高速滾動軸承柔性轉子試驗機

崔立，時大方，鄭建榮，吳飛科

(1. 浙江天馬軸承股份有限公司 博士后工作站，杭州 150001；2. 華東理工大學 機械與動力工程學院，上海 200237)

隨著旋轉機械向高速化、功能集成化、復雜化等方向發展，滾動軸承的dm·n值越來越大，由于滾動體打滑、疲勞、磨損等引起的滾動軸承失效經常發生，且目前大多高速轉子常常工作在一階臨界轉速之上，這也將影響其支承軸承的設計與分析。因此，對支承柔性轉子系統的軸承性能分析與試驗十分重要。

高速滾動軸承性能分析包括運動學和動力學分析，但由于高速軸承動力學模型十分復雜，至今仍沒有軸承壽命、失效形式、可靠性等的準確理論分析結果[1-2]。因此在實際研究中，準確模擬和復現軸承工況，對軸承進行工況適應性試驗，再對試驗數據進行分析，仍是最可靠、最有效的辦法。

目前，國內已開展了軸承疲勞壽命試驗機、快速壽命試驗機的研究[3-4]；并開展了部分極端工況，如高速高溫軸承試驗機的研究[5-6]；對于支承柔性轉子系統的滾動軸承性能分析開展了一些理論研究，但性能試驗還較少[7]。為此研制了高速滾動軸承柔性轉子試驗機，用以模擬軸承的載荷、轉速及潤滑等工況條件，測試軸承的綜合動態性能。

1 試驗要求

1.1 技術要求

高速軸承的滾動體受較大離心力作用，且滾動體與外滾道之間的接觸力大于滾動體與內滾道之間的接觸力，易導致內圈對滾動體拖動力不足，出現滾動體相對內滾道的滑動現象。另外，柔性轉子振動幅度往往較大，會影響軸承內圈的振動，從而使軸承形變參數和滾動體運動學參數改變，導致軸承的配合精度下降，軸承游隙發生變化，加速軸承失效。

因此，針對高速軸承柔性轉子的工作特點，本試驗機應達到以下技術要求：可以獲得較高的轉速(工作轉速在一階臨界轉速以上)，轉子工作在柔性狀態下，各工作參數任意可調；能夠實時監測軸承工作狀態，顯示并保存軸承運轉過程中的性能參數；系統穩定可靠，試驗可重復性好。

1.2 柔性轉子設計方法

采用傳遞矩陣法計算臨界轉速。引入廣義Riccati變換，得到轉子系統復頻率特征方程，再用Newton-Raphson法求解該方程即可得到臨界轉速。

在考慮滾動軸承的動剛度的情況下計算轉子系統的臨界轉速，計算流程如圖1所示。首先根據轉子的工作轉速確定一個轉速范圍，轉子工況改變時，重新計算軸承剛度，使用Riccati傳遞矩陣法求得頻率方程，用Newton-Raphson法迭代計算，當搜索遍歷轉速范圍后根據各轉速計算結果繪制出臨界轉速圖，分析得出系統的臨界轉速、穩定性。

圖1 轉子系統臨界轉速計算流程

2 試驗機結構

試驗機由動力部分、試驗頭、加載部分、計算機數據采集及處理部分組成。系統結構如圖2所示。

圖2 試驗機結構圖

軸承的軸向預緊通過試驗機尾部的預緊彈簧完成，調節預緊螺栓可以改變預緊力的大小，保證軸承在高速下正常運轉；通過更換配重盤上的配重可以改變偏心質量，以獲得不同的不平衡激振力，不平衡質徑積最大可達0.5 g·m；在盤的圓周上對稱位置加工2個槽，作為測量相位的基準；電渦流位移傳感器固定在支架上，測量軸和盤的徑向振動位移；振動加速度傳感器用磁座吸附在試驗頭頂蓋上，測量試驗頭整體的振動。

2.1 動力裝置

動力裝置由高頻電主軸和變頻調速器組成，主要作用是帶動試驗軸承在所要求的轉速下運轉；采用脂潤滑，定期添加潤滑脂；冷卻部分主要由水泵、水管和水箱組成，保證在電主軸工作期間，其溫度上升不超過2 ℃。其最高轉速可達24 000 r/min。

2.2 加載系統

試驗軸承外圈上的軸向載荷通過彈簧力加載，可通過調節彈簧的長度改變軸向載荷，軸向載荷為0～500 N；徑向載荷通過不平衡質量塊施加。

2.3 測試與數據采集系統

測試和數據采集系統包括傳感器、A/D采集卡和計算機。

(1)振動測量。采用BZ1103型加速度傳感器和BZ2109型電荷濾波積分放大器，監測軸承系統的振動情況。

(2)轉速測量。采用SZXG-10型非接觸式光纖轉速傳感器，光信號經過光電轉換單元產生相應變化的電信號，將電信號放大、整形后輸出矩形脈沖信號。

(3)溫度測量。采用K型熱電偶進行溫度測試，主要測量軸承外圈溫度、進油溫度和回油溫度。將熱電偶與XMT606智能儀表相連接，直接顯示被測溫度值，將該儀表與溫度成正比的直流電壓輸入計算機。

(4)位移測量。采用ZA21系列電渦流位移傳感器對軸承的振動位移進行測量，將位移傳感器輸出經過變送器轉換為電壓信號輸入計算機。

采用PCI8622數據采集卡，提供了16路模擬輸入通道，最大采樣頻率為250 kHz，分辨率為12 bit。數據采集模塊通過軟件觸發模式啟動A/D轉換，采用DMA模式傳輸數據。采集頻率設置為5 kHz。

2.4 數據采集及處理軟件

采用VB程序編制數據采集軟件，可采集試驗機的溫度、振動加速度、振動位移等數據并保存，界面如圖3所示。

圖3 試驗臺采集界面

使用Matlab軟件編制振動信號數據消噪、功率譜圖程序。程序流程如下：首先對振動信號使用“db3”小波函數進行5層分解，使用默認閾值對分解系數進行處理；然后對系數進行重構得到消噪后的信號；再對信號作FFT變換得到頻域信號，計算頻域信號的能量并做出信號能量隨頻率的變化圖，即為信號的功率譜圖，其反映了信號中的頻率成分以及各頻率成分的能量。

將Matlab軟件編制的M文件通過COM組件封裝生成DLL文件，通過VB程序調用并與采集程序集成。

3 試驗

對研制的試驗機進行試驗，試驗條件為：軸向加載300 N，不平衡質徑積為0.015 g·m。所選用軸承為混合陶瓷球軸承7005C/HQ1P4，采用高速高溫潤滑脂潤滑。試驗測試參數如下：

(1)測試轉軸不同位置的振動位移，測點1為左側軸伸出端的徑向位移；測點2 為中間圓盤的徑向位移；對測點2測試2個垂直方向徑向位移，得到軸心軌跡；

(2)測試機體的振動加速度，傳感器安裝在試驗頭頂部；

(3)測試兩端支承軸承的溫度，傳感器直接固定在軸承外圈上；

(4)測試轉子的轉速，轉速傳感器安裝在電機與轉軸聯軸器處。

設計轉子數據見表1，根據Riccati傳遞矩陣法計算臨界轉速，得到試驗機的一階臨界轉速為11 850 r/min，二階臨界轉速為27 500 r/min。對比測試轉速范圍，可確認試驗機轉子是否工作在柔性狀態。

表1 轉子各節點結構參數

啟動電動機后，使用編制的數據采集軟件保存數據，對轉子系統臨界轉速、軸承性能參數進行分析，驗證試驗機系統的可靠性。

測試了轉軸位移隨轉速的變化，圖4給出了測點1，2的振動位移幅值變化曲線。可以看出，在10 500 r/min處兩測點均出現峰值，說明該轉速為試驗機一階臨界轉速，對比一階臨界轉速的計算值11 850 r/min，表明試驗機可工作在柔性狀態，轉子達到柔性之后，振動位移幅值增大明顯。

圖4 振動位移幅值

圖5為試驗過程中左、右兩端軸承外圈溫度曲線及升速曲線。從圖中可以看出，隨著轉速增大，軸承溫度逐漸升高，且溫度值的變化滯后于速度值的變化。當轉速接近和大于臨界轉速，即轉子工作在柔性狀態時，左、右軸承溫度升高更為明顯。對軸承外圈溫度的測試可用于軸承狀態監測。

圖5 軸承溫度隨轉速變化曲線

圖6為轉速15000 r/min 時采集得到的振動加速度信號的功率譜圖，可以看出250 Hz，500 Hz，1 800 Hz附近出現了頻譜峰值。計算發現250 Hz，500 Hz對應峰值為轉軸頻率及其二倍頻；1 800 Hz對應峰值為陶瓷球通過頻率。該項測試表明，機體振動加速度信號采集可用于軸承振動信號的監測，可以反映軸承的振動頻率。

圖6 試驗機振動加速度信號的功率譜圖

對轉軸軸心軌跡的監測可反映轉子系統的工作狀態和振動情況。圖7所示為轉速9 000 r/min，15 000 r/min時測點2處測得的軸心軌跡。對比發現，9 000 r/min 時振動幅值較小且軸心軌跡較穩定，根據圖4可知，此時轉子工作在剛性狀態；而15 000 r/min時，圓盤振動位移大小及幅值都較大，且軸心軌跡較復雜，根據圖4可知，此時轉子工作在一階臨界轉速之上，轉子處于柔性狀態，由于轉子渦動導致振動幅值增大。由以上分析可知，圖4與圖7結果分析較為一致，驗證了試驗系統的可靠性。

圖7 不同轉速時圓盤的軸心軌跡

4 結束語

(1)該試驗機可滿足預定設計要求，具有良好的穩定性，可以考核支承高速柔性轉子的滾動軸承，并能對轉速、軸承外圈溫度、軸心軌跡、振動加速度等進行測試。

(2)柔性轉子系統振動幅值增大且軸心軌跡較為復雜，這將改變支承軸承的振動情況，并影響其動力學特性。

(3)該研究對于進一步分析高速滾動軸承柔性轉子系統的振動響應以及動力學特征提供了驗證方法。