李智昊 蘇 冰 劉 鵬 黎建濤 王 健 魏冰陽

(1.河南科技大學(xué)機電工程學(xué)院 河南洛陽 471003；2.洛陽軸承研究所有限公司 河南洛陽 471003)

航空航天領(lǐng)域的潤滑問題所研究的對象是航空航天飛行器的各類運動機構(gòu)和運動部件，并根據(jù)其運動部件的工作環(huán)境和運動工況開展相關(guān)的摩擦學(xué)行為、潤滑材料及潤滑技術(shù)研究，研究所涉及的運動部件就包括了滾動軸承和齒輪等基礎(chǔ)件。滾動軸承作為重要的基礎(chǔ)部件，如果發(fā)生故障，將引發(fā)災(zāi)難性的后果[1]。

航空航天領(lǐng)域所使用的軸承通常在特殊的條件下工作，例如高低溫、重載、高轉(zhuǎn)速等特殊工況[2]。其潤滑方式復(fù)雜多樣，軸承現(xiàn)場試驗難度大，試驗數(shù)據(jù)貧乏，致使其動力學(xué)分析及壽命評估難度較大。為了研究模擬軸承點接觸狀態(tài)下潤滑劑的拖動特性，河南科技大學(xué)楊伯原團隊研制了球盤試驗機[3-4]，并對國產(chǎn)的航空航天潤滑劑做了部分工況下的試驗研究[5-9]；哈爾濱工業(yè)大學(xué)王黎欽團隊也研制了用于模擬高速旋轉(zhuǎn)部件點接觸的摩擦試驗機[10]，并開展了相關(guān)的研究[11]。航空航天軸承潤滑劑試驗，需要高低溫寬溫域、高速重載的試驗機。目前國內(nèi)對此類工況的滑滾狀態(tài)下潤滑劑的拖動特性研究較少，而且缺乏相關(guān)的試驗設(shè)備。為準確模擬航空航天軸承的工作條件，本文作者在河南科技大學(xué)原試驗機[3-4]的基礎(chǔ)上，研制了一種適應(yīng)廣泛的球盤式航空航天潤滑劑的拖動性能試驗機，該試驗機具備寬溫域、高速重載、高自動化的特點。

1 試驗機的性能要求

為準確模擬軸承中滾動體與滾道之間的運動和力，以及滿足各種潤滑劑的拖動特性測試要求，試驗機實際運轉(zhuǎn)工況需滿足以下主要技術(shù)指標(biāo)：球盤接觸區(qū)平均滾動速度1～50 m/s，滑滾比0～0.35；可加載荷范圍0～500 N，球試件和盤試件之間赫茲接觸應(yīng)力0～3.5 GPa；球盤試件環(huán)境溫度范圍-175 ℃至室溫(主要針對固體潤滑劑或自潤滑材料試驗，由低溫環(huán)境系統(tǒng)實現(xiàn))；潤滑油加熱溫度范圍為室溫至150 ℃(針對潤滑油試驗，由潤滑油加熱系統(tǒng)實現(xiàn))；計算機系統(tǒng)需能夠?qū)崟r監(jiān)測試驗機的溫度、載荷等工作狀態(tài)，可以自動和手動控制電主軸的轉(zhuǎn)速；試驗流程表可以手動輸入或自動導(dǎo)入；試驗數(shù)據(jù)可顯示、讀取、處理和儲存。

2 試驗機的組成

2.1 試驗機主體結(jié)構(gòu)

文中研制的試驗機與河南科技大學(xué)原試驗機相比，改進了測量系統(tǒng)，使用了空氣軸承，減少了基礎(chǔ)摩擦力矩；改進了潤滑油加熱系統(tǒng)，增加了試驗區(qū)寬溫域環(huán)境等功能；改進了加載系統(tǒng)，實現(xiàn)了自動化加載與測量等等，以適合航空航天軸承潤滑劑的拖動力測試。試驗機主體結(jié)構(gòu)如圖1所示，包含六大部分，分別是動力系統(tǒng)、加載系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、測量系統(tǒng)、低溫環(huán)境系統(tǒng)以及潤滑油加熱系統(tǒng)，各系統(tǒng)關(guān)聯(lián)簡圖如圖2所示。

圖1 試驗機主體結(jié)構(gòu)

圖2 各系統(tǒng)關(guān)聯(lián)

2.2 動力系統(tǒng)

試驗所用球試件與盤試件旋轉(zhuǎn)的動力分別由電主軸Ⅰ和電主軸Ⅱ提供，并分別由2臺變頻器控制它們的轉(zhuǎn)速。驅(qū)動球試件的電主軸Ⅰ的最高轉(zhuǎn)速達到48 000 r/min，潤滑方式采用油霧潤滑。驅(qū)動盤試件的電主軸Ⅱ的最高轉(zhuǎn)速為24 000 r/min，其潤滑方式為內(nèi)部脂潤滑。電主軸Ⅰ和電主軸Ⅱ的轉(zhuǎn)速可滿足球盤試件接觸區(qū)高速滑滾狀態(tài)的要求。

2.3 加載系統(tǒng)

加載系統(tǒng)由伺服電動缸、矩形彈簧、載荷傳感器、空氣軸承軸芯以及電主軸Ⅰ托架組成。試驗裝置采用伺服電動缸進行加載，伺服電動缸安裝在空氣軸承軸芯的最下方，伺服電動缸與軸芯之間還裝有矩形彈簧和載荷傳感器，用以緩沖并測得加載力的大小。在進行試驗時，通過PLC控制伺服電機驅(qū)動絲杠直線運動，推動軸芯向上運動頂升電主軸Ⅰ托架以及電主軸Ⅰ，從而推動球試件與盤試件法向接觸，達到施加載荷的目的。經(jīng)驗算，加載系統(tǒng)可加載的最大載荷滿足要求。

2.4 潤滑系統(tǒng)

在進行試驗時，通過供油泵給油箱中的潤滑油提供壓力，使?jié)櫥土魅脒M油管道，最終由噴油嘴噴至球盤接觸點。使用過的潤滑油流入試驗箱內(nèi)，在回油泵的作用下通過回油管道回收到油箱，可實現(xiàn)潤滑油的重復(fù)使用。在潤滑油回流進油箱之前，要先經(jīng)過過濾網(wǎng)對回油進行過濾，以保證流入油箱的潤滑油不被污染。試驗機油箱的容量為3 L，進油泵的電機型號為41K25A-C，額定功率為25 W，轉(zhuǎn)速為1 350 r/min。進油泵連續(xù)工作時間長，發(fā)熱量小，工作穩(wěn)定，可滿足長時間的試驗需求。同時通過調(diào)節(jié)壓力閥，可提供不同流量的恒定供油。

2.5 測量系統(tǒng)

在加載完成后，調(diào)節(jié)為球試件與盤試件提供動力的電主軸Ⅰ和電主軸Ⅱ的轉(zhuǎn)速，使其產(chǎn)生滑滾比時，球盤試件之間就會產(chǎn)生拖動力，作用于球試件上的拖動力使得電主軸Ⅰ繞空氣軸承的軸線偏轉(zhuǎn)，壓迫固定于托架兩側(cè)的拖動力傳感器。拖動力的大小是由傳感器測得的力經(jīng)杠桿比例轉(zhuǎn)換而得。由于空氣軸承回轉(zhuǎn)的摩擦因數(shù)很小，遠小于球盤試件間潤滑劑的摩擦因數(shù)，因此可以達到精確測量的目的。試驗機的托架兩側(cè)分別安裝有一個拖動力傳感器，可以實現(xiàn)球盤試件間正負滑滾比下的雙向拖動力的測量。

2.6 低溫環(huán)境系統(tǒng)

在做低溫固體潤滑的拖動力試驗時，需要將球盤試件接觸區(qū)的環(huán)境溫度降至室溫至-175 ℃。制冷源由自增壓液氮罐中的液氮提供，打開自增壓液氮罐的閥門，其中的液氮流入溫控箱中，溫控箱中的電磁閥自動控制液氮的流入量，并由電熱絲將液氮加熱為指定溫度的低溫氮氣，再將低溫氮氣注入試驗箱中，對球盤試驗箱內(nèi)環(huán)境進行冷卻，從而對球盤試件進行冷卻降溫，控制球盤試件接觸區(qū)的起始溫度。也可以將液氮直接噴射到試驗箱中，達到更低的溫度。試驗箱安裝縫隙處使用耐寒性優(yōu)良、導(dǎo)熱系數(shù)小的聚四氟乙烯材料填充密封。經(jīng)試驗測試，最低環(huán)境溫度可以穩(wěn)定在-175 ℃及以下，滿足試驗區(qū)環(huán)境溫度的要求。溫控箱采用ST590溫度控制器，具有先進的PID等功能，控溫精度高。

2.7 潤滑油加熱系統(tǒng)

在做高溫油潤滑試驗時，需要將潤滑油加熱到一定的溫度，并將潤滑油噴入旋轉(zhuǎn)的球盤之間的接觸區(qū)，運行一段時間，使球盤接觸區(qū)起始溫度與潤滑油保持相同。潤滑油的加熱方式采用電熱絲加熱，將電熱絲纏繞在螺旋上升的供油油路上，在噴油嘴處安裝有熱電偶，用以檢測供油溫度，同時通過PID溫控儀控制加熱。經(jīng)試驗測試，潤滑油溫度可加熱到150 ℃，溫度誤差±3 ℃，滿足試驗機的功能要求。

3 電氣測控系統(tǒng)與使用

試驗機的電氣測控系統(tǒng)主要由以下部分組成：執(zhí)行部件(伺服電機、電主軸等)、驅(qū)動部件(變頻器、比例閥)、測試信號采集部件(傳感器和信號轉(zhuǎn)換電路)。變頻器用于變頻電機(電主軸)的驅(qū)動及控制，實現(xiàn)主軸調(diào)速；驅(qū)動系統(tǒng)用于驅(qū)動及控制伺服電動缸，實現(xiàn)載荷力控制；數(shù)據(jù)采集板卡A/D輸入功能進行溫度、力、轉(zhuǎn)速、壓力等測試信號的采集。計算機、變頻器和PLC通過串口進行信息交換；以本地計算機為主，負責(zé)試驗數(shù)據(jù)收集及試驗流程發(fā)布；利用PLC的數(shù)字量輸入功能檢測各個設(shè)備的工作狀態(tài)，PLC的數(shù)字量輸出功能負責(zé)開關(guān)信號的控制。試驗機的測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

文中試驗機的突出特點是可實現(xiàn)全自動化測量，即通過計算機自動控制。每次試驗前，僅需將所需要的參數(shù)，如試驗工況、試驗步驟、電主軸的轉(zhuǎn)速、試驗時間、數(shù)據(jù)自動存盤時間等輸入載荷譜和轉(zhuǎn)速譜文件中，便可進行試驗。試驗過程中，系統(tǒng)可自動記錄載荷、溫度、拖動力、轉(zhuǎn)速、滑滾比、摩擦因數(shù)等參數(shù)，并具有電機電流、轉(zhuǎn)速、載荷、溫度等超限自動停機報警功能，計算機操作界面如圖4所示。

圖4 計算機操作界面

4 關(guān)鍵零部件的選型與分析

伺服電動缸在試驗過程中起加載作用，其加載性能決定了試驗機可加載力的大?。豢諝廨S承是測量系統(tǒng)的重要組成部分，其承載能力需滿足試驗機的性能要求。伺服電動缸和空氣軸承是試驗機的核心部件，因此設(shè)計時需根據(jù)要求進行計算分析。

4.1 伺服電動缸的選型

試驗機的性能要求，其加載力需要達到500 N以上。根據(jù)試驗機的結(jié)構(gòu)分析，在進行加載時，伺服電動缸需先將包括空氣軸承軸芯、電主軸Ⅰ托架、電主軸Ⅰ頂起后，才能使球盤試件之間相互接觸，從而實現(xiàn)加載。因此，除滿足需要的加載力外，伺服電動缸在進行加載時，還要克服上述零部件的重力。

如果伺服電機的輸出扭矩過小，就會造成電機長期過載，使電機發(fā)熱而損壞；如果電機輸出扭矩過大，就會造成功率效率得不到充分利用，增加設(shè)備成本，造成電能的浪費[12]。綜合以上因素，選取型號為RES50-BS05-50-GP01-FF-MD-AR-T2-Y400W的伺服電動缸，其主要性能參數(shù)見表1。

表1 伺服電動缸性能參數(shù)

伺服電動缸的額定負載可由公式(1)計算：

(1)

式中：T為電機輸出扭矩，N·m；η為機械效率；R為減速比；L為絲桿行程，mm。

經(jīng)計算，伺服電動缸的額定負載為1 355 N，滿足試驗機的加載要求并具備裕量。

4.2 空氣軸承承載能力分析

在試驗機加載完成后，球盤試件間的接觸力FW會對空氣軸承軸芯產(chǎn)生一個傾覆力矩，試驗機主體結(jié)構(gòu)的受力示意圖如圖5所示。

圖5 試驗機主體結(jié)構(gòu)受力示意

為保證加載時試驗機主體結(jié)構(gòu)的機械穩(wěn)定性，還需要對空氣軸承的承載能力進行分析計算。由上下2個空氣軸承的承載力FN1和FN2計算出的抗傾覆力矩需大于球盤試件接觸力對空氣軸承的傾覆力矩，即FN1×L2+FN2×L3>FW×L1，才能保證其強度要求。

文中試驗機使用的是定制的ZCS-KZ120型空氣靜壓主軸，由2個空氣軸承組成。進氣方式為圓周環(huán)狀型狹縫進氣，空氣擴散及環(huán)流的影響較小，進氣平穩(wěn)，軸承的穩(wěn)定性較好[13]。其尺寸參數(shù)見表2。

表2 空氣軸承尺寸參數(shù)

由圖5對空氣軸承的承載能力進行分析，球盤試件間加載后，空氣軸承軸芯會以底部的支點為偏轉(zhuǎn)中心偏轉(zhuǎn)，使空氣軸承產(chǎn)生一定的偏心率(實際軸芯徑向偏移與平均氣膜厚度的比值)，建模分析時先給定空氣軸承一定的偏心率，再使用Fluent仿真計算其承載能力。

空氣軸承間隙中的氣體流動是一個十分復(fù)雜的三維流動過程，求解過程對計算機的硬件要求較高[14]。為了提高運算速度，簡化模型，根據(jù)空氣軸承受載后的對稱性，仿真計算的模型對象取整個模型的1/2；空氣軸承軸芯受到球盤試件加載引起的傾覆力矩，以底部支點為偏轉(zhuǎn)中心發(fā)生偏轉(zhuǎn)，擠壓氣膜，因此空氣軸承的偏心率隨距底部支點距離的增大而增大，實際軸芯徑向偏移最大處的偏心率取0.8。以上方的空氣軸承分析為例，按表2中參數(shù)表使用Gambit軟件建立有限元模型并網(wǎng)格化處理，模型網(wǎng)格劃分示意圖如圖6所示，采用六面體單元，數(shù)量為3 162 510。

圖6 模型網(wǎng)格劃分示意

將畫好的網(wǎng)格導(dǎo)入Fluent中設(shè)置邊界條件、選擇計算模型并進行計算，計算的軸承壓力分布結(jié)果如圖7所示。由軸承的壓力云圖可知氣膜中的壓力變化：高壓氣體由進氣環(huán)面流入，經(jīng)過環(huán)面狹縫的節(jié)流作用后進入軸承間隙，形成高壓氣膜；氣膜的壓力沿著軸承軸向方向由內(nèi)向外逐漸下降，由軸承兩端流出，壓力逐漸從高壓降至外界環(huán)境壓力(設(shè)置環(huán)境壓力為0)。

圖7 空氣軸承壓力云圖

在Fluent計算完畢后，通過后處理功能，用Report→Forces可以獲得上方空氣軸承所受的氣膜壓力，F(xiàn)N1的計算結(jié)果為519 N。同樣，使用相同的方法對下方的空氣軸承建模并仿真計算，F(xiàn)N2的計算結(jié)果為182 N，經(jīng)抗傾覆力矩驗算，滿足試驗機主體結(jié)構(gòu)的強度要求。

5 試驗機性能驗證

在做潤滑劑的拖動特性試驗時，對試驗機的穩(wěn)定性、精度等方面性能的要求很高。為了檢驗試驗機能否測試出準確、可靠的試驗數(shù)據(jù)，在試驗機調(diào)試完成后，進行了驗證性試驗。試驗所用油品為德國Schaeffler公司提供的參考試驗用FVA3潤滑油。試驗結(jié)束后將試驗結(jié)果與德國Schaeffler公司數(shù)據(jù)庫中Imperial College London球盤試驗機(MTM)和Aristotle大學(xué)雙圓盤試驗機所測得的參考試驗結(jié)果[15]進行比較分析。

5.1 試驗工況

文中驗證試驗所使用的球盤試件材料均為GCr15軸承鋼，熱處理后硬度為61～66HRC，表面粗糙度為Ra0.02 μm，球試件直徑為10 mm，盤試件直徑為90 mm。試驗工況參數(shù)見表3。

表3 試驗工況參數(shù)

5.2 試驗結(jié)果分析

圖8所示為在文中試驗機上進行試驗測得的FVA3潤滑油的拖動特性試驗數(shù)據(jù)與國外參考試驗結(jié)果的對比。可知文中研制的試驗機測試出的試驗數(shù)據(jù)與國外參考試驗數(shù)據(jù)相差較小，最大相對誤差不超過10%，滑滾比S對摩擦因數(shù)μ的影響也與國外參考試驗數(shù)據(jù)基本一致；測得的拖動特性曲線整體的準確性、穩(wěn)定性較好，與經(jīng)典彈流潤滑理論相符。

圖8 FVA3潤滑油摩擦特性曲線與參

以上分析說明，文中試驗機的測試系統(tǒng)精度滿足拖動特性試驗的各項要求。

6 試驗機存在的問題與改進

經(jīng)過對試驗機的調(diào)試與使用，試驗機還存在以下問題：

(1)試驗過程中拖動力變化范圍大，因此文中選用的拖動力傳感器量程大，滑滾比微小變化時產(chǎn)生的拖動力微小變化的準確測量受到影響。所以文中試驗機測試滑滾比微小變化時的拖動力時，還存在一定的誤差。

(2)球盤試件接觸區(qū)的溫度變化與測量時間有直接關(guān)系，其對潤滑油的流變性能和膜厚等均造成影響，進而影響拖動力的測量結(jié)果。文中試驗機目前還欠缺接觸區(qū)實時溫度的測量裝置。

后續(xù)還需在文中試驗機的基礎(chǔ)上做出如下改進：

(1)進一步改進拖動力測量系統(tǒng)，尤其是增加能夠靈敏測量拖動力微小變化的傳感器，以保證在滑滾比微小變化時，有更準確的測量精度。

(2)增加球盤試件接觸區(qū)的非接觸式實時溫度測量裝置，以便能使試驗控制在更為統(tǒng)一的條件下。

7 結(jié)論

研制一種適應(yīng)廣泛的球盤式航空航天軸承潤滑劑的拖動性能試驗機，并在該試驗機上使用參考試驗用潤滑油進行了驗證性試驗。結(jié)果表明：試驗機具備寬溫域、高速重載、高自動化的特點；試驗機的關(guān)鍵零部件，如伺服電動缸、空氣主軸等均滿足試驗機的性能要求；試驗機測得的試驗數(shù)據(jù)較為準確、可靠，可以為航空航天系列軸承產(chǎn)品動力學(xué)分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計提供可靠的數(shù)據(jù)支持。