姜中明,畢明龍,曹娜娜,戰(zhàn)利偉

(中國(guó)航發(fā)哈爾濱軸承有限公司,哈爾濱 150025)

隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能的提升,對(duì)航空軸承的轉(zhuǎn)速、承載力、精度等性能參數(shù)的要求也隨之提高。高速運(yùn)行中,航空軸承滾動(dòng)體與滾道之間的相對(duì)滑動(dòng)(保持架打滑)是影響其性能的重要因素[1]。如果發(fā)生嚴(yán)重滑蹭,滾動(dòng)體與滾道之間的摩擦力將增大,導(dǎo)致航空軸承產(chǎn)生膠合現(xiàn)象,嚴(yán)重影響發(fā)動(dòng)機(jī)的安全運(yùn)行[2-3]:因此,對(duì)航空軸承保持架打滑進(jìn)行測(cè)試分析十分必要。

保持架打滑測(cè)試的關(guān)鍵是提取滾動(dòng)體運(yùn)行速度[4]。由于航空軸承運(yùn)行于高溫、油霧等惡劣工況下,而且航空軸承周邊適合傳感器安裝的空間狹小,限制了一些保持架打滑測(cè)試方法的應(yīng)用。文獻(xiàn)[5]基于光纖探測(cè)的方法評(píng)價(jià)保持架打滑, 將光纖的發(fā)射端和接收端正對(duì)滾動(dòng)體放置, 計(jì)算滾動(dòng)體通過光纖傳感系統(tǒng)的脈沖頻率以獲取滾動(dòng)體速度,具有靈敏度高和結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn),但油霧會(huì)對(duì)光學(xué)傳輸產(chǎn)生一些影響。文獻(xiàn)[6]在軸承外圈設(shè)置適合應(yīng)變計(jì)放置的平面,通過計(jì)算滾動(dòng)體經(jīng)過應(yīng)變計(jì)時(shí)的信號(hào)變化特征提取滾動(dòng)體速度,該方法需破壞軸承結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)[7]提出了基于弱磁探測(cè)的航空軸承滾動(dòng)體速度檢測(cè)方法,通過航空軸承內(nèi)圈及滾動(dòng)體旋轉(zhuǎn)時(shí)的弱磁場(chǎng)變化實(shí)現(xiàn)內(nèi)圈及滾動(dòng)體轉(zhuǎn)速的測(cè)量,其無需破壞軸承的任何結(jié)構(gòu)且可抗油霧及高溫環(huán)境的干擾。

當(dāng)航空軸承的運(yùn)行工況發(fā)生快速變化,尤其是在快速變化的瞬間,保持架會(huì)發(fā)生嚴(yán)重打滑,需要對(duì)航空軸承在此時(shí)間段內(nèi)的保持架打滑特性進(jìn)行分析并評(píng)價(jià)其抗打滑性能?，F(xiàn)有保持架打滑率分析方法主要集中于對(duì)軸承在恒定工況下的保持架打滑特性進(jìn)行分析,文獻(xiàn)[6]通過對(duì)拾取信號(hào)的頻域分析提取滾動(dòng)體特征頻率,并分析了不同速度及載荷下的保持架打滑率,但其難以對(duì)變工況時(shí)的保持架打滑情況進(jìn)行分析。

綜上所述,本文首先對(duì)弱磁探測(cè)信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻變換,獲取航空軸承內(nèi)圈及滾動(dòng)體轉(zhuǎn)頻的時(shí)頻分布,然后基于區(qū)間能量最大值的方法獲取航空軸承保持架隨時(shí)間變化的打滑特性。

1 基本原理

1.1 保持架打滑評(píng)價(jià)原理

傳統(tǒng)航空軸承保持架打滑率的定義[8]為

(1)

式中:nc為保持架實(shí)際轉(zhuǎn)速;ns為保持架理論轉(zhuǎn)速;ni為內(nèi)圈轉(zhuǎn)速;Dw為滾子直徑;Dpw為滾子組節(jié)圓直徑;α為接觸角。

隨著航空軸承實(shí)際運(yùn)行過程中溫度、轉(zhuǎn)速和載荷等參數(shù)的變化,滾子直徑、滾子組節(jié)圓直徑和接觸角也會(huì)發(fā)生變化,通過(1)式評(píng)價(jià)保持架打滑特性時(shí)會(huì)引入一定的誤差。

為彌補(bǔ)軸承參數(shù)變化導(dǎo)致的保持架打滑率評(píng)價(jià)誤差,對(duì)(1)式進(jìn)行變換可得

(2)

令

(3)

則可得到保持架打滑的新評(píng)價(jià)方法,即通過保持架轉(zhuǎn)速與內(nèi)圈轉(zhuǎn)速之比評(píng)價(jià)保持架打滑特性

(4)

1.2 非平穩(wěn)工況下保持架及內(nèi)圈轉(zhuǎn)速的提取

基于弱磁探測(cè)的軸承轉(zhuǎn)速提取方法[7]僅僅用于軸承局部穩(wěn)態(tài)工況環(huán)境下的轉(zhuǎn)速提取。航空軸承在實(shí)際工作時(shí)并非按照平穩(wěn)工況運(yùn)行,常伴隨著突然加速及緊急停止等非平穩(wěn)工況,傳統(tǒng)的快速傅里葉變換(FFT)并不適合在此類非平穩(wěn)工況下進(jìn)行保持架及內(nèi)圈轉(zhuǎn)速的提取。

針對(duì)航空軸承非穩(wěn)態(tài)工況下保持架打滑的評(píng)價(jià)情況,本文提出基于區(qū)間能量極大值的方法提取航空軸承保持架打滑率。對(duì)探測(cè)的弱磁信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻變換,在時(shí)頻譜中通過能量脊線體現(xiàn)各元件的運(yùn)行情況。對(duì)于內(nèi)圈,可通過試驗(yàn)譜建立局部閾值提取實(shí)際轉(zhuǎn)速;對(duì)于保持架,可基于保持架理論轉(zhuǎn)速建立局部能量區(qū)間,通過提取局部能量極大值獲取保持架實(shí)際轉(zhuǎn)速,轉(zhuǎn)速提取的原理如圖1所示。

圖1 特征頻率提取原理圖

1.2.1 弱磁探測(cè)信號(hào)的短時(shí)傅里葉變換(STFT)

弱磁探測(cè)信號(hào)經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡采集處理后變?yōu)閿?shù)字信號(hào)Xm(n),用窗函數(shù)g(n)截取離散弱磁信號(hào)以獲取局部弱磁信號(hào),對(duì)截取后的信號(hào)進(jìn)行FFT處理,通過窗函數(shù)的中央位置坐標(biāo)在時(shí)間軸上移動(dòng),得到在不同時(shí)刻的頻域信息,即

(5)

式中:L為窗函數(shù)g(n)的寬度,決定時(shí)頻變換的頻率分辨率。

1.2.2 內(nèi)圈轉(zhuǎn)速提取

假設(shè)航空軸承內(nèi)圈的時(shí)頻譜為

(6)

為提取內(nèi)圈轉(zhuǎn)速,在時(shí)頻譜分別設(shè)置上、下限,即

(7)

(8)

則內(nèi)圈轉(zhuǎn)頻所在的局部能量區(qū)間可表示為

Fi′=Fi-up(t,f)-Fi-down(t,f),

(9)

式中:N為試驗(yàn)譜段數(shù);fup,fdown分別為上、下截止頻率。

尋找區(qū)間Fi′內(nèi)能量最大值對(duì)應(yīng)的頻率成分可獲取內(nèi)圈的轉(zhuǎn)頻,即

(10)

則內(nèi)圈轉(zhuǎn)速為

ni=60fi。

(11)

1.2.3 保持架轉(zhuǎn)速提取

在純滾動(dòng)條件下,保持架轉(zhuǎn)速小于內(nèi)圈轉(zhuǎn)速的一半,其轉(zhuǎn)頻也小于內(nèi)圈轉(zhuǎn)頻的一半,即

(12)

在實(shí)際運(yùn)行期間,航空軸承的滾動(dòng)體會(huì)發(fā)生滑動(dòng),意味著保持架旋轉(zhuǎn)速度將小于理論速度,可設(shè)置區(qū)間上限為保持架理論轉(zhuǎn)頻,下限則根據(jù)實(shí)際情況具體設(shè)置。因此,保持架轉(zhuǎn)速區(qū)間的能量上、下限分別表示為

(13)

(14)

則保持架的局部能量區(qū)間為

(15)

(16)

則保持架轉(zhuǎn)速為

nc=60fc。

(17)

2 保持架打滑率提取試驗(yàn)平臺(tái)

采用圓柱滾子軸承進(jìn)行試驗(yàn)以驗(yàn)證所提方法的有效性。如圖2所示,軸承保持架打滑率試驗(yàn)平臺(tái)主要由驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)、聯(lián)軸節(jié)、陪試軸承、旋轉(zhuǎn)軸、加載機(jī)構(gòu)、試驗(yàn)軸承構(gòu)成。在試驗(yàn)軸承徑向正上方的軸承座上設(shè)置與弱磁探測(cè)傳感器直徑等同的孔,將弱磁探測(cè)傳感器放置其中并與外圈保持非接觸,用于獲取滾子和內(nèi)圈的轉(zhuǎn)速;光電傳感器正對(duì)保持架方向放置,在保持架上布置標(biāo)記點(diǎn),用于測(cè)量保持架轉(zhuǎn)速并與弱磁探測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

(a) 試驗(yàn)原理示意圖

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

通過保持架打滑率試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行變工況運(yùn)行條件下的試驗(yàn),試驗(yàn)載荷為600 N,試驗(yàn)速度譜見表1。航空軸承參數(shù)為:內(nèi)徑30 mm,外徑62 mm,滾子直徑7.5 mm,滾子數(shù)14;保持架為鋼制材料,表面鍍銀。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采樣頻率為34 kHz,弱磁探測(cè)傳感器的響應(yīng)頻率可達(dá)1.5 kHz。試驗(yàn)所采集弱磁及光電信號(hào)的時(shí)域波形如圖3所示:在軸承突然變速階段,信號(hào)特征明顯變化,弱磁信號(hào)的幅值高于穩(wěn)定階段。

表1 試驗(yàn)速度譜

圖3 弱磁及光電信號(hào)的時(shí)域圖

為提取航空軸承保持架轉(zhuǎn)速,對(duì)采集的弱磁信號(hào)和光電信號(hào)分別進(jìn)行短時(shí)傅里葉變換(STFT),結(jié)果如圖4所示:可明顯辨別保持架轉(zhuǎn)頻及內(nèi)圈轉(zhuǎn)頻,且內(nèi)圈轉(zhuǎn)頻信號(hào)比保持架轉(zhuǎn)頻信號(hào)的能量高,這是由于航空軸承內(nèi)圈比保持架的體積大,其導(dǎo)磁特性也更高;光電信號(hào)中包含保持架轉(zhuǎn)頻及其倍頻成分,前5倍頻率的成分清晰可見,表明航空軸承保持架并非在內(nèi)、外滾道之間穩(wěn)定運(yùn)行,而是產(chǎn)生了一定的振蕩。

(a) 弱磁信號(hào)

將內(nèi)圈轉(zhuǎn)頻提取上限設(shè)置為1.1fi,下限設(shè)定為0.9fi;保持架轉(zhuǎn)頻提取上限設(shè)置為滾子純滾動(dòng)時(shí)的理論轉(zhuǎn)頻fcup,下限則設(shè)置為0.25fcup。采用上文所述方法提取內(nèi)圈及保持架轉(zhuǎn)速,結(jié)果如圖5所示:與保持架理論轉(zhuǎn)速對(duì)比可知,檢測(cè)所得保持架轉(zhuǎn)速低于理論轉(zhuǎn)速,表明航空軸承保持架并非保持純滾動(dòng)運(yùn)行,在實(shí)際運(yùn)行中存在一定程度的滑動(dòng);光電與弱磁探測(cè)方法所得保持架轉(zhuǎn)速保持一致,尤其在變速階段高度重合,僅個(gè)別點(diǎn)存在一定誤差(圖5b中綠色虛線所示),兩者的相對(duì)百分比誤差(以光電探測(cè)結(jié)果為基準(zhǔn))集中在±6%的區(qū)間,進(jìn)一步證明了本文所提方法的可行性。

(a) 保持架轉(zhuǎn)速

采用(4)式對(duì)保持架打滑情況進(jìn)行評(píng)價(jià),結(jié)果如圖6所示:在航空軸承平穩(wěn)運(yùn)行階段,保持架打滑程度相對(duì)穩(wěn)定;在變速階段,保持架轉(zhuǎn)速與內(nèi)圈轉(zhuǎn)速的比值明顯低于穩(wěn)定運(yùn)行階段,說明變速階段保持架發(fā)生了相對(duì)明顯的滑動(dòng),滾子與滾道之間的滑動(dòng)程度高于穩(wěn)定運(yùn)行階段。

圖6 航空軸承保持架打滑程度評(píng)價(jià)

4 結(jié)束語

在弱磁探測(cè)方法識(shí)別內(nèi)圈及保持架轉(zhuǎn)速信息的基礎(chǔ)上,引入?yún)^(qū)間能量極值方法提取航空軸承內(nèi)圈及保持架轉(zhuǎn)速隨時(shí)間的變化信息,通過保持架轉(zhuǎn)速與內(nèi)圈轉(zhuǎn)速之比建立了保持架打滑的評(píng)價(jià)方法,在非接觸,不破壞軸承結(jié)構(gòu)以及惡劣環(huán)境干擾的情況下,成功獲取了圓柱滾子軸承內(nèi)圈及保持架的轉(zhuǎn)速信息,消除了軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對(duì)保持架打滑率的影響,有利于正確評(píng)估航空軸承保持架打滑特性。

目前,該方法已開展軸承工況適應(yīng)性驗(yàn)證,后續(xù)將關(guān)注帶有頻率成分重疊的特征頻率提取算法開發(fā),以期覆蓋全工況試驗(yàn)的信號(hào)特性提取。