船舶動力傳動軸承壽命模擬試驗方法及試驗臺架結構設計方案

王迪，宋少雷，張斌，陳芳華，卓繼志

(1.中國船舶集團有限公司第七〇三研究所，哈爾濱 150010；2.海裝沈陽局哈爾濱地區某軍事代表室，哈爾濱 150010；3.浙江省機電產品質量檢測所有限公司，杭州 310051)

軸承臺架模擬試驗方法應綜合考慮軸承的正常、極端工況以及環境因素，通過這些因素對軸承壽命影響因子進行分析，確立全面、準確、經濟、合理的試驗參數和試驗方法。試驗參數選擇是軸承臺架模擬試驗方法確立的首要環節，主要從軸承使用環境和使用工況兩方面進行分析與確立。對于軸承使用壽命評估，試驗參數選擇越全面，試驗結果越準確，但試驗設備也會越復雜，試驗成本較大且經濟性較差，有時甚至會因為技術上的難度而影響產品的研制進度。

1 臺架模擬試驗方法

1.1 模擬試驗參數全面性分析

船用軸承應考慮的使用環境因素主要有海洋氣候環境和海浪波動環境。海洋氣候環境模擬試驗參數主要有海洋酸性環境和高低溫濕熱環境[1]；海浪波動環境模擬試驗參數主要有船舶高速行駛時的海浪沖擊和船舶泊航時的海浪波動。

船舶動力傳動裝置軸承使用工況模擬參數主要有軸承安裝剛性、載荷、轉速和潤滑等。軸承安裝剛性模擬試驗參數主要體現在試驗工裝設計上，應包括試驗軸和安裝座的材料、熱處理工藝、配合公差等[2]，這些參數應與實際使用工況一致或相近。載荷與轉速最合適的模擬參數是軸承實際的工作載荷譜與工作轉速譜，在未能獲取軸承實際工作載荷譜和轉速譜時，也應包含軸承實際工作時的最大、最小載荷，最高、最低轉速等極端工況的模擬，并確定極端工況的大致時間占比，尤其不能忽略軸承實際工作時出現的正反轉、套圈轉動方式、急加載與急卸載、急加速與急減速、軸承承受的彎矩和角向力等工況模擬參數。軸承潤滑最合適的模擬參數應結合軸承的實際潤滑工況，包括潤滑油牌號、潤滑油溫和潤滑方式等。

1.2 軸承模擬試驗參數合理性選擇

對于軸承使用壽命評估，在一臺試驗臺架上同時模擬所有環境、工況參數進行試驗是最理想的情況[3-5]，但這會導致試驗臺架結構復雜、考核成本大等難題，而且有些參數從技術層面上也很難在一臺試驗臺架上同時進行模擬。因此，應根據軸承具體應用部位的工況與環境，通過軸承壽命影響因子分析分離出暫不進行模擬或單獨進行模擬的參數，只選擇影響因子大且必須同時在一臺試驗臺架上進行試驗模擬的參數。

1.2.1 海洋氣候環境模擬參數

在試驗臺架上模擬真實的海洋氣候環境具有很大難度，而且船舶動力傳動裝置軸承一般裝配在密閉齒輪箱內，多采用噴油或濺油潤滑，即軸承處于油性環境中，故海洋氣候環境模擬參數試驗可以采用強化手段，按GJB 150.9A—2009《軍用裝備實驗室環境試驗方法 第9部分:濕熱試驗》，GJB 150.11A—2009《軍用裝備實驗室環境試驗方法 第11部分:鹽霧試驗》，GJB 270A—2005《艦船滾動軸承規范》等標準進行濕熱、鹽霧和人工海水耐腐蝕試驗，將自主研制軸承金屬材料與進口軸承金屬材料進行比對，評估自主研制軸承金屬材料及其表面處理的耐海洋環境能力，不必采用海洋氣候模擬環境下的全壽命試驗。

1.2.2 海浪波動環境模擬參數

船用設備均有抗海浪波動以及海浪沖擊能力的要求，但對于軸承尚無單獨的技術指標要求，故這一參數相關技術指標有待進一步論證。但由于軸承抗海浪波動及海浪沖擊的能力直接影響配套設備的性能及可靠性，尤其是海浪環境會導致軸承提早失效并引發設備故障，因此海浪波動模擬參數應作為試驗可選參數，并貫穿整個軸承壽命試驗過程。建議軸承運轉試驗時配以沖擊和波動模擬，停運試驗時配以波動模擬。

軸承海浪波動模擬試驗參數實現的一種有效方法是對試驗臺架施加海浪沖擊與波動的模擬振動激勵。液壓激振器與振動臺面剛性連接，振動臺面則與軸承試驗臺架平板連接，通過相關配合零件將模擬振動激勵傳遞到試驗軸承上，利用4個液壓激振器進行振動相位匹配，模擬海浪對軸承的沖擊與波動作用。

1.2.3 高溫環境模擬參數

一般情況下，海洋環境溫度對船舶動力傳動裝置軸承壽命的影響不大，但許多工況下軸承實際工作的潤滑油溫較高，當潤滑油溫高于80 ℃時，應加入軸承高溫環境參數進行模擬試驗。潤滑油加熱模擬是較方便的方法，油溫設置應針對具體部位的工況進行分析確定。另外，高溫環境模擬參數應貫穿整個軸承壽命試驗過程。

1.2.4 使用工況模擬參數

軸承使用工況模擬參數一般包括軸承安裝剛性、載荷、轉速和潤滑4個方面，這些參數以盡可能與實際使用工況一致或相近為原則。由于這些參數對軸承壽命的影響較大，不僅不可缺少，而且應同時體現。工況模擬參數的確定需要軸承試驗工程師與軸承應用工程師的緊密合作，除調查軸承實際應用工況外，還應調查軸承使用中的常見故障和失效模式，評估各工況對軸承壽命的影響，結合影響因子大小確定模擬權重。

2 模擬試驗臺架主要技術參數

2.1 試驗軸承類型

根據船舶動力傳動裝置滾動軸承的實際使用情況，試驗臺架設計的試驗對象應包含圓柱滾子軸承、調心滾子軸承、四點接觸球軸承等，根據軸承類型和使用工況，試驗臺架設計應能同時或單獨對試驗軸承施加徑向、軸向載荷。

2.2 試驗軸承尺寸段范圍

試驗臺架覆蓋尺寸段范圍越廣，其經濟性和精密性就越差，但鑒于小尺寸段軸承(外徑小于440 mm)試驗臺架目前已有不少開發產品，而大尺寸段軸承(外徑大于520 mm)試驗臺架基本處于空白狀態，根據船舶動力傳動裝置軸承的實際應用情況，試驗臺架的軸承尺寸段范圍設計為外徑φ300～780 mm。

2.3 試驗軸承運轉方式與轉速

根據船舶動力傳動裝置軸承實際使用情況，一般軸承以內圈旋轉為主且存在正反轉工況，故試驗臺架以內圈旋轉外圈靜止模式設計且具備正反轉功能，同時應具備旋轉時長、加減速速率可設置且自動切換的功能。基于工況模擬應盡可能一致的原則，試驗臺架的設計轉速應覆蓋軸承實際使用的最高轉速，且留有高于最高轉速20%以上的余量。

2.4 試驗載荷

試驗臺架應具備對軸承施加徑向、軸向載荷的功能，且加載、卸載速率應滿足動力傳動裝置極端工況的要求。船舶動力傳動裝置軸承實際使用情況表明，由于輕載打滑導致的軸承早期失效故障較多，故在試驗臺架加載系統設計時既要考慮最大加載能力，又要考慮最小載荷的施加精度。載荷范圍設計為徑向載荷Fr=5～250 kN，軸向載荷Fa=2～100 kN。為適應不同寬度軸承的試驗要求，試驗臺架的徑向加載中心位置應可調，設計最大可調距離為80 mm。

2.5 試驗軸承裝機數量

由于船舶動力傳動裝置軸承尺寸段較大，本設計將裝機試驗軸承的數量設計為2套，即雙工位試驗設計，既可提高試驗效率，又在技術上延長驅動支承軸承的壽命。

2.6 狀態監控參數與控制方式

試驗過程中應監控的軸承狀態參數主要有轉速、徑向載荷、軸向載荷、振動、溫度以及潤滑油溫、驅動電流等。計算機控制程序可按試驗條件設定軸承轉速譜、載荷譜、潤滑油溫和振動激勵譜等模擬試驗參數，自動采集、記錄、保存試驗數據。不同參數的數據采集周期可進行單獨設置，且可隨時調閱參數監控曲線，當溫度、振動或電流超過預設限值時，試驗臺架能夠自動報警并停機。

3 試驗臺架主體結構設計方案

試驗臺架主體結構可采用如圖1所示方案，主要由振動激勵裝置、床身部件、驅動系統、加載系統和試驗單元組成。

1—驅動系統；2—試驗單元；3—加載系統；4—床身部件；5—振動激勵裝置圖1 試驗臺架主體結構設計方案Fig.1 Design scheme for main structure of test bench

3.1 振動激勵裝置

振動激勵裝置的結構如圖2所示，主要由基座、液壓激振器、振動臺板、伺服閥、傳感器和控制器組成，液壓激振器固定安裝在基座上，并與振動臺板剛性連接。

1—振動臺板；2—液壓激振器(含位移傳感器)；3—基座

振動激勵裝置的工作原理如圖3所示，輸入的目標信號經伺服控制器放大后進入可控電液伺服閥，伺服閥將與輸入信號成比例的液壓油輸入液壓缸，通過調節液壓油的壓力使液壓缸在垂直方向上往復振動，帶動振動臺板和試驗臺架平板做相應的沖擊與波動模擬，從而實現試驗臺架的正弦、隨機、典型沖擊等海浪波動環境模擬。伺服控制器采用雙閉環控制，控制原理如圖4所示，通過數據的實時采集、反饋及分析處理，能獲得較好地控制模擬精度。

圖3 振動激勵裝置工作原理圖Fig.3 Working principle of vibration exciter

圖4 振動激勵裝置控制原理圖Fig.4 Control schematic diagram of vibration exciter

3.2 支承裝置

支承裝置主要包括床身平板和傳動箱體兩大部件，傳動箱體剛性固定在床身平板上，床身平板則與振動臺板剛性連接。

3.3 驅動系統

驅動系統的電動機通過傳動帶與傳動箱體相連，采用變頻器控制電動機無級變速，能夠實現急加速、急減速、恒速和正反轉自動切換等模擬功能。傳動箱體主要由傳動主軸、傳動座、固定盤和傳動輪等組成。轉速精度一般控制在±2%范圍內，加減速率根據軸承使用極端工況確定。傳動箱體配置有回路冷卻潤滑系統，潤滑油溫一般控制在60 ℃以內。

3.4 加載系統

加載系統主要由液壓站、油缸、加載臂、力傳感器、調節裝置和標尺等組成。液壓站是加載系統的動力源，其原理如圖5所示，通過液壓缸對試驗軸承施加徑向、軸向載荷，經力傳感器實時反饋監測的徑向、軸向載荷，與比例閥形成精確閉環控制。加載系統設計應考慮載荷范圍、載荷精度、加卸載速率等因素是否滿足軸承極端使用工況要求，船舶動力傳動裝置極端工況模擬載荷(尤其是小載荷時)精度應控制在±2%范圍內。

圖5 液壓站原理圖Fig.5 Schematic diagram of hydraulic station

3.5 試驗單元

試驗臺架具有2個試驗單元，分別安裝在驅動軸兩端。試驗單元由試驗軸承、軸承座、試驗軸、加載盤、加載座、內圈壓蓋和外圈壓蓋等組成，如圖6所示。試驗軸與軸承座的設計應考慮材料、熱處理工藝、配合公差等因素與實際應用工況的一致性或相近性。

1,15—加載盤；2,14—內圈壓蓋；3,13—試驗軸承；4,12—加載座；5,11—軸承座；6,10—外圈壓蓋；7,9—試驗軸；8—傳動系統圖6 試驗單元結構方案示意圖Fig.6 Structure scheme diagram of test unit

4 結束語

臺架模擬試驗是船舶動力傳動裝置軸承自主研制成功與否和改進提升的重要依據。臺架模擬試驗應包括海浪沖擊與波動、軸承工作高溫環境等環境模擬參數和軸承安裝剛性、載荷、轉速、潤滑等工況模擬參數。參數選取除了考慮軸承壽命影響因子的認知和經驗外，還應考慮原用進口軸承使用過程中的常見故障和失效模式。

模擬試驗臺架的設計除應具有這些參數的模擬功能外，還應考慮臺架部件耐環境參數試驗的能力。對于船舶動力傳動裝置軸承的研制，海洋氣候環境適用性可以采用強化手段，按現有國軍標進行評估，通過評估后再在試驗臺架上進行模擬試驗考核。