宽温域向心关节轴承径向游隙试验研究

房议，赵伟桦，许冬冬，陈志军，尉成果

(1.洛阳职业技术学院 机电工程学院，河南 洛阳 471000；2.洛阳轴承研究所有限公司，河南 洛阳 471039；3.河南省高性能轴承技术重点实验室，河南 洛阳 471039；4.中国空气动力研究与发展中心，四川 绵阳 621000)

1 引言

向心关节轴承作为典型的运动机构执行部件，对机构的运动精度和稳定性影响较大。目前，对于大温度交变环境下向心关节轴承游隙变化的研究相对较少，国内外只有少量的试验报道，欠缺试验数据和经验积累。文献[1]进行了高温合金向心关节轴承的摩擦磨损性能试验研究，在高温850 ℃、摆动5 000次工况下，试验后轴承的径向游隙增加量(在高温冷却后的常温环境下测量)为0.008 mm。文献[2]研发了磨损量检测系统，分析温度对磨损量产生的影响并基于理论分析数据建立了补偿磨损量检测系统的热误差模型，提出了磨损量检测系统热误差补偿方案，可提高关节轴承寿命试验机磨损量的检测精度。文献[3]研究表明，温度引起的热变形误差占测量系统总误差的 40%～70%。文献[4]建立了关节轴承寿命试验机在线磨损量检测综合模型，试验过程中载荷变化产生的磨损量与计算值较为接近，验证了此工况条件下多体综合误差模型的正确性，但磨损量和游隙测试量单一，也并未排除轴系对磨损量测量的影响。文献[5]研制了第二代关节轴承游隙检测装置，对游隙实现了半自动化控制测量；文献[6]根据向心关节轴承装配后的径向游隙变化规律提出了一种快速评价方法，用于指导装配后关节轴承游隙的快速估算。文献[7]开展了低温/宽温域环境下自润滑关节轴承摩擦磨损规律和模拟服役性能的研究。

根据向心关节轴承游隙的相关研究可以发现，目前游隙测量试验设计中主要存在4个问题：1)关节轴承测量研究多为高温环境或低温环境(基本是液氮、液氢、液氧等低温液体介质[7])，没有涉及宽温域环境；2)测量过程中未考虑温度变化导致材料变形造成的位移量变动；3)试验环境箱设计不符合环境箱试验标准，影响测量精度和稳定性；4)位移测量点单一导致一定的测量误差。

针对上述问题，依据环境箱校准标准[8]，增加多点位移测量，使用综合游隙计算方式减小温度产生的位移误差，开发了宽温域径向游隙在线监测系统，并对宽温域下向心关节轴承径向游隙进行试验测量和分析。

2 测量原理

向心关节轴承的径向游隙应在成品状态下测量，测量时将一个套圈固定，另一个套圈在直径方向移动，在圆周上相隔 120°的3处进行径向移动量测量，其算术平均值即为径向游隙值[9]。按照标准进行径向游隙在线测量，关节轴承套圈在径向上下移动时，由于支承轴承在轴系两侧固定，整个轴系会跟随支承轴承的径向游隙上下移动，从而导致一定的测量误差[4]，测量过程中温度变化导致的材料变形量同样会在关节轴承径向上产生测量误差；然而，轴系左右两侧的径向移动变化量并不完全一致，测试中需将轴系左右两侧变化量的平均值作为轴系径向移动变化量去除，以获得被测轴承的径向游隙。

为提高径向游隙测量准确性，根据关节轴承径向游隙测量方法，考虑支承轴承自身径向游隙，加载偏斜，支承轴承与试验轴承的不一致性，轴系需要在圆周方向旋转且经历宽温域环境温度的大幅变化，工装的加工、装配和定位等因素造成的测量误差，设计了向心关节轴承试验机。该试验机可装配4套同规格关节轴承，轴系左右变化对称，保证轴系在计算误差时得到的数值明确，避免其他因素造成的测量不一致性。本试验机采用多点位移量测量方案，通过位移量反映径向游隙[10]，实现径向游隙的在线测量。

如图1所示，被测轴承温度测量点4处，从左至右依次记为T1，T2，T3，T4，环境箱内壁与被测轴承之间的距离需超过50 mm[9]以避免温度不均匀或梯度过大造成测量误差；位移测量点3处，使用标定杆配合环境箱外的位移传感器进行测量，记录测量点的位移量，依次记为W1，W2，W3。

1—径向加载装置；2—底座；3—加载衬套；4—试验主轴；5—衬套；6—压盖；7—关节轴承；8—端盖。

向心关节轴承径向游隙测试流程为：

1)按图1方案安装试验件并置于环境箱内。

2)设定环境箱温度并保温，直到T1，T2，T3，T4稳定至设定温度且差值小于±5 ℃。

3)调节位移传感器位置，使位移量位于传感器测量范围的中间位置。

4)对加载衬套施加竖直方向的推力，待位移传感器数值稳定后记录此时的测量值，记为W11，W21，W31。

5)对加载衬套施加竖直方向的拉力，待位移传感器数值稳定后记录此时的测量值，记为W12，W22，W32。

6)计算2次测量后的位移差值，对应位置位移差值记为δ1=W11-W12，δ2=W21-W22，δ3=W31-W32，其中δ1，δ2，δ3分别为主轴左侧、加载位置、主轴右侧的径向位移量。

7)计算综合径向游隙，记为C1=|δ2-(δ1+δ3)/2|，该值实际上是包含4套关节轴承平均径向游隙、轴系配合尺寸等的综合游隙，通过增加轴系2个端点的位移测量，同时减小了由于温度变化、工装安装、支承轴承径向游隙等因素导致的位移量变动。

8)重复上述过程，在圆周方向多处测量[5]并记录综合径向游隙C2，C3，…，C72，最后计算其算术平均值。

对于上述试验方法，若连续变换环境温度，步骤3是必须的；步骤4，5由计算机自动完成。根据经验，高精度位移传感器(量程小)会在温度连续变化时出现超量程或输出至非线性段，因此在宽温域每个环境阶段测量径向游隙时，必须保证被测轴承温度变化不大，或者在位移传感器测量数值波动不大的情况下进行，此时被测轴承的运行状态和温度较为稳定，可以得到比较准确的测量结果。

3 向心关节轴承试验机的设计

3.1 试验机结构及工作原理

根据径向游隙在线测量原理，所研制试验机由环境箱、支承轴系、加载组件、监控系统等组成，能够模拟宽温域环境下关节轴承的转速、载荷、装配关系、环境温度等工况，具备转速、温度、载荷、位移等参数的测量功能。试验机设计原理如图2 所示，主体结构如图3所示。

图2 向心关节轴承试验机原理图

环境箱采用液氮制冷和电阻丝加热，营造干燥空气环境或气氮环境(空气主要成分为氮气)，保证宽温域环境的实现。试验工装完全置于环境箱内部且与环境箱内壁的最近距离为127 mm，保证关节轴承测试温度的稳定性和一致性并提高测量精度。环境箱上平面与试验机工作台面密切贴合，并在工装与台面之间设置聚四氟乙烯保温层以提升温度稳定性。试验工装(图1)采用简支梁结构，可装配4套向心关节轴承。以上设计可针对性地解决径向游隙测量中存在的问题，实现向心关节轴承径向游隙、环境温度、外圈表面温度、扭矩、载荷等参数的测量。

1—径向加载组件；2—反射屏；3—四氟保温板；4—工作台；5—驱动装置；6—反射屏；7—底座；8—压盖;9—环境箱；10—温度传感器；11—位移传感器；12—安装支架；13—标定杆；14—试验工装。

3.2 试验机参数设置

向心关节轴承试验机的主要技术参数见表1，传感器参数见表2。

表1 向心关节轴承试验机主要技术参数

表2 向心关节轴承试验机传感器参数

4 试验验证及结果分析

4.1 试验条件

以GE90TX型关节轴承(图4)为例进行分析，其摩擦副材料为钢/PTFE织物，基本参数见表3。宽温域环境下的温度测量点及测量参数见表4，依据上述测量原理进行试验并计算径向游隙。

图4 GE90TX型关节轴承

表3 GE90TX型关节轴承的基本参数

表4 径向游隙试验的测量参数

4.2 试验结果分析

整个试验过程中轴承工作正常，各项监测数据无异常。试验完成后拆机检查并对试验数据进行处理，不同规格关节轴承的结果类似，同样以GE90TX型关节轴承为例进行说明。

4.2.1 综合径向游隙

在每个设定温度下，圆周方向每间隔10°测量一个位置的径向游隙，共得到72个值。GE90TX型关节轴承的综合径向游隙曲线如图5所示。

图5 宽温域环境下GE90TX型关节轴承的综合游隙

由图5可知：

1)除部分在-120 ℃测量所得径向游隙外，温度越低，径向游隙整体水平越小。

2)每个设定温度下，径向游隙曲线均在一定范围内波动，但波动值较小，属于正常现象；温度越低，径向游隙曲线波动越大，表明轴承常温下状态更稳定。

3)径向游隙最大值为0.213 mm，出现在50 ℃时；最小值为0.139 mm，出现在-160 ℃时。

4)-120 ℃时，随着角度变化，径向游隙呈先变大后变小的趋势，原因是试验轴承内部温度还未完全达到环境温度(即轴承外圈温度)，随着保温时间的增加，后半段数据整体看来较为正常。

4.2.2 综合径向游隙平均值

综合径向游隙的平均值曲线如图6所示，设定环境温度25 ℃时的测试值为综合径向游隙基准值，观察关节轴承径向游隙随温度的变化趋势可知：综合径向游隙变化范围为0.160～0.215 mm，变化幅度为0.055 mm，径向游隙受温度影响较大，温度越低，综合径向游隙越小；虽然在-120 ℃时测试曲线(图6)的波动较大，但在该温度阶段下72个径向游隙的平均值为0.160 mm，同样符合径向游隙曲线变化趋势，表明该试验方法取72个值进行测试合理、有效，可以排除低温测量时的部分误差，更客观地反映轴承径向游隙。

图6 GE90TX型关节轴承综合游隙平均值

5 结论

针对宽温域向心关节轴承游隙测量存在的典型问题，提出一种降低游隙测试误差的测量方法，研制开发了宽温域向心关节轴承试验机，采用多位移点和温度点，提高环境箱与保温层之间的距离等措施，能够有效降低径向游隙测量误差并提高测量精度。