基于區間極值的圓柱滾子軸承保持架打滑評價方法

姜中明,畢明龍,曹娜娜,戰利偉

(中國航發哈爾濱軸承有限公司,哈爾濱 150025)

隨著航空發動機性能的提升,對航空軸承的轉速、承載力、精度等性能參數的要求也隨之提高。高速運行中,航空軸承滾動體與滾道之間的相對滑動(保持架打滑)是影響其性能的重要因素[1]。如果發生嚴重滑蹭,滾動體與滾道之間的摩擦力將增大,導致航空軸承產生膠合現象,嚴重影響發動機的安全運行[2-3]:因此,對航空軸承保持架打滑進行測試分析十分必要。

保持架打滑測試的關鍵是提取滾動體運行速度[4]。由于航空軸承運行于高溫、油霧等惡劣工況下,而且航空軸承周邊適合傳感器安裝的空間狹小,限制了一些保持架打滑測試方法的應用。文獻[5]基于光纖探測的方法評價保持架打滑, 將光纖的發射端和接收端正對滾動體放置, 計算滾動體通過光纖傳感系統的脈沖頻率以獲取滾動體速度,具有靈敏度高和結構緊湊等優點,但油霧會對光學傳輸產生一些影響。文獻[6]在軸承外圈設置適合應變計放置的平面,通過計算滾動體經過應變計時的信號變化特征提取滾動體速度,該方法需破壞軸承結構。文獻[7]提出了基于弱磁探測的航空軸承滾動體速度檢測方法,通過航空軸承內圈及滾動體旋轉時的弱磁場變化實現內圈及滾動體轉速的測量,其無需破壞軸承的任何結構且可抗油霧及高溫環境的干擾。

當航空軸承的運行工況發生快速變化,尤其是在快速變化的瞬間,保持架會發生嚴重打滑,需要對航空軸承在此時間段內的保持架打滑特性進行分析并評價其抗打滑性能。現有保持架打滑率分析方法主要集中于對軸承在恒定工況下的保持架打滑特性進行分析,文獻[6]通過對拾取信號的頻域分析提取滾動體特征頻率,并分析了不同速度及載荷下的保持架打滑率,但其難以對變工況時的保持架打滑情況進行分析。

綜上所述,本文首先對弱磁探測信號進行時頻變換,獲取航空軸承內圈及滾動體轉頻的時頻分布,然后基于區間能量最大值的方法獲取航空軸承保持架隨時間變化的打滑特性。

1 基本原理

1.1 保持架打滑評價原理

傳統航空軸承保持架打滑率的定義[8]為

(1)

式中:nc為保持架實際轉速;ns為保持架理論轉速;ni為內圈轉速;Dw為滾子直徑;Dpw為滾子組節圓直徑;α為接觸角。

隨著航空軸承實際運行過程中溫度、轉速和載荷等參數的變化,滾子直徑、滾子組節圓直徑和接觸角也會發生變化,通過(1)式評價保持架打滑特性時會引入一定的誤差。

為彌補軸承參數變化導致的保持架打滑率評價誤差,對(1)式進行變換可得

(2)

令

(3)

則可得到保持架打滑的新評價方法,即通過保持架轉速與內圈轉速之比評價保持架打滑特性

(4)

1.2 非平穩工況下保持架及內圈轉速的提取

基于弱磁探測的軸承轉速提取方法[7]僅僅用于軸承局部穩態工況環境下的轉速提取。航空軸承在實際工作時并非按照平穩工況運行,常伴隨著突然加速及緊急停止等非平穩工況,傳統的快速傅里葉變換(FFT)并不適合在此類非平穩工況下進行保持架及內圈轉速的提取。

針對航空軸承非穩態工況下保持架打滑的評價情況,本文提出基于區間能量極大值的方法提取航空軸承保持架打滑率。對探測的弱磁信號進行時頻變換,在時頻譜中通過能量脊線體現各元件的運行情況。對于內圈,可通過試驗譜建立局部閾值提取實際轉速;對于保持架,可基于保持架理論轉速建立局部能量區間,通過提取局部能量極大值獲取保持架實際轉速,轉速提取的原理如圖1所示。

圖1 特征頻率提取原理圖

1.2.1 弱磁探測信號的短時傅里葉變換(STFT)

弱磁探測信號經數據采集卡采集處理后變為數字信號Xm(n),用窗函數g(n)截取離散弱磁信號以獲取局部弱磁信號,對截取后的信號進行FFT處理,通過窗函數的中央位置坐標在時間軸上移動,得到在不同時刻的頻域信息,即

(5)

式中:L為窗函數g(n)的寬度,決定時頻變換的頻率分辨率。

1.2.2 內圈轉速提取

假設航空軸承內圈的時頻譜為

(6)

為提取內圈轉速,在時頻譜分別設置上、下限,即

(7)

(8)

則內圈轉頻所在的局部能量區間可表示為

Fi′=Fi-up(t,f)-Fi-down(t,f),

(9)

式中:N為試驗譜段數;fup,fdown分別為上、下截止頻率。

尋找區間Fi′內能量最大值對應的頻率成分可獲取內圈的轉頻,即

(10)

則內圈轉速為

ni=60fi。

(11)

1.2.3 保持架轉速提取

在純滾動條件下,保持架轉速小于內圈轉速的一半,其轉頻也小于內圈轉頻的一半,即

(12)

在實際運行期間,航空軸承的滾動體會發生滑動,意味著保持架旋轉速度將小于理論速度,可設置區間上限為保持架理論轉頻,下限則根據實際情況具體設置。因此,保持架轉速區間的能量上、下限分別表示為

(13)

(14)

則保持架的局部能量區間為

(15)

(16)

則保持架轉速為

nc=60fc。

(17)

2 保持架打滑率提取試驗平臺

采用圓柱滾子軸承進行試驗以驗證所提方法的有效性。如圖2所示,軸承保持架打滑率試驗平臺主要由驅動電動機、聯軸節、陪試軸承、旋轉軸、加載機構、試驗軸承構成。在試驗軸承徑向正上方的軸承座上設置與弱磁探測傳感器直徑等同的孔,將弱磁探測傳感器放置其中并與外圈保持非接觸,用于獲取滾子和內圈的轉速;光電傳感器正對保持架方向放置,在保持架上布置標記點,用于測量保持架轉速并與弱磁探測結果進行對比。

(a) 試驗原理示意圖

3 試驗數據分析

通過保持架打滑率試驗平臺進行變工況運行條件下的試驗,試驗載荷為600 N,試驗速度譜見表1。航空軸承參數為:內徑30 mm,外徑62 mm,滾子直徑7.5 mm,滾子數14;保持架為鋼制材料,表面鍍銀。數據采集系統的采樣頻率為34 kHz,弱磁探測傳感器的響應頻率可達1.5 kHz。試驗所采集弱磁及光電信號的時域波形如圖3所示:在軸承突然變速階段,信號特征明顯變化,弱磁信號的幅值高于穩定階段。

表1 試驗速度譜

圖3 弱磁及光電信號的時域圖

為提取航空軸承保持架轉速,對采集的弱磁信號和光電信號分別進行短時傅里葉變換(STFT),結果如圖4所示:可明顯辨別保持架轉頻及內圈轉頻,且內圈轉頻信號比保持架轉頻信號的能量高,這是由于航空軸承內圈比保持架的體積大,其導磁特性也更高;光電信號中包含保持架轉頻及其倍頻成分,前5倍頻率的成分清晰可見,表明航空軸承保持架并非在內、外滾道之間穩定運行,而是產生了一定的振蕩。

(a) 弱磁信號

將內圈轉頻提取上限設置為1.1fi,下限設定為0.9fi;保持架轉頻提取上限設置為滾子純滾動時的理論轉頻fcup,下限則設置為0.25fcup。采用上文所述方法提取內圈及保持架轉速,結果如圖5所示:與保持架理論轉速對比可知,檢測所得保持架轉速低于理論轉速,表明航空軸承保持架并非保持純滾動運行,在實際運行中存在一定程度的滑動;光電與弱磁探測方法所得保持架轉速保持一致,尤其在變速階段高度重合,僅個別點存在一定誤差(圖5b中綠色虛線所示),兩者的相對百分比誤差(以光電探測結果為基準)集中在±6%的區間,進一步證明了本文所提方法的可行性。

(a) 保持架轉速

采用(4)式對保持架打滑情況進行評價,結果如圖6所示:在航空軸承平穩運行階段,保持架打滑程度相對穩定;在變速階段,保持架轉速與內圈轉速的比值明顯低于穩定運行階段,說明變速階段保持架發生了相對明顯的滑動,滾子與滾道之間的滑動程度高于穩定運行階段。

圖6 航空軸承保持架打滑程度評價

4 結束語

在弱磁探測方法識別內圈及保持架轉速信息的基礎上,引入區間能量極值方法提取航空軸承內圈及保持架轉速隨時間的變化信息,通過保持架轉速與內圈轉速之比建立了保持架打滑的評價方法,在非接觸,不破壞軸承結構以及惡劣環境干擾的情況下,成功獲取了圓柱滾子軸承內圈及保持架的轉速信息,消除了軸承結構參數變化對保持架打滑率的影響,有利于正確評估航空軸承保持架打滑特性。

目前,該方法已開展軸承工況適應性驗證,后續將關注帶有頻率成分重疊的特征頻率提取算法開發,以期覆蓋全工況試驗的信號特性提取。