中介軸承試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)與壽命試驗(yàn)

崔立明，王奉濤，張濤，敦泊森，王萌

（大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧大連116024）

中介軸承試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)與壽命試驗(yàn)

崔立明，王奉濤，張濤，敦泊森，王萌

（大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧大連116024）

研究中介軸承的壽命問題，設(shè)計(jì)模擬航空發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際結(jié)構(gòu)的中介軸承雙轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺(tái)，制定了中介軸承的壽命試驗(yàn)，開發(fā)一套與之匹配的監(jiān)測系統(tǒng)。

棒材線；捆扎質(zhì)量；振動(dòng)及平托收集裝置

0 前言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)故障占飛行故障的很大比例，常導(dǎo)致飛行中的災(zāi)難性事故，而且維修更換費(fèi)用昂貴，約占維護(hù)費(fèi)用60%。中介軸承是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵部件，其性能的可靠性直接制約著飛行安全與飛機(jī)性能。為了使航空發(fā)動(dòng)機(jī)安全高效地運(yùn)行，節(jié)省維護(hù)成本，必須深入了解發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀況，掌握變化規(guī)律，研究中介軸承壽命問題，這對(duì)于航空飛行有著十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)中介軸承試驗(yàn)臺(tái)屬于專用試驗(yàn)臺(tái)，設(shè)計(jì)要求準(zhǔn)確的模擬航空發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際工作狀況，完成雙轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)及中介軸承故障實(shí)驗(yàn)等，試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)要求要能完成如下實(shí)驗(yàn)：①轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)：不平衡實(shí)驗(yàn)；對(duì)中實(shí)驗(yàn)；碰磨實(shí)驗(yàn)；斷油實(shí)驗(yàn)。②中介軸承故障模擬實(shí)驗(yàn)，包括點(diǎn)蝕，劃痕，滾動(dòng)體故障，保持架故障。

1.1 試驗(yàn)臺(tái)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)械本體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則主要是針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)中介軸承裝配結(jié)構(gòu)的相似性設(shè)計(jì)，高壓軸和低壓軸可實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)。采用相似設(shè)計(jì)的方法，比例縮小原型機(jī)的尺寸，獲得新的結(jié)構(gòu)尺寸。計(jì)算調(diào)整軸系零件和基本尺寸，以滿足臨界轉(zhuǎn)速的要求，并校驗(yàn)強(qiáng)度?？紤]試驗(yàn)臺(tái)的潤滑方式，傳感器的布置方式等。根據(jù)原型機(jī)雙轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)，進(jìn)行簡化處理，再進(jìn)行動(dòng)力學(xué)相似設(shè)計(jì)，得到中介軸承模型試驗(yàn)臺(tái)（圖1）。

1.2 中介軸承的選擇與布置

中介軸承選用與其尺寸比例較為接近的圓柱滾子軸承NU1013作為研究對(duì)象，中介軸承主要結(jié)構(gòu)參數(shù)：軸承內(nèi)徑65 mm，軸承外徑100 mm，軸承寬度18 mm，滾動(dòng)體數(shù)21。中介軸承為用圓柱滾子軸承；軸承內(nèi)圈安裝于高壓軸上，采用鎖緊螺母固定；外圈安裝于過渡軸上，采用軸承壓蓋固定，過渡軸安裝于低壓配重盤上。中介軸承安裝結(jié)構(gòu)圖見圖2。

圖1 試驗(yàn)器機(jī)械結(jié)構(gòu)布置圖

1.3 其他附加裝置設(shè)計(jì)

圖2 中介軸承安裝結(jié)構(gòu)圖

彈性支承采用鼠籠式結(jié)構(gòu)，更換不同數(shù)量和寬度鼠籠條的鼠籠可實(shí)現(xiàn)支承剛度的調(diào)整。驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用變頻電機(jī)，通過膜片聯(lián)軸器驅(qū)動(dòng)高壓軸和低壓軸平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)，電機(jī)轉(zhuǎn)速通過電控系統(tǒng)中的變頻器控制。潤滑系統(tǒng)通過氣泵為中介軸承和支承軸承提供油霧潤滑和氣冷卻，通過手動(dòng)調(diào)整可更改潤滑和冷卻能力。電控系統(tǒng)由電氣控制柜和控制面板組成，控制氣泵、潤滑裝置和驅(qū)動(dòng)電機(jī)。加載方式選用液壓加載，并且液壓活塞桿上加上測力傳感器，方便直接測出加載力。

2 壽命實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 壽命試驗(yàn)要求

對(duì)于軸承來說，運(yùn)轉(zhuǎn)過程中可以測的物理量有溫度、振動(dòng)、噪聲等[1]。溫度檢測，由于本試驗(yàn)臺(tái)的中介軸承，內(nèi)環(huán)外同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，需選擇非接觸式紅外測溫傳感器。滾動(dòng)軸承最常用的監(jiān)控是對(duì)于振動(dòng)信號(hào)的監(jiān)控。振動(dòng)監(jiān)測，目前測試振動(dòng)信號(hào)的傳感器可分為位移傳感器、速度傳感器和加速度傳感器。相對(duì)來說，采用加速度傳感器可以有效地感知故障產(chǎn)生的沖擊，所測量的信號(hào)的包絡(luò)頻譜可以直觀地反映沖擊的規(guī)律，因此采用加速度傳感器。常見的轉(zhuǎn)速測試方法有旋轉(zhuǎn)編碼器測試、光電傳感器測試、振動(dòng)測試方法等。振動(dòng)測試方法依據(jù)是轉(zhuǎn)軸不平衡量的存在，通過測取電機(jī)的振動(dòng)信號(hào)，經(jīng)過傅里葉變換獲得的信號(hào)頻率中幅值最高點(diǎn)即為轉(zhuǎn)頻，此方法準(zhǔn)確可靠，因此本實(shí)驗(yàn)應(yīng)用振動(dòng)測試法。

本次試驗(yàn)要求在恒轉(zhuǎn)速和恒加載力下，監(jiān)測中介軸承從開始運(yùn)行直至損壞或者到達(dá)截尾數(shù)據(jù)的全壽命周期內(nèi)的振動(dòng)情況，轉(zhuǎn)速和運(yùn)行溫度情況。

2.2 傳感器選擇與安裝

（1）紅外測溫傳感器。紅外測溫儀可以不接觸目標(biāo)而通過測量目標(biāo)發(fā)射的紅外輻射強(qiáng)度計(jì)算出物體的表面溫度。非接觸測溫是紅外測溫儀的最大的優(yōu)點(diǎn)，使用戶可以方便的測量難以接近或移動(dòng)的目標(biāo)。本次選用HE-205紅外測溫儀直接對(duì)準(zhǔn)中介軸承。

（2）加速度傳感器。本系統(tǒng)采用JF2050壓電加速度傳感器，其內(nèi)裝微型IC-集成電路放大器能，其將傳統(tǒng)的壓電加速度傳感器與電荷放大器集于一體，直接與記錄和顯示儀器連接，簡化了測試系統(tǒng)，提高了測試精度和可靠性。JF2050壓電加速度傳感器靈敏度5.01 mV/ms-2或49.10 mV/g，安裝在距離中介軸承最近的支座上，分別測得X、Y方向振動(dòng)。

（3）電渦流位移傳感器。為了獲取主軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的水平和豎直方向的徑向跳動(dòng)，以及軸心軌跡，選取ZA3402-01-00-05-01型電渦流位移傳感器ZA21-8（包括ZA3402位移變送器、Φ8 mm探頭和延長電纜）進(jìn)行監(jiān)測。分別安裝對(duì)準(zhǔn)高壓轉(zhuǎn)子和低壓轉(zhuǎn)子的X，Y方向。

3 壽命檢測系統(tǒng)開發(fā)

3.1 軟件選擇

本系統(tǒng)開發(fā)選擇美國國家儀器（NI）公司開發(fā)的LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench，實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器工程平臺(tái)），LabVIEW編程過程采用的是圖形化的編程語言，更加直觀方便；LabVIEW采用的是數(shù)據(jù)流模式，操作者可以觀測到程序的運(yùn)行動(dòng)態(tài)；LabVIEW包含大量外觀與傳統(tǒng)儀器類似的控件，搭建出系統(tǒng)顯示界面更加的方便、快捷。另外LabVIEW軟件強(qiáng)大的兼容功能使它可以和MATLAB等其他編程語言混合使用[2]。

3.2 硬件選擇

Compact DAQ（Data Acquisition）是NI公司推出的一款高性能測量和數(shù)據(jù)記錄平臺(tái)。本次試驗(yàn)選用NI Compact DAQ9188機(jī)箱，NI Compact DAQ9188是8槽NI CompactDAQ以太網(wǎng)機(jī)箱設(shè)計(jì)，適合遠(yuǎn)程或分布式傳感器和電子測量。單個(gè)NI CompactDAQ機(jī)箱可測量最多256路通道的電子、物理、機(jī)械或聲音信號(hào)。另外配合C系列數(shù)據(jù)采集模塊NI9234板卡采集振動(dòng)加速度和位移和NI9219板卡采集溫度。

3.3 監(jiān)測方案（圖3）

圖3 中介軸承狀態(tài)監(jiān)測框架圖

3.4 中介軸承狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)

本航空發(fā)動(dòng)機(jī)中介軸承狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，主要有用戶須知、報(bào)警設(shè)置、數(shù)據(jù)記錄設(shè)置、轉(zhuǎn)速監(jiān)測、振動(dòng)監(jiān)測、位移監(jiān)測、溫度檢測、應(yīng)變監(jiān)測和用戶管理模塊等9大模塊，LabVIEW前面板界面如圖4所示。

圖4 中介軸承狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)界面

4 總結(jié)

模擬航空發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)研發(fā)了航空發(fā)動(dòng)機(jī)雙轉(zhuǎn)子中介軸承試驗(yàn)臺(tái)，包括其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，中介軸承安裝設(shè)計(jì)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)選擇，彈性支承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，潤滑系統(tǒng)設(shè)計(jì)，選擇合理的加載方式。設(shè)計(jì)了中介軸承的壽命實(shí)驗(yàn)及監(jiān)測內(nèi)容，包括檢測溫度、振動(dòng)和轉(zhuǎn)速。根據(jù)試驗(yàn)要求，開發(fā)了與之對(duì)應(yīng)的LabVIEW數(shù)據(jù)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)。

［1］徐東，徐永成，陳循，等.滾動(dòng)軸承加速壽命試驗(yàn)技術(shù)研究[J].國防科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，（6）:122-129.

［2］潘毅廣.航空發(fā)動(dòng)機(jī)中介軸承試驗(yàn)臺(tái)主軸臨界轉(zhuǎn)速分析[D].大連理工大學(xué)，2014.

〔編輯凌瑞〕

TG333

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10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2016.12.33