高速滚动轴承柔性转子试验机

2012-07-21崔立时大方郑建荣吴飞科

轴承 2012年4期

崔立，时大方，郑建荣，吴飞科

(1. 浙江天马轴承股份有限公司博士后工作站，杭州 150001；2. 华东理工大学机械与动力工程学院，上海 200237)

随着旋转机械向高速化、功能集成化、复杂化等方向发展，滚动轴承的dm·n值越来越大，由于滚动体打滑、疲劳、磨损等引起的滚动轴承失效经常发生，且目前大多高速转子常常工作在一阶临界转速之上，这也将影响其支承轴承的设计与分析。因此，对支承柔性转子系统的轴承性能分析与试验十分重要。

高速滚动轴承性能分析包括运动学和动力学分析，但由于高速轴承动力学模型十分复杂，至今仍没有轴承寿命、失效形式、可靠性等的准确理论分析结果[1-2]。因此在实际研究中，准确模拟和复现轴承工况，对轴承进行工况适应性试验，再对试验数据进行分析，仍是最可靠、最有效的办法。

目前，国内已开展了轴承疲劳寿命试验机、快速寿命试验机的研究[3-4]；并开展了部分极端工况，如高速高温轴承试验机的研究[5-6]；对于支承柔性转子系统的滚动轴承性能分析开展了一些理论研究，但性能试验还较少[7]。为此研制了高速滚动轴承柔性转子试验机，用以模拟轴承的载荷、转速及润滑等工况条件，测试轴承的综合动态性能。

1 试验要求

1.1 技术要求

高速轴承的滚动体受较大离心力作用，且滚动体与外滚道之间的接触力大于滚动体与内滚道之间的接触力，易导致内圈对滚动体拖动力不足，出现滚动体相对内滚道的滑动现象。另外，柔性转子振动幅度往往较大，会影响轴承内圈的振动，从而使轴承形变参数和滚动体运动学参数改变，导致轴承的配合精度下降，轴承游隙发生变化，加速轴承失效。

因此，针对高速轴承柔性转子的工作特点，本试验机应达到以下技术要求：可以获得较高的转速(工作转速在一阶临界转速以上)，转子工作在柔性状态下，各工作参数任意可调；能够实时监测轴承工作状态，显示并保存轴承运转过程中的性能参数；系统稳定可靠，试验可重复性好。

1.2 柔性转子设计方法

采用传递矩阵法计算临界转速。引入广义Riccati变换，得到转子系统复频率特征方程，再用Newton-Raphson法求解该方程即可得到临界转速。

在考虑滚动轴承的动刚度的情况下计算转子系统的临界转速，计算流程如图1所示。首先根据转子的工作转速确定一个转速范围，转子工况改变时，重新计算轴承刚度，使用Riccati传递矩阵法求得频率方程，用Newton-Raphson法迭代计算，当搜索遍历转速范围后根据各转速计算结果绘制出临界转速图，分析得出系统的临界转速、稳定性。

图1 转子系统临界转速计算流程

2 试验机结构

试验机由动力部分、试验头、加载部分、计算机数据采集及处理部分组成。系统结构如图2所示。

图2 试验机结构图

轴承的轴向预紧通过试验机尾部的预紧弹簧完成，调节预紧螺栓可以改变预紧力的大小，保证轴承在高速下正常运转；通过更换配重盘上的配重可以改变偏心质量，以获得不同的不平衡激振力，不平衡质径积最大可达0.5 g·m；在盘的圆周上对称位置加工2个槽，作为测量相位的基准；电涡流位移传感器固定在支架上，测量轴和盘的径向振动位移；振动加速度传感器用磁座吸附在试验头顶盖上，测量试验头整体的振动。

2.1 动力装置

动力装置由高频电主轴和变频调速器组成，主要作用是带动试验轴承在所要求的转速下运转；采用脂润滑，定期添加润滑脂；冷却部分主要由水泵、水管和水箱组成，保证在电主轴工作期间，其温度上升不超过2 ℃。其最高转速可达24 000 r/min。

2.2 加载系统

试验轴承外圈上的轴向载荷通过弹簧力加载，可通过调节弹簧的长度改变轴向载荷，轴向载荷为0～500 N；径向载荷通过不平衡质量块施加。

2.3 测试与数据采集系统

测试和数据采集系统包括传感器、A/D采集卡和计算机。

(1)振动测量。采用BZ1103型加速度传感器和BZ2109型电荷滤波积分放大器，监测轴承系统的振动情况。

(2)转速测量。采用SZXG-10型非接触式光纤转速传感器，光信号经过光电转换单元产生相应变化的电信号，将电信号放大、整形后输出矩形脉冲信号。

(3)温度测量。采用K型热电偶进行温度测试，主要测量轴承外圈温度、进油温度和回油温度。将热电偶与XMT606智能仪表相连接，直接显示被测温度值，将该仪表与温度成正比的直流电压输入计算机。

(4)位移测量。采用ZA21系列电涡流位移传感器对轴承的振动位移进行测量，将位移传感器输出经过变送器转换为电压信号输入计算机。

采用PCI8622数据采集卡，提供了16路模拟输入通道，最大采样频率为250 kHz，分辨率为12 bit。数据采集模块通过软件触发模式启动A/D转换，采用DMA模式传输数据。采集频率设置为5 kHz。

2.4 数据采集及处理软件

采用VB程序编制数据采集软件，可采集试验机的温度、振动加速度、振动位移等数据并保存，界面如图3所示。

图3 试验台采集界面

使用Matlab软件编制振动信号数据消噪、功率谱图程序。程序流程如下：首先对振动信号使用“db3”小波函数进行5层分解，使用默认阈值对分解系数进行处理；然后对系数进行重构得到消噪后的信号；再对信号作FFT变换得到频域信号，计算频域信号的能量并做出信号能量随频率的变化图，即为信号的功率谱图，其反映了信号中的频率成分以及各频率成分的能量。

将Matlab软件编制的M文件通过COM组件封装生成DLL文件，通过VB程序调用并与采集程序集成。

3 试验

对研制的试验机进行试验，试验条件为：轴向加载300 N，不平衡质径积为0.015 g·m。所选用轴承为混合陶瓷球轴承7005C/HQ1P4，采用高速高温润滑脂润滑。试验测试参数如下：

(1)测试转轴不同位置的振动位移，测点1为左侧轴伸出端的径向位移；测点2 为中间圆盘的径向位移；对测点2测试2个垂直方向径向位移，得到轴心轨迹；

(2)测试机体的振动加速度，传感器安装在试验头顶部；

(3)测试两端支承轴承的温度，传感器直接固定在轴承外圈上；

(4)测试转子的转速，转速传感器安装在电机与转轴联轴器处。

设计转子数据见表1，根据Riccati传递矩阵法计算临界转速，得到试验机的一阶临界转速为11 850 r/min，二阶临界转速为27 500 r/min。对比测试转速范围，可确认试验机转子是否工作在柔性状态。

表1 转子各节点结构参数

启动电动机后，使用编制的数据采集软件保存数据，对转子系统临界转速、轴承性能参数进行分析，验证试验机系统的可靠性。

测试了转轴位移随转速的变化，图4给出了测点1，2的振动位移幅值变化曲线。可以看出，在10 500 r/min处两测点均出现峰值，说明该转速为试验机一阶临界转速，对比一阶临界转速的计算值11 850 r/min，表明试验机可工作在柔性状态，转子达到柔性之后，振动位移幅值增大明显。

图4 振动位移幅值

图5为试验过程中左、右两端轴承外圈温度曲线及升速曲线。从图中可以看出，随着转速增大，轴承温度逐渐升高，且温度值的变化滞后于速度值的变化。当转速接近和大于临界转速，即转子工作在柔性状态时，左、右轴承温度升高更为明显。对轴承外圈温度的测试可用于轴承状态监测。

图5 轴承温度随转速变化曲线

图6为转速15000 r/min 时采集得到的振动加速度信号的功率谱图，可以看出250 Hz，500 Hz，1 800 Hz附近出现了频谱峰值。计算发现250 Hz，500 Hz对应峰值为转轴频率及其二倍频；1 800 Hz对应峰值为陶瓷球通过频率。该项测试表明，机体振动加速度信号采集可用于轴承振动信号的监测，可以反映轴承的振动频率。

图6 试验机振动加速度信号的功率谱图

对转轴轴心轨迹的监测可反映转子系统的工作状态和振动情况。图7所示为转速9 000 r/min，15 000 r/min时测点2处测得的轴心轨迹。对比发现，9 000 r/min 时振动幅值较小且轴心轨迹较稳定，根据图4可知，此时转子工作在刚性状态；而15 000 r/min时，圆盘振动位移大小及幅值都较大，且轴心轨迹较复杂，根据图4可知，此时转子工作在一阶临界转速之上，转子处于柔性状态，由于转子涡动导致振动幅值增大。由以上分析可知，图4与图7结果分析较为一致，验证了试验系统的可靠性。