中介軸承試驗臺設計與壽命試驗

崔立明，王奉濤，張濤，敦泊森，王萌

（大連理工大學機械工程學院，遼寧大連116024）

中介軸承試驗臺設計與壽命試驗

崔立明，王奉濤，張濤，敦泊森，王萌

（大連理工大學機械工程學院，遼寧大連116024）

研究中介軸承的壽命問題，設計模擬航空發動機實際結構的中介軸承雙轉子試驗臺，制定了中介軸承的壽命試驗，開發一套與之匹配的監測系統。

棒材線；捆扎質量；振動及平托收集裝置

0 前言

航空發動機故障占飛行故障的很大比例，常導致飛行中的災難性事故，而且維修更換費用昂貴，約占維護費用60%。中介軸承是航空發動機的關鍵部件，其性能的可靠性直接制約著飛行安全與飛機性能。為了使航空發動機安全高效地運行，節省維護成本，必須深入了解發動機的運行狀況，掌握變化規律，研究中介軸承壽命問題，這對于航空飛行有著十分重要的現實意義。

1 試驗臺設計

航空發動機中介軸承試驗臺屬于專用試驗臺，設計要求準確的模擬航空發動機實際工作狀況，完成雙轉子實驗及中介軸承故障實驗等，試驗臺設計要求要能完成如下實驗：①轉子實驗：不平衡實驗；對中實驗；碰磨實驗；斷油實驗。②中介軸承故障模擬實驗，包括點蝕，劃痕，滾動體故障，保持架故障。

1.1 試驗臺總體結構設計

機械本體結構的設計原則主要是針對發動機中介軸承裝配結構的相似性設計，高壓軸和低壓軸可實現對轉。采用相似設計的方法，比例縮小原型機的尺寸，獲得新的結構尺寸。計算調整軸系零件和基本尺寸，以滿足臨界轉速的要求，并校驗強度。考慮試驗臺的潤滑方式，傳感器的布置方式等。根據原型機雙轉子系統動力學參數，進行簡化處理，再進行動力學相似設計，得到中介軸承模型試驗臺（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作為研究對象，中介軸承主要結構參數：軸承內徑65 mm，軸承外徑100 mm，軸承寬度18 mm，滾動體數21。中介軸承為用圓柱滾子軸承；軸承內圈安裝于高壓軸上，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。中介軸承安裝結構圖見圖2。

圖1 試驗器機械結構布置圖

1.3 其他附加裝置設計

圖2 中介軸承安裝結構圖

彈性支承采用鼠籠式結構，更換不同數量和寬度鼠籠條的鼠籠可實現支承剛度的調整。驅動電機采用變頻電機，通過膜片聯軸器驅動高壓軸和低壓軸平穩旋轉，電機轉速通過電控系統中的變頻器控制。潤滑系統通過氣泵為中介軸承和支承軸承提供油霧潤滑和氣冷卻，通過手動調整可更改潤滑和冷卻能力。電控系統由電氣控制柜和控制面板組成，控制氣泵、潤滑裝置和驅動電機。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 壽命實驗設計

2.1 壽命試驗要求

對于軸承來說，運轉過程中可以測的物理量有溫度、振動、噪聲等[1]。溫度檢測，由于本試驗臺的中介軸承，內環外同時轉動，需選擇非接觸式紅外測溫傳感器。滾動軸承最常用的監控是對于振動信號的監控。振動監測，目前測試振動信號的傳感器可分為位移傳感器、速度傳感器和加速度傳感器。相對來說，采用加速度傳感器可以有效地感知故障產生的沖擊，所測量的信號的包絡頻譜可以直觀地反映沖擊的規律，因此采用加速度傳感器。常見的轉速測試方法有旋轉編碼器測試、光電傳感器測試、振動測試方法等。振動測試方法依據是轉軸不平衡量的存在，通過測取電機的振動信號，經過傅里葉變換獲得的信號頻率中幅值最高點即為轉頻，此方法準確可靠，因此本實驗應用振動測試法。

本次試驗要求在恒轉速和恒加載力下，監測中介軸承從開始運行直至損壞或者到達截尾數據的全壽命周期內的振動情況，轉速和運行溫度情況。

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而通過測量目標發射的紅外輻射強度計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點，使用戶可以方便的測量難以接近或移動的目標。本次選用HE-205紅外測溫儀直接對準中介軸承。

（2）加速度傳感器。本系統采用JF2050壓電加速度傳感器，其內裝微型IC-集成電路放大器能，其將傳統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，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。

（3）電渦流位移傳感器。為了獲取主軸轉動時的水平和豎直方向的徑向跳動，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）進行監測。分別安裝對準高壓轉子和低壓轉子的X，Y方向。

3 壽命檢測系統開發

3.1 軟件選擇

本系統開發選擇美國國家儀器（NI）公司開發的LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench，實驗室虛擬儀器工程平臺），LabVIEW編程過程采用的是圖形化的編程語言，更加直觀方便；LabVIEW采用的是數據流模式，操作者可以觀測到程序的運行動態；LabVIEW包含大量外觀與傳統儀器類似的控件，搭建出系統顯示界面更加的方便、快捷。另外LabVIEW軟件強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據記錄平臺。本次試驗選用NI Compact DAQ9188機箱，NI Compact DAQ9188是8槽NI CompactDAQ以太網機箱設計，適合遠程或分布式傳感器和電子測量。單個NI CompactDAQ機箱可測量最多256路通道的電子、物理、機械或聲音信號。另外配合C系列數據采集模塊NI9234板卡采集振動加速度和位移和NI9219板卡采集溫度。

3.3 監測方案（圖3）

圖3 中介軸承狀態監測框架圖

3.4 中介軸承狀態監測系統

本航空發動機中介軸承狀態監測系統，主要有用戶須知、報警設置、數據記錄設置、轉速監測、振動監測、位移監測、溫度檢測、應變監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 中介軸承狀態監測系統界面

4 總結

模擬航空發動機實際結構，設計研發了航空發動機雙轉子中介軸承試驗臺，包括其結構設計，中介軸承安裝設計，驅動電機選擇，彈性支承結構設計，潤滑系統設計，選擇合理的加載方式。設計了中介軸承的壽命實驗及監測內容，包括檢測溫度、振動和轉速。根據試驗要求，開發了與之對應的LabVIEW數據系統實時監測系統。

［1］徐東，徐永成，陳循，等.滾動軸承加速壽命試驗技術研究[J].國防科技大學學報，2010，（6）:122-129.

［2］潘毅廣.航空發動機中介軸承試驗臺主軸臨界轉速分析[D].大連理工大學，2014.

〔編輯凌瑞〕

TG333

B

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2016.12.33