CN107991098A - 航空发动机主轴轴承试验器 - Google Patents

Abstract

航空发动机主轴轴承试验器，涉及轴承运行测试领域。本发明是为了解决现有缺少一种能够模拟航空轴承运行工况的试验器的问题。电主轴驱动系统通过联轴器与试验主轴连接，用于驱动试验主轴上的轴承高速旋转，润滑控温监测系统用于为轴承提供润滑油，伺服稳压加载系统用于为轴承提供径向和轴向载荷，谱线预先设置模块用于按照设定速度谱线、温度谱线和载荷谱线，分别控制电主轴驱动系统的转速、控制润滑控温监测系统的油温与油压和控制伺服稳压加载系统的压力，试验器状态检测模块用于采集轴承的温度信号、振动信号、转速信号和压力信号，监测模块用于根据接收信号，对该信号进行分析，从而模拟轴承的各种运行工况。它用于模拟轴承的各种运行工况。

Description

航空发动机主轴轴承试验器

技术领域

本发明涉及航空发动机主轴轴承试验器。属于轴承运行测试领域。

背景技术

现代航空发动机轴承的工作条件越来越苛刻，其工况主要为高速、高温、重载，轴承的寿命和可靠性已成为制约航空发动机寿命和可靠性的关键。近年来，发动机主轴轴承在研制生产和使用过程中多次发生故障，严重影响了发动机研制进度和正常生产交付，轴承研制阶段的试验考核不充分等问题越来越受到关注。

我国航空轴承行业生产企业大都没有能够模拟轴承使用工况的试验器，仅有的几台试验器都是上世纪六十年代水平，功能单一，不仅不能在试验器上故障再现，而且也不能完全模拟发动机工况，导致目前航空发动机轴承产品的性能评价和定寿主要依赖于主机单位发动机台架试车和飞机试飞来实现，不仅造成了资源及经费的极大浪费，也给飞机飞行安全带来了很大隐患。

基于上述原因，现有缺少一种能够模拟航空轴承运行工况的试验器。

发明内容

本发明是为了解决现有缺少一种能够模拟航空轴承运行工况的试验器的问题。现提供航空发动机主轴轴承试验器。

航空发动机主轴轴承试验器，它包括电主轴驱动系统、润滑控温监测系统、伺服稳压加载系统和计算机控制及采集系统，

电主轴驱动系统通过联轴器与试验主轴连接，用于驱动试验主轴上的轴承高速旋转，

润滑控温监测系统用于为轴承提供润滑油，

伺服稳压加载系统用于为轴承提供径向和轴向载荷，

计算机控制及采集系统包括谱线预先设置模块、试验器状态检测模块和监测模块，

谱线预先设置模块用于设定速度谱线、温度谱线和载荷谱线，按照该设定的谱线分别控制电主轴驱动系统的转速、控制润滑控温监测系统的油温与油压和控制伺服稳压加载系统的压力，

试验器状态检测模块用于采集轴承的温度信号、振动信号、转速信号和压力信号，

监测模块用于接收轴承的温度信号、振动信号、转速信号和压力信号，对该信号进行分析，从而模拟轴承的各种运行工况。

本发明的有益效果为：

本申请的试验器能够对轴承的极限转速、极限温度、极限抗贫油能力等考核中，准确模拟和复现轴承运转工况，对轴承进行极限工况适应性试验，再对试验数据进行分析是提高轴承寿命与可靠性最可靠、最有效的办法。

本申请能够模拟航空轴承的运行环境，从而监测轴承的性能，其中，轴承的运行环境包括转速、载荷、温度、装配及润滑，本申请按照预置试验谱线准确完成试验并自动监控和采集记录，可以承担航空发动机主轴承及附件轴承的模拟工况试验。与现有试验器相比，运行的可靠性提高了5倍以上，本申请结构简单；

本申请的伺服稳压加载系统可以采用电动缸伺服加载系统实现，电动缸易控制、响应快、载荷精度可达1％，在外加弹簧缓冲减振的同时，可以保证大载荷范围内载荷稳定，实现宽范围加载的需求；

本申请试验器监控采用数采、屏显和表显同步进行采集，可以手动设定和自动运行，具有一定的冗余可靠度，保证设备长期安全运行；

本申请用润滑控温监测系统模拟发动机的轴承润滑，真实度高，保证发动机在结构紧凑、供油少的条件下，能够使轴承润滑条件达到最优化。

附图说明

图1为具体实施方式一所述的航空发动机主轴轴承试验器的原理示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：参照图1具体说明本实施方式，本实施方式所述的航空发动机主轴轴承试验器，它包括电主轴驱动系统、润滑控温监测系统、伺服稳压加载系统和计算机控制及采集系统，

电主轴驱动系统通过联轴器与试验主轴连接，用于驱动试验主轴上的轴承高速旋转，

润滑控温监测系统用于为轴承提供润滑油，

伺服稳压加载系统用于为轴承提供径向和轴向载荷，

计算机控制及采集系统包括谱线预先设置模块、试验器状态检测模块和监测模块，

谱线预先设置模块用于设定速度谱线、温度谱线和载荷谱线，按照该设定的谱线分别控制电主轴驱动系统的转速、控制润滑控温监测系统的油温与油压和控制伺服稳压加载系统的压力，

试验器状态检测模块用于采集轴承的温度信号、振动信号、转速信号和压力信号，

监测模块用于接收轴承的温度信号、振动信号、转速信号和压力信号，对该信号进行分析，从而模拟轴承的各种运行工况。

本实施方式中，根据轴承结构的不同，搭建试验器的结构也不同，搭建试验器的方式为：小型中高速轴承试验器、大发主轴轴承悬臂式试验器、大发主轴轴间轴承试验器和大发主轴轴承对称式试验器。

针对航空发动机主轴轴承承受多种载荷的工作特性，也考虑到航空发动机主轴轴承在运行时，由于承重而引起的径向载荷、由于转速而引起的工作弯矩和离心作用、由于推动力和转速复合作用而引起的陀螺力矩作用等的影响。需要利用计算机控制及采集系统采用有限单元法对试验器进行静力分析、热－应力耦合分析和模态分析，确保试验器在各种可能遇到的工况下都能满足使用要求。

通过建立轴承试验器的拟动力学载荷分布计算模型，分析了工况参数和结构参数对滚动轴承载荷分布计算的影响规律，得出影响轴承使用寿命的影响因素，进而可以得出轴承试验器需要考虑的主要影响方面；通过仿真分析结果和实际运行数据结果验证的对比，可以很好的证实航空发动机主轴轴承试验器的可行性。

电主轴驱动系统包括试验主轴和电主轴，试验主轴和电主轴的同轴度要求十分严格，如果试验主轴和电主轴间的同轴度不好，会在试验主轴和电主轴中产生附加弯矩，在调整旋转过程中，这一附加弯矩会对整个系统的正常运转带来很大的问题，故机械加工部分要保证较高的精度。

试验器采用的软件为“TControl R1.01振动测试软件”，试验运行的监控采用“轴承测试监控台”，轴承测试监控台主要用于对轴承测试过程中各种过程参量的监控并对数据进行采集记录，同时对非正常运行状态发出报警信号。

该软件界面实现如下功能：

a.监测参数：进油温度、回油温度、支撑、被试轴承外圈温度、润滑油压力、润滑油温度、径向载荷、轴向载荷、轴承振动或轴心轨迹、轴转速、系统功率消耗、支撑、被试油箱温度、高温进油流量等；

b.控制参数：主拖自动控制；润滑油温度自动控制；润滑油进、回自动控制；径、轴向加载闭环控制；

c.监测数据计算机实时显示动态参数曲线和数值，记录数据的时间间隔可调、数据可以存储功能；系统具备安全报警停机功能；

d.控制具有现场触屏和远程计算机控制，具备手动和预载荷谱、速度谱、温度谱伺服运行能力，具备预设时间到期停机功能；

e.具备安全报警停机功能；

f.具备预设时间到期停机功能。

轴承壳体为剖分件，便于折装；本申请为小型中高速、大发悬臂轴承试验器试验主体采用悬臂结构，每次只能试验1套轴承，拆装和测试方便，可用于润滑状态测试、油膜厚度测试、内圆温度测试以及轴心运动轨迹测试等，适用于性能试验及研究。

本申请中，电主轴驱动系统采用德国GMN双向高速电主轴、变频器及电主轴动力保障系统(油气润滑、冷却器)组成，试验器运行时由计算机根据软件程序发出指令信号，通过变频器控制电主轴的启停以及转速变化，电主轴实际转速值由内置传感器测得并反馈给计算机进行PID调节，形成闭环控制。采用电主轴驱动，损失功率小，控制容易，转速精度可达0.5％，高速电机在SI制条件下采用恒温冷却水和油气润滑，环境良好，运行可靠。

本申请试验器主要研究：

1)轴承性能试验

为验证轴承结构和设计参数的合理性，在轴承试验器上主要模拟轴承高速轻载或高速重载工作条件所进行的试验。

2)轴承耐久试验(寿命试验)

为考核轴承的使用寿命，在轴承试验器上模拟轴承在发动机上主要工作参数和使用条件所进行的基于发动机翻修间隔期的轴承寿命试验。

3)滑油中断试验(断油试验)

为考核轴承短时滑油状态下的工作性能，在轴承试验器上模拟轴承在发动机滑油短时中断状态下工作的试验。

4)航空轴承例行试验

例行试验主要是对批产轴承质量的考核,鉴别轴承产品质量等级,促进质量的提高,从而在轴承结构、材料、制造工艺等某个薄弱环节找到存在的问题,并加以控制。因此,例行试验是轴承发展过程中一个不可缺少的重要的验证过程。

5)轴承润滑性能试验

航空发动机主轴承由于速度高,不能用脂润滑和油池飞溅润滑，目前发动机上普遍采用喷射润滑、环下润滑以及喷射加环下联合润滑方式。为了模拟发动机工况，轴承试验器也要采取这三类润滑方式，达到发动机轴承试验器考核的目的。

具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的航空发动机主轴轴承试验器作进一步说明，本实施方式中，它还包括两个变频器和PLC，

计算机控制及采集系统通过两个变频器分别对电主轴驱动系统进行调速和控制润滑控温监测系统的油温与油压，

计算机控制及采集系统还通过PLC对伺服稳压加载系统进行载荷大小调整。

具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一或二所述的航空发动机主轴轴承试验器作进一步说明，本实施方式中，它还包括信号隔离器，

信号隔离器用于对温度信号、振动信号、转速信号和压力信号进行信号隔离，隔离后的信号送入计算机控制及采集系统。

本实施方式中，信号隔离单元为CZ3000系列信号隔离器。

具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式一所述的航空发动机主轴轴承试验器作进一步说明，本实施方式中，伺服稳压加载系统采用液压伺服加载系统或电动缸伺服加载系统实现。

本申请中，对轴承施加载荷，采用球窝接触方式进行加载，也就是对轴承的外圈施加力，这种加载方式更稳定。

本申请的小型中高速、大发悬臂轴承试验器伺服加载系统采用电动缸伺服加载方式，电动缸采用美国进口EXLAR公司生产的FT系列重型伺服电动缸，伺服加载电动缸驱动丝杠加载，压力闭环控制。电动缸易控制、响应快、精度高，加载传感器量程多样化、安装方便。电动伺服加载应用于高速试验器加载系统。加载范围可以通过更换加载传感器量程系列，实现宽范围加载的需求。

润滑系统分为常温润滑系统和高温润滑系统，分别给陪试和被试轴承供油，保证陪试轴承的可靠运行和被试轴承的试验参数的准确。进油采用压力闭环自动控制，回油采用液位闭环控制。油温传感器和压力传感器靠近轴承端，保证轴承试验参数的准确性。

试验器测试的主要参数：温度、压力、载荷、振动、转速、功率、金属屑末等，其中转速、载荷、压力、加热温度等参数为试验输入条件参数、而轴承温度、振动和金属屑末是综合反映轴承运转状态的参数，是判定轴承是否失效的重要特征。

具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式一所述的航空发动机主轴轴承试验器作进一步说明，本实施方式中，润滑控温监测系统包括常温润滑系统和高温润滑系统，常温润滑系统和高温润滑系统分别给陪试轴承和被试轴承供油。

具体实施方式六：本实施方式是对具体实施方式一所述的航空发动机主轴轴承试验器进一步说明，本实施方式中，计算机控制及采集系统还包括报警与自动处理模块，

报警与自动处理模块用于对振动超限进行报警、对温度超限进行报警、对进油压力超限进行报警和对功率超限进行报警。

具体实施方式七：本实施方式是对具体实施方式一所述的航空发动机主轴轴承试验器进一步说明，本实施方式中，它还包括温度传感器、振动传感器和压力传感器，

润滑控温监测系统通过供油管为轴承供油，油箱通过回油管将轴承上剩余的油进行回收，

在供油管和回油管上均设置一个温度传感器和压力传感器，两个温度传感器分别用于测量轴承供油温度和回油温度，两个压力传感器分别用于测量进油压力和回油压力，

在轴承外圈上和油箱上各设置一个温度传感器，分别用于测量轴承外圈温度和油箱温度，

振动传感器用于测量轴承的振动情况，振动情况反映轴承是否疲劳失效。

Claims (7)

1.航空发动机主轴轴承试验器，其特征在于，它包括电主轴驱动系统、润滑控温监测系统、伺服稳压加载系统和计算机控制及采集系统，

电主轴驱动系统通过联轴器与试验主轴连接，用于驱动试验主轴上的轴承高速旋转，

润滑控温监测系统用于为轴承提供润滑油，

伺服稳压加载系统用于为轴承提供径向和轴向载荷，

计算机控制及采集系统包括谱线预先设置模块、试验器状态检测模块和监测模块，

谱线预先设置模块用于设定速度谱线、温度谱线和载荷谱线，按照该设定的谱线分别控制电主轴驱动系统的转速、控制润滑控温监测系统的油温与油压和控制伺服稳压加载系统的压力，

试验器状态检测模块用于采集轴承的温度信号、振动信号、转速信号和压力信号，

监测模块用于接收轴承的温度信号、振动信号、转速信号和压力信号，对该信号进行分析，从而模拟轴承的各种运行工况。

2.根据权利要求1所述航空发动机主轴轴承试验器，其特征在于，它还包括两个变频器和PLC，

计算机控制及采集系统通过两个变频器分别对电主轴驱动系统进行调速和控制润滑控温监测系统的油温与油压，

计算机控制及采集系统还通过PLC对伺服稳压加载系统进行载荷大小调整。

3.根据权利要求1或2所述航空发动机主轴轴承试验器，其特征在于，它还包括信号隔离器，

信号隔离器用于对温度信号、振动信号、转速信号和压力信号进行信号隔离，隔离后的信号送入计算机控制及采集系统。

4.根据权利要求1所述航空发动机主轴轴承试验器，其特征在于，伺服稳压加载系统采用液压伺服加载系统或电动缸伺服加载系统实现。

5.根据权利要求1所述航空发动机主轴轴承试验器，其特征在于，润滑控温监测系统包括常温润滑系统和高温润滑系统，常温润滑系统和高温润滑系统分别给陪试轴承和被试轴承供油。

6.根据权利要求1所述航空发动机主轴轴承试验器，其特征在于，计算机控制及采集系统还包括报警与自动处理模块，

报警与自动处理模块用于对振动超限进行报警、对温度超限进行报警、对进油压力超限进行报警和对功率超限进行报警。

7.根据权利要求1所述航空发动机主轴轴承试验器，其特征在于，它还包括温度传感器、振动传感器和压力传感器，

润滑控温监测系统通过供油管为轴承供油，油箱通过回油管将轴承上剩余的油进行回收，

在供油管和回油管上均设置一个温度传感器和压力传感器，两个温度传感器分别用于测量轴承供油温度和回油温度，两个压力传感器分别用于测量进油压力和回油压力，

在轴承外圈上和油箱上各设置一个温度传感器，分别用于测量轴承外圈温度和油箱温度，

振动传感器用于测量轴承的振动情况，振动情况反映轴承是否疲劳失效。