陳后清,王芳,瞿慶春,李靳東,何峰濤
(洛陽軸研科技股份有限公司,河南 洛陽 471039)
保持架作為軸承零件中傳統(tǒng)的“四大件”之一,除某些特殊設(shè)計的應(yīng)用場合外,其對于大多數(shù)的滾動軸承都是不可或缺的。在軸承零件中,保持架具有把滾動體均勻分隔,避免它們相互碰撞,并引導(dǎo)其正常運動、防止脫落和改善軸承內(nèi)部潤滑等功能[1]。
滾動軸承在工作中,尤其是在高溫高速下,保持架在慣性離心力的作用下加劇了與滾動體和引導(dǎo)套圈之間的摩擦、磨損、碰撞及發(fā)熱,嚴(yán)重時會造成保持架燒傷或斷裂,致使軸承不能正常工作。為找到在苛刻工況下軸承保持架合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)(保持架兜孔間隙、引導(dǎo)間隙及兩者之間的比值等)、制造生產(chǎn)過程中各個環(huán)節(jié)的關(guān)鍵技術(shù)要素、軸承合套時合理的裝配游隙以及保證軸承裝機后長期正常運轉(zhuǎn)和方便維護(hù)的技術(shù)條件,為提高軸承產(chǎn)品的運轉(zhuǎn)平穩(wěn)性以及持續(xù)改善軸承產(chǎn)品的設(shè)計水平與產(chǎn)品質(zhì)量,為產(chǎn)品試驗后的理論分析與設(shè)計參數(shù)糾偏提供可資借鑒的、真實有效的試驗數(shù)據(jù),研制開發(fā)了一種高溫高速運轉(zhuǎn)條件下軸承保持架動態(tài)軌跡及滑動比測試試驗機。下文主要介紹了其主體結(jié)構(gòu)設(shè)計以及被測軸承的裝機試驗測試情況,簡述了電氣控制及軟件系統(tǒng)。
(1)測試范圍:單套內(nèi)徑Φ50~120 mm的圓柱滾子軸承或深溝球軸承;
(2)轉(zhuǎn)速:600~12 000 r/min,穩(wěn)態(tài)誤差:±0.5%FS;
(3)載荷:徑向載荷為0~12 kN、軸向載荷為0~5 kN,穩(wěn)態(tài)誤差:±1%FS;
(4)加熱溫度范圍:室溫至100 ℃;
(5)保持架位移測量精度:測量誤差不大于0.001 mm;
(6)測量內(nèi)容:軸承工作時實體保持架幾何中心在徑向平面內(nèi)的位移、保持架傾斜、質(zhì)心軸向位移和保持架轉(zhuǎn)速,測量均相對于固定套圈的幾何中心;
(7)測控方式:自動控制/手動控制、自動監(jiān)測試驗機運行、自動記錄試驗數(shù)據(jù);
(8)測試參數(shù):保持架相對于固定套圈(內(nèi)圈或外圈)的位移量及傾斜角、主軸轉(zhuǎn)速、保持架轉(zhuǎn)速、主機電流、被測軸承溫度、滑油入口溫度、主體振動、徑向及軸向載荷。
試驗機由試驗主體部件、電主軸驅(qū)動及冷卻系統(tǒng)、液壓加載系統(tǒng)、滑油系統(tǒng)、電氣控制及軟件系統(tǒng)等組成。區(qū)別于常規(guī)壽命試驗機,本機專門設(shè)計配置了一套電渦流位移傳感器測試標(biāo)定裝置。
被測軸承安裝于試驗主體部件的試驗頭工裝內(nèi),電主軸使用聯(lián)軸器與試驗軸系相連并可通過變頻器實現(xiàn)無級調(diào)速,冷卻水箱系統(tǒng)可為負(fù)責(zé)驅(qū)動的電主軸提供循環(huán)水冷卻;液壓加載系統(tǒng)通過手動加載組件為被測軸承施加載荷,根據(jù)需要可單獨施加徑向或軸向載荷,亦可同時施加徑向、軸向聯(lián)合載荷;滑油系統(tǒng)為集中式循環(huán)潤滑系統(tǒng),為被測軸承提供正常運轉(zhuǎn)所需的滑油,并可根據(jù)試驗需求靈活地控制滑油入口溫度;列管式水冷裝置則將冷卻至常溫的滑油提供給支承軸承和加載軸承,也可用于對從試驗基體中泵送回來的高溫滑油進(jìn)行冷卻,保護(hù)密封元件;電氣控制與軟件系統(tǒng)實現(xiàn)對試驗機及其輔助系統(tǒng)的控制以及數(shù)據(jù)的采集、傳輸/反饋和實時顯示;電渦流位移傳感器測試標(biāo)定裝置則為原理性的測試試驗提供原始數(shù)據(jù),并以此為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫建立擬合曲線方程,使電信號(電壓或電流)與測試所得的保持架位移之間建立起對應(yīng)關(guān)系。試驗機工作原理如圖1所示。
圖1 試驗機工作原理框圖
試驗主體部件為試驗機的核心部件,其結(jié)構(gòu)如圖2所示,主要由試驗頭組件(包括測試組件部分)、手動徑向加載組件、手動軸向加載組件、底座及左、右上蓋等組成?;w為剖分式鑄鐵件,分為底座與左、右上蓋3部分,便于裝拆;徑向、軸向加載組件為薄膜式油缸結(jié)構(gòu),分別在壓力油液的作用下通過加載活塞向被測軸承施加徑向、軸向載荷;試驗頭組件安裝在基體底座的半圓孔內(nèi),上部由左、右上蓋通過螺釘壓緊固定[2]。
1—底座;2—軸向加載組件;3—試驗頭組件;4—左上蓋;5—徑向加載組件;6—右上蓋;7—半聯(lián)軸器;8—振動傳感器;9—溫度傳感器
基體左、右上蓋安裝了3只溫度傳感器(分別測試支承軸承、被測軸承及加載軸承的溫度)和1只振動傳感器(測試主體振動);電主軸后端蓋上安裝了1只速度傳感器測試電主軸速度。
2.1.1 試驗頭結(jié)構(gòu)設(shè)計
試驗頭結(jié)構(gòu)以滿足試驗條件、測試工作安全可靠、測試件裝拆方便為設(shè)計原則,是試驗機整機設(shè)計的核心部分之一。試驗頭采用懸臂梁結(jié)構(gòu),便于模擬實際工況。圖3所示為某型號圓柱滾子軸承試驗頭結(jié)構(gòu),被測軸承位于左支撐處(測試不同型號的軸承時,亦可置于懸臂端),右支撐選用深溝球軸承作為定位端,考慮到徑向、軸向聯(lián)合加載的需要,加載軸承選用深溝球軸承。
1—軸向加載套;2—徑向加載襯套;3—加載軸承;4—速度傳感器安裝端蓋;5—左襯套;6—速度傳感器;7—被測軸承;8—位移傳感器安裝支架;9—位移傳感器;10—主軸;11—右襯套;12—定位軸承
2.1.2 測試組件的結(jié)構(gòu)設(shè)計
測試組件是本機的核心部分,包括電渦流位移傳感器(以下簡稱位移傳感器)安裝支架和速度傳感器安裝端蓋,合理的安裝結(jié)構(gòu)是保證正確、可靠試驗的基本前提。
位移傳感器被安裝于支架的徑向及軸向平面上,實現(xiàn)對保持架質(zhì)心動態(tài)軌跡及傾斜角、歪斜角的測量。圖4為位移傳感器安裝支架示意圖。保持架在徑向x-y平面內(nèi)的動態(tài)位移變化量由相互垂直的標(biāo)號為SQ3,SQ4的位移傳感器測出;而軸向平面則安裝了SQ1,SQ2和SQ5共3個位移傳感器用來測量保持架的傾斜角、歪斜角及質(zhì)心軸向位移。由于位移傳感器感應(yīng)面積較大,在測量過程中應(yīng)避免非測量的金屬材質(zhì)出現(xiàn)在位移傳感器的測量范圍內(nèi),以免影響測量信號的采集。另外,當(dāng)一批位移傳感器一起使用時,應(yīng)避免傳感器安裝得太靠近,而且當(dāng)被測材料沒有足夠的尺寸、寬度不到傳感器探頭直徑的2倍、厚度不到1 mm時,采集得到的反應(yīng)曲線是虛假的、不真實的。
1—SQ3徑向位移傳感器;2—SQ5軸向位移傳感器;3—SQ4徑向位移傳感器;4—SQ2軸向位移傳感器;5—SQ1軸向位移傳感器;6—電渦流位移傳感器安裝支架
速度傳感器安裝端蓋的結(jié)構(gòu)如圖5所示,采用磁敏性的霍爾元件作為測速傳感器,并將其封裝在安裝端蓋中,端蓋的右端面壓住被測軸承外圈,將被測軸承定位在合適的測量位置上,霍爾元件的測量端置于黃銅制作的支架體中,3根傳輸線則由安裝端蓋上相鄰的溝槽引出;被感應(yīng)的磁性體則被均勻地鑲嵌到實體保持架的基準(zhǔn)面上,磁性體的被感應(yīng)面積應(yīng)綜合考慮保持架的實體尺寸、保持架轉(zhuǎn)速與安裝中心徑,控制占空比在合理的范圍內(nèi),避免出現(xiàn)速度失控現(xiàn)象。
圖5 霍爾元件安裝端蓋圖
由于整機測量精度要求較高且保持架的有效測量尺寸有限,故選取的位移傳感器測試量程較小。因此,位移傳感器的安裝準(zhǔn)確與否就關(guān)系到整個試驗裝置的測量正確性及精度,安裝基準(zhǔn)的選取與調(diào)節(jié)測量距離的方式是整個試驗裝置成敗的關(guān)鍵,圖6為被測軸承及位移傳感器安裝結(jié)構(gòu)簡圖。
1—主軸;2—速度傳感器安裝端蓋;3—左襯套;4—試驗軸承;5—位移傳感器安裝支架;6—位移傳感器
滾動體及保持架在空間位置均有4個及以上的自由度,被測軸承的內(nèi)圈和外圈分別固定于試驗主軸及左襯套上,并由電主軸拖動試驗軸系旋轉(zhuǎn)。位移傳感器安裝支架以圖3中左襯套右側(cè)小外徑止口(與被試軸承外圈安裝孔保證高度同軸)為基準(zhǔn)安裝,貼住右端面,用螺釘壓緊。工作中,由于保持架與滾動體和引導(dǎo)套圈之間存在著摩擦、磨損和碰撞,產(chǎn)生的摩擦力和碰撞力對保持架的運轉(zhuǎn)平穩(wěn)性有很大的影響,所以在保證位移傳感器安裝在合理的測試量程內(nèi)、不致被旋轉(zhuǎn)的保持架損壞,同時也為保證測量的正確性(不會因為位移傳感器與旋轉(zhuǎn)的保持架接觸,影響動態(tài)運轉(zhuǎn)軌跡而造成測量失敗),本機采用兩種不同的調(diào)節(jié)位移傳感器測量位置的方式:一種是機械方式,以外圈內(nèi)徑為調(diào)節(jié)基準(zhǔn)(保持架外引導(dǎo)),借助于測量和安裝調(diào)節(jié)工具,首先將在徑向成90°角的2個位移傳感器的探頭到保持架徑向弧面的測量距離分別調(diào)整到大于保持架引導(dǎo)間隙與其自身測量上限范圍之間,用雙螺母和彈簧墊圈壓緊位移傳感器,然后將兩開半的位移傳感器安裝支架裝配到測量位置上;軸向平面內(nèi)的3個位移傳感器則需在試驗主體上調(diào)節(jié),利用輔助工具穿過預(yù)制的對稱孔道消除保持架的兜孔間隙和被測軸承的軸向游隙,即將保持架推向遠(yuǎn)離位移傳感器探頭的另一側(cè),位移傳感器的探頭到保持架端面的測量距離應(yīng)介于保持架兜孔間隙和軸向游隙之和與其自身測量范圍上限之間,此時測量距離則要通過數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)來確定,調(diào)整到位后需壓緊位移傳感器。通過旋轉(zhuǎn)試驗軸系可使保持架回復(fù)到自然位置;另一種方式是利用位移傳感器的數(shù)據(jù)放大與傳輸系統(tǒng),將顯示在屏幕上的電信號(電壓信號)與標(biāo)定的位移量相互對應(yīng),找到合理的安裝位置。
上述安裝調(diào)節(jié)位移傳感器的方式都必須保證位移傳感器的測試量程大于被測軸承保持架的引導(dǎo)間隙(徑向測量)和保持架兜孔間隙與被測軸承軸向游隙之和(軸向測量),兩種調(diào)節(jié)方式可以相互校正,從而保證位移傳感器安裝在正確、有效的測量位置上。
2.1.3 試驗主軸的校核
主軸是整個試驗軸系的關(guān)鍵旋轉(zhuǎn)件,其結(jié)構(gòu)設(shè)計、加工及熱處理工藝、動平衡等級的確定等因素都直接影響試驗軸系的承載能力、受載變形量及運行平穩(wěn)性。主軸在高溫、高速及聯(lián)合載荷下工作,要求有較高的旋轉(zhuǎn)精度,在保證主軸具有較高的形位公差精度值外,一般還需要按許用彎曲應(yīng)力(彎扭聯(lián)合強度條件)對其進(jìn)行強度和剛度的校核計算;另外,為避免高速主軸的諧振頻率接近其自身較低的固有頻率而產(chǎn)生共振,影響運行平穩(wěn)性,還要對其進(jìn)行振動穩(wěn)定性理論計算。
強度和剛度校核計算借助Solidworks軟件中自帶的COSMOSXpress計算工具進(jìn)行。
圖7為試驗主軸在最大試驗載荷條件下的應(yīng)力分析,最大彎曲應(yīng)力值σmax=34.61 MPa,軸的材料選用合金鋼,其許用彎曲應(yīng)力[σ-1]=75 MPa,則有σmax<[σ-1],故試驗主軸的強度滿足要求。
圖7 主軸的強度分析
圖8為試驗主軸在最大試驗載荷條件下的變形分析,最大彎曲變形為0.017 06 mm,對剛度要求較嚴(yán)的軸允許撓度為[3]
圖8 主軸剛度分析
[Ymax]=0.000 2×L=300=0.06 mm,
(1)
式中:L為主軸的跨距,mm??芍囼炛鬏S的剛度滿足要求。
軸的轉(zhuǎn)速達(dá)到一定值時,運轉(zhuǎn)便不穩(wěn)定而發(fā)生顯著的反復(fù)變形,這種現(xiàn)象稱為軸的振動。如果繼續(xù)提高轉(zhuǎn)速,振動就會衰減,運轉(zhuǎn)又趨于平穩(wěn),但是當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到另一個較高的定值時,振動又再次出現(xiàn)。發(fā)生顯著變形的轉(zhuǎn)速稱為軸的臨界轉(zhuǎn)速。同型振動的臨界轉(zhuǎn)速可以有幾個,最低的一個叫做第一階臨界轉(zhuǎn)速。軸的工作轉(zhuǎn)速應(yīng)避開臨界轉(zhuǎn)速,否則將發(fā)生共振現(xiàn)象而使軸遭到破壞[3]。本機按照工作轉(zhuǎn)速低于第一階臨界轉(zhuǎn)速ncr1的剛性軸進(jìn)行理論計算,第一階臨界轉(zhuǎn)速為[4]
(2)
式中:λ1為外伸端系數(shù),查表取λ1=15.22;d為軸的直徑,mm;W0為軸的自重,N,對空心軸W0=60.5×10-6d2L(1-a2);L為軸的全長,mm;l0為支撐間距離,mm;Wi為支撐間第i個圓盤重力,N;ai,bi為支撐間第i個圓盤至左、右支撐間的距離,mm;Gj為外伸端第i個圓盤重力,N;cj為外伸端第i個圓盤至支撐間的距離,mm。
計算得ncr1=36 787.1 r/min。其工作轉(zhuǎn)速一般取n<0.75ncr1=27 590.3 r/min。可知試驗主軸在27 590.3 r/min以下工作是可靠的。
電主軸驅(qū)動及冷卻系統(tǒng)由智能型變頻器、電主軸、三聯(lián)件、冷卻水箱系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)組成,主要負(fù)責(zé)拖動試驗軸系運轉(zhuǎn)。實時轉(zhuǎn)速的大小由速度傳感器采集并傳輸給工業(yè)計算機,形成閉環(huán)控制系統(tǒng)。
液壓加載系統(tǒng)原理圖如圖9所示,由手動加壓裝置輸出的壓力油經(jīng)壓力管路、閥塊,分成獨立的2路分別進(jìn)入2個薄膜油缸,在壓力油液的作用下推動薄膜油缸活塞向試驗軸承施加載荷,一路為軸向載荷,另一路為徑向載荷。
1—手動液壓缸;2—壓力表;3—壓力表開關(guān);4—壓力傳感器
試驗滑油系統(tǒng)是試驗機的一個重要組成部分,用于對被測軸承、支承軸承和加載軸承進(jìn)行潤滑,滑油系統(tǒng)原理如圖10所示。本系統(tǒng)不僅能提供常溫潤滑,還能根據(jù)需要為試驗軸承提供不大于100 ℃的高溫潤滑,加熱控制原理如圖11所示。滑油系統(tǒng)油溫控制,采用計算機或人工提供參數(shù)給XL4智能PID控制儀,智能儀控制固態(tài)繼電器的通斷,使電加熱元件工作。溫度傳感器測出溫度信號反饋給智能儀進(jìn)行PID調(diào)節(jié),從而形成對溫度的閉環(huán)控制。
1—Ⅰ#油箱;2—Ⅱ#油箱;3—回油泵;4—供油泵;5—溢流閥;6—回油濾油器;7—供油濾油器;8—冷卻器;9—溫度傳感器;10—壓力傳感器
圖11 加熱控制原理
供油泵將Ⅰ#油箱的油經(jīng)過溢流閥、濾油器送入Ⅱ#油箱,再通過管路、噴嘴送至潤滑點。在封閉的試驗主體部件基體一側(cè),裝有回油接頭,經(jīng)回油泵將油液抽回到Ⅰ#油箱。為保護(hù)回油泵,在管路上設(shè)置了冷卻器和濾油器。
測試標(biāo)定裝置通過旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動螺桿調(diào)整標(biāo)定材料(鑲嵌在轉(zhuǎn)動螺桿的中心位置處)與被標(biāo)定傳感器的距離,千分表可以準(zhǔn)確地顯示位移量,觀察位移量與傳感器的輸出電信號(電壓信號),并進(jìn)行對應(yīng)記錄,根據(jù)記錄做出電壓-位移曲線,在位移傳感器測量范圍內(nèi)選出電壓-位移曲線線性好的區(qū)間,借助于Labview或CurveExpert軟件擬合出該區(qū)間的曲線方程,即可實現(xiàn)對位移傳感器的標(biāo)定,并以此作為原始數(shù)據(jù)。測試標(biāo)定裝置結(jié)構(gòu)如圖12所示。
1—位移傳感器;2—標(biāo)定材料;3—加熱箱;4—轉(zhuǎn)動螺桿;5—千分表
亦可將標(biāo)定裝置的一側(cè)置于加熱箱中,用于標(biāo)定不同環(huán)境溫度下的位移變化量與傳感器的輸出電信號,并與在室溫下標(biāo)定出的相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行類比,建立求解方程,擬出溫漂系數(shù)給予必要的補償,從而修正數(shù)據(jù)輸出。另外,在徑向也可以采用差動測量的方式,即在徑向圓周均布4個位移傳感器,在位移傳感器工作溫度不太高時,可直接消除傳感器溫漂引起的測量誤差[5]。這種測量方式需要使用的傳感器數(shù)量較多,對結(jié)構(gòu)空間的要求也較高。
電氣控制系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)試驗主軸的驅(qū)動,保持架動態(tài)軌跡位移傳感器的輸出,試驗主體振動,試驗軸承溫度,油箱進(jìn)、出口溫度,試驗潤滑供、回油電動機,液壓加載壓力值等參數(shù)的測試工作。
監(jiān)控系統(tǒng)的計算機軟件采用基于Windows操作平臺下的Borland C++Builder編程工具來完成。其操作界面如圖13所示,控制流程如圖14所示。
圖13 軟件操作界面
圖14 軟件控制流程圖
采用同一個位移傳感器對相同基體但不同表面材質(zhì)的硅青銅保持架(是否有電鍍層)進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)定和比較分析,取部分?jǐn)?shù)據(jù),有、無電鍍層的位移-電壓信號曲線如圖15所示。
圖15 硅青銅保持架位移-電壓信號曲線
采用同一個位移傳感器對相同材質(zhì)的硅青銅保持架在不同的溫度下進(jìn)行模擬溫升和傳感器溫度特性測試試驗,試驗結(jié)果的部分?jǐn)?shù)據(jù)見表1,曲線特性如圖16所示。
表1 位移傳感器溫度特性標(biāo)定部分?jǐn)?shù)據(jù)
圖16 位移傳感器溫度特性曲線(上方為模擬溫升后的特性曲線)
動態(tài)軌跡測試與滑動比測試為相互獨立的測量系統(tǒng),可以根據(jù)實際需要同時或分別進(jìn)行相關(guān)測試工作。本機同時進(jìn)行了兩者的測試,保持架的動態(tài)軌跡曲線間隔一定的時間自動存儲;滑動比則通過測控系統(tǒng)將保持架實際轉(zhuǎn)速傳輸給控制軟件,經(jīng)軟件計算后輸出,直接顯示在控制軟件界面上。被測軸承外圈固定、內(nèi)圈隨軸旋轉(zhuǎn)及流體動力潤滑工況下的滑動比為[6]
(3)
式中:Ωm為實測的保持架轉(zhuǎn)速,r/min;Ωmt為無打滑時保持架轉(zhuǎn)速,r/min。
分別在同載不同速和同速不同載兩種狀況下進(jìn)行了保持架動態(tài)軌跡驗證試驗,限于篇幅只列出前者的試驗過程。同載不同速工況下(工況1,2)保持架動態(tài)軌跡(包括徑向質(zhì)心位移、傾斜角、歪斜角及軸向質(zhì)心位移曲線)如圖17~圖19所示。一般認(rèn)為保持架在高速輕載的工況下會發(fā)生打滑現(xiàn)象,而圖17c和圖17d為高速工況下的保持架質(zhì)心位移曲線,載荷也做出了相應(yīng)的增減,具體試驗工況列于表2。
圖17 保持架徑向質(zhì)心位移曲線(mm)
圖18 保持架傾斜角及歪斜角曲線
圖19 保持架軸向質(zhì)心位移曲線
表2 同載不同速試驗時的工況
(1)由位移傳感器標(biāo)定數(shù)據(jù)及位移-電壓曲線可知,不同材質(zhì)(包括表面是否有電鍍層)的保持架位移-電壓輸出特性曲線有著非常明顯的不同;工作溫度的高低及其分布對位移檢測系統(tǒng)中傳感器的溫度特性有很大影響,進(jìn)而影響到位移檢測的精度。電渦流位移傳感器安裝組件位于運轉(zhuǎn)時溫升較高的殼體內(nèi)部,因此其溫度漂移問題應(yīng)當(dāng)引起重視;另外,在規(guī)定的時間內(nèi),假定室溫不變的前提下,觀察其零點輸出的變化情況,當(dāng)變化趨于穩(wěn)定后才可以正式使用。
(2)分別在同載不同速和同速不同載兩種工況下對保持架徑向質(zhì)心位移、傾斜角和歪斜角以及軸向質(zhì)心位移進(jìn)行了驗證試驗,基本與目前已有的成熟理論相吻合。另外,還進(jìn)行了在高溫、高速工況下的試驗驗證,該試驗機均能準(zhǔn)確可靠地完成驗證工作,為軸承產(chǎn)品質(zhì)量水平的提高提供有效的試驗數(shù)據(jù)。