寬溫域向心關節軸承徑向游隙試驗研究

房議，趙偉樺，許冬冬，陳志軍，尉成果

(1.洛陽職業技術學院 機電工程學院，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重點實驗室，河南 洛陽 471039；4.中國空氣動力研究與發展中心，四川 綿陽 621000)

1 引言

向心關節軸承作為典型的運動機構執行部件，對機構的運動精度和穩定性影響較大。目前，對于大溫度交變環境下向心關節軸承游隙變化的研究相對較少，國內外只有少量的試驗報道，欠缺試驗數據和經驗積累。文獻[1]進行了高溫合金向心關節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境下測量)為0.008 mm。文獻[2]研發了磨損量檢測系統，分析溫度對磨損量產生的影響并基于理論分析數據建立了補償磨損量檢測系統的熱誤差模型，提出了磨損量檢測系統熱誤差補償方案，可提高關節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總誤差的 40%～70%。文獻[4]建立了關節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]研制了第二代關節軸承游隙檢測裝置，對游隙實現了半自動化控制測量；文獻[6]根據向心關節軸承裝配后的徑向游隙變化規律提出了一種快速評價方法，用于指導裝配后關節軸承游隙的快速估算。文獻[7]開展了低溫/寬溫域環境下自潤滑關節軸承摩擦磨損規律和模擬服役性能的研究。

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

針對上述問題，依據環境箱校準標準[8]，增加多點位移測量，使用綜合游隙計算方式減小溫度產生的位移誤差，開發了寬溫域徑向游隙在線監測系統，并對寬溫域下向心關節軸承徑向游隙進行試驗測量和分析。

2 測量原理

向心關節軸承的徑向游隙應在成品狀態下測量，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，關節軸承套圈在徑向上下移動時，由于支承軸承在軸系兩側固定，整個軸系會跟隨支承軸承的徑向游隙上下移動，從而導致一定的測量誤差[4]，測量過程中溫度變化導致的材料變形量同樣會在關節軸承徑向上產生測量誤差；然而，軸系左右兩側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，根據關節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且經歷寬溫域環境溫度的大幅變化，工裝的加工、裝配和定位等因素造成的測量誤差，設計了向心關節軸承試驗機。該試驗機可裝配4套同規格關節軸承，軸系左右變化對稱，保證軸系在計算誤差時得到的數值明確，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，環境箱內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—關節軸承；8—端蓋。

向心關節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境箱內。

2)設定環境箱溫度并保溫，直到T1，T2，T3，T4穩定至設定溫度且差值小于±5 ℃。

3)調節位移傳感器位置，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，待位移傳感器數值穩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，待位移傳感器數值穩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、加載位置、主軸右側的徑向位移量。

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套關節軸承平均徑向游隙、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致的位移量變動。

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

對于上述試驗方法，若連續變換環境溫度，步驟3是必須的；步驟4，5由計算機自動完成。根據經驗，高精度位移傳感器(量程小)會在溫度連續變化時出現超量程或輸出至非線性段，因此在寬溫域每個環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值波動不大的情況下進行，此時被測軸承的運行狀態和溫度較為穩定，可以得到比較準確的測量結果。

3 向心關節軸承試驗機的設計

3.1 試驗機結構及工作原理

根據徑向游隙在線測量原理，所研制試驗機由環境箱、支承軸系、加載組件、監控系統等組成，能夠模擬寬溫域環境下關節軸承的轉速、載荷、裝配關系、環境溫度等工況，具備轉速、溫度、載荷、位移等參數的測量功能。試驗機設計原理如圖2 所示，主體結構如圖3所示。

圖2 向心關節軸承試驗機原理圖

環境箱采用液氮制冷和電阻絲加熱，營造干燥空氣環境或氣氮環境(空氣主要成分為氮氣)，保證寬溫域環境的實現。試驗工裝完全置于環境箱內部且與環境箱內壁的最近距離為127 mm，保證關節軸承測試溫度的穩定性和一致性并提高測量精度。環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置聚四氟乙烯保溫層以提升溫度穩定性。試驗工裝(圖1)采用簡支梁結構，可裝配4套向心關節軸承。以上設計可針對性地解決徑向游隙測量中存在的問題，實現向心關節軸承徑向游隙、環境溫度、外圈表面溫度、扭矩、載荷等參數的測量。

1—徑向加載組件；2—反射屏；3—四氟保溫板；4—工作臺；5—驅動裝置；6—反射屏；7—底座；8—壓蓋;9—環境箱；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 試驗機參數設置

向心關節軸承試驗機的主要技術參數見表1，傳感器參數見表2。

表1 向心關節軸承試驗機主要技術參數

表2 向心關節軸承試驗機傳感器參數

4 試驗驗證及結果分析

4.1 試驗條件

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

圖4 GE90TX型關節軸承

表3 GE90TX型關節軸承的基本參數

表4 徑向游隙試驗的測量參數

4.2 試驗結果分析

整個試驗過程中軸承工作正常，各項監測數據無異常。試驗完成后拆機檢查并對試驗數據進行處理，不同規格關節軸承的結果類似，同樣以GE90TX型關節軸承為例進行說明。

4.2.1 綜合徑向游隙

在每個設定溫度下，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型關節軸承的綜合徑向游隙曲線如圖5所示。

圖5 寬溫域環境下GE90TX型關節軸承的綜合游隙

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)每個設定溫度下，徑向游隙曲線均在一定范圍內波動，但波動值較小，屬于正?，F象；溫度越低，徑向游隙曲線波動越大，表明軸承常溫下狀態更穩定。

3)徑向游隙最大值為0.213 mm，出現在50 ℃時；最小值為0.139 mm，出現在-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，原因是試驗軸承內部溫度還未完全達到環境溫度(即軸承外圈溫度)，隨著保溫時間的增加，后半段數據整體看來較為正常。

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，設定環境溫度25 ℃時的測試值為綜合徑向游隙基準值，觀察關節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，綜合徑向游隙越小；雖然在-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型關節軸承綜合游隙平均值

5 結論

針對寬溫域向心關節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，研制開發了寬溫域向心關節軸承試驗機，采用多位移點和溫度點，提高環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。