非均勻預緊載荷下軸承-軸系熱特性的試驗研究

吳文武,洪 軍,李 旸,李小虎,張進華

(1.西安理工大學教育部數控機床及機械制造裝備集成重點試驗室&陜西省制造裝備重點實驗室,陜西西安710048;2.西安交通大學現代設計及轉子軸承系統教育部重點實驗室,陜西西安710049;3.西安交通大學機械工程學院,陜西西安710049)

軸系故障主要由轉子不平衡和不對中等引起,其中不對中故障占軸系故障的60%以上[1]。當軸系運行在不對中狀態下時,軸系將產生軸承劇烈磨損、軸系振動和軸的撓曲變形等一系列問題,嚴重危害到系統的穩定運行[2]。因此,國內外學者針對軸系不對中問題,開展了包括理論建模[3]、仿真模擬[4]和試驗測試[5-6]等多方面的研究工作,現有工作重點研究了由于聯軸器裝配偏差導致的軸系角度偏斜、平行偏斜和混合偏斜下軸系的性能變化。對于正常對中情況下,由于生產或裝配造成的軸系內部非均勻載荷對軸系性能的影響規律研究較少[7]。

軸系中常用的定位預緊和定壓預緊,其預緊力在軸承上都是均勻施加。但在實際生產應用中,由于隔圈尺寸偏差、裝配誤差、彈簧剛度不一致等會引起軸承游隙非均勻分布,造成軸承游隙的調整量不盡相同,進一步將在軸向造成軸承內圈與軸、軸承外圈與軸之間的不同軸,在徑向將造成軸承與軸不同心,從而導致軸承的非均勻預緊載荷。軸承預緊載荷的改變將直接影響其熱特性,嚴重時甚至導致軸承的熱咬合,對軸承進行熱分析并掌握軸承的熱態特性對提高軸系運行的穩定性和可靠性都是極其重要的。國內外學者運用有限元[8]、熱阻網絡[9-10]等方法,對軸承自身發熱、熱傳遞與擴散、溫度場等已經做了深入的研究。然而,現有研究中采用了大量的經驗公式,如熱傳遞、預緊膨脹變形等,這些研究對于揭示非均勻預緊載荷與軸承熱特性之間的關系還遠遠不夠。

本文開發了一種采用小型壓電測力傳感器進行預緊力實時測量的軸系性能試驗平臺[11]。該平臺采用電主軸驅動,可實現非均勻預緊載荷下,軸承-軸系性能試驗研究。基于此平臺,對不同方向和大小的非均勻預緊力對軸系熱特性的影響開展試驗研究。試驗結果可以最直接地反映出非均勻預緊載荷對軸承-軸系熱特性的影響規律,同時也可以為后續的理論研究提供數據基礎。

1 試驗臺配置及試驗設計

1.1 試驗臺配置

1.1.1 試驗臺

試驗臺的具體配置型式見圖1,采用電主軸作為驅動裝置,通過柔性聯軸裝置帶動試驗臺軸系轉動。軸系的預緊力由六個均勻布置在前軸承支座端蓋上的加載螺栓施加,所施加的預緊力由放置于軸承外圈和加載螺栓之間的壓電力傳感器進行實時測量。為了研究不同非均勻載荷下的軸系性能變化,同時考慮到方便進行理論計算結果的驗證,本裝置中采用了前后均為單軸承的背靠背配置型式。該軸承配置型式便于實現軸承的非均勻載荷施加,同時消除了多軸承之間的相互作用對結果的影響。

圖1 軸系性能試驗臺Fig.1 The experimental setup of rotor-bearing

1.1.2 驅動系統

試驗臺選用快速制造國家工程中心開發的最高轉速為15 000 r/min的高速電主軸單元作為驅動裝置。該電主軸單元驅動器采用閉環伺服控制,可確保該試驗臺能在各轉速下穩定精確地運行。驅動電主軸的各項技術參數詳見表1。

表1 驅動電主軸參數Tab.1 The parameters of the spindle

1.1.3 測力系統

試驗臺中,采用壓電力傳感器進行預緊力的實時測量,具體型號為PACE line-CFT/5KN(HBM),其精度為0.01N,靈敏度為-7.7pC/N。為了實現滾動軸承的非均勻分布預緊力調控,設計了一個周向均勻分布且具有階梯孔的套環,使之與軸承外圈環面貼合,把加載頭和壓電致動器先后放置在這些孔內,后端用加載螺栓固定,見圖1(a)。在實際使用中,通過調整6個加載螺栓進行非均勻分布預緊力的模擬,從而實現對軸承施加非均勻分布的預緊載荷。

1.1.4 測溫系統

溫度采集系統采用日本橫河YOKOGAWA-MX100,其模塊配置靈活、擴展性,采用以太網通訊。為了減小高速運轉對測試結果的影響,試驗臺中采用Pt100溫度傳感器,其主要優點是抗震性能好、穩定性高、準確度高。傳感器主要技術參數見表2。

表2 Pt100溫度傳感器主要技術參數Tab.2 The parameters of the temperature sensor Pt100

1.1.5 測溫點布置

為了獲取試驗臺全面的溫度信息,選用了MX100溫度測試裝置中的10個通道(測點)進行測試。其中通道1～3為磁吸式Pt100溫度傳感器,通道4～10為非磁吸式Pt100溫度傳感器。通道1和2分別用于測量環境溫度和工作臺表面溫度,通道3用于測量非均勻載荷施加端外殼溫度。通道4～9用于測量非均勻加載軸承的外圈端面各點處的溫度。通道10用于測量非均勻載荷下軸承外圈表面溫度。通道4～9的溫度傳感器具體布置見圖2。

圖2 測溫點布置示意圖Fig.2 The layout of the temperature sensing point

1.2 試驗設計

試驗中采用的軸承為鋼球軸承NSK 7210 CTYNSUL/P4,該軸承在脂潤滑條件下的極限轉速為16 500 r/min。試驗臺中采用背靠背配置型式,承受均勻重載預緊時,軸承的速度系數為0.55,因此在均勻預緊下,主軸實際最大運行轉速約為9 000 r/min。考慮到非均勻載荷的影響,試驗中主軸的最大運行速度選為6 000 r/min。見圖2,由于軸承的軸對稱結構,可以看出當非均勻載荷作用在軸承上加載點1和點4的時候,在不考慮重力的條件下,其對軸承的載荷分布的影響相似,只是方向相反。同樣對于加載點2、3、5、6而言,存在同樣的現象。因此,本文中重點研究加載點4、6的非均勻載荷對軸承性能的影響。本文中所采用的非均勻載荷試驗工況見表3,其中初始預緊和均勻預緊由2、4、6三個加載點均分施加,非均勻預緊由各加載點單獨施加。為了消除試驗臺殘余熱量對測試結果的影響,每天只進行一組溫度測試。每組試驗溫度測試時間為2.5小時,溫度采集系統的采樣頻率設為1 Hz,每個試驗的采樣點數總計為9 000點。

表3 軸承-軸系溫度試驗工況Tab.3 The test conditions for rotor-bearing in temperature test

2 結果與討論

2.1 均勻預緊結果

圖3為軸承承受1 000 N均勻預緊力時,轉速分別為2 000 r/min、4 000 r/min和6 000 r/min時,試驗臺各個溫度測試點的結果曲線。由圖3可知,在不同轉速下,試驗臺中加載端軸承溫度隨著時間的推移逐漸增加,升溫速率逐漸減小。這是由于在運行初始階段軸承運轉形成的熱量集中在軸承部位,并不斷由主軸、軸承座通過熱對流和熱傳導等方式進行散熱,使得軸系逐漸到達熱平衡。測試過程中,隨著時間的推移,環境溫度緩慢升高,改變了試驗臺運行的外部環境,因此試驗臺的平衡狀態不斷發生改變,導致試驗臺長時間難以穩定。對比均勻預緊下,轉速分別為2 000 r/min和4 000 r/min的溫度結果可知,低速運行工況下,轉速對試驗臺中軸承溫度的影響不明顯。由軸承發熱計算方法可知[8],隨著轉速的升高,軸承發熱量不斷增加。當軸承低速運轉時,轉速對軸承發熱的影響小于高速運轉時。對比圖3(a)和圖3(b)可知,轉速為2 000 r/min時的環境溫度的變化大于轉速為4 000 r/min時,因此導致測點5和6處獲得的軸承外圈溫升大于轉速為4 000 r/min時對應測點的溫升。同時,由圖3可知,三種轉速下進行溫度測試的初始環境溫度分別約為26 ℃、27 ℃、25.5 ℃。

圖3 均勻預緊下試驗臺溫度測試結果(預緊力1 000 N)Fig.3 The temperature testing results of the rotor-bearing system with uniform preload (preload=1 000 N)

表4～6分別為均勻預緊下,轉速為2 000 r/min、4 000 r/min和6 000 r/min時候的各個測點溫度統計結果。對比2 000 r/min和4 000 r/min時的溫升,可以發現,環境溫升下降了0.3℃,各個測點溫升最大下降了0.2℃,說明4 000 r/min時軸承外圈溫升大于2 000 r/min。由表4～6可以看出,測點4、9與測點7、8的溫升差0.1 ℃,但在理想狀態下,由于軸承以及試驗臺的對稱性,四個測點的溫升應該相同。究其原因,是由于裝配過程中的偏差造成的。軸承外圈表面溫度(測點10)大于軸承外圈端面溫度(測點4～9)。

2.2 非均勻預緊載荷的影響分析

由圖3和表4～6可知,低速下軸承溫度變化不明顯,因此本節只分析4 000 r/min和6 000 r/min時,非均勻預緊對軸承溫度的影響。圖4是非均勻載荷NU6與均勻載荷U下,轉速分別為4 000 r/min和6 000 r/min時測點4～9的溫度對比結果。在不考慮初始環境溫度影響時,非均勻預緊NU6的測點4～9的溫度最大值明顯大于均勻預緊的對應值。由于非均勻預緊下形成額外彎矩,導致軸承發熱量大于均勻預緊,因此非均勻預緊下軸承各個測點的溫度最大值對均勻預緊對應值形成包絡。由圖4可知,非均勻載荷下的各個測點溫度最大值明顯大于均勻預緊,因此可以認為相對于速度對軸承溫度的影響,非均勻載荷對溫度的影響更加顯著。在4 000 r/min和6 000 r/min時,非均勻載荷NU6都使得軸承呈現出明顯的偏載效果,由于測點7和8位于加載點6的兩側,因此其溫度最大值明顯大于測點4、5、6、9。這是由于,加載點6處的非均勻載荷,會形成通過該點的合彎矩,從而導致該區域軸承內外圈和球的接觸應力升高,發熱量增加,提高了該區域軸承溫度。

表4 均勻預緊2 000 r/min時各測點溫度統計Tab.4 The measuring points temperature of the rotor-bearing system with uniform preload (speed=2 000 r/min)

表5 均勻預緊4 000 r/min時各測點溫度統計Tab.5 The measuring points temperature of the rotor-bearing system with uniform preload (speed=4 000 r/min)

表6 均勻預緊6 000 r/min時各測點溫度統計Tab.6 The measuring points temperature of the rotor-bearing system with uniform preload (speed=6 000 r/min)

圖4 溫度雷達圖Fig.4 The radar map of the temperature

圖5是試驗臺加載端軸承溫度測點4～9減去初始環境溫度后,均勻預緊U和非均勻預緊NU6的溫升對比結果。

圖5 溫升雷達圖Fig.5 The radar map of the temperature rise

對比測點4～9的溫度最大值結果,可以發現溫升結果中,非均勻載荷對溫度的影響明顯減小,這進一步說明了環境溫度對軸系熱性能具有顯著的影響。分別比對4 000 r/min和6 000 r/min時,均勻預緊和非均勻預緊的測點4～9溫升結果,可以發現,在相同轉速時,非均勻預緊下的溫升對均勻預緊下的溫升形成包絡。不同轉速下非均勻預緊NU6的溫升結果同樣體現出明顯非均勻偏載效應。

2.3 換熱型式的影響分析

圖6為兩種非均勻預緊工況(NU6和NU4)下,通道1～10的溫升變化結果。由圖6可知,在軸承外圈端面的各個測點中,測點5和6處的溫升最小。由圖1～2可知,非均勻預緊NU4中,施加非均勻預緊載荷的加載點4靠近軸承座與工作臺連接處,其傳熱類型為熱傳導。由表3～5可知,位于加載點4附近的兩個溫度測點5和6,其溫度和溫升均小于相同工況下測點4、7、8、9的值。通過加載點6所施加的非均勻載荷,在4 000 r/min和6 000 r/min轉速下,溫升值均大于加載點4所施加的非均勻載荷。對于軸承發熱而言,由于軸承的軸對稱布置,相同載荷下,軸承的發熱相同。由此可知,熱傳導對試驗臺的散熱具有顯著的影響。

圖6 非均勻預緊下各個測點溫度變化Fig.6 The temperature variation of the measuring points temperature under non-uniform preload

2.4 討 論

軸系溫度場主要受外界環境溫度和散熱體系的影響,熱傳導的影響明顯大于熱對流的影響。熱傳導越多的地方,軸系溫度越低。熱對流越多的地方,軸系溫度越高。

非均勻預緊載荷形成的合彎矩決定了軸承接觸應力的分布形態,也決定了軸承的溫度分布,接觸應力越大的區域,溫度越高。對于機械主軸,其主要熱源只有軸承,因此在沒有強制冷卻的情況下,其溫度場的分布取決于軸承的溫度場分布。在試驗中,由于試驗臺同時存在熱對流和熱傳導,因此在某些工況下,非均勻載荷對軸系溫度的影響不夠明顯。

非均勻加載與均勻加載下的發熱率均隨著轉速的增大而增大,且當非均勻預緊加載導致總彎矩增大時,總發熱率會高于均勻預緊加載,轉速越高,差距越明顯。相比于均勻預緊,非均勻預緊產生的額外彎矩,使得均勻預緊下軸承端面溫度最大值被非均勻預緊下所對應的溫度最大值完全包絡。

3 結 論

本文針對非均勻預緊載荷問題,搭建了以微型力傳感器和細牙螺紋為主要控制結構的預緊力性能試驗平臺,試驗研究了非均勻預緊對軸系溫度的影響。主要結論如下.

1) 由于裝配誤差等的存在,軸系中軸承會處于非均勻預緊載荷作用下,并導致軸承外圈溫度的非均勻分布。

2) 由于非均勻預緊載荷會在軸承上產生附加彎矩,使得軸承總發熱率增加,軸承溫度大于相同工況下的均勻預緊,并體現出明顯的非均勻溫度分布情況。非均勻溫度場中的高溫區域取決于非均勻預緊形成的附加彎矩方向。

3) 軸系中軸承的溫度場分布不僅受到非均勻載荷的影響,同時環境溫度和傳熱類型也有顯著影響。軸系中熱傳導部位的散熱性能明顯優于熱對流部位。