油膜轴承试验台负载特性模型的建立与计算

2014-07-21马立新王建梅薛亚文唐亮

轴承 2014年11期

关键词：油膜试验台主轴

马立新，王建梅，薛亚文，唐亮

(太原科技大学机械工程学院，太原 030024)

油膜轴承试验是对油膜轴承理论、生产工艺等进行验证的重要步骤，为模拟生产条件下油膜轴承的运行状态，需要开发油膜轴承综合试验台，以便对不同油膜轴承进行各种试验研究[1-2]。

1 试验台结构与原理

自主研制的大型油膜轴承综合试验台结构如图1所示，主要由电动机驱动与调速系统、增速器、稀油润滑系统、动压润滑系统、静压润滑系统、液压加载系统及电气控制系统等构成，可实现高速、重载工况下轴承的润滑性能数据采集和监控。

1—直流电动机；2—增速器；3,6—动-静压油膜轴承；4—液压缸；5—动压油膜轴承； 7—基座

试验台主轴系统采用无锥套动压油膜轴承作为试验轴承，直径为220 mm；两端为起支承作用的动-静压油膜轴承。试验轴承倒置悬挂于主轴上，该结构适用于稳定运行轴承的静态测试，能够实现不同相对间隙、宽径比、载荷和转速下油膜参数的测量，并得到轴承轴向和周向的油膜压力及温度分布规律[3]。

动压润滑系统向3套轴承供给进油压力为0.08～0.12 MPa的润滑油。当载荷较大时，静压润滑系统向两端起支承作用的动-静压油膜轴承供给高压油，将主轴托起，以避免主轴与支承轴承直接摩擦造成损伤，静压压力随载荷自动调整变化[4]。

试验台工作时，直流电动机通过增速器驱动主轴高速旋转，主轴将具有一定黏度的润滑油带入主轴与油膜轴承衬套之间的楔形空间，形成油膜。油膜将主轴与衬套完全隔开，将固体间的摩擦转换为液体分子间的摩擦，有利于降低摩擦因数和提高轴承的使用寿命[5-6]。同时，液压缸可以施加0～20 MPa的载荷，以模拟不同的轧制力，通过对油膜温度、压力和厚度等数据的采集和分析，可以实现对轴承结构设计的合理性以及润滑油膜的性能进行综合评定。

下文针对试验台对主轴转速要求高的情况，设计了稀油润滑系统，计算了驱动系统载荷特性，通过选择适宜的电动机，完成了驱动系统的设计。

2 负载特性模型与功率计算

2.1 负载特性模型

直流电动机通过传动比为1∶8的增速器带动试验台主轴旋转，最高转速可达8 000 r/min。增速器为二级齿轮传动。根据齿轮高速运行对润滑和散热的要求，设计的稀油润滑系统结构如图2所示。该系统工作时，加热器可将润滑油加热到(40±2)℃，油液由螺杆泵从油箱中吸出，经单向阀、双筒网式过滤器和列管式冷却器输送到增速器润滑点。管路安装有数字式压力传感器和温度传感器对油压和油温进行监控。

1—放油螺栓；2—液面指示器；3—注油/滤清器；4—过滤器；5—冷却器；6—溢流阀；7—电动机；8—箱体；9—螺杆泵；10—端盖；11—加热器

根据电动机拖动原理，电动机所带负载分为恒转矩负载和恒功率负载。恒转矩负载适用于对转速有不同要求的情况。皮带运输机、轧钢机、机床的刀架平移和行走机构等机械由摩擦产生转矩，属反抗性恒转矩负载。其工作机构的转矩绝对值恒定不变，作用方向与运动方向相反[7]。油膜轴承试验台直流电动机所带负载为反抗性恒转矩负载。

增速器采用8级精度齿轮传动，试验台负载特性模型如图3所示，每级传动效率为0.97[8]。为方便计算，将多轴系统简化为单轴系统，折算负载转矩Tf到电动机轴上为TF，此时TF可看作等效的负载转矩[9]。

图3 试验台负载特性模型示意图

2.2 负载转矩计算

油膜轴承在启动、停止以及低速、重载的工作状态下难以形成完整的油膜润滑，轴承处于半干摩擦状态，此时系统负载高于完整油膜润滑的情况(摩擦因数约为0.001～0.005)。不同润滑状态下，轴承衬套与主轴的摩擦因数见表1。根据系统空载启动时半干摩擦状态计算系统载荷，取摩擦因数μ=0.2。主轴、试验轴承座及衬套材料为45#钢，密度为7.85 g/cm3，其主要参数见表2，衬套与轴承座为过盈连接，可视为一体。主轴受力情况如图4所示，负载主要为主轴与试验轴承座自重作用下的摩擦力。

表1 不同润滑状态下轴承的摩擦因数

表2 主轴及试验轴承座主要参数 mm

图4 主轴受力示意图

负载转矩折算公式为

TfΩf=ηTFΩ，

(1)

则折算到电动机主轴上的等效负载转矩为

(2)

Tf=fr，j=j1j2，

式中：f为主轴与轴承的摩擦力；r为主轴半径；j1，j2分别为增速器一、二级的传动比；η为增速器传动效率。

在给定转速下，拖动相应负载所需的电动机功率为

(3)

当主轴与衬套间摩擦因数为0.2时，其对应的负载转矩为199.7 N·m，折算后的负载转矩为1 697.8 N·m。当主轴以1 000 r/min运转时，所需电动机功率为177.72 kW。

3 电动机选择及控制

根据驱动系统负载的转矩特性，选择额定转速为1 000 r/min且功率满足负载要求的电动机，电动机型号为Z4-280-21，主要参数见表3。

表3 电动机主要参数

3.1 直流电动机固有特性

通常直流电动机额定电枢电动势与额定电压存在一定的比值关系，EaN=(0.93～0.97)UN。其中小容量电动机取小的系数，中等容量电动机取0.95左右。

根据所选电动机功率，取EaN=0.97UN,则有

(4)

式中：Ce为电动势常数；ΦN为额定磁通。

理想空载转速n0与额定电压的关系为

(5)

理想空载转速是假定在无损耗的理想状态下，电动机的全部电磁功率都转化为机械功率所能获得的速度，故电动机的额定转速略小于理想空载转速。

额定转矩为

TN=9.55CeΦNIN。

(6)

根据(0，n0)，(TN，nN)两点得到该直流电动机固有机械特性曲线如图5所示。

图5 直流电动机的固有机械特性

额定转矩为电动机主轴不带任何负载且没有损耗情况下的理想输出转矩，实际输出转矩为

(7)

TN-T2N=T0，

(8)

式中：T0为电动机空载转矩。

直流电动机固有特性参数由(4)～(8)式计算得到，见表4。

表4 电动机固有特性参数

由计算结果可知，Z4-280-21电动机输出转矩可以通过增速器驱动试验台主轴以8 000 r/min高速运转。

3.2 电动机调速与控制

试验台选用直流电动机完全能满足系统高转速、大启动及制动转矩的要求，且具有良好的换向性能。

3.2.1 电动机调速

油膜轴承试验台直流电动机选用西门子6RA7085直流调速装置，采用降低电源电压的方式实现数字化无极调速，转速变化连续平滑，可在调速范围内任一点稳定运行，通过PLC与WinCC对转速进行监控，控制精度可达±1 r/min。

3.2.2 电动机运行

系统的负载特性决定着轴承的润滑状态，在理想工作温度下，当施加一定载荷时，负载转矩不高于额定转矩，电动机总能维持输出转矩与负载转矩的平衡，且保持转速变化很小，轴承润滑状态良好。当负载过大时，负载转矩超过额定转矩，电动机仍要维持转矩平衡，只有降低电动机转速，继续提高转矩。然而，转矩的持续提高将导致励磁电流增大。当负载转矩超过电动机所能承受的最大负载转矩时，电动机将停止运转，温度骤升，最终导致油膜破裂和电动机烧毁。