基于區(qū)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(zhàn)利偉

(中國航發(fā)哈爾濱軸承有限公司,哈爾濱 150025)

隨著航空發(fā)動機(jī)性能的提升,對航空軸承的轉(zhuǎn)速、承載力、精度等性能參數(shù)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(fā)生嚴(yán)重滑蹭,滾動體與滾道之間的摩擦力將增大,導(dǎo)致航空軸承產(chǎn)生膠合現(xiàn)象,嚴(yán)重影響發(fā)動機(jī)的安全運行[2-3]:因此,對航空軸承保持架打滑進(jìn)行測試分析十分必要。

保持架打滑測試的關(guān)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(yīng)用。文獻(xiàn)[5]基于光纖探測的方法評價保持架打滑, 將光纖的發(fā)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(tǒng)的脈沖頻率以獲取滾動體速度,具有靈敏度高和結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點,但油霧會對光學(xué)傳輸產(chǎn)生一些影響。文獻(xiàn)[6]在軸承外圈設(shè)置適合應(yīng)變計放置的平面,通過計算滾動體經(jīng)過應(yīng)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(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)[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(nèi)圈及滾動體旋轉(zhuǎn)時的弱磁場變化實現(xiàn)內(nèi)圈及滾動體轉(zhuǎn)速的測量,其無需破壞軸承的任何結(jié)構(gòu)且可抗油霧及高溫環(huán)境的干擾。

當(dāng)航空軸承的運行工況發(fā)生快速變化,尤其是在快速變化的瞬間,保持架會發(fā)生嚴(yán)重打滑,需要對航空軸承在此時間段內(nèi)的保持架打滑特性進(jìn)行分析并評價其抗打滑性能?，F(xiàn)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(jìn)行分析,文獻(xiàn)[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(jìn)行分析。

綜上所述,本文首先對弱磁探測信號進(jìn)行時頻變換,獲取航空軸承內(nèi)圈及滾動體轉(zhuǎn)頻的時頻分布,然后基于區(qū)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(tǒng)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(zhuǎn)速;ns為保持架理論轉(zhuǎn)速;ni為內(nèi)圈轉(zhuǎn)速;Dw為滾子直徑;Dpw為滾子組節(jié)圓直徑;α為接觸角。

隨著航空軸承實際運行過程中溫度、轉(zhuǎn)速和載荷等參數(shù)的變化,滾子直徑、滾子組節(jié)圓直徑和接觸角也會發(fā)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(shù)變化導(dǎo)致的保持架打滑率評價誤差,對(1)式進(jìn)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(zhuǎn)速與內(nèi)圈轉(zhuǎn)速之比評價保持架打滑特性

(4)

1.2 非平穩(wěn)工況下保持架及內(nèi)圈轉(zhuǎn)速的提取

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

針對航空軸承非穩(wěn)態(tài)工況下保持架打滑的評價情況,本文提出基于區(qū)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(jìn)行時頻變換,在時頻譜中通過能量脊線體現(xiàn)各元件的運行情況。對于內(nèi)圈,可通過試驗譜建立局部閾值提取實際轉(zhuǎn)速;對于保持架,可基于保持架理論轉(zhuǎn)速建立局部能量區(qū)間,通過提取局部能量極大值獲取保持架實際轉(zhuǎn)速,轉(zhuǎn)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(jīng)數(shù)據(jù)采集卡采集處理后變?yōu)閿?shù)字信號Xm(n),用窗函數(shù)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(jìn)行FFT處理,通過窗函數(shù)的中央位置坐標(biāo)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(shù)g(n)的寬度,決定時頻變換的頻率分辨率。

1.2.2 內(nèi)圈轉(zhuǎn)速提取

假設(shè)航空軸承內(nèi)圈的時頻譜為

(6)

為提取內(nèi)圈轉(zhuǎn)速,在時頻譜分別設(shè)置上、下限,即

(7)

(8)

則內(nèi)圈轉(zhuǎn)頻所在的局部能量區(qū)間可表示為

Fi′=Fi-up(t,f)-Fi-down(t,f),

(9)

式中:N為試驗譜段數(shù);fup,fdown分別為上、下截止頻率。

尋找區(qū)間Fi′內(nèi)能量最大值對應(yīng)的頻率成分可獲取內(nèi)圈的轉(zhuǎn)頻,即

(10)

則內(nèi)圈轉(zhuǎn)速為

ni=60fi。

(11)

1.2.3 保持架轉(zhuǎn)速提取

在純滾動條件下,保持架轉(zhuǎn)速小于內(nèi)圈轉(zhuǎn)速的一半,其轉(zhuǎn)頻也小于內(nèi)圈轉(zhuǎn)頻的一半,即

(12)

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

(13)

(14)

則保持架的局部能量區(qū)間為

(15)

(16)

則保持架轉(zhuǎn)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(jìn)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(qū)動電動機(jī)、聯(lián)軸節(jié)、陪試軸承、旋轉(zhuǎn)軸、加載機(jī)構(gòu)、試驗軸承構(gòu)成。在試驗軸承徑向正上方的軸承座上設(shè)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(nèi)圈的轉(zhuǎn)速;光電傳感器正對保持架方向放置,在保持架上布置標(biāo)記點,用于測量保持架轉(zhuǎn)速并與弱磁探測結(jié)果進(jìn)行對比。

(a) 試驗原理示意圖

3 試驗數(shù)據(jù)分析

通過保持架打滑率試驗平臺進(jìn)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(shù)為:內(nèi)徑30 mm,外徑62 mm,滾子直徑7.5 mm,滾子數(shù)14;保持架為鋼制材料,表面鍍銀。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采樣頻率為34 kHz,弱磁探測傳感器的響應(yīng)頻率可達(dá)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(wěn)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(zhuǎn)速,對采集的弱磁信號和光電信號分別進(jìn)行短時傅里葉變換(STFT),結(jié)果如圖4所示:可明顯辨別保持架轉(zhuǎn)頻及內(nèi)圈轉(zhuǎn)頻,且內(nèi)圈轉(zhuǎn)頻信號比保持架轉(zhuǎn)頻信號的能量高,這是由于航空軸承內(nèi)圈比保持架的體積大,其導(dǎo)磁特性也更高;光電信號中包含保持架轉(zhuǎn)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(nèi)、外滾道之間穩(wěn)定運行,而是產(chǎn)生了一定的振蕩。

(a) 弱磁信號

將內(nèi)圈轉(zhuǎn)頻提取上限設(shè)置為1.1fi,下限設(shè)定為0.9fi;保持架轉(zhuǎn)頻提取上限設(shè)置為滾子純滾動時的理論轉(zhuǎn)頻fcup,下限則設(shè)置為0.25fcup。采用上文所述方法提取內(nèi)圈及保持架轉(zhuǎn)速,結(jié)果如圖5所示:與保持架理論轉(zhuǎn)速對比可知,檢測所得保持架轉(zhuǎn)速低于理論轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jié)果為基準(zhǔn))集中在±6%的區(qū)間,進(jìn)一步證明了本文所提方法的可行性。

(a) 保持架轉(zhuǎn)速

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

圖6 航空軸承保持架打滑程度評價

4 結(jié)束語

在弱磁探測方法識別內(nèi)圈及保持架轉(zhuǎn)速信息的基礎(chǔ)上,引入?yún)^(qū)間能量極值方法提取航空軸承內(nèi)圈及保持架轉(zhuǎn)速隨時間的變化信息,通過保持架轉(zhuǎn)速與內(nèi)圈轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)以及惡劣環(huán)境干擾的情況下,成功獲取了圓柱滾子軸承內(nèi)圈及保持架的轉(zhuǎn)速信息,消除了軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)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(yīng)性驗證,后續(xù)將關(guān)注帶有頻率成分重疊的特征頻率提取算法開發(fā),以期覆蓋全工況試驗的信號特性提取。