航空航天軸承潤滑劑拖動特性試驗機的研制*

李智昊 蘇 冰 劉 鵬 黎建濤 王 健 魏冰陽

(1.河南科技大學機電工程學院 河南洛陽 471003；2.洛陽軸承研究所有限公司 河南洛陽 471003)

航空航天領域的潤滑問題所研究的對象是航空航天飛行器的各類運動機構和運動部件，并根據其運動部件的工作環境和運動工況開展相關的摩擦學行為、潤滑材料及潤滑技術研究，研究所涉及的運動部件就包括了滾動軸承和齒輪等基礎件。滾動軸承作為重要的基礎部件，如果發生故障，將引發災難性的后果[1]。

航空航天領域所使用的軸承通常在特殊的條件下工作，例如高低溫、重載、高轉速等特殊工況[2]。其潤滑方式復雜多樣，軸承現場試驗難度大，試驗數據貧乏，致使其動力學分析及壽命評估難度較大。為了研究模擬軸承點接觸狀態下潤滑劑的拖動特性，河南科技大學楊伯原團隊研制了球盤試驗機[3-4]，并對國產的航空航天潤滑劑做了部分工況下的試驗研究[5-9]；哈爾濱工業大學王黎欽團隊也研制了用于模擬高速旋轉部件點接觸的摩擦試驗機[10]，并開展了相關的研究[11]。航空航天軸承潤滑劑試驗，需要高低溫寬溫域、高速重載的試驗機。目前國內對此類工況的滑滾狀態下潤滑劑的拖動特性研究較少，而且缺乏相關的試驗設備。為準確模擬航空航天軸承的工作條件，本文作者在河南科技大學原試驗機[3-4]的基礎上，研制了一種適應廣泛的球盤式航空航天潤滑劑的拖動性能試驗機，該試驗機具備寬溫域、高速重載、高自動化的特點。

1 試驗機的性能要求

為準確模擬軸承中滾動體與滾道之間的運動和力，以及滿足各種潤滑劑的拖動特性測試要求，試驗機實際運轉工況需滿足以下主要技術指標：球盤接觸區平均滾動速度1～50 m/s，滑滾比0～0.35；可加載荷范圍0～500 N，球試件和盤試件之間赫茲接觸應力0～3.5 GPa；球盤試件環境溫度范圍-175 ℃至室溫(主要針對固體潤滑劑或自潤滑材料試驗，由低溫環境系統實現)；潤滑油加熱溫度范圍為室溫至150 ℃(針對潤滑油試驗，由潤滑油加熱系統實現)；計算機系統需能夠實時監測試驗機的溫度、載荷等工作狀態，可以自動和手動控制電主軸的轉速；試驗流程表可以手動輸入或自動導入；試驗數據可顯示、讀取、處理和儲存。

2 試驗機的組成

2.1 試驗機主體結構

文中研制的試驗機與河南科技大學原試驗機相比，改進了測量系統，使用了空氣軸承，減少了基礎摩擦力矩；改進了潤滑油加熱系統，增加了試驗區寬溫域環境等功能；改進了加載系統，實現了自動化加載與測量等等，以適合航空航天軸承潤滑劑的拖動力測試。試驗機主體結構如圖1所示，包含六大部分，分別是動力系統、加載系統、潤滑系統、測量系統、低溫環境系統以及潤滑油加熱系統，各系統關聯簡圖如圖2所示。

圖1 試驗機主體結構

圖2 各系統關聯

2.2 動力系統

試驗所用球試件與盤試件旋轉的動力分別由電主軸Ⅰ和電主軸Ⅱ提供，并分別由2臺變頻器控制它們的轉速。驅動球試件的電主軸Ⅰ的最高轉速達到48 000 r/min，潤滑方式采用油霧潤滑。驅動盤試件的電主軸Ⅱ的最高轉速為24 000 r/min，其潤滑方式為內部脂潤滑。電主軸Ⅰ和電主軸Ⅱ的轉速可滿足球盤試件接觸區高速滑滾狀態的要求。

2.3 加載系統

加載系統由伺服電動缸、矩形彈簧、載荷傳感器、空氣軸承軸芯以及電主軸Ⅰ托架組成。試驗裝置采用伺服電動缸進行加載，伺服電動缸安裝在空氣軸承軸芯的最下方，伺服電動缸與軸芯之間還裝有矩形彈簧和載荷傳感器，用以緩沖并測得加載力的大小。在進行試驗時，通過PLC控制伺服電機驅動絲杠直線運動，推動軸芯向上運動頂升電主軸Ⅰ托架以及電主軸Ⅰ，從而推動球試件與盤試件法向接觸，達到施加載荷的目的。經驗算，加載系統可加載的最大載荷滿足要求。

2.4 潤滑系統

在進行試驗時，通過供油泵給油箱中的潤滑油提供壓力，使潤滑油流入進油管道，最終由噴油嘴噴至球盤接觸點。使用過的潤滑油流入試驗箱內，在回油泵的作用下通過回油管道回收到油箱，可實現潤滑油的重復使用。在潤滑油回流進油箱之前，要先經過過濾網對回油進行過濾，以保證流入油箱的潤滑油不被污染。試驗機油箱的容量為3 L，進油泵的電機型號為41K25A-C，額定功率為25 W，轉速為1 350 r/min。進油泵連續工作時間長，發熱量小，工作穩定，可滿足長時間的試驗需求。同時通過調節壓力閥，可提供不同流量的恒定供油。

2.5 測量系統

在加載完成后，調節為球試件與盤試件提供動力的電主軸Ⅰ和電主軸Ⅱ的轉速，使其產生滑滾比時，球盤試件之間就會產生拖動力，作用于球試件上的拖動力使得電主軸Ⅰ繞空氣軸承的軸線偏轉，壓迫固定于托架兩側的拖動力傳感器。拖動力的大小是由傳感器測得的力經杠桿比例轉換而得。由于空氣軸承回轉的摩擦因數很小，遠小于球盤試件間潤滑劑的摩擦因數，因此可以達到精確測量的目的。試驗機的托架兩側分別安裝有一個拖動力傳感器，可以實現球盤試件間正負滑滾比下的雙向拖動力的測量。

2.6 低溫環境系統

在做低溫固體潤滑的拖動力試驗時，需要將球盤試件接觸區的環境溫度降至室溫至-175 ℃。制冷源由自增壓液氮罐中的液氮提供，打開自增壓液氮罐的閥門，其中的液氮流入溫控箱中，溫控箱中的電磁閥自動控制液氮的流入量，并由電熱絲將液氮加熱為指定溫度的低溫氮氣，再將低溫氮氣注入試驗箱中，對球盤試驗箱內環境進行冷卻，從而對球盤試件進行冷卻降溫，控制球盤試件接觸區的起始溫度。也可以將液氮直接噴射到試驗箱中，達到更低的溫度。試驗箱安裝縫隙處使用耐寒性優良、導熱系數小的聚四氟乙烯材料填充密封。經試驗測試，最低環境溫度可以穩定在-175 ℃及以下，滿足試驗區環境溫度的要求。溫控箱采用ST590溫度控制器，具有先進的PID等功能，控溫精度高。

2.7 潤滑油加熱系統

在做高溫油潤滑試驗時，需要將潤滑油加熱到一定的溫度，并將潤滑油噴入旋轉的球盤之間的接觸區，運行一段時間，使球盤接觸區起始溫度與潤滑油保持相同。潤滑油的加熱方式采用電熱絲加熱，將電熱絲纏繞在螺旋上升的供油油路上，在噴油嘴處安裝有熱電偶，用以檢測供油溫度，同時通過PID溫控儀控制加熱。經試驗測試，潤滑油溫度可加熱到150 ℃，溫度誤差±3 ℃，滿足試驗機的功能要求。

3 電氣測控系統與使用

試驗機的電氣測控系統主要由以下部分組成：執行部件(伺服電機、電主軸等)、驅動部件(變頻器、比例閥)、測試信號采集部件(傳感器和信號轉換電路)。變頻器用于變頻電機(電主軸)的驅動及控制，實現主軸調速；驅動系統用于驅動及控制伺服電動缸，實現載荷力控制；數據采集板卡A/D輸入功能進行溫度、力、轉速、壓力等測試信號的采集。計算機、變頻器和PLC通過串口進行信息交換；以本地計算機為主，負責試驗數據收集及試驗流程發布；利用PLC的數字量輸入功能檢測各個設備的工作狀態，PLC的數字量輸出功能負責開關信號的控制。試驗機的測控系統結構如圖3所示。

圖3 測控系統結構

文中試驗機的突出特點是可實現全自動化測量，即通過計算機自動控制。每次試驗前，僅需將所需要的參數，如試驗工況、試驗步驟、電主軸的轉速、試驗時間、數據自動存盤時間等輸入載荷譜和轉速譜文件中，便可進行試驗。試驗過程中，系統可自動記錄載荷、溫度、拖動力、轉速、滑滾比、摩擦因數等參數，并具有電機電流、轉速、載荷、溫度等超限自動停機報警功能，計算機操作界面如圖4所示。

圖4 計算機操作界面

4 關鍵零部件的選型與分析

伺服電動缸在試驗過程中起加載作用，其加載性能決定了試驗機可加載力的大小；空氣軸承是測量系統的重要組成部分，其承載能力需滿足試驗機的性能要求。伺服電動缸和空氣軸承是試驗機的核心部件，因此設計時需根據要求進行計算分析。

4.1 伺服電動缸的選型

試驗機的性能要求，其加載力需要達到500 N以上。根據試驗機的結構分析，在進行加載時，伺服電動缸需先將包括空氣軸承軸芯、電主軸Ⅰ托架、電主軸Ⅰ頂起后，才能使球盤試件之間相互接觸，從而實現加載。因此，除滿足需要的加載力外，伺服電動缸在進行加載時，還要克服上述零部件的重力。

如果伺服電機的輸出扭矩過小，就會造成電機長期過載，使電機發熱而損壞；如果電機輸出扭矩過大，就會造成功率效率得不到充分利用，增加設備成本，造成電能的浪費[12]。綜合以上因素，選取型號為RES50-BS05-50-GP01-FF-MD-AR-T2-Y400W的伺服電動缸，其主要性能參數見表1。

表1 伺服電動缸性能參數

伺服電動缸的額定負載可由公式(1)計算：

(1)

式中：T為電機輸出扭矩，N·m；η為機械效率；R為減速比；L為絲桿行程，mm。

經計算，伺服電動缸的額定負載為1 355 N，滿足試驗機的加載要求并具備裕量。

4.2 空氣軸承承載能力分析

在試驗機加載完成后，球盤試件間的接觸力FW會對空氣軸承軸芯產生一個傾覆力矩，試驗機主體結構的受力示意圖如圖5所示。

圖5 試驗機主體結構受力示意

為保證加載時試驗機主體結構的機械穩定性，還需要對空氣軸承的承載能力進行分析計算。由上下2個空氣軸承的承載力FN1和FN2計算出的抗傾覆力矩需大于球盤試件接觸力對空氣軸承的傾覆力矩，即FN1×L2+FN2×L3>FW×L1，才能保證其強度要求。

文中試驗機使用的是定制的ZCS-KZ120型空氣靜壓主軸，由2個空氣軸承組成。進氣方式為圓周環狀型狹縫進氣，空氣擴散及環流的影響較小，進氣平穩，軸承的穩定性較好[13]。其尺寸參數見表2。

表2 空氣軸承尺寸參數

由圖5對空氣軸承的承載能力進行分析，球盤試件間加載后，空氣軸承軸芯會以底部的支點為偏轉中心偏轉，使空氣軸承產生一定的偏心率(實際軸芯徑向偏移與平均氣膜厚度的比值)，建模分析時先給定空氣軸承一定的偏心率，再使用Fluent仿真計算其承載能力。

空氣軸承間隙中的氣體流動是一個十分復雜的三維流動過程，求解過程對計算機的硬件要求較高[14]。為了提高運算速度，簡化模型，根據空氣軸承受載后的對稱性，仿真計算的模型對象取整個模型的1/2；空氣軸承軸芯受到球盤試件加載引起的傾覆力矩，以底部支點為偏轉中心發生偏轉，擠壓氣膜，因此空氣軸承的偏心率隨距底部支點距離的增大而增大，實際軸芯徑向偏移最大處的偏心率取0.8。以上方的空氣軸承分析為例，按表2中參數表使用Gambit軟件建立有限元模型并網格化處理，模型網格劃分示意圖如圖6所示，采用六面體單元，數量為3 162 510。

圖6 模型網格劃分示意

將畫好的網格導入Fluent中設置邊界條件、選擇計算模型并進行計算，計算的軸承壓力分布結果如圖7所示。由軸承的壓力云圖可知氣膜中的壓力變化：高壓氣體由進氣環面流入，經過環面狹縫的節流作用后進入軸承間隙，形成高壓氣膜；氣膜的壓力沿著軸承軸向方向由內向外逐漸下降，由軸承兩端流出，壓力逐漸從高壓降至外界環境壓力(設置環境壓力為0)。

圖7 空氣軸承壓力云圖

在Fluent計算完畢后，通過后處理功能，用Report→Forces可以獲得上方空氣軸承所受的氣膜壓力，FN1的計算結果為519 N。同樣，使用相同的方法對下方的空氣軸承建模并仿真計算，FN2的計算結果為182 N，經抗傾覆力矩驗算，滿足試驗機主體結構的強度要求。

5 試驗機性能驗證

在做潤滑劑的拖動特性試驗時，對試驗機的穩定性、精度等方面性能的要求很高。為了檢驗試驗機能否測試出準確、可靠的試驗數據，在試驗機調試完成后，進行了驗證性試驗。試驗所用油品為德國Schaeffler公司提供的參考試驗用FVA3潤滑油。試驗結束后將試驗結果與德國Schaeffler公司數據庫中Imperial College London球盤試驗機(MTM)和Aristotle大學雙圓盤試驗機所測得的參考試驗結果[15]進行比較分析。

5.1 試驗工況

文中驗證試驗所使用的球盤試件材料均為GCr15軸承鋼，熱處理后硬度為61～66HRC，表面粗糙度為Ra0.02 μm，球試件直徑為10 mm，盤試件直徑為90 mm。試驗工況參數見表3。

表3 試驗工況參數

5.2 試驗結果分析

圖8所示為在文中試驗機上進行試驗測得的FVA3潤滑油的拖動特性試驗數據與國外參考試驗結果的對比。可知文中研制的試驗機測試出的試驗數據與國外參考試驗數據相差較小，最大相對誤差不超過10%，滑滾比S對摩擦因數μ的影響也與國外參考試驗數據基本一致；測得的拖動特性曲線整體的準確性、穩定性較好，與經典彈流潤滑理論相符。

圖8 FVA3潤滑油摩擦特性曲線與參

以上分析說明，文中試驗機的測試系統精度滿足拖動特性試驗的各項要求。

6 試驗機存在的問題與改進

經過對試驗機的調試與使用，試驗機還存在以下問題：

(1)試驗過程中拖動力變化范圍大，因此文中選用的拖動力傳感器量程大，滑滾比微小變化時產生的拖動力微小變化的準確測量受到影響。所以文中試驗機測試滑滾比微小變化時的拖動力時，還存在一定的誤差。

(2)球盤試件接觸區的溫度變化與測量時間有直接關系，其對潤滑油的流變性能和膜厚等均造成影響，進而影響拖動力的測量結果。文中試驗機目前還欠缺接觸區實時溫度的測量裝置。

后續還需在文中試驗機的基礎上做出如下改進：

(1)進一步改進拖動力測量系統，尤其是增加能夠靈敏測量拖動力微小變化的傳感器，以保證在滑滾比微小變化時，有更準確的測量精度。

(2)增加球盤試件接觸區的非接觸式實時溫度測量裝置，以便能使試驗控制在更為統一的條件下。

7 結論

研制一種適應廣泛的球盤式航空航天軸承潤滑劑的拖動性能試驗機，并在該試驗機上使用參考試驗用潤滑油進行了驗證性試驗。結果表明：試驗機具備寬溫域、高速重載、高自動化的特點；試驗機的關鍵零部件，如伺服電動缸、空氣主軸等均滿足試驗機的性能要求；試驗機測得的試驗數據較為準確、可靠，可以為航空航天系列軸承產品動力學分析和結構設計提供可靠的數據支持。