锭尖表面涂层对高速锭子振动特性的影响研究

王 进，张 博，于贺春，张国庆，王文博，王汉斌，殷晓龙

(中原工学院 机电学院， 郑州 450007)

作为棉纺织大国，中国的棉纺织机械加工制造行业正向着高速化、自动化、高精化发展[1-2]。锭子转速及其回转精度将直接影响纺织效率及纺织产品的品质[3-4]，这要求锭子高转速情况下依旧能够保持较高的回转精度。振动是影响锭子回转精度的重要因素之一，因此，对锭子润滑状态、表面微观形貌与其振动特性和平稳性之间规律的研究尤为重要。

针对锭子振动特性和平稳性，莫帅等[5]利用MATLAB、ANSYS等软件对锭子相关模型进行了仿真分析。王益轩[6]将卷绕锭子系统简化为具有慢变质量的单自由度系统，外激励力是简谐函数，其幅度和频率也缓慢变化，然后根据振动微分方程进行了自由振动和强迫振动分析，对锭子系统改进具有重要参考意义。于贺春等[7-9]研究分析了特定供气压力时，不同阶跃负载及转速条件下的转子非线性运动和轴承特性之间的相互影响，得到了系统特定状态下瞬态响应和稳态响应下的转子轴心轨迹以及不同方向的位移变化曲线。该团队还采用雷诺方程分析了转子形状误差对主轴回转精度的影响过程。相兴利等[10]将传统锥型下轴承改成由径向滑动轴承及轴向推力轴承相结合的下轴承，并将改进前后的锭子振动特性进行对比分析，发现锭子平稳性有了较大改善。然而关于高速锭子在不同表面微观结构和润滑状态下的振动特性及平稳性的研究尚少。因此，本文以普通及自润滑涂层处理的YD4211FA锭子为研究对象，在无锭子油润滑和添加锭子油润滑工况下，利用多功能锭子检测试验台，对锭子在0～20 000 r/min的转速区间内进行了试验，研究在此转速区间的锭子振型、振幅及轴心轨迹与锭子润滑状态、表面涂层及转速之间的关系。研究结果可为锭子的设计制造及应用提供重要的理论和实践参考。

1 试验

试验样品为河南二纺机股份有限公司生产的YD4211FA型锭子，材质为GCr15轴承钢。图1所示为锭子锭尖表面三维微观形貌图。由图1(a)可见，未做涂层处理的锭子表面纹理错乱无序，呈不规则沟壑结构，摩擦因数在0.3～0.4；经过真空纳米喷涂、多平行光表面固化等工艺处理的自润滑涂层锭子(图1(b)涂层主要成分为Ti，C+，单边厚度为2 μm，硬度为2 600 HV，摩擦因数在0.06～0.11，涂层外观呈黑色)，表面形貌整体呈纵向规律性排布，表面紧致有序并伴随致密凹凸结构，这是由于多平行光表面固化工艺，使不同区域涂层受热不均，固化进程不同，形成不同的纵向规律性排布结构。为减少其他无关因素的影响，试验温度均保持正常室温(20±2)℃。

图1 锭子锭尖表面三维微观形貌图

锭子振动检测试验在多功能锭子检测试验平台上进行(如图2所示)，该试验台主要包括交流伺服电机、带轮、皮带、转换器、夹紧装置、噪音传感器、NI采集卡、24 V直流电源、支撑架、x向位移传感器、y向位移传感器(德国米依ILD1750-2型传感器，量程为0～2 mm，精度为1.6 μm)、竖直调整旋钮、滑块、丝杠。

图2 多功能锭子检测试验台

实验前，将被测锭子安装在检测台上，通过传感器调节机构将激光位移传感器调节到适当位置。试验时，通过计算机控制数据采集卡、数据采集卡控制伺服驱动器驱动电机，电机带动扭矩传感器、减振轴和带轮旋转，带轮通过皮带将旋转运动传递给被测锭子，皮带轮张紧力5 kg，被测锭子转速从0 r/min，以1 000 r/min为数量级递增至20 000 r/min。在电动机开始转动的同时，数据采集卡开始数据采集。将采集到的数据进行处理、储存并导入origin绘图分析软件，进行轴心轨迹图、振程曲线图、振幅瀑布图的绘制[8]。同样的过程，对有涂层4 mL锭子油润滑、有涂层2 mL锭子油润滑、无涂层4 mL锭子油润滑、无涂层2 mL锭子油润滑4组试验对象，在相同试验条件下，分别进行3次重复性试验。试验温度为室温(20±2)℃。

2 结果与讨论

2.1 轴心轨迹图

图3为自润滑涂层处理锭子及普通锭子在转速为3 000 r/min时的典型轴心轨迹图。图3(a)中，x、y方向最大位移偏移量分别为0.032、0.019 mm，图3(b)中，x、y方向最大位移偏移量分别为0.030、0.023 mm。此转速位于一阶振幅增长区间，轴心轨迹图带宽较为宽泛，振型比较混乱。这是因为此时锭子原始加工误差、轴承间隙、配合误差等因素还未建立动态平衡。锭子锭杆振动幅度随着转速的提升不断增加。

图3 3 000 r/min时，2 mL锭子油润滑轴心轨迹图

图4为自润滑涂层处理锭子及普通锭子在转速为15 000 r/min时的典型轴心轨迹图。图4(a)中，x、y方向最大位移偏移量分别为0.024、0.018 mm，图4(b)中，x、y方向最大位移偏移量分别为0.029、0.017 mm。此时锭子原始加工误差、轴承间隙、配合误差、不平衡转动惯量等因素随着转速的增加逐渐建立动态平衡。图4(b)中显示了典型的锭子轴心轨迹图的上、下、左、右振幅和X振幅(X振程)、Y振幅(Y振程)。由图4也可清晰地看出，此时轴心轨迹图带宽较窄且均匀，振型较为规律。

图4 15 000 r/min时，2 mL锭子油润滑轴心轨迹图

2.2 瀑布图

图5是转速为0～20 000 r/min时，锭子的转速-振幅瀑布图。

图5 转速为0～20 000 r/min时，锭子的转速-振幅瀑布图

由图5可见，无论是自润滑涂层锭子，还是普通锭子，与添加2 mL锭子油润滑相比，添加4 mL锭子油润滑不但没有使锭子得到更好的润滑效果，反而使锭子振动幅值增加。这是由于锭子高速旋转时，过量的锭子油在底座腔内形成更加强烈的流体漩涡致使锭杆随其发生无规律强迫振动所致。因此，在添加锭子油时适量即可，不能以追求润滑效果过量添加。此外，由图5可见，在添加2 mL锭子油工况下，自润滑涂层锭子与无涂层锭子在上下2个方向的振幅曲线在转速达到8 000 r/min前，自润滑涂层锭子振幅大于无涂层锭子振幅。但随着转速的逐渐增加至8 000 ～20 000 r/min的转速区间内，经自润滑处理的锭子均呈现更小的振幅。而在左右2个方向上，除7 000、9 000、13 000 r/min几个转速节点外，其余转速区间均表现为自润滑涂层锭子振幅较小。综上，自润滑涂层处理后的锭子在高转速区间具有更优异的振动特性，且在0～20 000 r/min转速区间内，有涂层锭子振幅曲线更加平滑，波峰、波谷明显有利于实际生产中工作转速区间的选择。而普通锭子振幅曲线较为曲折，波峰、波谷对实际生产中工作转速区间的选择无显著影响。

2.3 振程柱状图

图6为锭子在0 ～ 20 000 r/min转速区间，x、y方向的转速-振程柱状图，除极少数转速区间，其他各转速区间x振幅、y振幅大小与无涂层对照组存在明显差异(p<0.05)。图6(a)显示了自润滑涂层处理锭子和普通锭子在0 ～20 000 r/min转速区间内的x方向振程情况，可见锭子x方向的振程，除7 000、9 000、13 000 r/min节点外，自润滑涂层处理的锭子较之对照组的普通锭子，具有更小的振程，表现出更优异的平稳性，且在高转速区间最为明显(p<0.05)。由图6(b)可看出，锭子的y方向振程在0～20 000 r/min转速区间存在显著性差异(p<0.05)，容易看出在0～5 000 r/min对照组普通锭子振程较小，而在5 000～20 000 r/min转速区间，自润滑涂层锭子振程更小，表现出良好的平稳性。由上述知，自润滑涂层处理后的锭子与对照组普通锭子相比，在高转速区间，x、y方向均表现出良好的平稳性。这与自润滑处理锭子表面微观结构光滑紧致，摩擦因数及黏连系数小，一定程度上削弱了流体漩涡现象有关[注]统计学中p值即概率，反应某一时间发生的可能性的大小。

图6 转速为0～20 000 r/min时，锭子的转速-振程柱状图

2.4 讨论

锭子在高速运转时，振动特性和平稳性会受到转速、表面微观结构及流体润滑状态的影响。因此，需要对转速、表面涂层微观结构及流体润滑状态与锭子振动特性和平稳性之间的关系进行评估。以YD4211FA型高速锭子为研究对象，利用多功能锭子检测试验台，研究锭尖表面涂层及润滑状态对其振动特性的影响规律。

图7(a)为锭杆浸泡在锭子油中的部分，可见锭杆具有一定锥度。当锭杆高速旋转时，锭杆表面的油滴产生离心力，该力可分为垂直于锭杆表面的力b及平行于锭杆表面的力c。力b与锭杆对油的吸附力相平衡，而力c则使得油滴克服摩檫力、粘滞力及自身重力沿锭杆向上移动(图7(b))，并对上端约束锭杆旋转的轴承形成油润滑。这与刘晓玲等[11-12]的试验结果一致。而经过真空纳米喷涂处理的自润滑涂层锭子摩擦因数、黏连系数均有较大减小。在相同的力c下，油滴更易到达上端支撑轴承，能有效减小因润滑不充分引起的不规则振动，从而优化了锭子振动特性，增加了其回转精度。此外，如图7(c)所示，锭子高速旋转时，由于摩擦及表面粘连等因素，锭杆会对周围油膜产生一个切向力F。进而在腔内产生流体漩涡造成锭杆的无规律强迫振动[9-10]。而自润滑涂层处理后的锭子，由于具有更小的摩擦因数、黏连系数及更规整的表面微观结构排布，能有效削弱因流体漩涡而造成的无规律强迫振动。最后，自润滑涂层处理的锭子表面微观结构由不规则沟壑结构变为纵向规律性排布，此结构有利于增加锭底与垫片间储油量，加快油膜的形成进程(见图7(a))，极大地减小因摩擦而产生的不规则振动，有效防止高速旋转时咬合现象的发生。

图7 锭尖局部示意图

在润滑状态方面，由图5可知，在其他实验条件保持一致情况下，采用2 mL锭子油润滑的锭子具有更小的振幅及更优异的稳定性。这是由于过量的锭子油润滑不仅不能起到充分的润滑作用，反而会在锭子高速旋转产生的切向力F(图7(b)(c))作用下产生流体漩涡，进而引起锭子无规律强迫振动。有研究表明，对锭子油可少加注或采用固体凝脂类润滑剂，以降低此影响。

在转速方面，随着转速的提升，各个锭子振幅整体呈现波动上升态势。实验期间，由于工况的不同会在不同转速区间达到暂时的一阶及二阶的振动平衡状态。此时各不平衡量，锭子原始加工误差、轴承间隙、配合误差、不平衡转动惯量等建立短暂的动态平衡，振型稳定，振幅相对较小。

3 结论

1) 自润滑涂层处理过的锭子，相较于普通锭子，摩擦因数和黏连系数减小，表面微观结构由不规则沟壑结构变为纵向规律性排布，振动特性有较大提升。

2) 在其他实验条件保持一致情况下，采用 2 mL锭子油润滑的锭子比4 mL的具有更小的振幅及更优异的稳定性。

3) 随着转速的提升，各锭子振幅整体呈现波动上升态势。实验期间，由于工况不同，会在不同转速区间达到暂时的一阶及二阶的动态平衡状态。此时各不平衡量之间建立短暂平衡，振型稳定，振幅相对较小。