軸承試驗機高溫潤滑系統的改進

谷運龍，范圍廣，許冬冬，賈虹，楊丹峰

（1.洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039；2.河南省高性能軸承技術重點實驗室，河南 洛陽 471039；3.滾動軸承產業技術創新戰略聯盟，河南 洛陽 471039；4.萬向集團公司技術中心，杭州 311215）

對實際工況的模擬是實現軸承試驗有效性和可信度的前提，環境溫度模擬是其中的重要內容。航空發動機軸承的環境溫度模擬試驗需將潤滑油加熱到一定溫度后供給試驗軸承，最高溫度可達到180～200℃［1］。目前，常規高溫潤滑系統存在加熱時間長，潤滑油炭化嚴重等缺點，需要定時對系統進行清理并更換濾芯，影響試驗進程；而且，對于需要模擬變溫環境的試驗，常規高溫潤滑系統的工作效率較低，無法實現節能、高效的目的；因此，通過電磁感應加熱技術對軸承試驗機高溫潤滑系統進行改進，以滿足高溫潤滑系統的需求。

1 常規高溫潤滑系統

常規的軸承試驗機高溫潤滑系統采用電加熱管直接在油箱中對潤滑油進行加熱，然后采用噴射或環下供油方式對軸承進行潤滑。

電加熱管通過其表面的高溫與周圍的潤滑油進行換熱，往往存在電加熱管表面溫度很高，而油箱內潤滑油溫度梯度變化很大的問題，會導致各處潤滑油的溫度不一，而且電加熱管附近的潤滑油炭化嚴重。如果要求的潤滑油溫度過高，這種加熱方式會造成潤滑油過濾系統堵塞，需要定期對濾芯進行清洗更換。

另外，航空發動機軸承需進行變溫試驗。由于常規高溫潤滑系統采用換熱方式對潤滑油進行加熱，使潤滑油從高溫降到低溫時需關閉加熱管并打開冷卻器，導致變溫過程較長，效率較低。

2 電磁感應加熱潤滑系統

電磁感應加熱是一種新型、安全、高效、節能的加熱技術，比傳統式電加熱升溫快、溫控精度高，熱效率高達95%，同等條件下比電阻式加熱方式節電30%以上［2］，預熱時間縮短一半。因此，將其用于軸承試驗機高溫潤滑系統中，以解決常規高溫潤滑系統加熱效率低等問題。

2.1 系統原理

結合電磁感應加熱原理及軸承試驗機高溫潤滑系統的需求，將潤滑系統進行改進，其原理如圖1所示。

圖1 電磁感應潤滑加熱系統原理圖Fig.1 Schematic diagram of electromagnetic induction lubrication and heating system

如圖1所示，通過油泵將潤滑油從油箱中抽出并分為2路，一路作為常溫油供給常溫潤滑系統，另一路進入電磁加熱管內進行加熱后供給高溫潤滑系統。其中，調節溢流閥使潤滑油達到規定的壓力（通過壓力表及壓力傳感器監測）。根據系統的需求，計算選取油箱體積，泵及電動機、溢流閥和各類傳感器的型號。

2.2 系統設計

電磁感應加熱系統包括機械主體及溫度控制系統。機械主體主要由螺旋式20＃鋼管、外敷感應線圈及保溫層組成；溫度控制系統主要由中頻感應電源、溫度傳感器及溫控儀組成。

機械主體采用20＃無縫鋼管螺旋上升盤繞而成，根據系統需要及油箱大小確定尺寸。具體計算在此不做詳述。

溫度控制系統是實現高溫潤滑系統的核心，其工作原理為：通過整流電路將工頻交流電壓轉變成直流電壓，再經過功率控制電路將其轉換成中頻電壓；當變化的交流電通過線圈時，產生變化的磁場，使螺旋管表面產生渦流效應，促使管道發熱，管道表面的熱量與流經管道的潤滑油進行換熱，達到加熱潤滑油的效果。

換熱過程在被加熱的管道與其內表面附近的潤滑油間進行，而遠離表面的潤滑油無法進行換熱，從而出現集膚效應，而感應加熱的交變電流的頻率越高，集膚效應越嚴重［3］。因此，中頻感應電源的頻率設計尤為重要。

其中，頻率與電流透入深度的關系為

式中：δ為電流透入深度，mm；ρ為金屬材料的電阻率，Ω·mm；μ為金屬材料的磁導率，H／m；f為電源的頻率，Hz。通過設計計算，電源頻率選擇為980 Hz。

如圖2所示，電磁感應加熱系統采用閉環控制，將高溫潤滑油出口處的溫度信號接入溫度控制儀中與設定值進行對比，通過差值控制電磁感應加熱器的輸出功率，選擇最合適的控制策略，使加熱速度最大化并防止過熱現象的發生。

圖2 電磁感應加熱系統原理圖Fig.2 Schematic diagram of electromagnetic induction heating system

溫度控制策略的原理為：當潤滑油實際溫度與預設溫度差別較大時，電源功率采用較大的百分比，增大加熱速度；當兩者溫度差別較小時，采用較小的功率比，降低加熱速度，防止加熱溫度有大的超調量。

為防止溫度控制方案失效，在溫度控制儀中設置報警溫度值，當實際溫度超過報警值時，溫度控制儀將信號分別發送給電磁加熱控制器及報警控制器，并關閉加熱器，發出報警信號，保證系統的安全。

3 試驗驗證

為驗證本方案的可行性，在ZYS-103型軸承試驗機上進行試驗，試驗采用4套QJS206軸承，轉速20 000 r／min，軸向及徑向載荷均為1 000 N，潤滑油為4050，潤滑油壓力為0.5 MPa，潤滑油溫度設定為150℃，噴嘴直徑為1.5 mm。常規高溫潤滑系統和電磁感應加熱系統的加熱、冷卻時間如圖3所示。電磁感應加熱系統的噴嘴處潤滑油溫度、回油溫度及油箱溫度如圖4所示。

圖3 供油溫度與時間的關系Fig.3 Relationship between oil supply temperature and time

圖4 電磁感應加熱系統的溫度曲線Fig.4 Temperature curve of electromagnetic induction heating system

從圖3可以看出：將潤滑油加熱到150℃，電磁感應加熱方法所用時間是常規方法的一半；采用相同的冷卻器將加熱油冷卻到相同溫度，電磁感應加熱系統所用時間約20 min，常規方式冷卻時間為30 min，電磁加熱方式冷卻效果更好。

由于電磁感應加熱只對感應加熱管內的潤滑油進行加熱，加熱的范圍小，針對性強，能夠很快對所需加熱的潤滑油進行加熱。對于冷卻，電磁感應系統關閉加熱器后，只需對加熱管路內的剩余高溫油及整個系統內剩余的熱量進行冷卻，相比常規方法所需冷卻的熱量少，因此冷卻效果更好。從圖4可以看出，采用電磁感應加熱技術，潤滑油溫度加熱速度快，而油箱中的潤滑油溫度變化較小。

4 結束語

通過分析常規軸承試驗機高溫潤滑系統在實際應用中的存在問題，提出了電磁感應加熱方式，根據系統需求設計了新型的軸承試驗機高溫潤滑系統，包括機械主體設計，溫度控制系統設計等。通過在相同試驗條件下與常規方法的對比試驗可知，電磁感應加熱系統能夠縮短加熱及冷卻時間，更好地滿足實際需求。