曹薇，彭朝林，李興林

(1.廣東水利電力職業(yè)技術(shù)學院 自動化工程系，廣州 510925；2.長安大學 汽車學院，西安 710064；3.杭州軸承試驗研究中心有限公司 博士后工作站，杭州 310022)

軸承性能模擬試驗是軸承研制過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其可靠性直接關(guān)系到產(chǎn)品性能及研制成本[1-2]。通常，軸承性能模擬試驗中只考慮液體潤滑單相狀態(tài)，而軸承在高速旋轉(zhuǎn)的過程中，潤滑油在其離心力的作用下甩向外圈并與周圍的氣流混合，會形成一定壓力的氣液兩相流，因此，凡是油液潤滑軸承的性能模擬試驗都應(yīng)該考慮氣液兩相流的情況[3-8]。為了盡可能模擬軸承的實際工況和使用條件，設(shè)計了引入氣液兩相流的軸承性能模擬試驗臺。

1 試驗臺總體設(shè)計及工作原理

軸承性能模擬試驗臺采用分系統(tǒng)設(shè)計原則，主要包括主拖系統(tǒng)、電液比例加載系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、空氣系統(tǒng)、電氣控制及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等，其結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。其中，主拖系統(tǒng)為試驗臺提供驅(qū)動力，電動機的轉(zhuǎn)速在變頻器及其控制系統(tǒng)作用下實現(xiàn)無級調(diào)速，電動機、增速箱及軸承試驗腔連接軸之間用聯(lián)軸器連接。

圖1 軸承性能模擬試驗臺結(jié)構(gòu)框圖

試驗臺的機械主體結(jié)構(gòu)如圖2所示。在主軸上，右端試驗軸承的軸承座固定在試驗箱體上，為試驗軸軸向定位；左端試驗軸承的軸承座與外襯套之間為間隙配合，軸承座在外襯套內(nèi)可滑動，軸向載荷施加在該軸承座上并傳遞給試驗軸，最后作用于右端試驗軸承，2個試驗軸承所承受的軸向載荷相等。中間的2套陪試軸承位于2個支點中心，徑向載荷平均分配到兩端的試驗軸承上。

圖2 軸承性能模擬試驗臺機械結(jié)構(gòu)原理圖

試驗臺的主要技術(shù)參數(shù)見表1，引入氣液兩相流結(jié)構(gòu)的軸承性能模擬試驗臺可以開展如下試驗：1)軸承耐久性模擬試驗；2)軸承破壞監(jiān)測模擬試驗；3)軸承指定工況的性能模擬試驗；4)軸承腔內(nèi)油氣換熱特性模擬試驗；5)軸承腔供回油匹配性能模擬試驗；5)收油效率模擬試驗；6)壓力-流量特性模擬試驗。

表1 試驗臺的主要技術(shù)參數(shù)

2 電液比例加載系統(tǒng)設(shè)計

電液比例加載系統(tǒng)主要向試驗軸承施加軸向載荷和徑向載荷，該系統(tǒng)的設(shè)計原理如圖3所示。由于軸承的軸向載荷大，因此在軸向布置了2個并聯(lián)液壓缸用來加載，加載力通過電液比例調(diào)節(jié)閥快速精確的調(diào)節(jié)。工作時，可通過變化三位四通電磁換向閥的工位控制液壓缸的伸縮，通過改變比例閥的開口大小調(diào)節(jié)液壓缸的運動速度及加載力，從而實現(xiàn)快速平穩(wěn)加載。

圖3 電液比例加載系統(tǒng)原理圖

3 氣液兩相流結(jié)構(gòu)設(shè)計

兩相流系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖4所示，其為試驗腔提供所需的潤滑油流量和空氣流量。潤滑油和空氣通過加熱裝置加溫，混合進入試驗腔為軸承提供油氣混合噴射潤滑。當腔內(nèi)潤滑油壓力過高時，通過供油泵出口的電動調(diào)節(jié)閥泄壓，同時空氣系統(tǒng)還為試驗腔提供封嚴氣流和軸承腔隔熱氣流。循環(huán)結(jié)束后，混合油氣兩相流由回油泵抽回至油箱，通過油氣分離器進行油氣分離。

圖4 氣液兩相流結(jié)構(gòu)原理圖

引入該兩相流結(jié)構(gòu)的軸承性能模擬試驗臺除了做軸承耐久性模擬試驗、破壞監(jiān)測模擬試驗及指定工況的性能模擬試驗外，還可以進行軸承腔內(nèi)油氣換熱特性模擬試驗、軸承腔供回油匹配性能模擬試驗、收油效率模擬試驗及壓力-流量特性模擬試驗等多項性能試驗。

4 電氣控制及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

電氣控制及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要用于主電動機轉(zhuǎn)速、滑油泵啟停、滑油與空氣加溫、滑油與空氣壓力等動作控制及參數(shù)測試。從功能上分為控制與測試兩部分，其原理如圖5所示。

圖5 電氣控制系統(tǒng)原理圖

轉(zhuǎn)速控制可以通過控制計算機自給定，也可以通過電位器手動給定，主控制器選用PLC控制器，將轉(zhuǎn)速給定信號下傳給變頻器，變頻器驅(qū)動主電動機調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，與主電動機同軸安裝的測速編碼器將實際轉(zhuǎn)速反饋給變頻器，從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制。試驗臺的載荷控制、壓力/流量控制、溫度控制等也采用閉環(huán)控制，通過傳感器將測量值反饋至控制模塊，從而實現(xiàn)參數(shù)的閉環(huán)控制。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要含有cDAQ-9188數(shù)據(jù)采集箱、電壓與電流模塊、熱電偶模塊、DI與DO模塊等。它們共同完成試驗現(xiàn)場各類數(shù)據(jù)的采集、處理、超限報警保護等功能。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)模塊均選用美國國家儀器(NI)產(chǎn)品，電壓模塊選用NI9205型模擬量輸入端子模塊，可處理-5～5 V范圍內(nèi)的信號，用于振動及壓力等信號輸入；電流模塊選用NI9208型模擬量輸入端子模塊，可處理0～20 mA范圍內(nèi)的信號，用于流量計信號輸入；熱電偶模塊選用NI9214型，用于熱電偶信號溫度測量；DI數(shù)字量輸入模塊選用NI9421型，用于開關(guān)量輸入；DO數(shù)字量輸出模塊選用NI9474型，用于開關(guān)量輸出?？刂朴嬎銠C通過以太網(wǎng)實現(xiàn)與數(shù)采箱的TCP/IP遠程通信。

5 結(jié)束語

根據(jù)軸承運行的實際工況設(shè)計了一種基于氣液兩相流的軸承性能模擬試驗臺，其具備以下特點：1)設(shè)計有電液比例加載系統(tǒng)，可快速、平穩(wěn)的對試驗軸承施加軸向和徑向載荷；2)設(shè)計有兩相流系統(tǒng)來模擬軸承實際工況，為試驗腔提供所需的滑油流量和空氣流量，同時空氣還為試驗腔提供封嚴氣流和軸承腔隔熱氣流；3)引入該兩相流結(jié)構(gòu)的軸承性能模擬試驗臺除了進行軸承耐久性模擬試驗、破壞監(jiān)測模擬試驗及指定工況的性能模擬試驗外，還可以進行軸承腔內(nèi)油氣換熱特性模擬試驗、軸承腔供回油匹配性能模擬試驗、收油效率模擬試驗及壓力-流量特性模擬試驗等多項性能試驗。