寬溫域向心關(guān)節(jié)軸承徑向游隙試驗(yàn)研究

房議，趙偉樺，許冬冬，陳志軍，尉成果

(1.洛陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，河南 洛陽 471000；2.洛陽軸承研究所有限公司，河南 洛陽 471039；3.河南省高性能軸承技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽 471039；4.中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心，四川 綿陽 621000)

1 引言

向心關(guān)節(jié)軸承作為典型的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)執(zhí)行部件，對(duì)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)精度和穩(wěn)定性影響較大。目前，對(duì)于大溫度交變環(huán)境下向心關(guān)節(jié)軸承游隙變化的研究相對(duì)較少，國(guó)內(nèi)外只有少量的試驗(yàn)報(bào)道，欠缺試驗(yàn)數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)積累。文獻(xiàn)[1]進(jìn)行了高溫合金向心關(guān)節(jié)軸承的摩擦磨損性能試驗(yàn)研究，在高溫850 ℃、擺動(dòng)5 000次工況下，試驗(yàn)后軸承的徑向游隙增加量(在高溫冷卻后的常溫環(huán)境下測(cè)量)為0.008 mm。文獻(xiàn)[2]研發(fā)了磨損量檢測(cè)系統(tǒng)，分析溫度對(duì)磨損量產(chǎn)生的影響并基于理論分析數(shù)據(jù)建立了補(bǔ)償磨損量檢測(cè)系統(tǒng)的熱誤差模型，提出了磨損量檢測(cè)系統(tǒng)熱誤差補(bǔ)償方案，可提高關(guān)節(jié)軸承壽命試驗(yàn)機(jī)磨損量的檢測(cè)精度。文獻(xiàn)[3]研究表明，溫度引起的熱變形誤差占測(cè)量系統(tǒng)總誤差的 40%～70%。文獻(xiàn)[4]建立了關(guān)節(jié)軸承壽命試驗(yàn)機(jī)在線磨損量檢測(cè)綜合模型，試驗(yàn)過程中載荷變化產(chǎn)生的磨損量與計(jì)算值較為接近，驗(yàn)證了此工況條件下多體綜合誤差模型的正確性，但磨損量和游隙測(cè)試量單一，也并未排除軸系對(duì)磨損量測(cè)量的影響。文獻(xiàn)[5]研制了第二代關(guān)節(jié)軸承游隙檢測(cè)裝置，對(duì)游隙實(shí)現(xiàn)了半自動(dòng)化控制測(cè)量；文獻(xiàn)[6]根據(jù)向心關(guān)節(jié)軸承裝配后的徑向游隙變化規(guī)律提出了一種快速評(píng)價(jià)方法，用于指導(dǎo)裝配后關(guān)節(jié)軸承游隙的快速估算。文獻(xiàn)[7]開展了低溫/寬溫域環(huán)境下自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承摩擦磨損規(guī)律和模擬服役性能的研究。

根據(jù)向心關(guān)節(jié)軸承游隙的相關(guān)研究可以發(fā)現(xiàn)，目前游隙測(cè)量試驗(yàn)設(shè)計(jì)中主要存在4個(gè)問題：1)關(guān)節(jié)軸承測(cè)量研究多為高溫環(huán)境或低溫環(huán)境(基本是液氮、液氫、液氧等低溫液體介質(zhì)[7])，沒有涉及寬溫域環(huán)境；2)測(cè)量過程中未考慮溫度變化導(dǎo)致材料變形造成的位移量變動(dòng)；3)試驗(yàn)環(huán)境箱設(shè)計(jì)不符合環(huán)境箱試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，影響測(cè)量精度和穩(wěn)定性；4)位移測(cè)量點(diǎn)單一導(dǎo)致一定的測(cè)量誤差。

針對(duì)上述問題，依據(jù)環(huán)境箱校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)[8]，增加多點(diǎn)位移測(cè)量，使用綜合游隙計(jì)算方式減小溫度產(chǎn)生的位移誤差，開發(fā)了寬溫域徑向游隙在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并對(duì)寬溫域下向心關(guān)節(jié)軸承徑向游隙進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)量和分析。

2 測(cè)量原理

向心關(guān)節(jié)軸承的徑向游隙應(yīng)在成品狀態(tài)下測(cè)量，測(cè)量時(shí)將一個(gè)套圈固定，另一個(gè)套圈在直徑方向移動(dòng)，在圓周上相隔 120°的3處進(jìn)行徑向移動(dòng)量測(cè)量，其算術(shù)平均值即為徑向游隙值[9]。按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行徑向游隙在線測(cè)量，關(guān)節(jié)軸承套圈在徑向上下移動(dòng)時(shí)，由于支承軸承在軸系兩側(cè)固定，整個(gè)軸系會(huì)跟隨支承軸承的徑向游隙上下移動(dòng)，從而導(dǎo)致一定的測(cè)量誤差[4]，測(cè)量過程中溫度變化導(dǎo)致的材料變形量同樣會(huì)在關(guān)節(jié)軸承徑向上產(chǎn)生測(cè)量誤差；然而，軸系左右兩側(cè)的徑向移動(dòng)變化量并不完全一致，測(cè)試中需將軸系左右兩側(cè)變化量的平均值作為軸系徑向移動(dòng)變化量去除，以獲得被測(cè)軸承的徑向游隙。

為提高徑向游隙測(cè)量準(zhǔn)確性，根據(jù)關(guān)節(jié)軸承徑向游隙測(cè)量方法，考慮支承軸承自身徑向游隙，加載偏斜，支承軸承與試驗(yàn)軸承的不一致性，軸系需要在圓周方向旋轉(zhuǎn)且經(jīng)歷寬溫域環(huán)境溫度的大幅變化，工裝的加工、裝配和定位等因素造成的測(cè)量誤差，設(shè)計(jì)了向心關(guān)節(jié)軸承試驗(yàn)機(jī)。該試驗(yàn)機(jī)可裝配4套同規(guī)格關(guān)節(jié)軸承，軸系左右變化對(duì)稱，保證軸系在計(jì)算誤差時(shí)得到的數(shù)值明確，避免其他因素造成的測(cè)量不一致性。本試驗(yàn)機(jī)采用多點(diǎn)位移量測(cè)量方案，通過位移量反映徑向游隙[10]，實(shí)現(xiàn)徑向游隙的在線測(cè)量。

如圖1所示，被測(cè)軸承溫度測(cè)量點(diǎn)4處，從左至右依次記為T1，T2，T3，T4，環(huán)境箱內(nèi)壁與被測(cè)軸承之間的距離需超過50 mm[9]以避免溫度不均勻或梯度過大造成測(cè)量誤差；位移測(cè)量點(diǎn)3處，使用標(biāo)定桿配合環(huán)境箱外的位移傳感器進(jìn)行測(cè)量，記錄測(cè)量點(diǎn)的位移量，依次記為W1，W2，W3。

1—徑向加載裝置；2—底座；3—加載襯套；4—試驗(yàn)主軸；5—襯套；6—壓蓋；7—關(guān)節(jié)軸承；8—端蓋。

向心關(guān)節(jié)軸承徑向游隙測(cè)試流程為：

1)按圖1方案安裝試驗(yàn)件并置于環(huán)境箱內(nèi)。

2)設(shè)定環(huán)境箱溫度并保溫，直到T1，T2，T3，T4穩(wěn)定至設(shè)定溫度且差值小于±5 ℃。

3)調(diào)節(jié)位移傳感器位置，使位移量位于傳感器測(cè)量范圍的中間位置。

4)對(duì)加載襯套施加豎直方向的推力，待位移傳感器數(shù)值穩(wěn)定后記錄此時(shí)的測(cè)量值，記為W11，W21，W31。

5)對(duì)加載襯套施加豎直方向的拉力，待位移傳感器數(shù)值穩(wěn)定后記錄此時(shí)的測(cè)量值，記為W12，W22，W32。

6)計(jì)算2次測(cè)量后的位移差值，對(duì)應(yīng)位置位移差值記為δ1=W11-W12，δ2=W21-W22，δ3=W31-W32，其中δ1，δ2，δ3分別為主軸左側(cè)、加載位置、主軸右側(cè)的徑向位移量。

7)計(jì)算綜合徑向游隙，記為C1=|δ2-(δ1+δ3)/2|，該值實(shí)際上是包含4套關(guān)節(jié)軸承平均徑向游隙、軸系配合尺寸等的綜合游隙，通過增加軸系2個(gè)端點(diǎn)的位移測(cè)量，同時(shí)減小了由于溫度變化、工裝安裝、支承軸承徑向游隙等因素導(dǎo)致的位移量變動(dòng)。

8)重復(fù)上述過程，在圓周方向多處測(cè)量[5]并記錄綜合徑向游隙C2，C3，…，C72，最后計(jì)算其算術(shù)平均值。

對(duì)于上述試驗(yàn)方法，若連續(xù)變換環(huán)境溫度，步驟3是必須的；步驟4，5由計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，高精度位移傳感器(量程小)會(huì)在溫度連續(xù)變化時(shí)出現(xiàn)超量程或輸出至非線性段，因此在寬溫域每個(gè)環(huán)境階段測(cè)量徑向游隙時(shí)，必須保證被測(cè)軸承溫度變化不大，或者在位移傳感器測(cè)量數(shù)值波動(dòng)不大的情況下進(jìn)行，此時(shí)被測(cè)軸承的運(yùn)行狀態(tài)和溫度較為穩(wěn)定，可以得到比較準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果。

3 向心關(guān)節(jié)軸承試驗(yàn)機(jī)的設(shè)計(jì)

3.1 試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

根據(jù)徑向游隙在線測(cè)量原理，所研制試驗(yàn)機(jī)由環(huán)境箱、支承軸系、加載組件、監(jiān)控系統(tǒng)等組成，能夠模擬寬溫域環(huán)境下關(guān)節(jié)軸承的轉(zhuǎn)速、載荷、裝配關(guān)系、環(huán)境溫度等工況，具備轉(zhuǎn)速、溫度、載荷、位移等參數(shù)的測(cè)量功能。試驗(yàn)機(jī)設(shè)計(jì)原理如圖2 所示，主體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 向心關(guān)節(jié)軸承試驗(yàn)機(jī)原理圖

環(huán)境箱采用液氮制冷和電阻絲加熱，營(yíng)造干燥空氣環(huán)境或氣氮環(huán)境(空氣主要成分為氮?dú)?，保證寬溫域環(huán)境的實(shí)現(xiàn)。試驗(yàn)工裝完全置于環(huán)境箱內(nèi)部且與環(huán)境箱內(nèi)壁的最近距離為127 mm，保證關(guān)節(jié)軸承測(cè)試溫度的穩(wěn)定性和一致性并提高測(cè)量精度。環(huán)境箱上平面與試驗(yàn)機(jī)工作臺(tái)面密切貼合，并在工裝與臺(tái)面之間設(shè)置聚四氟乙烯保溫層以提升溫度穩(wěn)定性。試驗(yàn)工裝(圖1)采用簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)，可裝配4套向心關(guān)節(jié)軸承。以上設(shè)計(jì)可針對(duì)性地解決徑向游隙測(cè)量中存在的問題，實(shí)現(xiàn)向心關(guān)節(jié)軸承徑向游隙、環(huán)境溫度、外圈表面溫度、扭矩、載荷等參數(shù)的測(cè)量。

1—徑向加載組件；2—反射屏；3—四氟保溫板；4—工作臺(tái)；5—驅(qū)動(dòng)裝置；6—反射屏；7—底座；8—壓蓋;9—環(huán)境箱；10—溫度傳感器；11—位移傳感器；12—安裝支架；13—標(biāo)定桿；14—試驗(yàn)工裝。

3.2 試驗(yàn)機(jī)參數(shù)設(shè)置

向心關(guān)節(jié)軸承試驗(yàn)機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)見表1，傳感器參數(shù)見表2。

表1 向心關(guān)節(jié)軸承試驗(yàn)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

表2 向心關(guān)節(jié)軸承試驗(yàn)機(jī)傳感器參數(shù)

4 試驗(yàn)驗(yàn)證及結(jié)果分析

4.1 試驗(yàn)條件

以GE90TX型關(guān)節(jié)軸承(圖4)為例進(jìn)行分析，其摩擦副材料為鋼/PTFE織物，基本參數(shù)見表3。寬溫域環(huán)境下的溫度測(cè)量點(diǎn)及測(cè)量參數(shù)見表4，依據(jù)上述測(cè)量原理進(jìn)行試驗(yàn)并計(jì)算徑向游隙。

圖4 GE90TX型關(guān)節(jié)軸承

表3 GE90TX型關(guān)節(jié)軸承的基本參數(shù)

表4 徑向游隙試驗(yàn)的測(cè)量參數(shù)

4.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

整個(gè)試驗(yàn)過程中軸承工作正常，各項(xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)無異常。試驗(yàn)完成后拆機(jī)檢查并對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，不同規(guī)格關(guān)節(jié)軸承的結(jié)果類似，同樣以GE90TX型關(guān)節(jié)軸承為例進(jìn)行說明。

4.2.1 綜合徑向游隙

在每個(gè)設(shè)定溫度下，圓周方向每間隔10°測(cè)量一個(gè)位置的徑向游隙，共得到72個(gè)值。GE90TX型關(guān)節(jié)軸承的綜合徑向游隙曲線如圖5所示。

圖5 寬溫域環(huán)境下GE90TX型關(guān)節(jié)軸承的綜合游隙

由圖5可知：

1)除部分在-120 ℃測(cè)量所得徑向游隙外，溫度越低，徑向游隙整體水平越小。

2)每個(gè)設(shè)定溫度下，徑向游隙曲線均在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，但波動(dòng)值較小，屬于正常現(xiàn)象；溫度越低，徑向游隙曲線波動(dòng)越大，表明軸承常溫下狀態(tài)更穩(wěn)定。

3)徑向游隙最大值為0.213 mm，出現(xiàn)在50 ℃時(shí)；最小值為0.139 mm，出現(xiàn)在-160 ℃時(shí)。

4)-120 ℃時(shí)，隨著角度變化，徑向游隙呈先變大后變小的趨勢(shì)，原因是試驗(yàn)軸承內(nèi)部溫度還未完全達(dá)到環(huán)境溫度(即軸承外圈溫度)，隨著保溫時(shí)間的增加，后半段數(shù)據(jù)整體看來較為正常。

4.2.2 綜合徑向游隙平均值

綜合徑向游隙的平均值曲線如圖6所示，設(shè)定環(huán)境溫度25 ℃時(shí)的測(cè)試值為綜合徑向游隙基準(zhǔn)值，觀察關(guān)節(jié)軸承徑向游隙隨溫度的變化趨勢(shì)可知：綜合徑向游隙變化范圍為0.160～0.215 mm，變化幅度為0.055 mm，徑向游隙受溫度影響較大，溫度越低，綜合徑向游隙越小；雖然在-120 ℃時(shí)測(cè)試曲線(圖6)的波動(dòng)較大，但在該溫度階段下72個(gè)徑向游隙的平均值為0.160 mm，同樣符合徑向游隙曲線變化趨勢(shì)，表明該試驗(yàn)方法取72個(gè)值進(jìn)行測(cè)試合理、有效，可以排除低溫測(cè)量時(shí)的部分誤差，更客觀地反映軸承徑向游隙。

圖6 GE90TX型關(guān)節(jié)軸承綜合游隙平均值

5 結(jié)論

針對(duì)寬溫域向心關(guān)節(jié)軸承游隙測(cè)量存在的典型問題，提出一種降低游隙測(cè)試誤差的測(cè)量方法，研制開發(fā)了寬溫域向心關(guān)節(jié)軸承試驗(yàn)機(jī)，采用多位移點(diǎn)和溫度點(diǎn)，提高環(huán)境箱與保溫層之間的距離等措施，能夠有效降低徑向游隙測(cè)量誤差并提高測(cè)量精度。