脂润滑密封轴承高温高速试验机

王健，李宜谦，李鸿亮，贾虹，王芳

(洛阳轴研科技股份有限公司，河南 洛阳 471039)

脂润滑密封轴承被广泛应用于家用电器、机械设备、汽车、摩托车、航空和航天及武器装备等领域，特别是在航空和航天、武器装备等系统中,脂润滑密封轴承一般要承受高速、高温、重载等恶劣工况，其润滑状态、旋转精度、极限工作能力和可靠性水平直接影响配套主机的工作性能[1]。为了提高特殊工况下脂润滑密封轴承的设计水平和产品质量，为密封轴承的配套装机以及轴承产品的设计和理论分析提供真实有效的数据参考,开发了一种脂润滑密封轴承高温高速试验机，介绍了其主体设计以及轴承装机试验情况。

1 主要技术参数

(1)试验轴承为2～4套内径为8～25 mm的深沟球轴承或角接触球轴承；(2)转速为3 000～60 000 r/min ，稳态误差≤±0.5%FS；(3)径向载荷为0.1～10 kN，稳态误差≤±1%FS；(4)轴向载荷为0.1～5 kN，稳态误差≤±1%FS；(5)加热温度为室温至300 ℃；(6)测控方式为计算机自动控制/现场手动控制、自动监测记录；(7)测试参数为转速、主机电流、温度、振动、径向载荷及轴向载荷。

2 结构及设计

该试验机由试验主体部件、电主轴驱动系统、液压加载系统、冷却系统、电气控制与软件系统等组成。

试验轴承安装在试验主体部件的试验头工装内，电主轴通过尼龙绳联轴器与试验轴系相连，可变频调速；液压加载系统通过加载组件给试验轴承施加径向与轴向载荷；冷却系统为加载轴承及电主轴提供循环水冷却；电气控制与软件系统实现对试验机的控制以及试验数据的实时显示和采集。试验机工作原理如图1所示。

图1 试验机工作原理

2.1 主体结构

2.1.1 试验主体设计

试验主体是试验机的核心部分,结构如图2所示，主要由试验头组件、轴向加载组件、径向加载组件、上盖与底座组成。主体壳体为剖分式不锈钢件，分为上盖与底座两部分，便于拆装；轴向、径向加载组件为薄膜式油缸结构，分别在液压力的作用下通过加载活塞向试验轴承施加轴向、径向载荷；试验头组件安装在主体底座内，上部由上盖通过螺钉压紧固定。

壳体上盖安装6只温度传感器(4只测试轴承温度，2只测试加热器温度)和2只振动传感器(测试试验轴承振动)；主轴后端安装1只速度传感器(测试主轴转速)。

2.1.2 试验头结构设计

试验头的结构直接影响试验机的可靠性和工作特征。该试验头采用简支梁结构，轴系受力状态较好，易于实现高转速。图3为7003AC-2RZ试验头的结构，2套7003AC-2RZ试验轴承位于试验主轴两端(面对面安装)、中间为加载轴承，考虑到与试验轴承转速、承载的匹配，加载轴承同样选用2套7003AC-2RZ(背对背弹簧定压预紧安装)。

1—左衬套；2—轴向加载套；3—锁紧螺母；4—试验轴承；5—加热器；6—隔套；7—试验主轴；8—径向加载套；9—弹簧；10—加载轴承；11—拆卸环；12—联轴器凸缘；13—右衬套图3 7003AC-2RZ试验头结构图

左、右衬套内各有6只200 W的电加热器，环抱着试验轴承实现高温加热(加热结构如图4所示)，每边6只加热器串联外加220 V电源总加热功率可达1.2 kW。加热温度由温度传感器测试并反馈到温控系统，由温控仪进行加热控制从而达到试验加热自动闭环控制的目的(加热温度闭环控制原理如图5所示)。径向加载套内部开有水槽，可通循环水对加载轴承进行冷却，降低温升保证可靠性。

图4 试验头加热结构图

图5 加热温度闭环控制系统框图

考虑到高温工作条件，试验主轴材料采用38CrMoAlA氮化处理，衬套、隔套等零件采用线膨胀系数较小的9Cr18不锈钢材料制造。

2.1.3 试验主轴的校核

试验主轴是整个旋转轴系的关键部件，其热处理工艺、加工精度及动平衡等级均直接影响着整个试验轴系的高速运行状态。为适应试验轴承的高温、高转速及联合载荷要求，除了要求试验主轴具有较高精度外，还要对其进行强度、刚度及振动稳定性的理论校核计算。一般借助Solidworks COSMOSXpress软件可快速完成试验主轴在受力作用下的强度、刚度计算。

图6为试验主轴在最大试验载荷作用下的强度应力分析，最大弯曲应力值σca=48.69 MPa，38CrMoAlA轴许用弯曲应力[σ-1]=75 MPa[2]，则σca<[σ-1]，故试验主轴的强度满足要求。

图6 轴的强度应力分析

图7为试验主轴在最大试验载荷作用下的刚度变形分析,最大弯曲变形为6.89 μm，对刚度要求较严的轴允许挠度为[2]

图7 轴的刚度变形分析

[Ymax]=0.000 2×L=0.016 6 mm,

(1)

式中：L为轴的长度，mm。可知试验主轴刚度满足要求。

轴是一个弹性体，当其高速旋转时，由于轴及轴上零件的材料组织不均匀，制造有误差或对中不良等，就会产生以离心力为表征的周期性干扰力，从而引起轴的振动。强迫振动的频率与轴自振频率重合时就会发生共振现象，轴在引起共振时的转速称为临界转速。如果轴的转速停留在临界转速附近，就会加大轴的变形以致达到使轴甚至整个设备破坏的程度。因此对于高速轴必须进行临界转速的计算，使其工作转速避开其临界转速。临界转速有很多个，最低的一个称为1阶临界转速，其余为2阶、3阶、…。在1阶临界转速下，振动最激烈，最为危险，所以通常主要计算1阶临界转速[2]。1阶临界转速计算式为[3]

(2)

式中：Wi为支撑间第i个圆盘重力，N；Gj为外伸端第j个圆盘重力，N；W0为轴的自重，N，对实心轴W0=60.5×10-6d2L；d为轴的直径，mm；l0为支撑间距离，mm；ai,bi分别为支撑间第i个圆盘至左、右支撑间的距离，mm；cj为外伸端第j个圆盘至支撑间的距离，mm；λ1为系数,取λ1=13.4[3]。

计算得nc1=99 896 r/min。其工作转速应取n<0.75ncl=74 922 r/min。由此可知该试验主轴在74 922 r/min以下工作是可靠的。

2.2 电主轴驱动系统

电主轴驱动系统由智能型变频器、电主轴和控制系统组成。高频电主轴电动机具有在高速下运转平稳可靠、输出功率较高的特性。由给定变频器的控制信号(手动或计算机发命令)使电主轴运转，电主轴实际转速值由转速传感器经变送器反馈给计算机，计算机对转速的控制量进行PID调节后D/A输出，形成系统闭环控制，控制原理如图8所示。

图8 电主轴转速闭环控制系统框图

2.3 液压加载系统

试验机采用液压加载方式对试验轴承施加载荷，液压加载原理如图9所示。叶片泵提供的压力油经过滤后进入阀座，再经溢流阀溢流后分两路进入两个比例减压阀，比例减压阀在控制器的作用下输出给定压力大小的压力油。轴向活塞在油压作用下通过轴向加载套把轴向载荷施加在轴承外圈上，径向活塞在油压作用下通过中间径向加载套把径向载荷施加在试验轴承内圈上。

1—油箱；2—吸油过滤器；3—电动机；4—叶片泵；5—空气过滤器；6—液位计；7—冷却器；8—管路滤油器；9—溢流阀；10—压力表；11—比例减压阀；12—压力传感器；13—压力表；14，15—薄膜液压缸图9 液压加载系统原理图

2.4 冷却系统

试验机采用独立的循环水冷却系统，对电主轴及中间加载轴承进行冷却。为确保使用的可靠性，防止锈蚀，水箱采用不锈钢钢板焊接而成，冷却液为皂化液。

2.5 电气控制与软件系统

试验机的电气控制与软件系统是以工业控制计算机为核心，由操作系统控制单元、计算机测控系统单元、试验主体测控系统单元和软件程序组成，完成对整个试验机的功能控制和信号测试。其测控系统框图如图10所示。

图10 计算机测控系统框图

软件程序采用Borland C++Builder编写，主要实现对试验机系统的实时监控，在主界面(图11)上实时显示并记录转速、载荷、温度、振动、电流等测试参数以及时域曲线，试验过程中如监测参数异常，系统可报警停机，同时具有试验数据分析功能。

图11 软件主界面

3 验证试验

3.1 高速性能试验

在脂润滑密封轴承高温高速试验机上，采用7003AC-2RZ试验头工装外接润滑系统，按下述试验条件进行高速性能试验。轴承型号为7003AC(开式)，试验最高转速为60 000 r/min，常温油润滑，径向载荷0.5 kN，轴向载荷0.2 kN。

试验由低速6 000 r/min开始跑合，依次升高转速至60 000 r/min，并在60 000 r/min运行30 min，同时将径向、轴向载荷分别升至0.5，0.2 kN。试验情况见表1。

表1 高速性能试验情况

3.2 加热试验

在脂润滑密封轴承高温高速试验机上，采用7003AC-2RZ试验头工装进行静态加热试验。开启左、右加热器进行加热，温控仪设定温度为300 ℃，加热测点为轴承外圈。加热过程中，200 ℃以下升温速率较快，48 min内两端均达到设定温度300 ℃，1#位比4#位升温快些，主要是因为两处的散热条件不同。试验情况见表2。

表2 加热试验情况

3.3 脂润滑高温高速试验

在脂润滑密封轴承高温高速试验机上，采用7003AC-2RZ试验头工装开启左、右加热器，设定温度90 ℃，按下述试验条件进行高温高速性能试验。轴承型号为7003AC-2RZ，试验最高转速为40 000 r/min，脂润滑，加热温度为90 ℃，径向载荷为1.8 kN，轴向载荷为0.26 kN。

脂润滑是一种简单、方便的润滑方式，但一般仅适用于中、低速范围。由于脂的稠度较大，在轴承高速运转时，剪切发热较为严重，而润滑脂本身起不到冷却作用[4]。若再加上外界的高温环境，轴承的运行工况就更为恶劣。脂润滑密封轴承的高温高速性能与其内部结构设计、精度等级、润滑脂性能及填脂量有着很大的关系，本试验轴承精度为P4，选用7018润滑脂，填脂量控制在内部空间的10%～15%。

对于脂润滑的轴承试验需要在轴承运行初期进行跑合，根据轴承内部润滑脂质量、填充量等因素，跑和时间可持续几十分钟，甚至几小时[5]。

试验跑合过程密切观察轴承温升情况，待每个阶段稳定后再依次升高转速、载荷直至试验最大值。图12、图13为跑合过程中转速、载荷调节曲线，图14～图16为试验过程中振动、电流、温度变化情况。

图12 转速升速曲线

图13 载荷加载曲线

图14 振动变化曲线

图15 电流变化曲线

图16 温度变化曲线

经过了105 min的跑合至最高试验条件，即转速40 000 r/min、径向载荷1.8 kN、轴向载荷0.26 kN，稳定运行15 min。试验状态稳定(温度、振动、电流均无波动也无继续升高趋势)，说明轴承已达到平衡状态。表3为最高试验条件下15 min的运行情况。

表3 高温高速试验情况

4 结束语

介绍了脂润滑密封轴承高温高速试验机的总体设计,通过具体试验验证考核了试验机60 000 r/min最高转速能力、300 ℃高温加热能力，并通过代表型号7003AC-2RZ轴承的装机试验考核了试验机在高速、高温、联合载荷下的综合运行能力及可靠性。该脂润滑密封轴承高温高速试验机总体方案设计合理，控制系统控制原理正确、抗干扰能力强且运行安全稳定；软件系统界面清晰、操作方便且功能齐全；可为高温、高速、重载工况下使用的密封轴承的设计及装机使用提供真实有效的试验数据参考。