中介轴承试验台设计与寿命试验

崔立明，王奉涛，张涛，敦泊森，王萌

（大连理工大学机械工程学院，辽宁大连116024）

中介轴承试验台设计与寿命试验

崔立明，王奉涛，张涛，敦泊森，王萌

（大连理工大学机械工程学院，辽宁大连116024）

研究中介轴承的寿命问题，设计模拟航空发动机实际结构的中介轴承双转子试验台，制定了中介轴承的寿命试验，开发一套与之匹配的监测系统。

棒材线；捆扎质量；振动及平托收集装置

0 前言

航空发动机故障占飞行故障的很大比例，常导致飞行中的灾难性事故，而且维修更换费用昂贵，约占维护费用60%。中介轴承是航空发动机的关键部件，其性能的可靠性直接制约着飞行安全与飞机性能。为了使航空发动机安全高效地运行，节省维护成本，必须深入了解发动机的运行状况，掌握变化规律，研究中介轴承寿命问题，这对于航空飞行有着十分重要的现实意义。

1 试验台设计

航空发动机中介轴承试验台属于专用试验台，设计要求准确的模拟航空发动机实际工作状况，完成双转子实验及中介轴承故障实验等，试验台设计要求要能完成如下实验：①转子实验：不平衡实验；对中实验；碰磨实验；断油实验。②中介轴承故障模拟实验，包括点蚀，划痕，滚动体故障，保持架故障。

1.1 试验台总体结构设计

机械本体结构的设计原则主要是针对发动机中介轴承装配结构的相似性设计，高压轴和低压轴可实现对转。采用相似设计的方法，比例缩小原型机的尺寸，获得新的结构尺寸。计算调整轴系零件和基本尺寸，以满足临界转速的要求，并校验强度。考虑试验台的润滑方式，传感器的布置方式等。根据原型机双转子系统动力学参数，进行简化处理，再进行动力学相似设计，得到中介轴承模型试验台（图1）。

1.2 中介轴承的选择与布置

中介轴承选用与其尺寸比例较为接近的圆柱滚子轴承NU1013作为研究对象，中介轴承主要结构参数：轴承内径65 mm，轴承外径100 mm，轴承宽度18 mm，滚动体数21。中介轴承为用圆柱滚子轴承；轴承内圈安装于高压轴上，采用锁紧螺母固定；外圈安装于过渡轴上，采用轴承压盖固定，过渡轴安装于低压配重盘上。中介轴承安装结构图见图2。

图1 试验器机械结构布置图

1.3 其他附加装置设计

图2 中介轴承安装结构图

弹性支承采用鼠笼式结构，更换不同数量和宽度鼠笼条的鼠笼可实现支承刚度的调整。驱动电机采用变频电机，通过膜片联轴器驱动高压轴和低压轴平稳旋转，电机转速通过电控系统中的变频器控制。润滑系统通过气泵为中介轴承和支承轴承提供油雾润滑和气冷却，通过手动调整可更改润滑和冷却能力。电控系统由电气控制柜和控制面板组成，控制气泵、润滑装置和驱动电机。加载方式选用液压加载，并且液压活塞杆上加上测力传感器，方便直接测出加载力。

2 寿命实验设计

2.1 寿命试验要求

对于轴承来说，运转过程中可以测的物理量有温度、振动、噪声等[1]。温度检测，由于本试验台的中介轴承，内环外同时转动，需选择非接触式红外测温传感器。滚动轴承最常用的监控是对于振动信号的监控。振动监测，目前测试振动信号的传感器可分为位移传感器、速度传感器和加速度传感器。相对来说，采用加速度传感器可以有效地感知故障产生的冲击，所测量的信号的包络频谱可以直观地反映冲击的规律，因此采用加速度传感器。常见的转速测试方法有旋转编码器测试、光电传感器测试、振动测试方法等。振动测试方法依据是转轴不平衡量的存在，通过测取电机的振动信号，经过傅里叶变换获得的信号频率中幅值最高点即为转频，此方法准确可靠，因此本实验应用振动测试法。

本次试验要求在恒转速和恒加载力下，监测中介轴承从开始运行直至损坏或者到达截尾数据的全寿命周期内的振动情况，转速和运行温度情况。

2.2 传感器选择与安装

（1）红外测温传感器。红外测温仪可以不接触目标而通过测量目标发射的红外辐射强度计算出物体的表面温度。非接触测温是红外测温仪的最大的优点，使用户可以方便的测量难以接近或移动的目标。本次选用HE-205红外测温仪直接对准中介轴承。

（2）加速度传感器。本系统采用JF2050压电加速度传感器，其内装微型IC-集成电路放大器能，其将传统的压电加速度传感器与电荷放大器集于一体，直接与记录和显示仪器连接，简化了测试系统，提高了测试精度和可靠性。JF2050压电加速度传感器灵敏度5.01 mV/ms-2或49.10 mV/g，安装在距离中介轴承最近的支座上，分别测得X、Y方向振动。

（3）电涡流位移传感器。为了获取主轴转动时的水平和竖直方向的径向跳动，以及轴心轨迹，选取ZA3402-01-00-05-01型电涡流位移传感器ZA21-8（包括ZA3402位移变送器、Φ8 mm探头和延长电缆）进行监测。分别安装对准高压转子和低压转子的X，Y方向。

3 寿命检测系统开发

3.1 软件选择

本系统开发选择美国国家仪器（NI）公司开发的LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench，实验室虚拟仪器工程平台），LabVIEW编程过程采用的是图形化的编程语言，更加直观方便；LabVIEW采用的是数据流模式，操作者可以观测到程序的运行动态；LabVIEW包含大量外观与传统仪器类似的控件，搭建出系统显示界面更加的方便、快捷。另外LabVIEW软件强大的兼容功能使它可以和MATLAB等其他编程语言混合使用[2]。

3.2 硬件选择

Compact DAQ（Data Acquisition）是NI公司推出的一款高性能测量和数据记录平台。本次试验选用NI Compact DAQ9188机箱，NI Compact DAQ9188是8槽NI CompactDAQ以太网机箱设计，适合远程或分布式传感器和电子测量。单个NI CompactDAQ机箱可测量最多256路通道的电子、物理、机械或声音信号。另外配合C系列数据采集模块NI9234板卡采集振动加速度和位移和NI9219板卡采集温度。

3.3 监测方案（图3）

图3 中介轴承状态监测框架图

3.4 中介轴承状态监测系统

本航空发动机中介轴承状态监测系统，主要有用户须知、报警设置、数据记录设置、转速监测、振动监测、位移监测、温度检测、应变监测和用户管理模块等9大模块，LabVIEW前面板界面如图4所示。

图4 中介轴承状态监测系统界面

4 总结

模拟航空发动机实际结构，设计研发了航空发动机双转子中介轴承试验台，包括其结构设计，中介轴承安装设计，驱动电机选择，弹性支承结构设计，润滑系统设计，选择合理的加载方式。设计了中介轴承的寿命实验及监测内容，包括检测温度、振动和转速。根据试验要求，开发了与之对应的LabVIEW数据系统实时监测系统。

［1］徐东，徐永成，陈循，等.滚动轴承加速寿命试验技术研究[J].国防科技大学学报，2010，（6）:122-129.

［2］潘毅广.航空发动机中介轴承试验台主轴临界转速分析[D].大连理工大学，2014.

〔编辑凌瑞〕

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B

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2016.12.33