模擬風(fēng)電滑動(dòng)軸承啟停和多潤(rùn)滑狀態(tài)摩擦磨損的試驗(yàn)設(shè)計(jì)

王 琳，滕金磊，李 一，楊培平

（1.西北工業(yè)大學(xué)a.機(jī)電學(xué)院；b.機(jī)械基礎(chǔ)國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心；c.機(jī)械基礎(chǔ)與航空制造國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，西安 710072；2.東方電氣集團(tuán)東方電機(jī)有限公司，四川德陽(yáng) 618000）

0 引言

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的工作環(huán)境較為惡劣，因此對(duì)風(fēng)電機(jī)組中的關(guān)鍵主軸軸承的壽命和可靠性提出了苛刻要求。滑動(dòng)軸承因其承載力大、壽命長(zhǎng)、穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)而逐步在大功率風(fēng)電機(jī)組主軸軸系中得到應(yīng)用［1-2］。復(fù)雜的風(fēng)速變化導(dǎo)致風(fēng)電主軸滑動(dòng)軸承時(shí)常工作于頻繁啟停、交變載荷及多種潤(rùn)滑狀態(tài)下［3-5］，使得理論分析和數(shù)值計(jì)算難以對(duì)主軸滑動(dòng)軸承配對(duì)材料副的摩擦磨損性能進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)估，因此需要開展頻繁啟停等典型工況下的滑動(dòng)軸承摩擦磨損性能試驗(yàn)及測(cè)試技術(shù)研究。

目前風(fēng)電軸承專用測(cè)試試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格昂貴，多用于專業(yè)廠家的產(chǎn)品開發(fā)和測(cè)試［6-8］等，而針對(duì)風(fēng)電主軸滑動(dòng)軸承的試驗(yàn)機(jī)相關(guān)研究極少，因此需要開發(fā)成本較小并能較好模擬風(fēng)電主軸滑動(dòng)軸承頻繁啟停等典型工況的摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)［9-11］。

常見摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的接觸形式多是球-盤、銷-盤、環(huán)-塊，無(wú)級(jí)變速，但難以模擬頻繁啟停，也無(wú)法直接用于滑動(dòng)軸承摩擦磨損試驗(yàn)［12-13］。針對(duì)風(fēng)電主軸滑動(dòng)軸承材料摩擦磨損模擬的試驗(yàn)設(shè)備尚不多見，特別是在頻繁啟停及連續(xù)變速等工況下，因此設(shè)計(jì)并搭建了一種能夠?qū)崿F(xiàn)頻繁啟停工況下滑動(dòng)軸承摩擦磨損模擬的試驗(yàn)機(jī)。通過(guò)與典型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證了摩擦力測(cè)量功能的準(zhǔn)確性，并開展了不同潤(rùn)滑狀態(tài)下恒轉(zhuǎn)速工況、頻繁啟停工況的摩擦磨損試驗(yàn)。

1 試驗(yàn)機(jī)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)機(jī)組成

試驗(yàn)機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)的組成示意圖和實(shí)物圖分別如圖1 和圖2 所示，包括伺服電動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)模塊、加載模塊、試件模塊4 個(gè)主要部分。其中，傳動(dòng)模塊由聯(lián)軸器、扭矩傳感器、試驗(yàn)主軸及支承軸承等組成，伺服電動(dòng)機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器、扭矩傳感器驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)主軸。加載模塊由螺紋加載桿、螺紋板簧、減振彈簧、彈簧導(dǎo)桿、壓力傳感器及傳感器托盤、柔性梁等組成。試驗(yàn)過(guò)程中，螺紋加載桿向下旋轉(zhuǎn)加載，并通過(guò)螺紋板簧的配合實(shí)現(xiàn)反向自鎖功能；使用減振彈簧和彈簧導(dǎo)桿結(jié)構(gòu)減小試驗(yàn)過(guò)程載荷波動(dòng)的影響，載荷大小則由壓力傳感器測(cè)量；設(shè)計(jì)的柔性梁既可以傳遞載荷，又能反映受載試件表面的摩擦力變化。

圖1 風(fēng)電主軸滑動(dòng)軸承模擬試驗(yàn)機(jī)示意圖

圖2 風(fēng)電主軸滑動(dòng)軸承模擬試驗(yàn)機(jī)實(shí)物圖

試件模塊由可更換的上試件半環(huán)和下試件整環(huán)組成。上試件安裝在柔性梁下方，保持相對(duì)靜止；下試件通過(guò)錐形孔安裝在主軸最右端，并用螺栓預(yù)緊，隨主軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)；上、下試件采用環(huán)-環(huán)接觸以模擬滑動(dòng)軸承軸瓦與軸頸的接觸。

上試件半環(huán)內(nèi)徑為30 mm、軸向長(zhǎng)度為10 mm；下試件整環(huán)外徑為30 mm、軸向長(zhǎng)度為28 mm，錐形內(nèi)孔比例為25∶1；2.2、2.3 節(jié)中的所有試件都統(tǒng)一為上述尺寸結(jié)構(gòu)，并且上、下試件的材料分別為聚醚醚酮和GCr15 鋼。聚醚醚酮是一種具有優(yōu)異耐熱、耐磨性能的熱塑性高分子樹脂材料，是風(fēng)電主軸滑動(dòng)軸承軸瓦主要備選材料之一。

1.2 試驗(yàn)機(jī)頻繁啟停功能的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

試驗(yàn)機(jī)頻繁啟停指的是驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)在最大和最小轉(zhuǎn)速之間周期性地升速和降速。為了實(shí)現(xiàn)上述工作狀態(tài)，設(shè)計(jì)了一套完整的電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)以提高試驗(yàn)機(jī)的自動(dòng)化操作性能及更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)頻繁啟停工作狀態(tài)的控制。該系統(tǒng)主要由交流伺服電動(dòng)機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服電動(dòng)機(jī)控制器組成，電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)流程和實(shí)物組成分別如圖3 和圖4 所示。

圖3 電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)整體流程

圖4 電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)物連接圖

電動(dòng)機(jī)的升降速曲線對(duì)于伺服電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、控制精度、使用壽命等都有一定影響，常見的升降速曲線有梯形曲線、S 形曲線、三次速度升降速曲線等。以梯形曲線為例，通過(guò)伺服控制器和上位機(jī)軟件對(duì)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，具體的參數(shù)設(shè)置如表1 所示，與之相對(duì)應(yīng)的頻繁啟停下電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)如圖5 所示。

表1 電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)過(guò)程關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)置

升速和降速是由伺服控制器參數(shù)的準(zhǔn)確設(shè)置實(shí)現(xiàn)，控制電動(dòng)機(jī)在單個(gè)周期內(nèi)從起始速度加速至穩(wěn)定運(yùn)行速度（升速時(shí)間t1）、從穩(wěn)定運(yùn)行速度減速至靜止（降速時(shí)間t2）。

1.3 滑動(dòng)軸承不同潤(rùn)滑狀態(tài)模擬的實(shí)現(xiàn)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)所處的多變風(fēng)速環(huán)境使得風(fēng)電滑動(dòng)軸承在運(yùn)行過(guò)程中頻繁啟停，風(fēng)電主軸滑動(dòng)軸承的軸瓦和軸頸在頻繁啟停過(guò)程中一般要經(jīng)歷干摩擦、乏油潤(rùn)滑和全膜潤(rùn)滑等狀態(tài)。因此，模擬由頻繁啟停導(dǎo)致的滑動(dòng)軸承不同潤(rùn)滑狀態(tài)也是本試驗(yàn)機(jī)的重要目標(biāo)之一。不同潤(rùn)滑狀態(tài)的實(shí)現(xiàn)方式如圖6 所示。充分清理上、下試件后，試驗(yàn)時(shí)不在對(duì)磨試件之間添加潤(rùn)滑介質(zhì)，在保證試件初始粗糙度基本接近的情況下進(jìn)行試驗(yàn)即可模擬干摩擦狀態(tài)；試驗(yàn)過(guò)程中將下試件浸入油槽中，通過(guò)下試件旋轉(zhuǎn)帶油潤(rùn)滑以模擬全膜潤(rùn)滑狀態(tài)；使用標(biāo)準(zhǔn)注射針管在上試件的對(duì)磨面上定量（如0.1 mL）滴油，再使用細(xì)刷將滴落的油滴均勻地涂抹整個(gè)接觸面，放置通風(fēng)處?kù)o置24 h，可認(rèn)為該試件在實(shí)際試驗(yàn)過(guò)程中潤(rùn)滑狀態(tài)為乏油潤(rùn)滑［14］，且經(jīng)此處理的一批試件可認(rèn)為潤(rùn)滑狀態(tài)一致。

1.4 摩擦力采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及功能實(shí)現(xiàn)

圖7 為摩擦力測(cè)量原理。通過(guò)加載裝置將載荷Fn經(jīng)雙薄壁柔性梁施加于上試件和下試件，軸承轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)上下試件在載荷作用下產(chǎn)生摩擦力，整個(gè)環(huán)面上的摩擦力合力矩引起了柔性梁的變形。將應(yīng)變片粘貼在柔性梁最大變形位置處，通過(guò)應(yīng)變片的電阻變化間接測(cè)量摩擦力大小。盡管在整個(gè)環(huán)-環(huán)接觸面每個(gè)點(diǎn)的切向上均存在摩擦力，但是環(huán)面上左右對(duì)稱接觸點(diǎn)的摩擦力豎直分力可以認(rèn)為相互抵消，因此可以使用水平方向的摩擦力Ff替代整個(gè)環(huán)面的摩擦力合力。

圖7 摩擦力測(cè)量原理

摩擦力采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖8 所示，主要包括應(yīng)變片、信號(hào)調(diào)理模塊、A／D轉(zhuǎn)換模塊、主控制器和計(jì)算機(jī)等。使用金屬箔片式應(yīng)變片采集對(duì)應(yīng)的摩擦力信號(hào)，通過(guò)信號(hào)調(diào)理模塊對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行初步處理，模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換由STM32單片機(jī)內(nèi)置的A／D模塊完成，同時(shí)通過(guò)STM32 單片機(jī)的控制串口通信模塊將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)中，上位機(jī)則利用其強(qiáng)大的計(jì)算能力對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的數(shù)據(jù)處理。

圖8 摩擦力采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

2 試驗(yàn)及結(jié)果分析

分別開展試驗(yàn)機(jī)測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性驗(yàn)證試驗(yàn)、不同潤(rùn)滑狀態(tài)下的恒轉(zhuǎn)速摩擦磨損試驗(yàn)以及不同潤(rùn)滑狀態(tài)下的頻繁啟停摩擦磨損試驗(yàn)，以模擬風(fēng)電機(jī)組中主軸滑動(dòng)軸承材料在實(shí)際工作環(huán)境下的磨損狀況。由于下試件材料GCr15 鋼的硬度很高，其磨損可以忽略，因此后續(xù)對(duì)于滑動(dòng)軸承磨損量的測(cè)量均是針對(duì)聚醚醚酮上試件的磨損量測(cè)量。2.2、2.3 節(jié)中試驗(yàn)工況參數(shù)如表2 所示。

表2 滑動(dòng)軸承摩擦磨損模擬試驗(yàn)工況

2.1 試驗(yàn)機(jī)測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性驗(yàn)證

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性，利用所設(shè)計(jì)的試驗(yàn)機(jī)和Rtec MFT-5000 摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)分別開展相同工況和相同材料下的試驗(yàn)，并將測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。Rtec MFT-5000 摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)如圖9 所示，其摩擦接觸形式為環(huán)-塊接觸，故所設(shè)計(jì)的試驗(yàn)機(jī)也采用環(huán)-塊接觸，采用的上、下試件如圖10 所示。試驗(yàn)工況和材料情況如表3 所示。

表3 對(duì)比驗(yàn)證試驗(yàn)工況

圖9 Rtec MFT-5000摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)

圖10 試件實(shí)物

試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如圖11 所示。兩者在試驗(yàn)過(guò)程中的摩擦因數(shù)變化趨勢(shì)基本一致，初始磨合階段摩擦因數(shù)較大，隨時(shí)間的增加摩擦因數(shù)顯著減小，并在一個(gè)穩(wěn)定范圍內(nèi)波動(dòng)。結(jié)果的差異既與2 種試驗(yàn)機(jī)的加載方式有關(guān)，又與試驗(yàn)過(guò)程因安裝固定偏差引起的偏載有關(guān)（見圖12），但差異量均在0.01（即小于10%）范圍內(nèi)。

圖11 2種試驗(yàn)機(jī)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

圖12 摩擦磨損試驗(yàn)過(guò)程中環(huán)-塊式接觸

2.2 不同潤(rùn)滑狀態(tài)下滑動(dòng)軸承恒轉(zhuǎn)速摩擦磨損試驗(yàn)及結(jié)果分析

在常規(guī)發(fā)電工況下，某型風(fēng)電機(jī)組中風(fēng)電齒輪箱滑動(dòng)軸承的線速度為0.25～0.50 m／s［15］。為了模擬此典型工況下滑動(dòng)軸承在干摩擦、乏油潤(rùn)滑、全膜潤(rùn)滑3 種潤(rùn)滑狀態(tài)下的摩擦磨損，設(shè)計(jì)了如表2 所示D1、D2、D3 試驗(yàn)組，即轉(zhuǎn)速250 r／min（約0.4 m／s）、載荷150 N。分別在3 種不同潤(rùn)滑狀態(tài)下持續(xù)試驗(yàn)10 min，試驗(yàn)過(guò)程中的摩擦力變化和磨損量差異分別如圖13和表4 所示。可以看出，干摩擦下摩擦力和磨損量最大，乏油潤(rùn)滑下摩擦力和磨損量次之，全膜潤(rùn)滑下摩擦力和磨損量最小。

表4 不同潤(rùn)滑狀態(tài)下磨損量

圖13 不同潤(rùn)滑狀態(tài)下摩擦力變化

2.3 不同潤(rùn)滑狀態(tài)下滑動(dòng)軸承頻繁啟停摩擦磨損試驗(yàn)及結(jié)果分析

為了探究不同潤(rùn)滑狀態(tài)下頻繁啟停所導(dǎo)致的轉(zhuǎn)速周期性變化對(duì)滑動(dòng)軸承摩擦磨損的影響，開展了如表2 所示E1、E2、E3 工況的摩擦磨損試驗(yàn)，并將結(jié)果與2.2 節(jié)恒轉(zhuǎn)速下的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖14 所示。

圖14 頻繁啟停和恒轉(zhuǎn)速時(shí)不同潤(rùn)滑狀態(tài)下摩擦力對(duì)比

可以看出，在干摩擦狀態(tài)下，頻繁啟停引起的周期性波動(dòng)使摩擦力一開始略高于恒轉(zhuǎn)速下的摩擦力，但頻繁啟停下最終穩(wěn)定的平均摩擦力與恒轉(zhuǎn)速下的摩擦力數(shù)值基本一致；在乏油潤(rùn)滑狀態(tài)下，頻繁啟停引起的周期性波動(dòng)使摩擦力明顯大于恒轉(zhuǎn)速下的摩擦力，這是因?yàn)轭l繁啟停過(guò)程中的低速階段存在相當(dāng)比例的粗糙峰直接接觸，無(wú)法形成穩(wěn)定的潤(rùn)滑油膜；在全膜潤(rùn)滑狀態(tài)下，頻繁啟停引起的周期性波動(dòng)使摩擦力一開始高于恒轉(zhuǎn)速下的摩擦力，隨著試驗(yàn)時(shí)間的增加，兩者趨于一致，這是受本試驗(yàn)中全膜潤(rùn)滑的實(shí)現(xiàn)方式所影響。

試驗(yàn)前后的質(zhì)量差值對(duì)比如圖15 所示?？梢钥闯?，在相同工況下恒轉(zhuǎn)速的磨損量要大于頻繁啟停的磨損量，這是由于在同樣的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)長(zhǎng)下，恒轉(zhuǎn)速的平均轉(zhuǎn)速顯然比頻繁啟停的平均轉(zhuǎn)速要大。

圖15 頻繁啟停和恒轉(zhuǎn)速下磨損量對(duì)比

為了更深入地研究頻繁啟停與恒轉(zhuǎn)速下的差異，在試驗(yàn)過(guò)程中還使用紅外測(cè)溫儀每隔30 s 對(duì)上試件端面進(jìn)行一次測(cè)溫（見圖16），以觀察不同轉(zhuǎn)速下的溫度變化，瞬時(shí)溫升對(duì)比及平均溫升對(duì)比結(jié)果分別如圖17、18 所示?？梢钥闯觯瑹o(wú)論頻繁啟停還是恒轉(zhuǎn)速，都是干摩擦下的溫升最高，全膜潤(rùn)滑下的溫升最低。同時(shí)，相同工況下恒轉(zhuǎn)速最終溫升比頻繁啟停最終溫升要高，這一結(jié)果與摩擦力和磨損量的對(duì)比結(jié)果一致；頻繁啟停時(shí)的初始溫度上升較快，這也與前文描述的頻繁啟停時(shí)起始摩擦力較大的試驗(yàn)現(xiàn)象相呼應(yīng)。

圖16 試驗(yàn)過(guò)程中測(cè)溫現(xiàn)場(chǎng)

圖17 頻繁啟停和恒轉(zhuǎn)速下上試件端面瞬時(shí)溫度對(duì)比

圖18 頻繁啟停和恒轉(zhuǎn)速下上試件端面平均溫升對(duì)比

3 結(jié)論

（1）頻繁啟停過(guò)程中的速度變化使得摩擦力發(fā)生了周期性波動(dòng)，但總體上干摩擦下摩擦力最大，乏油潤(rùn)滑下次之，全膜潤(rùn)滑下摩擦力最小。

（2）由于頻繁啟停下的平均轉(zhuǎn)速小于恒轉(zhuǎn)速下，因此在相同潤(rùn)滑狀態(tài)下前者的磨損量和溫升都相對(duì)較小。

（3）在乏油潤(rùn)滑狀態(tài)下，由于頻繁啟停過(guò)程中的低速階段存在相當(dāng)比例的粗糙峰直接接觸，因此頻繁啟停引起的周期性波動(dòng)使摩擦力明顯大于恒轉(zhuǎn)速下的摩擦力。

由于所設(shè)計(jì)的試驗(yàn)機(jī)具備頻繁啟停和不同潤(rùn)滑狀態(tài)特征，因此該試驗(yàn)機(jī)既可以用于風(fēng)電主軸滑動(dòng)軸承模擬研究，也可以用于其他具有類似工況的工程應(yīng)用和實(shí)踐教學(xué)。