油膜軸承試驗(yàn)臺(tái)負(fù)載特性模型的建立與計(jì)算

馬立新，王建梅，薛亞文，唐亮

(太原科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，太原 030024)

油膜軸承試驗(yàn)是對(duì)油膜軸承理論、生產(chǎn)工藝等進(jìn)行驗(yàn)證的重要步驟，為模擬生產(chǎn)條件下油膜軸承的運(yùn)行狀態(tài)，需要開(kāi)發(fā)油膜軸承綜合試驗(yàn)臺(tái)，以便對(duì)不同油膜軸承進(jìn)行各種試驗(yàn)研究[1-2]。

1 試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)與原理

自主研制的大型油膜軸承綜合試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)與調(diào)速系統(tǒng)、增速器、稀油潤(rùn)滑系統(tǒng)、動(dòng)壓潤(rùn)滑系統(tǒng)、靜壓潤(rùn)滑系統(tǒng)、液壓加載系統(tǒng)及電氣控制系統(tǒng)等構(gòu)成，可實(shí)現(xiàn)高速、重載工況下軸承的潤(rùn)滑性能數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控。

1—直流電動(dòng)機(jī)；2—增速器；3,6—?jiǎng)?靜壓油膜軸承；4—液壓缸；5—?jiǎng)訅河湍ぽS承； 7—基座

試驗(yàn)臺(tái)主軸系統(tǒng)采用無(wú)錐套動(dòng)壓油膜軸承作為試驗(yàn)軸承，直徑為220 mm；兩端為起支承作用的動(dòng)-靜壓油膜軸承。試驗(yàn)軸承倒置懸掛于主軸上，該結(jié)構(gòu)適用于穩(wěn)定運(yùn)行軸承的靜態(tài)測(cè)試，能夠?qū)崿F(xiàn)不同相對(duì)間隙、寬徑比、載荷和轉(zhuǎn)速下油膜參數(shù)的測(cè)量，并得到軸承軸向和周向的油膜壓力及溫度分布規(guī)律[3]。

動(dòng)壓潤(rùn)滑系統(tǒng)向3套軸承供給進(jìn)油壓力為0.08～0.12 MPa的潤(rùn)滑油。當(dāng)載荷較大時(shí)，靜壓潤(rùn)滑系統(tǒng)向兩端起支承作用的動(dòng)-靜壓油膜軸承供給高壓油，將主軸托起，以避免主軸與支承軸承直接摩擦造成損傷，靜壓壓力隨載荷自動(dòng)調(diào)整變化[4]。

試驗(yàn)臺(tái)工作時(shí)，直流電動(dòng)機(jī)通過(guò)增速器驅(qū)動(dòng)主軸高速旋轉(zhuǎn)，主軸將具有一定黏度的潤(rùn)滑油帶入主軸與油膜軸承襯套之間的楔形空間，形成油膜。油膜將主軸與襯套完全隔開(kāi)，將固體間的摩擦轉(zhuǎn)換為液體分子間的摩擦，有利于降低摩擦因數(shù)和提高軸承的使用壽命[5-6]。同時(shí)，液壓缸可以施加0～20 MPa的載荷，以模擬不同的軋制力，通過(guò)對(duì)油膜溫度、壓力和厚度等數(shù)據(jù)的采集和分析，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性以及潤(rùn)滑油膜的性能進(jìn)行綜合評(píng)定。

下文針對(duì)試驗(yàn)臺(tái)對(duì)主軸轉(zhuǎn)速要求高的情況，設(shè)計(jì)了稀油潤(rùn)滑系統(tǒng)，計(jì)算了驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)載荷特性，通過(guò)選擇適宜的電動(dòng)機(jī)，完成了驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

2 負(fù)載特性模型與功率計(jì)算

2.1 負(fù)載特性模型

直流電動(dòng)機(jī)通過(guò)傳動(dòng)比為1∶8的增速器帶動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)主軸旋轉(zhuǎn)，最高轉(zhuǎn)速可達(dá)8 000 r/min。增速器為二級(jí)齒輪傳動(dòng)。根據(jù)齒輪高速運(yùn)行對(duì)潤(rùn)滑和散熱的要求，設(shè)計(jì)的稀油潤(rùn)滑系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。該系統(tǒng)工作時(shí)，加熱器可將潤(rùn)滑油加熱到(40±2)℃，油液由螺桿泵從油箱中吸出，經(jīng)單向閥、雙筒網(wǎng)式過(guò)濾器和列管式冷卻器輸送到增速器潤(rùn)滑點(diǎn)。管路安裝有數(shù)字式壓力傳感器和溫度傳感器對(duì)油壓和油溫進(jìn)行監(jiān)控。

1—放油螺栓；2—液面指示器；3—注油/濾清器；4—過(guò)濾器；5—冷卻器；6—溢流閥；7—電動(dòng)機(jī)；8—箱體；9—螺桿泵；10—端蓋；11—加熱器

根據(jù)電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)原理，電動(dòng)機(jī)所帶負(fù)載分為恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載和恒功率負(fù)載。恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載適用于對(duì)轉(zhuǎn)速有不同要求的情況。皮帶運(yùn)輸機(jī)、軋鋼機(jī)、機(jī)床的刀架平移和行走機(jī)構(gòu)等機(jī)械由摩擦產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，屬反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載。其工作機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)矩絕對(duì)值恒定不變，作用方向與運(yùn)動(dòng)方向相反[7]。油膜軸承試驗(yàn)臺(tái)直流電動(dòng)機(jī)所帶負(fù)載為反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載。

增速器采用8級(jí)精度齒輪傳動(dòng)，試驗(yàn)臺(tái)負(fù)載特性模型如圖3所示，每級(jí)傳動(dòng)效率為0.97[8]。為方便計(jì)算，將多軸系統(tǒng)簡(jiǎn)化為單軸系統(tǒng)，折算負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tf到電動(dòng)機(jī)軸上為TF，此時(shí)TF可看作等效的負(fù)載轉(zhuǎn)矩[9]。

圖3 試驗(yàn)臺(tái)負(fù)載特性模型示意圖

2.2 負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算

油膜軸承在啟動(dòng)、停止以及低速、重載的工作狀態(tài)下難以形成完整的油膜潤(rùn)滑，軸承處于半干摩擦狀態(tài)，此時(shí)系統(tǒng)負(fù)載高于完整油膜潤(rùn)滑的情況(摩擦因數(shù)約為0.001～0.005)。不同潤(rùn)滑狀態(tài)下，軸承襯套與主軸的摩擦因數(shù)見(jiàn)表1。根據(jù)系統(tǒng)空載啟動(dòng)時(shí)半干摩擦狀態(tài)計(jì)算系統(tǒng)載荷，取摩擦因數(shù)μ=0.2。主軸、試驗(yàn)軸承座及襯套材料為45#鋼，密度為7.85 g/cm3，其主要參數(shù)見(jiàn)表2，襯套與軸承座為過(guò)盈連接，可視為一體。主軸受力情況如圖4所示，負(fù)載主要為主軸與試驗(yàn)軸承座自重作用下的摩擦力。

表1 不同潤(rùn)滑狀態(tài)下軸承的摩擦因數(shù)

表2 主軸及試驗(yàn)軸承座主要參數(shù) mm

圖4 主軸受力示意圖

負(fù)載轉(zhuǎn)矩折算公式為

TfΩf=ηTFΩ，

(1)

則折算到電動(dòng)機(jī)主軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩為

(2)

Tf=fr，j=j1j2，

式中：f為主軸與軸承的摩擦力；r為主軸半徑；j1，j2分別為增速器一、二級(jí)的傳動(dòng)比；η為增速器傳動(dòng)效率。

在給定轉(zhuǎn)速下，拖動(dòng)相應(yīng)負(fù)載所需的電動(dòng)機(jī)功率為

(3)

當(dāng)主軸與襯套間摩擦因數(shù)為0.2時(shí)，其對(duì)應(yīng)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為199.7 N·m，折算后的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為1 697.8 N·m。當(dāng)主軸以1 000 r/min運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，所需電動(dòng)機(jī)功率為177.72 kW。

3 電動(dòng)機(jī)選擇及控制

根據(jù)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)負(fù)載的轉(zhuǎn)矩特性，選擇額定轉(zhuǎn)速為1 000 r/min且功率滿足負(fù)載要求的電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)型號(hào)為Z4-280-21，主要參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 電動(dòng)機(jī)主要參數(shù)

3.1 直流電動(dòng)機(jī)固有特性

通常直流電動(dòng)機(jī)額定電樞電動(dòng)勢(shì)與額定電壓存在一定的比值關(guān)系，EaN=(0.93～0.97)UN。其中小容量電動(dòng)機(jī)取小的系數(shù)，中等容量電動(dòng)機(jī)取0.95左右。

根據(jù)所選電動(dòng)機(jī)功率，取EaN=0.97UN,則有

(4)

式中：Ce為電動(dòng)勢(shì)常數(shù)；ΦN為額定磁通。

理想空載轉(zhuǎn)速n0與額定電壓的關(guān)系為

(5)

理想空載轉(zhuǎn)速是假定在無(wú)損耗的理想狀態(tài)下，電動(dòng)機(jī)的全部電磁功率都轉(zhuǎn)化為機(jī)械功率所能獲得的速度，故電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速略小于理想空載轉(zhuǎn)速。

額定轉(zhuǎn)矩為

TN=9.55CeΦNIN。

(6)

根據(jù)(0，n0)，(TN，nN)兩點(diǎn)得到該直流電動(dòng)機(jī)固有機(jī)械特性曲線如圖5所示。

圖5 直流電動(dòng)機(jī)的固有機(jī)械特性

額定轉(zhuǎn)矩為電動(dòng)機(jī)主軸不帶任何負(fù)載且沒(méi)有損耗情況下的理想輸出轉(zhuǎn)矩，實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩為

(7)

TN-T2N=T0，

(8)

式中：T0為電動(dòng)機(jī)空載轉(zhuǎn)矩。

直流電動(dòng)機(jī)固有特性參數(shù)由(4)～(8)式計(jì)算得到，見(jiàn)表4。

表4 電動(dòng)機(jī)固有特性參數(shù)

由計(jì)算結(jié)果可知，Z4-280-21電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩可以通過(guò)增速器驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)主軸以8 000 r/min高速運(yùn)轉(zhuǎn)。

3.2 電動(dòng)機(jī)調(diào)速與控制

試驗(yàn)臺(tái)選用直流電動(dòng)機(jī)完全能滿足系統(tǒng)高轉(zhuǎn)速、大啟動(dòng)及制動(dòng)轉(zhuǎn)矩的要求，且具有良好的換向性能。

3.2.1 電動(dòng)機(jī)調(diào)速

油膜軸承試驗(yàn)臺(tái)直流電動(dòng)機(jī)選用西門子6RA7085直流調(diào)速裝置，采用降低電源電壓的方式實(shí)現(xiàn)數(shù)字化無(wú)極調(diào)速，轉(zhuǎn)速變化連續(xù)平滑，可在調(diào)速范圍內(nèi)任一點(diǎn)穩(wěn)定運(yùn)行，通過(guò)PLC與WinCC對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行監(jiān)控，控制精度可達(dá)±1 r/min。

3.2.2 電動(dòng)機(jī)運(yùn)行

系統(tǒng)的負(fù)載特性決定著軸承的潤(rùn)滑狀態(tài)，在理想工作溫度下，當(dāng)施加一定載荷時(shí)，負(fù)載轉(zhuǎn)矩不高于額定轉(zhuǎn)矩，電動(dòng)機(jī)總能維持輸出轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩的平衡，且保持轉(zhuǎn)速變化很小，軸承潤(rùn)滑狀態(tài)良好。當(dāng)負(fù)載過(guò)大時(shí)，負(fù)載轉(zhuǎn)矩超過(guò)額定轉(zhuǎn)矩，電動(dòng)機(jī)仍要維持轉(zhuǎn)矩平衡，只有降低電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，繼續(xù)提高轉(zhuǎn)矩。然而，轉(zhuǎn)矩的持續(xù)提高將導(dǎo)致勵(lì)磁電流增大。當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩超過(guò)電動(dòng)機(jī)所能承受的最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩時(shí)，電動(dòng)機(jī)將停止運(yùn)轉(zhuǎn)，溫度驟升，最終導(dǎo)致油膜破裂和電動(dòng)機(jī)燒毀。

4 結(jié)論

(1)基于所設(shè)計(jì)的大型油膜軸承綜合試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)及原理，建立了系統(tǒng)負(fù)載特性計(jì)算模型，通過(guò)計(jì)算可得到試驗(yàn)系統(tǒng)的負(fù)載特性。

(2)選用功率適宜的直流電動(dòng)機(jī)和直流調(diào)速裝置，可以使試驗(yàn)臺(tái)實(shí)現(xiàn)8 000 r/min的高速穩(wěn)定運(yùn)行。通過(guò)對(duì)油膜溫度、壓力和厚度等數(shù)據(jù)的采集和分析，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性和潤(rùn)滑油膜的性能進(jìn)行綜合評(píng)定。