用紅外測溫儀每隔30 s 對上試件端面進(jìn)行一次測溫（見圖16），以觀察不同轉(zhuǎn)速下的溫度變化，瞬時溫升對比及平均溫升對比結(jié)果分別如圖17、18 所示?？梢钥闯觯瑹o論頻繁啟停還是恒轉(zhuǎn)速，都是干摩擦下的溫升最高，全膜潤滑下的溫升最低。同時，相同工況下恒轉(zhuǎn)速最終溫升比頻繁啟停最終溫升要高，這一結(jié)果與摩擦力和磨損量的對比結(jié)果一致；頻繁啟停時的初始溫度上升較快，這也與前文描述的頻繁啟停時起始摩擦力較大的試驗現(xiàn)象相呼應(yīng)。

圖16 試驗過程中測溫現(xiàn)場

圖17 頻繁啟停和恒轉(zhuǎn)速下上試件端面瞬時溫度對比

圖18 頻繁啟停和恒轉(zhuǎn)速下上試件端面平均溫升對比

3 結(jié)論

（1）頻繁啟停過程中的速度變化使得摩擦力發(fā)生了周期性波動，但總體上干摩擦下摩擦力最大，乏油潤滑下次之，全膜潤滑下摩擦力最小。

（2）由于頻繁啟停下的平均轉(zhuǎn)速小于恒轉(zhuǎn)速下，因此在相同潤滑狀態(tài)下前者的磨損量和溫升都相對較小。

（3）在乏油潤滑狀態(tài)下，由于頻繁啟停過程中的低速階段存在相當(dāng)比例的粗糙峰直接接觸，因此頻繁啟停引起的周期性波動使摩擦力明顯大于恒轉(zhuǎn)速下的摩擦力。

由于所設(shè)計的試驗機(jī)具備頻繁啟停和不同潤滑狀態(tài)特征，因此該試驗機(jī)既可以用于風(fēng)電主軸滑動軸承模擬研究，也可以用于其他具有類似工況的工程應(yīng)用和實踐教學(xué)。