高速復雜結構設備滾動軸承故障試驗平臺研究

潘冬，張永祥，李琳

(海軍工程大學 動力工程學院，武漢 430000)

對于工作轉速超過3 000 r/min的滾動軸承,且測量傳感器無法安裝于軸承座、信號傳遞路徑比較復雜，將這類軸承定義為高速復雜結構設備滾動軸承，比如艦用燃氣輪機主軸承、直升機行星齒輪減速箱中的行星輪軸承等。這類軸承一旦發生故障且沒有及時發現與防護，將造成巨大的經濟損失，影響主機運行并造成嚴重后果。因此，通過創新設計，開發了具有油膜減振器和凸緣螺栓支承結構，可在不同轉速、不同載荷變化規律下工作的高速復雜結構設備滾動軸承故障模擬平臺，以進行該類軸承故障機理、診斷方法的研究。

1 故障模擬平臺的功能

根據高速復雜結構設備滾動軸承的使用工況及研究需要，所設計的故障模擬平臺需具備如下功能：

1)可模擬艦用燃氣輪機、航空發動機滾動軸承的支承結構，使研究成果具有可推廣性；

2)可對帶故障的軸承進行模擬試驗，也可進行軸承疲勞試驗，開展軸承疲勞故障機理研究；

3)可實現無級調速和按特定規律調速，以適應不同工況，從而模擬艦用復雜結構設備滾動軸承在海洋環境影響下的實際運行工況；

4)具備智能管理技術，能夠對故障平臺的運行參數進行高精度自動控制、對平臺狀態進行監測、報警和參數自動記錄。

2 故障模擬平臺整體結構及組成

滾動軸承故障模擬平臺主要由主軸、試驗軸承、支承結構、驅動伺服電動機、加載裝置、控制系統以及潤滑系統等組成，如圖1所示。

1—電動機；2—支承軸承；3—主軸；4—徑向加載裝置；5—支承結構；6—軸向加載裝置

2.1 主軸及試驗軸承

針對艦用燃氣輪機及航空發動機的使用工況及軸承類型，故障模擬平臺的主軸設計為剛性轉子，且主軸最高轉速對應的頻率應小于主軸一階固有頻率的65%。

為使故障模擬平臺的研究結果具有工程應用價值，該平臺可對內徑50 mm、外徑80 mm的深溝球軸承、角接觸球軸承、圓柱滾子軸承及圓錐滾子軸承進行故障模擬試驗。

2.2 支承結構

試驗軸承的支承結構是故障模擬平臺的重要組成部分，以某燃氣輪機的主軸承支承結構為原型，設計了具有油膜減振器和凸緣螺栓連接結構的支承結構，如圖2所示。

1—機匣；2—外凸緣；3—內凸緣；4—試驗軸承；5—油膜減振器外支承；6—彈性鼠籠支承；7—輻板；8—底座

彈性鼠籠支承結構的剛度為1.87×107N/m，與GT25000燃氣輪機的相近。凸緣螺栓連接結構由凸緣、墊片和螺栓組成一組組合密封結構的可拆連接，構造簡單、可靠性能優良，廣泛應用于航空航天、核能等工業領域中。油膜減振器具有良好的減振性能，結構簡單、可靠性高且成本低。本試驗臺的阻尼器采用全油膜設計，并設計了多個油膜減振器外支承，通過改變阻尼器半徑間隙、油液動力黏度、偏心率等參數，研究不同阻尼器結構對軸承振動的影響。

2.3 電動機選型

故障模擬平臺的驅動電動機需較高的工作轉速及功率，且應具有較高的運行控制精度和可靠性。為模擬燃氣輪機等設備的實際運行工況，需要有一定的功率和轉速儲備，而實現轉速有規律的周期波動，對伺服電動機的頻率響應提出了很高的要求，最終選擇最高額定轉速12 000 r/min，功率30 kW的高速、精密交流伺服電動機。

2.4 加載裝置

試驗軸承要求軸向載荷在0～30 kN、徑向載荷在0～80 kN的范圍內連續變化，不宜采用機械加載方式[4-5]；另外，由于載荷較大且加載時間較長，電加載方式也不可取[6]；電-液伺服系統具有控制方便、檢測信號快、測量精度高、結構小巧、輸出功率大等優點[7-9]，因此，為確保系統的安全性和穩定性，選擇液壓加載方式進行加載。

在液壓加載系統中，需要確保加載力連續可調、加載過程平衡準確，實現波動周期小于4 s、載荷波動量達到平均載荷的30%，為此選擇電液比例閥進行加載力的調節[10]。由于需實現加載壓力的連續調節和加載保壓的試驗要求，加載油缸的行程小(即所需的流量小)，而加載力的調節范圍很大，屬高增益系統。通過比較分析，軸向加載系統采用比例減壓閥調節方式，徑向加載系統采用比例換向閥調節方式[11]。

綜合考慮以上要求，設計的液壓加載裝置如圖3所示。

1—油箱；2—濾清器；3—油泵；4—手動減壓閥；5—電磁閥；6—壓力表；7—溢流閥；8—壓力傳感器；9—軸向加載油缸；10—伺服閥； 11—壓力表；12—溢流閥；13—壓力傳感器；14—徑向加載油缸

2.5 控制系統

控制系統由拉壓傳感器、測速傳感器、光電編碼器、工控機、信號調理及A/D模塊、D/A模塊、I/O模塊伺服控制器、伺服電動機、液壓伺服閥等組成，如圖4所示。

圖4 控制系統示意圖

故障模擬平臺控制界面包括參數設置、參數顯示、工況報警、數據記錄4個部分：1)參數設置可保證試驗軸承在恒定的載荷和轉速下運行或按某種時間變化曲線運行；2)顯示界面可顯示軸承徑向、軸向載荷的平均值,平均轉速,潤滑油壓力,油膜減振器及軸承循環周次等主要參數，以及軸承徑向、軸向載荷隨時間的變化曲線；3)工況報警主要是為了防止操作人員誤操作而引起設備損壞和人員傷害，當重要參數的數值超過規定的工作范圍時發出報警信號；4)數據記錄部分用于自動記錄軸承故障平臺的運行參數。

2.6 潤滑系統

故障模擬平臺的試驗軸承、加載軸承和支承軸承都需要進行潤滑，以確保平臺安全、可靠地運行。對于高速運行的滾動軸承，選用油氣潤滑進行冷卻的效果相對較好，且冷卻設備簡單，所以軸承故障模擬平臺的冷卻系統可選用油氣潤滑，油氣潤滑系統由空氣壓縮機、氣水分離器、空氣壓力調節閥和油氣混合器組成。也可考慮采用壓力油潤滑方式，但需要注意油量的控制，避免因油量過大使軸承出現嚴重發熱現象。

3 應用案例

為驗證軸承故障模擬平臺的可靠性和實用性，采用6010軸承作為試驗軸承，應用線切割方法在軸承內圈上切割一個寬0.1 mm、深0.1 mm的槽模擬軸承表面損傷類故障。測量傳感器采用BK 4534加速度傳感器，2個測點分別位于軸承座附近和機匣上，通過試驗測得了軸承在100～9 000 r/min時不同測點處對應的振動信號。為說明高速工況的振動情況，給出9 000 r/min工況下的振動信號，如圖5和圖6所示。從圖中可以看出：不同測點所獲取的振動信號是不同的，靠近軸承座的振動信號沖擊特性比機匣上測得的振動信號要強，數值上也要大一些。而通過試驗成功測得故障軸承的振動信號，說明試驗臺可以實現對故障軸承的工況模擬，試驗臺的設計合理可靠。

(a)軸向

(a) 軸向

4 結束語

通過綜合運用機械、液壓和控制技術，對軸承的支承結構進行了創新設計，解決了軸承故障模擬平臺的高速驅動及控制技術、高精度動靜態加載及控制技術的技術難題，構建的軸承故障模擬平臺既能對故障軸承實現模擬試驗，也能模擬裝備實際工作時的運行工況。最高轉速應可達10 000 r/min，試驗軸承的軸向載荷最大達到30 kN，徑向載荷最大達到80 kN，可應用于多種設備軸承的故障模擬。