徐昌语，刘 祎，杜海涛

(北京航空精密机械研究所 精密制造技术航空科技重点实验室，北京 100076)

航空发动机轴承载荷大、转速高、工作环境复杂，易产生失效，其典型的失效形式是滚动接触疲劳。一旦轴承疲劳失效形成，后果特别严重，往往会造成飞行事故。而我国航空发动机轴承、传动齿轮等关键部件的性能、质量、寿命是长期以来的“老大难”问题[1]。为了提高航空发动机轴承的耐磨性能和疲劳寿命，需要选用新材料，探索新工艺。但对于新材料和新工艺，需要大量的疲劳试验基础数据，为轴承设计和寿命评估提供依据。

目前，国外已经研制出许多疲劳试验设备。美国从20世纪50年代末起，为了发展先进的航空发动机，解决关键的航空轴承材料、制造、润滑技术，专门研制相应的疲劳试验设备，可快速、高效、低成本地开展材料接触疲劳性能试验，对美国发展和拥有全球领先的航空发动机制造技术发挥了非常重要的作用[2]。我国在这方面也开展了相应的工作，洛轴、哈轴以及沈阳606研究所等都研制过类似设备，并开展了部分钢球或轴承的疲劳试验[3-4]。但是，由于其载荷小、转速低，不能满足航空发动机大载荷、高转速、长寿命接触疲劳试验的要求。

为了更好地开展抗疲劳技术基础研究，获得航空发动机主轴承寿命及可靠性的数据和规律，分析轴承失效原因以及提高轴承的使用寿命和可靠性，解决长寿命轴承材料、制造和配合中存在的问题，需要研制专用的航空发动机主轴承试验机，并进行大量的性能试验和寿命试验研究，给地面试车提供必要的试验数据和依据[5]。

所设计的航空发动机轴承疲劳试验机采用大功率高速电机驱动(最大转速可达20000 r/min)，利用电液伺服缸双侧并联加载(最大载荷可达150 kN)，基于西门子S7-1500PLC搭建测控系统，可模拟涡扇、涡喷发动机主轴轴承工况，进行该类发动机主轴轴承的高速性能试验、超载试验、超转试验、耐久性试验和断油试验等。设备能按预设试验谱线准确控制运行参数，自动运行至完成试验，并且能够对试验过程进行运行监控、数据采集和保存。

1 设备主要技术指标

设备功率175 kW；试验最高转速16000 r/min；轴向最大载荷150 kN；径向最大载荷20 kN；载荷加载精度优于0.5%FS；试验润滑最大供油压力1 MPa，最大供油流量30 L/min，最高供油温度200 ℃；试验轴承最大外径300 mm。

2 试验机的关键系统组成

该轴承疲劳试验机的各系统配置及相互关系如图1所示，其中关键系统主要包括机械系统(试验主体)、动力系统、润滑系统、加载系统、测控系统和电气系统等。

图1 轴承试验机系统总图

机械系统是整个轴承试验机的主体，采用卧式结构，主要包括试验台体、安装平台、高速电机安装座等。安装平台采用铸造件，具有良好的减震和承载能力。高速电机、高速联轴节、主轴、试验腔、支撑壳体、支点轴承、加载油缸等均放置在一个平台，高速电机与主轴之间用高速联轴器相连。轴承试验机的机械系统三维设计如图2所示。

图2 轴承试验机机械系统三维设计图

试验台体采用封闭式对称结构布局，两个试验轴承腔位于主轴中央，支承轴承位于主轴两端；动力系统经弹性联轴节与主轴右端连接；轴向载荷由两个对称布置的油缸加载，径向载荷由两个油缸分别施加推力和拉力实现加载。试验台体剖面图如图3所示。

图3 轴承试验机试验台体剖面图

动力系统为轴承试验机的试验轴系提供动力，根据试验要求，提供需要的转速和扭矩，具备速度反馈和调速功能；主要由主电机及配套伺服驱动器调速装置、冷却水系统、高速联轴器等构成；主电机采用高速伺服电机，电机功率175 kW，最高转速20000 r/min。

润滑系统包括试验润滑系统和设备润滑系统两部分。试验润滑系统主要负责为试验轴承提供润滑保障以及符合试验要求的高温试验工况，设备润滑系统为支承轴承提供润滑保障。

加载系统利用液压缸对被试轴承实施轴向和径向加载，加载力采用高精度力传感器进行测量和反馈，采取电液伺服缸加载的形式，通过电机实时调节伺服缸的位置，控制液压缸的油压大小，实现加载的全闭环控制。

测控系统包括控制系统和测试系统，实现整个轴承试验机各个系统的控制和所有试验参数信号的采集。

电气系统为整个轴承试验机的用电设备提供电力保障。

3 试验机测控系统的设计

3.1 测控系统的组成

试验机测控系统主要作用是控制动力系统、加载系统和润滑系统，实时采集试验机转速、载荷、温度、压力、流量和振动等试验参数，对试验转速、滑油温度、载荷实施闭环控制。

测控系统基于西门子PLC主控站搭建，主要由上位工控机、西门子S7-1500PLC系统(包含16路光电隔离开关量I/O模块、8通道高性能模拟量A/D模块、8通道高速模拟量D/A模块以及RS485通信模块等)、各类信号传感器和控制电磁阀，以及振动测试分析系统等组成；采用现场分布式总线控制，完成对试验机现场设备和驱动装置的控制任务。试验机测控系统原理框图如图4所示。

图4 试验机测控系统原理框图

3.2 试验参数的采集测试

试验机需要对试验过程进行监控，实时采集并显示试验电机转速、加载载荷、轴承外圈温度以及振动等信号，并对试验数据进行分析和保存。

如何把试验参数的非电量信号精确地测试出来，采用何种方法把它们转换成PLC主控站需要的标准信号是本试验机测控系统设计的重要内容之一。为了达到测试精确、数据可靠的目的，通过对不同的试验参数测量分析，分别选用了不同的测试方法。

主轴转速测量：电机转速可以利用高速电机配套的编码器检测获得，但为了进行系统振动频谱分析，采用光电转速传感器进行主轴转速检测，测量量程范围0～20000 r/min，信号通过转速采集模块进行采集处理。

载荷测量：两个轴向载荷力传感器采用量程10 t、直线度为±0.1%FS 的柱式负荷传感器，由于采用两侧对称并联加载的方式，可以满足轴向最大载荷150 kN的技术要求；径向载荷力传感器采用量程2.5 t、直线度为±0.1%FS的 S型拉压式负荷传感器。力传感器经过信号放大模块处理后变送为4～20 mA电流信号，传送给PLC主控站模拟量采集模块。

温度测量：试验机被试轴承温度检测采用变送一体Pt100温度传感器，测量范围-50～300 ℃，变送器输出4～20 mA电流信号提供给PLC模拟量采集模块。

振动测量：振动传感器选用高精度加速度传感器，加速度测量范围±50g；振动信号需要实时高速采集，故采用DH8303高速动态信号分析系统进行信号采集和分析处理。

西门子S7-1500高速高性能模拟量采集模块具有16位采样精度，最大采样频率可达16 kHz，信号采集的稳定性和可靠性高，而载荷和温度测量采用电流信号能够提高信号的抗干扰能力。

3.3 信号采集的防干扰设计

所设计的轴承试验机最大功率超过200 kW，对测控系统的信号采集会产生较大干扰；而信号干扰与系统的接地方式有很大关系，接地技术是抑制噪声的重要手段。在测控系统中不仅要进行人身和设备安全的保护接地，而且要进行使系统安全正常工作和防电磁干扰的接地。若接地处理不好，就会产生共模干扰。产生共模干扰的原因是计算机、变频器和主轴电机采用了共同的地线，为了减小共模干扰，应将它们各自单独接地。同时，所有的电源地线、信号地线和屏蔽地线都要接到各自的总地线上，最后把3类地线汇总到公共的地线上。

另外，电气系统设计时需要考虑增加滤波器和输入输出电抗器；元器件布局合理，信号线与动力线分开布线,所有信号电缆采用屏蔽电缆并可靠接地。

3.4 测控软件的开发

测控软件系统包括PLC控制程序和上位机组态软件。PLC控制程序基于西门子TIA 博途软件平台SIMATIC STEP 7软件进行开发，实现整个试验机关键系统的控制与信号采集。

上位机组态软件基于VS2015平台进行开发，监测并控制整个试验机的状态和运行。软件的总体架构采用分层架构，如图5所示，在逻辑上将软件系统分为操作系统层、数据层、业务逻辑层以及表现层。

图5 测控系统总体架构图

表现层：该层即为通常所说的用户界面层，是软件系统的界面部分，负责接受用户输入、显示系统输出，负责其他功能模块的协调调用。

业务逻辑层：该层为整个软件系统的核心部分，负责处理具体的业务逻辑，包括试验人员信息管理、传感器参数设置、试验参数设置、载荷谱管理、试验控制、数据显示和保存管理等模块；各个业务功能模块通过中间接口HslCommunication.dll控件实现与PLC控制系统的通信和数据交换。

数据访问层：负责与文件型、关系型等具体的物理数据库进行交互以实现对检测结果的持久化保存。

操作系统层：上位机测控软件在Windows 7操作系统平台下使用Visual Studio 2015开发工具进行开发。

轴承试验机测控软件主界面如图6所示，主要实现与S7-1500PLC主控站进行实时通信；设定电机转速、供油压力、滑油温度、加载载荷等参数；实现试验机载荷的加载和卸载、主轴电机的启动和关闭，以及润滑系统进回油泵的启动和关闭，方便用户对试验机进行测试运行；能够导入用户预设的试验谱线，根据谱线的转速、载荷、运行时间和循环次数等参数，自动控制试验机的运行；并对试验过程进行运行监控、数据采集和保存，异常情况下自动报警并停机。

图6 试验机测控软件主界面

3.5 液压加载系统的精确控制

轴承试验机液压加载系统采用电液伺服缸加载的形式，该套机构主要包括伺服电机、电动伺服缸、驱动液压缸以及执行液压缸等四大部分，其优点是解决了常规液压系统的压力超调和噪声问题，提高了试验机的加载精度及加载稳定性。该系统结构原理如图7所示，实物图如图8所示。

图7 电液伺服加载系统原理图

图8 电液伺服加载系统实物图

试验机加载系统的轴向力加载组件由两个对称的加力板、导轨、液压缸、拉力传感器和关节轴承等组成，如图9所示。径向力加载组件由液压缸、直线轴承、拉力传感器和关节轴承等组成，如图10所示。

图9 试验机轴向力加载组件

图10 试验机径向力加载组件

加载系统的控制采用PLC内部PID控制器模块，利用载荷力传感器的实际反馈，对电液伺服缸伺服电机进行精确的闭环控制，保证加载载荷的精确控制以及稳定性。液压加载系统PID闭环控制原理图如图11所示。

图11 液压加载系统PID闭环控制原理图

通过优化调节PID控制器的PID参数，提高加载系统伺服电机的控制加载精度。图12为加载系统PID控制调试的阶跃响应曲线，从图中可以看出加载系统载荷给定值和实际反馈值非常接近，系统稳态误差小，加载精度高。

图12 加载系统PID控制阶跃响应曲线

由于执行液压缸加载存在摩擦阻力，载荷力传感器存在测量误差，需要利用高精度数字测力仪对轴向加载组件系统进行标定。具体标定步骤如下。

① 将高精度数字测力仪与轴向载荷力传感器进行串联；

② 从正反两个方向上设定不同载荷进行加载，记录载荷力传感器的反馈值和高精度数字测力仪的实测值；

③ 根据最小二乘法原理，计算该轴向加载组件系统的标定系数；

④ 把计算获得的标定系数写入测控软件，重新进行加载测试。

轴向加载组件系统设定标定系数后进行加载试验，测试结果数据如表1所示；加载测试结果表明试验机轴向加载精度优于0.5%FS，满足试验机加载精度的技术要求。

表1 轴向加载组件系统标定测试结果

3.6 试验载荷谱线的自动控制

试验机某个性能试验的载荷谱线如表2所示。运行试验前导入预设的试验谱线，测控软件根据谱线当前步骤的转速、轴向载荷和径向载荷等参数，自动调节试验机的运行参数，并记录当前步骤的运行时间和循环次数，当到达设定的试验时间和循环次数时，自动转入谱线的下一步骤，直到所有谱线步骤运行完成，自动停止试验。

表2 性能试验载荷谱线

4 结束语

研制完成的大载荷发动机轴承试验机，综合应用了机、电、液一体化的技术成果，能够真实模拟航空发动机轴承工况；设计采取了有效的抗干扰措施，解决了大功率电机的信号干扰难题；采用新型电液伺服缸和力传感器全闭环调节的加载方式，突破了载荷加载精度优于±0.5%FS的关键技术目标；实现了速度、载荷、温度等主参数的自动调节控制，能按预设试验谱线准确控制运行参数，自动运行完成试验，并且能够对试验过程进行运行监控、数据采集和保存以及异常情况自动报警并停机等。

目前，该试验机已在中国航发北京航空材料研究院投入使用，开展了多套航空发动机轴承的试验及研究。实验证明了轴承疲劳试验机系统设计合理、运行可靠，为航空发动机轴承寿命和性能试验技术的进步提供了基础平台和数据支撑，解决了发动机轴承寿命、性能等试验的迫切需求，产生了良好的经济效益和社会效益。