基于氣液兩相流的軸承性能模擬試驗臺設計

曹薇，彭朝林，李興林

(1.廣東水利電力職業技術學院 自動化工程系，廣州 510925；2.長安大學 汽車學院，西安 710064；3.杭州軸承試驗研究中心有限公司 博士后工作站，杭州 310022)

軸承性能模擬試驗是軸承研制過程中的關鍵環節，其可靠性直接關系到產品性能及研制成本[1-2]。通常，軸承性能模擬試驗中只考慮液體潤滑單相狀態，而軸承在高速旋轉的過程中，潤滑油在其離心力的作用下甩向外圈并與周圍的氣流混合，會形成一定壓力的氣液兩相流，因此，凡是油液潤滑軸承的性能模擬試驗都應該考慮氣液兩相流的情況[3-8]。為了盡可能模擬軸承的實際工況和使用條件，設計了引入氣液兩相流的軸承性能模擬試驗臺。

1 試驗臺總體設計及工作原理

軸承性能模擬試驗臺采用分系統設計原則，主要包括主拖系統、電液比例加載系統、潤滑系統、空氣系統、電氣控制及數據采集系統等，其結構組成如圖1所示。其中，主拖系統為試驗臺提供驅動力，電動機的轉速在變頻器及其控制系統作用下實現無級調速，電動機、增速箱及軸承試驗腔連接軸之間用聯軸器連接。

圖1 軸承性能模擬試驗臺結構框圖

試驗臺的機械主體結構如圖2所示。在主軸上，右端試驗軸承的軸承座固定在試驗箱體上，為試驗軸軸向定位；左端試驗軸承的軸承座與外襯套之間為間隙配合，軸承座在外襯套內可滑動，軸向載荷施加在該軸承座上并傳遞給試驗軸，最后作用于右端試驗軸承，2個試驗軸承所承受的軸向載荷相等。中間的2套陪試軸承位于2個支點中心，徑向載荷平均分配到兩端的試驗軸承上。

圖2 軸承性能模擬試驗臺機械結構原理圖

試驗臺的主要技術參數見表1，引入氣液兩相流結構的軸承性能模擬試驗臺可以開展如下試驗：1)軸承耐久性模擬試驗；2)軸承破壞監測模擬試驗；3)軸承指定工況的性能模擬試驗；4)軸承腔內油氣換熱特性模擬試驗；5)軸承腔供回油匹配性能模擬試驗；5)收油效率模擬試驗；6)壓力-流量特性模擬試驗。

表1 試驗臺的主要技術參數

2 電液比例加載系統設計

電液比例加載系統主要向試驗軸承施加軸向載荷和徑向載荷，該系統的設計原理如圖3所示。由于軸承的軸向載荷大，因此在軸向布置了2個并聯液壓缸用來加載，加載力通過電液比例調節閥快速精確的調節。工作時，可通過變化三位四通電磁換向閥的工位控制液壓缸的伸縮，通過改變比例閥的開口大小調節液壓缸的運動速度及加載力，從而實現快速平穩加載。

圖3 電液比例加載系統原理圖

3 氣液兩相流結構設計

兩相流系統的結構如圖4所示，其為試驗腔提供所需的潤滑油流量和空氣流量。潤滑油和空氣通過加熱裝置加溫，混合進入試驗腔為軸承提供油氣混合噴射潤滑。當腔內潤滑油壓力過高時，通過供油泵出口的電動調節閥泄壓，同時空氣系統還為試驗腔提供封嚴氣流和軸承腔隔熱氣流。循環結束后，混合油氣兩相流由回油泵抽回至油箱，通過油氣分離器進行油氣分離。

圖4 氣液兩相流結構原理圖

引入該兩相流結構的軸承性能模擬試驗臺除了做軸承耐久性模擬試驗、破壞監測模擬試驗及指定工況的性能模擬試驗外，還可以進行軸承腔內油氣換熱特性模擬試驗、軸承腔供回油匹配性能模擬試驗、收油效率模擬試驗及壓力-流量特性模擬試驗等多項性能試驗。

4 電氣控制及數據采集系統

電氣控制及數據采集系統主要用于主電動機轉速、滑油泵啟停、滑油與空氣加溫、滑油與空氣壓力等動作控制及參數測試。從功能上分為控制與測試兩部分，其原理如圖5所示。

圖5 電氣控制系統原理圖

轉速控制可以通過控制計算機自給定，也可以通過電位器手動給定，主控制器選用PLC控制器，將轉速給定信號下傳給變頻器，變頻器驅動主電動機調節轉速，與主電動機同軸安裝的測速編碼器將實際轉速反饋給變頻器，從而實現轉速的閉環控制。試驗臺的載荷控制、壓力/流量控制、溫度控制等也采用閉環控制，通過傳感器將測量值反饋至控制模塊，從而實現參數的閉環控制。

數據采集系統主要含有cDAQ-9188數據采集箱、電壓與電流模塊、熱電偶模塊、DI與DO模塊等。它們共同完成試驗現場各類數據的采集、處理、超限報警保護等功能。數據采集系統模塊均選用美國國家儀器(NI)產品，電壓模塊選用NI9205型模擬量輸入端子模塊，可處理-5～5 V范圍內的信號，用于振動及壓力等信號輸入；電流模塊選用NI9208型模擬量輸入端子模塊，可處理0～20 mA范圍內的信號，用于流量計信號輸入；熱電偶模塊選用NI9214型，用于熱電偶信號溫度測量；DI數字量輸入模塊選用NI9421型，用于開關量輸入；DO數字量輸出模塊選用NI9474型，用于開關量輸出。控制計算機通過以太網實現與數采箱的TCP/IP遠程通信。

5 結束語

根據軸承運行的實際工況設計了一種基于氣液兩相流的軸承性能模擬試驗臺，其具備以下特點：1)設計有電液比例加載系統，可快速、平穩的對試驗軸承施加軸向和徑向載荷；2)設計有兩相流系統來模擬軸承實際工況，為試驗腔提供所需的滑油流量和空氣流量，同時空氣還為試驗腔提供封嚴氣流和軸承腔隔熱氣流；3)引入該兩相流結構的軸承性能模擬試驗臺除了進行軸承耐久性模擬試驗、破壞監測模擬試驗及指定工況的性能模擬試驗外，還可以進行軸承腔內油氣換熱特性模擬試驗、軸承腔供回油匹配性能模擬試驗、收油效率模擬試驗及壓力-流量特性模擬試驗等多項性能試驗。