模擬風電滑動軸承啟停和多潤滑狀態摩擦磨損的試驗設計

王 琳，滕金磊，李 一，楊培平

（1.西北工業大學a.機電學院；b.機械基礎國家級實驗教學示范中心；c.機械基礎與航空制造國家級虛擬仿真實驗教學中心，西安 710072；2.東方電氣集團東方電機有限公司，四川德陽 618000）

0 引言

風力發電機組的工作環境較為惡劣，因此對風電機組中的關鍵主軸軸承的壽命和可靠性提出了苛刻要求?；瑒虞S承因其承載力大、壽命長、穩定性高等優點而逐步在大功率風電機組主軸軸系中得到應用［1-2］。復雜的風速變化導致風電主軸滑動軸承時常工作于頻繁啟停、交變載荷及多種潤滑狀態下［3-5］，使得理論分析和數值計算難以對主軸滑動軸承配對材料副的摩擦磨損性能進行準確評估，因此需要開展頻繁啟停等典型工況下的滑動軸承摩擦磨損性能試驗及測試技術研究。

目前風電軸承專用測試試驗機結構復雜、價格昂貴，多用于專業廠家的產品開發和測試［6-8］等，而針對風電主軸滑動軸承的試驗機相關研究極少，因此需要開發成本較小并能較好模擬風電主軸滑動軸承頻繁啟停等典型工況的摩擦磨損試驗機［9-11］。

常見摩擦磨損試驗機的接觸形式多是球-盤、銷-盤、環-塊，無級變速，但難以模擬頻繁啟停，也無法直接用于滑動軸承摩擦磨損試驗［12-13］。針對風電主軸滑動軸承材料摩擦磨損模擬的試驗設備尚不多見，特別是在頻繁啟停及連續變速等工況下，因此設計并搭建了一種能夠實現頻繁啟停工況下滑動軸承摩擦磨損模擬的試驗機。通過與典型摩擦磨損試驗機的試驗結果對比驗證了摩擦力測量功能的準確性，并開展了不同潤滑狀態下恒轉速工況、頻繁啟停工況的摩擦磨損試驗。

1 試驗機設計

1.1 試驗機組成

試驗機機械結構的組成示意圖和實物圖分別如圖1 和圖2 所示，包括伺服電動機、傳動模塊、加載模塊、試件模塊4 個主要部分。其中，傳動模塊由聯軸器、扭矩傳感器、試驗主軸及支承軸承等組成，伺服電動機通過聯軸器、扭矩傳感器驅動試驗主軸。加載模塊由螺紋加載桿、螺紋板簧、減振彈簧、彈簧導桿、壓力傳感器及傳感器托盤、柔性梁等組成。試驗過程中，螺紋加載桿向下旋轉加載，并通過螺紋板簧的配合實現反向自鎖功能；使用減振彈簧和彈簧導桿結構減小試驗過程載荷波動的影響，載荷大小則由壓力傳感器測量；設計的柔性梁既可以傳遞載荷，又能反映受載試件表面的摩擦力變化。

圖1 風電主軸滑動軸承模擬試驗機示意圖

圖2 風電主軸滑動軸承模擬試驗機實物圖

試件模塊由可更換的上試件半環和下試件整環組成。上試件安裝在柔性梁下方，保持相對靜止；下試件通過錐形孔安裝在主軸最右端，并用螺栓預緊，隨主軸一起轉動；上、下試件采用環-環接觸以模擬滑動軸承軸瓦與軸頸的接觸。

上試件半環內徑為30 mm、軸向長度為10 mm；下試件整環外徑為30 mm、軸向長度為28 mm，錐形內孔比例為25∶1；2.2、2.3 節中的所有試件都統一為上述尺寸結構，并且上、下試件的材料分別為聚醚醚酮和GCr15 鋼。聚醚醚酮是一種具有優異耐熱、耐磨性能的熱塑性高分子樹脂材料，是風電主軸滑動軸承軸瓦主要備選材料之一。

1.2 試驗機頻繁啟停功能的設計與實現

試驗機頻繁啟停指的是驅動電動機在最大和最小轉速之間周期性地升速和降速。為了實現上述工作狀態，設計了一套完整的電動機控制系統以提高試驗機的自動化操作性能及更好地實現對電動機頻繁啟停工作狀態的控制。該系統主要由交流伺服電動機、伺服驅動器和伺服電動機控制器組成，電動機控制系統的功能實現流程和實物組成分別如圖3 和圖4 所示。

圖3 電動機控制系統整體流程

圖4 電動機控制系統實物連接圖

電動機的升降速曲線對于伺服電動機的運動狀態、控制精度、使用壽命等都有一定影響，常見的升降速曲線有梯形曲線、S 形曲線、三次速度升降速曲線等。以梯形曲線為例，通過伺服控制器和上位機軟件對電動機的運行參數進行設置，具體的參數設置如表1 所示，與之相對應的頻繁啟停下電動機運行狀態如圖5 所示。

表1 電動機運動過程關鍵參數的設置

升速和降速是由伺服控制器參數的準確設置實現，控制電動機在單個周期內從起始速度加速至穩定運行速度（升速時間t1）、從穩定運行速度減速至靜止（降速時間t2）。

1.3 滑動軸承不同潤滑狀態模擬的實現

風力發電機所處的多變風速環境使得風電滑動軸承在運行過程中頻繁啟停，風電主軸滑動軸承的軸瓦和軸頸在頻繁啟停過程中一般要經歷干摩擦、乏油潤滑和全膜潤滑等狀態。因此，模擬由頻繁啟停導致的滑動軸承不同潤滑狀態也是本試驗機的重要目標之一。不同潤滑狀態的實現方式如圖6 所示。充分清理上、下試件后，試驗時不在對磨試件之間添加潤滑介質，在保證試件初始粗糙度基本接近的情況下進行試驗即可模擬干摩擦狀態；試驗過程中將下試件浸入油槽中，通過下試件旋轉帶油潤滑以模擬全膜潤滑狀態；使用標準注射針管在上試件的對磨面上定量（如0.1 mL）滴油，再使用細刷將滴落的油滴均勻地涂抹整個接觸面，放置通風處靜置24 h，可認為該試件在實際試驗過程中潤滑狀態為乏油潤滑［14］，且經此處理的一批試件可認為潤滑狀態一致。

1.4 摩擦力采集系統的設計及功能實現

圖7 為摩擦力測量原理。通過加載裝置將載荷Fn經雙薄壁柔性梁施加于上試件和下試件，軸承轉動時上下試件在載荷作用下產生摩擦力，整個環面上的摩擦力合力矩引起了柔性梁的變形。將應變片粘貼在柔性梁最大變形位置處，通過應變片的電阻變化間接測量摩擦力大小。盡管在整個環-環接觸面每個點的切向上均存在摩擦力，但是環面上左右對稱接觸點的摩擦力豎直分力可以認為相互抵消，因此可以使用水平方向的摩擦力Ff替代整個環面的摩擦力合力。

圖7 摩擦力測量原理

摩擦力采集系統設計框圖如圖8 所示，主要包括應變片、信號調理模塊、A／D轉換模塊、主控制器和計算機等。使用金屬箔片式應變片采集對應的摩擦力信號，通過信號調理模塊對采集的信號進行初步處理，模擬信號與數字信號的轉換由STM32單片機內置的A／D模塊完成，同時通過STM32 單片機的控制串口通信模塊將轉換后的數據發送到上位機中，上位機則利用其強大的計算能力對采集的數據進行進一步的數據處理。

圖8 摩擦力采集系統設計框圖

2 試驗及結果分析

分別開展試驗機測試結果的準確性驗證試驗、不同潤滑狀態下的恒轉速摩擦磨損試驗以及不同潤滑狀態下的頻繁啟停摩擦磨損試驗，以模擬風電機組中主軸滑動軸承材料在實際工作環境下的磨損狀況。由于下試件材料GCr15 鋼的硬度很高，其磨損可以忽略，因此后續對于滑動軸承磨損量的測量均是針對聚醚醚酮上試件的磨損量測量。2.2、2.3 節中試驗工況參數如表2 所示。

表2 滑動軸承摩擦磨損模擬試驗工況

2.1 試驗機測試結果的準確性驗證

為了驗證所設計的摩擦磨損試驗機測試結果的準確性，利用所設計的試驗機和Rtec MFT-5000 摩擦磨損試驗機分別開展相同工況和相同材料下的試驗，并將測試結果進行對比。Rtec MFT-5000 摩擦磨損試驗機如圖9 所示，其摩擦接觸形式為環-塊接觸，故所設計的試驗機也采用環-塊接觸，采用的上、下試件如圖10 所示。試驗工況和材料情況如表3 所示。

表3 對比驗證試驗工況

圖9 Rtec MFT-5000摩擦磨損試驗機

圖10 試件實物

試驗結果對比如圖11 所示。兩者在試驗過程中的摩擦因數變化趨勢基本一致，初始磨合階段摩擦因數較大，隨時間的增加摩擦因數顯著減小，并在一個穩定范圍內波動。結果的差異既與2 種試驗機的加載方式有關，又與試驗過程因安裝固定偏差引起的偏載有關（見圖12），但差異量均在0.01（即小于10%）范圍內。

圖11 2種試驗機試驗結果對比

圖12 摩擦磨損試驗過程中環-塊式接觸

2.2 不同潤滑狀態下滑動軸承恒轉速摩擦磨損試驗及結果分析

在常規發電工況下，某型風電機組中風電齒輪箱滑動軸承的線速度為0.25～0.50 m／s［15］。為了模擬此典型工況下滑動軸承在干摩擦、乏油潤滑、全膜潤滑3 種潤滑狀態下的摩擦磨損，設計了如表2 所示D1、D2、D3 試驗組，即轉速250 r／min（約0.4 m／s）、載荷150 N。分別在3 種不同潤滑狀態下持續試驗10 min，試驗過程中的摩擦力變化和磨損量差異分別如圖13和表4 所示?？梢钥闯觯赡Σ料履Σ亮湍p量最大，乏油潤滑下摩擦力和磨損量次之，全膜潤滑下摩擦力和磨損量最小。

表4 不同潤滑狀態下磨損量

圖13 不同潤滑狀態下摩擦力變化

2.3 不同潤滑狀態下滑動軸承頻繁啟停摩擦磨損試驗及結果分析

為了探究不同潤滑狀態下頻繁啟停所導致的轉速周期性變化對滑動軸承摩擦磨損的影響，開展了如表2 所示E1、E2、E3 工況的摩擦磨損試驗，并將結果與2.2 節恒轉速下的結果進行對比，如圖14 所示。

圖14 頻繁啟停和恒轉速時不同潤滑狀態下摩擦力對比

可以看出，在干摩擦狀態下，頻繁啟停引起的周期性波動使摩擦力一開始略高于恒轉速下的摩擦力，但頻繁啟停下最終穩定的平均摩擦力與恒轉速下的摩擦力數值基本一致；在乏油潤滑狀態下，頻繁啟停引起的周期性波動使摩擦力明顯大于恒轉速下的摩擦力，這是因為頻繁啟停過程中的低速階段存在相當比例的粗糙峰直接接觸，無法形成穩定的潤滑油膜；在全膜潤滑狀態下，頻繁啟停引起的周期性波動使摩擦力一開始高于恒轉速下的摩擦力，隨著試驗時間的增加，兩者趨于一致，這是受本試驗中全膜潤滑的實現方式所影響。

試驗前后的質量差值對比如圖15 所示。可以看出，在相同工況下恒轉速的磨損量要大于頻繁啟停的磨損量，這是由于在同樣的運轉時長下，恒轉速的平均轉速顯然比頻繁啟停的平均轉速要大。

圖15 頻繁啟停和恒轉速下磨損量對比

為了更深入地研究頻繁啟停與恒轉速下的差異，在試驗過程中還使用紅外測溫儀每隔30 s 對上試件端面進行一次測溫（見圖16），以觀察不同轉速下的溫度變化，瞬時溫升對比及平均溫升對比結果分別如圖17、18 所示。可以看出，無論頻繁啟停還是恒轉速，都是干摩擦下的溫升最高，全膜潤滑下的溫升最低。同時，相同工況下恒轉速最終溫升比頻繁啟停最終溫升要高，這一結果與摩擦力和磨損量的對比結果一致；頻繁啟停時的初始溫度上升較快，這也與前文描述的頻繁啟停時起始摩擦力較大的試驗現象相呼應。

圖16 試驗過程中測溫現場

圖17 頻繁啟停和恒轉速下上試件端面瞬時溫度對比

圖18 頻繁啟停和恒轉速下上試件端面平均溫升對比

3 結論

（1）頻繁啟停過程中的速度變化使得摩擦力發生了周期性波動，但總體上干摩擦下摩擦力最大，乏油潤滑下次之，全膜潤滑下摩擦力最小。

（2）由于頻繁啟停下的平均轉速小于恒轉速下，因此在相同潤滑狀態下前者的磨損量和溫升都相對較小。

（3）在乏油潤滑狀態下，由于頻繁啟停過程中的低速階段存在相當比例的粗糙峰直接接觸，因此頻繁啟停引起的周期性波動使摩擦力明顯大于恒轉速下的摩擦力。

由于所設計的試驗機具備頻繁啟停和不同潤滑狀態特征，因此該試驗機既可以用于風電主軸滑動軸承模擬研究，也可以用于其他具有類似工況的工程應用和實踐教學。