高速滾動軸承柔性轉(zhuǎn)子試驗機

崔立，時大方，鄭建榮，吳飛科

(1. 浙江天馬軸承股份有限公司 博士后工作站，杭州 150001；2. 華東理工大學 機械與動力工程學院，上海 200237)

隨著旋轉(zhuǎn)機械向高速化、功能集成化、復雜化等方向發(fā)展，滾動軸承的dm·n值越來越大，由于滾動體打滑、疲勞、磨損等引起的滾動軸承失效經(jīng)常發(fā)生，且目前大多高速轉(zhuǎn)子常常工作在一階臨界轉(zhuǎn)速之上，這也將影響其支承軸承的設(shè)計與分析。因此，對支承柔性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的軸承性能分析與試驗十分重要。

高速滾動軸承性能分析包括運動學和動力學分析，但由于高速軸承動力學模型十分復雜，至今仍沒有軸承壽命、失效形式、可靠性等的準確理論分析結(jié)果[1-2]。因此在實際研究中，準確模擬和復現(xiàn)軸承工況，對軸承進行工況適應(yīng)性試驗，再對試驗數(shù)據(jù)進行分析，仍是最可靠、最有效的辦法。

目前，國內(nèi)已開展了軸承疲勞壽命試驗機、快速壽命試驗機的研究[3-4]；并開展了部分極端工況，如高速高溫軸承試驗機的研究[5-6]；對于支承柔性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的滾動軸承性能分析開展了一些理論研究，但性能試驗還較少[7]。為此研制了高速滾動軸承柔性轉(zhuǎn)子試驗機，用以模擬軸承的載荷、轉(zhuǎn)速及潤滑等工況條件，測試軸承的綜合動態(tài)性能。

1 試驗要求

1.1 技術(shù)要求

高速軸承的滾動體受較大離心力作用，且滾動體與外滾道之間的接觸力大于滾動體與內(nèi)滾道之間的接觸力，易導致內(nèi)圈對滾動體拖動力不足，出現(xiàn)滾動體相對內(nèi)滾道的滑動現(xiàn)象。另外，柔性轉(zhuǎn)子振動幅度往往較大，會影響軸承內(nèi)圈的振動，從而使軸承形變參數(shù)和滾動體運動學參數(shù)改變，導致軸承的配合精度下降，軸承游隙發(fā)生變化，加速軸承失效。

因此，針對高速軸承柔性轉(zhuǎn)子的工作特點，本試驗機應(yīng)達到以下技術(shù)要求：可以獲得較高的轉(zhuǎn)速(工作轉(zhuǎn)速在一階臨界轉(zhuǎn)速以上)，轉(zhuǎn)子工作在柔性狀態(tài)下，各工作參數(shù)任意可調(diào)；能夠?qū)崟r監(jiān)測軸承工作狀態(tài)，顯示并保存軸承運轉(zhuǎn)過程中的性能參數(shù)；系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，試驗可重復性好。

1.2 柔性轉(zhuǎn)子設(shè)計方法

采用傳遞矩陣法計算臨界轉(zhuǎn)速。引入廣義Riccati變換，得到轉(zhuǎn)子系統(tǒng)復頻率特征方程，再用Newton-Raphson法求解該方程即可得到臨界轉(zhuǎn)速。

在考慮滾動軸承的動剛度的情況下計算轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的臨界轉(zhuǎn)速，計算流程如圖1所示。首先根據(jù)轉(zhuǎn)子的工作轉(zhuǎn)速確定一個轉(zhuǎn)速范圍，轉(zhuǎn)子工況改變時，重新計算軸承剛度，使用Riccati傳遞矩陣法求得頻率方程，用Newton-Raphson法迭代計算，當搜索遍歷轉(zhuǎn)速范圍后根據(jù)各轉(zhuǎn)速計算結(jié)果繪制出臨界轉(zhuǎn)速圖，分析得出系統(tǒng)的臨界轉(zhuǎn)速、穩(wěn)定性。

圖1 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)臨界轉(zhuǎn)速計算流程

2 試驗機結(jié)構(gòu)

試驗機由動力部分、試驗頭、加載部分、計算機數(shù)據(jù)采集及處理部分組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 試驗機結(jié)構(gòu)圖

軸承的軸向預(yù)緊通過試驗機尾部的預(yù)緊彈簧完成，調(diào)節(jié)預(yù)緊螺栓可以改變預(yù)緊力的大小，保證軸承在高速下正常運轉(zhuǎn)；通過更換配重盤上的配重可以改變偏心質(zhì)量，以獲得不同的不平衡激振力，不平衡質(zhì)徑積最大可達0.5 g·m；在盤的圓周上對稱位置加工2個槽，作為測量相位的基準；電渦流位移傳感器固定在支架上，測量軸和盤的徑向振動位移；振動加速度傳感器用磁座吸附在試驗頭頂蓋上，測量試驗頭整體的振動。

2.1 動力裝置

動力裝置由高頻電主軸和變頻調(diào)速器組成，主要作用是帶動試驗軸承在所要求的轉(zhuǎn)速下運轉(zhuǎn)；采用脂潤滑，定期添加潤滑脂；冷卻部分主要由水泵、水管和水箱組成，保證在電主軸工作期間，其溫度上升不超過2 ℃。其最高轉(zhuǎn)速可達24 000 r/min。

2.2 加載系統(tǒng)

試驗軸承外圈上的軸向載荷通過彈簧力加載，可通過調(diào)節(jié)彈簧的長度改變軸向載荷，軸向載荷為0～500 N；徑向載荷通過不平衡質(zhì)量塊施加。

2.3 測試與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

測試和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括傳感器、A/D采集卡和計算機。

(1)振動測量。采用BZ1103型加速度傳感器和BZ2109型電荷濾波積分放大器，監(jiān)測軸承系統(tǒng)的振動情況。

(2)轉(zhuǎn)速測量。采用SZXG-10型非接觸式光纖轉(zhuǎn)速傳感器，光信號經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換單元產(chǎn)生相應(yīng)變化的電信號，將電信號放大、整形后輸出矩形脈沖信號。

(3)溫度測量。采用K型熱電偶進行溫度測試，主要測量軸承外圈溫度、進油溫度和回油溫度。將熱電偶與XMT606智能儀表相連接，直接顯示被測溫度值，將該儀表與溫度成正比的直流電壓輸入計算機。

(4)位移測量。采用ZA21系列電渦流位移傳感器對軸承的振動位移進行測量，將位移傳感器輸出經(jīng)過變送器轉(zhuǎn)換為電壓信號輸入計算機。

采用PCI8622數(shù)據(jù)采集卡，提供了16路模擬輸入通道，最大采樣頻率為250 kHz，分辨率為12 bit。數(shù)據(jù)采集模塊通過軟件觸發(fā)模式啟動A/D轉(zhuǎn)換，采用DMA模式傳輸數(shù)據(jù)。采集頻率設(shè)置為5 kHz。

2.4 數(shù)據(jù)采集及處理軟件

采用VB程序編制數(shù)據(jù)采集軟件，可采集試驗機的溫度、振動加速度、振動位移等數(shù)據(jù)并保存，界面如圖3所示。

圖3 試驗臺采集界面

使用Matlab軟件編制振動信號數(shù)據(jù)消噪、功率譜圖程序。程序流程如下：首先對振動信號使用“db3”小波函數(shù)進行5層分解，使用默認閾值對分解系數(shù)進行處理；然后對系數(shù)進行重構(gòu)得到消噪后的信號；再對信號作FFT變換得到頻域信號，計算頻域信號的能量并做出信號能量隨頻率的變化圖，即為信號的功率譜圖，其反映了信號中的頻率成分以及各頻率成分的能量。

將Matlab軟件編制的M文件通過COM組件封裝生成DLL文件，通過VB程序調(diào)用并與采集程序集成。

3 試驗

對研制的試驗機進行試驗，試驗條件為：軸向加載300 N，不平衡質(zhì)徑積為0.015 g·m。所選用軸承為混合陶瓷球軸承7005C/HQ1P4，采用高速高溫潤滑脂潤滑。試驗測試參數(shù)如下：

(1)測試轉(zhuǎn)軸不同位置的振動位移，測點1為左側(cè)軸伸出端的徑向位移；測點2 為中間圓盤的徑向位移；對測點2測試2個垂直方向徑向位移，得到軸心軌跡；

(2)測試機體的振動加速度，傳感器安裝在試驗頭頂部；

(3)測試兩端支承軸承的溫度，傳感器直接固定在軸承外圈上；

(4)測試轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速傳感器安裝在電機與轉(zhuǎn)軸聯(lián)軸器處。

設(shè)計轉(zhuǎn)子數(shù)據(jù)見表1，根據(jù)Riccati傳遞矩陣法計算臨界轉(zhuǎn)速，得到試驗機的一階臨界轉(zhuǎn)速為11 850 r/min，二階臨界轉(zhuǎn)速為27 500 r/min。對比測試轉(zhuǎn)速范圍，可確認試驗機轉(zhuǎn)子是否工作在柔性狀態(tài)。

表1 轉(zhuǎn)子各節(jié)點結(jié)構(gòu)參數(shù)

啟動電動機后，使用編制的數(shù)據(jù)采集軟件保存數(shù)據(jù)，對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)臨界轉(zhuǎn)速、軸承性能參數(shù)進行分析，驗證試驗機系統(tǒng)的可靠性。

測試了轉(zhuǎn)軸位移隨轉(zhuǎn)速的變化，圖4給出了測點1，2的振動位移幅值變化曲線。可以看出，在10 500 r/min處兩測點均出現(xiàn)峰值，說明該轉(zhuǎn)速為試驗機一階臨界轉(zhuǎn)速，對比一階臨界轉(zhuǎn)速的計算值11 850 r/min，表明試驗機可工作在柔性狀態(tài)，轉(zhuǎn)子達到柔性之后，振動位移幅值增大明顯。

圖4 振動位移幅值

圖5為試驗過程中左、右兩端軸承外圈溫度曲線及升速曲線。從圖中可以看出，隨著轉(zhuǎn)速增大，軸承溫度逐漸升高，且溫度值的變化滯后于速度值的變化。當轉(zhuǎn)速接近和大于臨界轉(zhuǎn)速，即轉(zhuǎn)子工作在柔性狀態(tài)時，左、右軸承溫度升高更為明顯。對軸承外圈溫度的測試可用于軸承狀態(tài)監(jiān)測。

圖5 軸承溫度隨轉(zhuǎn)速變化曲線

圖6為轉(zhuǎn)速15000 r/min 時采集得到的振動加速度信號的功率譜圖，可以看出250 Hz，500 Hz，1 800 Hz附近出現(xiàn)了頻譜峰值。計算發(fā)現(xiàn)250 Hz，500 Hz對應(yīng)峰值為轉(zhuǎn)軸頻率及其二倍頻；1 800 Hz對應(yīng)峰值為陶瓷球通過頻率。該項測試表明，機體振動加速度信號采集可用于軸承振動信號的監(jiān)測，可以反映軸承的振動頻率。

圖6 試驗機振動加速度信號的功率譜圖

對轉(zhuǎn)軸軸心軌跡的監(jiān)測可反映轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的工作狀態(tài)和振動情況。圖7所示為轉(zhuǎn)速9 000 r/min，15 000 r/min時測點2處測得的軸心軌跡。對比發(fā)現(xiàn)，9 000 r/min 時振動幅值較小且軸心軌跡較穩(wěn)定，根據(jù)圖4可知，此時轉(zhuǎn)子工作在剛性狀態(tài)；而15 000 r/min時，圓盤振動位移大小及幅值都較大，且軸心軌跡較復雜，根據(jù)圖4可知，此時轉(zhuǎn)子工作在一階臨界轉(zhuǎn)速之上，轉(zhuǎn)子處于柔性狀態(tài)，由于轉(zhuǎn)子渦動導致振動幅值增大。由以上分析可知，圖4與圖7結(jié)果分析較為一致，驗證了試驗系統(tǒng)的可靠性。

圖7 不同轉(zhuǎn)速時圓盤的軸心軌跡

4 結(jié)束語

(1)該試驗機可滿足預(yù)定設(shè)計要求，具有良好的穩(wěn)定性，可以考核支承高速柔性轉(zhuǎn)子的滾動軸承，并能對轉(zhuǎn)速、軸承外圈溫度、軸心軌跡、振動加速度等進行測試。

(2)柔性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動幅值增大且軸心軌跡較為復雜，這將改變支承軸承的振動情況，并影響其動力學特性。

(3)該研究對于進一步分析高速滾動軸承柔性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的振動響應(yīng)以及動力學特征提供了驗證方法。