王迪，宋少雷，张斌，陈芳华，卓继志

(1.中国船舶集团有限公司第七〇三研究所，哈尔滨 150010；2.海装沈阳局哈尔滨地区某军事代表室，哈尔滨 150010；3.浙江省机电产品质量检测所有限公司，杭州 310051)

轴承台架模拟试验方法应综合考虑轴承的正常、极端工况以及环境因素，通过这些因素对轴承寿命影响因子进行分析，确立全面、准确、经济、合理的试验参数和试验方法。试验参数选择是轴承台架模拟试验方法确立的首要环节，主要从轴承使用环境和使用工况两方面进行分析与确立。对于轴承使用寿命评估，试验参数选择越全面，试验结果越准确，但试验设备也会越复杂，试验成本较大且经济性较差，有时甚至会因为技术上的难度而影响产品的研制进度。

1 台架模拟试验方法

1.1 模拟试验参数全面性分析

船用轴承应考虑的使用环境因素主要有海洋气候环境和海浪波动环境。海洋气候环境模拟试验参数主要有海洋酸性环境和高低温湿热环境[1]；海浪波动环境模拟试验参数主要有船舶高速行驶时的海浪冲击和船舶泊航时的海浪波动。

船舶动力传动装置轴承使用工况模拟参数主要有轴承安装刚性、载荷、转速和润滑等。轴承安装刚性模拟试验参数主要体现在试验工装设计上，应包括试验轴和安装座的材料、热处理工艺、配合公差等[2]，这些参数应与实际使用工况一致或相近。载荷与转速最合适的模拟参数是轴承实际的工作载荷谱与工作转速谱，在未能获取轴承实际工作载荷谱和转速谱时，也应包含轴承实际工作时的最大、最小载荷，最高、最低转速等极端工况的模拟，并确定极端工况的大致时间占比，尤其不能忽略轴承实际工作时出现的正反转、套圈转动方式、急加载与急卸载、急加速与急减速、轴承承受的弯矩和角向力等工况模拟参数。轴承润滑最合适的模拟参数应结合轴承的实际润滑工况，包括润滑油牌号、润滑油温和润滑方式等。

1.2 轴承模拟试验参数合理性选择

对于轴承使用寿命评估，在一台试验台架上同时模拟所有环境、工况参数进行试验是最理想的情况[3-5]，但这会导致试验台架结构复杂、考核成本大等难题，而且有些参数从技术层面上也很难在一台试验台架上同时进行模拟。因此，应根据轴承具体应用部位的工况与环境，通过轴承寿命影响因子分析分离出暂不进行模拟或单独进行模拟的参数，只选择影响因子大且必须同时在一台试验台架上进行试验模拟的参数。

1.2.1 海洋气候环境模拟参数

在试验台架上模拟真实的海洋气候环境具有很大难度，而且船舶动力传动装置轴承一般装配在密闭齿轮箱内，多采用喷油或溅油润滑，即轴承处于油性环境中，故海洋气候环境模拟参数试验可以采用强化手段，按GJB 150.9A—2009《军用装备实验室环境试验方法 第9部分:湿热试验》，GJB 150.11A—2009《军用装备实验室环境试验方法 第11部分:盐雾试验》，GJB 270A—2005《舰船滚动轴承规范》等标准进行湿热、盐雾和人工海水耐腐蚀试验，将自主研制轴承金属材料与进口轴承金属材料进行比对，评估自主研制轴承金属材料及其表面处理的耐海洋环境能力，不必采用海洋气候模拟环境下的全寿命试验。

1.2.2 海浪波动环境模拟参数

船用设备均有抗海浪波动以及海浪冲击能力的要求，但对于轴承尚无单独的技术指标要求，故这一参数相关技术指标有待进一步论证。但由于轴承抗海浪波动及海浪冲击的能力直接影响配套设备的性能及可靠性，尤其是海浪环境会导致轴承提早失效并引发设备故障，因此海浪波动模拟参数应作为试验可选参数，并贯穿整个轴承寿命试验过程。建议轴承运转试验时配以冲击和波动模拟，停运试验时配以波动模拟。

轴承海浪波动模拟试验参数实现的一种有效方法是对试验台架施加海浪冲击与波动的模拟振动激励。液压激振器与振动台面刚性连接，振动台面则与轴承试验台架平板连接，通过相关配合零件将模拟振动激励传递到试验轴承上，利用4个液压激振器进行振动相位匹配，模拟海浪对轴承的冲击与波动作用。

1.2.3 高温环境模拟参数

一般情况下，海洋环境温度对船舶动力传动装置轴承寿命的影响不大，但许多工况下轴承实际工作的润滑油温较高，当润滑油温高于80 ℃时，应加入轴承高温环境参数进行模拟试验。润滑油加热模拟是较方便的方法，油温设置应针对具体部位的工况进行分析确定。另外，高温环境模拟参数应贯穿整个轴承寿命试验过程。

1.2.4 使用工况模拟参数

轴承使用工况模拟参数一般包括轴承安装刚性、载荷、转速和润滑4个方面，这些参数以尽可能与实际使用工况一致或相近为原则。由于这些参数对轴承寿命的影响较大，不仅不可缺少，而且应同时体现。工况模拟参数的确定需要轴承试验工程师与轴承应用工程师的紧密合作，除调查轴承实际应用工况外，还应调查轴承使用中的常见故障和失效模式，评估各工况对轴承寿命的影响，结合影响因子大小确定模拟权重。

2 模拟试验台架主要技术参数

2.1 试验轴承类型

根据船舶动力传动装置滚动轴承的实际使用情况，试验台架设计的试验对象应包含圆柱滚子轴承、调心滚子轴承、四点接触球轴承等，根据轴承类型和使用工况，试验台架设计应能同时或单独对试验轴承施加径向、轴向载荷。

2.2 试验轴承尺寸段范围

试验台架覆盖尺寸段范围越广，其经济性和精密性就越差，但鉴于小尺寸段轴承(外径小于440 mm)试验台架目前已有不少开发产品，而大尺寸段轴承(外径大于520 mm)试验台架基本处于空白状态，根据船舶动力传动装置轴承的实际应用情况，试验台架的轴承尺寸段范围设计为外径φ300～780 mm。

2.3 试验轴承运转方式与转速

根据船舶动力传动装置轴承实际使用情况，一般轴承以内圈旋转为主且存在正反转工况，故试验台架以内圈旋转外圈静止模式设计且具备正反转功能，同时应具备旋转时长、加减速速率可设置且自动切换的功能。基于工况模拟应尽可能一致的原则，试验台架的设计转速应覆盖轴承实际使用的最高转速，且留有高于最高转速20%以上的余量。

2.4 试验载荷

试验台架应具备对轴承施加径向、轴向载荷的功能，且加载、卸载速率应满足动力传动装置极端工况的要求。船舶动力传动装置轴承实际使用情况表明，由于轻载打滑导致的轴承早期失效故障较多，故在试验台架加载系统设计时既要考虑最大加载能力，又要考虑最小载荷的施加精度。载荷范围设计为径向载荷Fr=5～250 kN，轴向载荷Fa=2～100 kN。为适应不同宽度轴承的试验要求，试验台架的径向加载中心位置应可调，设计最大可调距离为80 mm。

2.5 试验轴承装机数量

由于船舶动力传动装置轴承尺寸段较大，本设计将装机试验轴承的数量设计为2套，即双工位试验设计，既可提高试验效率，又在技术上延长驱动支承轴承的寿命。

2.6 状态监控参数与控制方式

试验过程中应监控的轴承状态参数主要有转速、径向载荷、轴向载荷、振动、温度以及润滑油温、驱动电流等。计算机控制程序可按试验条件设定轴承转速谱、载荷谱、润滑油温和振动激励谱等模拟试验参数，自动采集、记录、保存试验数据。不同参数的数据采集周期可进行单独设置，且可随时调阅参数监控曲线，当温度、振动或电流超过预设限值时，试验台架能够自动报警并停机。

3 试验台架主体结构设计方案

试验台架主体结构可采用如图1所示方案，主要由振动激励装置、床身部件、驱动系统、加载系统和试验单元组成。

1—驱动系统；2—试验单元；3—加载系统；4—床身部件；5—振动激励装置图1 试验台架主体结构设计方案Fig.1 Design scheme for main structure of test bench

3.1 振动激励装置

振动激励装置的结构如图2所示，主要由基座、液压激振器、振动台板、伺服阀、传感器和控制器组成，液压激振器固定安装在基座上，并与振动台板刚性连接。

1—振动台板；2—液压激振器(含位移传感器)；3—基座

振动激励装置的工作原理如图3所示，输入的目标信号经伺服控制器放大后进入可控电液伺服阀，伺服阀将与输入信号成比例的液压油输入液压缸，通过调节液压油的压力使液压缸在垂直方向上往复振动，带动振动台板和试验台架平板做相应的冲击与波动模拟，从而实现试验台架的正弦、随机、典型冲击等海浪波动环境模拟。伺服控制器采用双闭环控制，控制原理如图4所示，通过数据的实时采集、反馈及分析处理，能获得较好地控制模拟精度。

图3 振动激励装置工作原理图Fig.3 Working principle of vibration exciter

图4 振动激励装置控制原理图Fig.4 Control schematic diagram of vibration exciter

3.2 支承装置

支承装置主要包括床身平板和传动箱体两大部件，传动箱体刚性固定在床身平板上，床身平板则与振动台板刚性连接。

3.3 驱动系统

驱动系统的电动机通过传动带与传动箱体相连，采用变频器控制电动机无级变速，能够实现急加速、急减速、恒速和正反转自动切换等模拟功能。传动箱体主要由传动主轴、传动座、固定盘和传动轮等组成。转速精度一般控制在±2%范围内，加减速率根据轴承使用极端工况确定。传动箱体配置有回路冷却润滑系统，润滑油温一般控制在60 ℃以内。

3.4 加载系统

加载系统主要由液压站、油缸、加载臂、力传感器、调节装置和标尺等组成。液压站是加载系统的动力源，其原理如图5所示，通过液压缸对试验轴承施加径向、轴向载荷，经力传感器实时反馈监测的径向、轴向载荷，与比例阀形成精确闭环控制。加载系统设计应考虑载荷范围、载荷精度、加卸载速率等因素是否满足轴承极端使用工况要求，船舶动力传动装置极端工况模拟载荷(尤其是小载荷时)精度应控制在±2%范围内。

图5 液压站原理图Fig.5 Schematic diagram of hydraulic station

3.5 试验单元

试验台架具有2个试验单元，分别安装在驱动轴两端。试验单元由试验轴承、轴承座、试验轴、加载盘、加载座、内圈压盖和外圈压盖等组成，如图6所示。试验轴与轴承座的设计应考虑材料、热处理工艺、配合公差等因素与实际应用工况的一致性或相近性。

1,15—加载盘；2,14—内圈压盖；3,13—试验轴承；4,12—加载座；5,11—轴承座；6,10—外圈压盖；7,9—试验轴；8—传动系统图6 试验单元结构方案示意图Fig.6 Structure scheme diagram of test unit

4 结束语

台架模拟试验是船舶动力传动装置轴承自主研制成功与否和改进提升的重要依据。台架模拟试验应包括海浪冲击与波动、轴承工作高温环境等环境模拟参数和轴承安装刚性、载荷、转速、润滑等工况模拟参数。参数选取除了考虑轴承寿命影响因子的认知和经验外，还应考虑原用进口轴承使用过程中的常见故障和失效模式。

模拟试验台架的设计除应具有这些参数的模拟功能外，还应考虑台架部件耐环境参数试验的能力。对于船舶动力传动装置轴承的研制，海洋气候环境适用性可以采用强化手段，按现有国军标进行评估，通过评估后再在试验台架上进行模拟试验考核。