基于低粘度綠色潤(rùn)滑劑的高速動(dòng)靜壓陶瓷滑動(dòng)軸承研究

摘要：高速高精密主軸系統(tǒng)是高速加工機(jī)床的心臟部件，而液體動(dòng)靜壓電主軸因其具有高承載能力、高剛度、高阻尼減震性等優(yōu)勢(shì)，被看作未來高速高精密機(jī)床主軸的首選方案。針對(duì)傳統(tǒng)油潤(rùn)滑動(dòng)靜壓軸承易受高速溫升影響，性能穩(wěn)定性差和水潤(rùn)滑軸承在防銹、材料方面的問題，本課題提出了一種新型的高速動(dòng)靜壓陶瓷軸承。它突破了傳統(tǒng)動(dòng)靜壓軸承的局限性，并對(duì)我國(guó)制造業(yè)水平的提高有著重要意義。 本項(xiàng)目是基于低粘度綠色潤(rùn)滑劑的高速動(dòng)靜壓陶瓷滑動(dòng)軸承的研究。在項(xiàng)目實(shí)行期間，已研制出一種在一定范圍內(nèi)粘度可控的低粘度綠色流體潤(rùn)滑劑，并進(jìn)行了相關(guān)性能測(cè)試，確定了工程陶瓷材料SiC為最佳的摩擦副材料；同時(shí)對(duì)該軸承進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算及動(dòng)力學(xué)分析，得出潤(rùn)滑劑粘度與軸承間隙的最佳配合、軸承的最優(yōu)結(jié)構(gòu)形式等；完成了非牛頓流體潤(rùn)滑軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的非線性動(dòng)力學(xué)分析，并且完成了高速陶瓷動(dòng)靜壓電主軸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制造；搭建了主軸專用的主軸試驗(yàn)臺(tái)，對(duì)在使用該可控粘度潤(rùn)滑劑情況下摩擦副的跑合情況、主軸性能等方面進(jìn)行了研究，通過不斷地對(duì)潤(rùn)滑劑、軸承-主軸系統(tǒng)進(jìn)行修改完善，最終使其達(dá)到了如下的技術(shù)指標(biāo)：主軸徑向回轉(zhuǎn)精度誤差≤1μm ；主軸轉(zhuǎn)速≥15000rpm；主軸Dn值≥1500000mm?r/min，并在國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)刊物和會(huì)議上發(fā)表論文8篇（其中SCI檢索2篇，EI檢索5篇，核心期刊1篇，任務(wù)書要求SCI/EI檢索2篇），申請(qǐng)發(fā)明專利8項(xiàng)（其中已授權(quán)5項(xiàng)，任務(wù)書要求申請(qǐng)發(fā)明專利1項(xiàng)）；所有預(yù)期工作均已完成，為制造和研發(fā)高性能的機(jī)床主軸打下了堅(jiān)實(shí)的理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

本項(xiàng)目的目標(biāo)是，基于新型低粘度綠色流體潤(rùn)滑劑，研制出動(dòng)靜壓陶瓷高速高精密主軸。研究工作中，首先需要研制一種在一定范圍內(nèi)粘度可控的低粘度綠色流體潤(rùn)滑劑，并進(jìn)行相關(guān)性能測(cè)試；隨后對(duì)軸承進(jìn)行數(shù)值計(jì)算及動(dòng)力學(xué)分析，以得出潤(rùn)滑劑粘度與軸承間隙的最佳搭配、軸承最優(yōu)結(jié)構(gòu)形式等；搭建主軸實(shí)驗(yàn)臺(tái)，對(duì)在使用該可控粘度潤(rùn)滑劑情況下摩擦副跑和情況、主軸性能等方面進(jìn)行研究，通過不斷對(duì)潤(rùn)滑劑、軸承-主軸系統(tǒng)進(jìn)行修改完善，最終使其達(dá)到如下技術(shù)指標(biāo)：主軸回轉(zhuǎn)精度≤1μm；主軸轉(zhuǎn)速≥15000rpm；主軸Dn值：≥1500000mmor/min，并在國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)刊物和會(huì)議上發(fā)表論文2篇以上（SCI/EI檢索），申請(qǐng)發(fā)明專利1項(xiàng)以上。所有工作預(yù)期三年內(nèi)完成。

速動(dòng)油壓繼電器計(jì)量特性

1、保護(hù)特性

速動(dòng)油壓繼電器是為防止變壓器油箱在故障中爆裂而研制的，為避免速動(dòng)油壓繼電器與其他保護(hù)裝置的保護(hù)參數(shù)重復(fù)而出現(xiàn)干擾、誤動(dòng)，采用了檢測(cè)變壓器油箱內(nèi)故障壓力上升速率 ( 以下簡(jiǎn)稱壓速率) 作為保護(hù)參數(shù)，壓速率不同，與其對(duì)應(yīng)的速動(dòng)油壓繼電器響應(yīng)時(shí)間也不同。壓速率低，速動(dòng)油壓繼電器動(dòng)作時(shí)間長(zhǎng)，反之則短，以此來實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、動(dòng)態(tài)保護(hù)。正常運(yùn)行時(shí)，速動(dòng)油壓繼電器的安裝位置低于變壓器油面線，繼電器油室與變壓器油箱相連，油室內(nèi)隔離波紋管受到較小的靜油壓，繼電器氣室內(nèi)彈簧對(duì)靜油壓進(jìn)行補(bǔ)償以達(dá)到平衡，此時(shí)繼電器不會(huì)動(dòng)作。

當(dāng)變壓器內(nèi)部發(fā)生故障時(shí)，油箱內(nèi)的變壓器油在單位時(shí)間內(nèi)的壓力變化速度升高至整定限值時(shí)，速動(dòng)油壓繼電器中的隔離波紋管受壓變形，氣室內(nèi)的壓力升高，操作波紋管發(fā)生位移，微動(dòng)開關(guān)迅速動(dòng)作，同時(shí)使控制回路及時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)并迅速切斷電源，使變壓器退出運(yùn)行狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)變壓器安全運(yùn)行的保護(hù)。

2、結(jié)構(gòu)特征

（1）外殼。

速動(dòng)油壓繼電器產(chǎn)品結(jié)構(gòu)見圖1，速動(dòng)油壓繼電器獨(dú)立安裝于變壓器油箱上部。

由于工作環(huán)境與變壓器油溫的溫差容易造成變壓器腔體內(nèi)凝露，腔體內(nèi)凝露會(huì)使變壓器內(nèi)檢測(cè)、控制用的金屬件腐蝕、剝落甚至阻塞，破壞變壓器檢測(cè)、控制作用。速動(dòng)油壓繼電器外殼采用鑄鋁合金制成，鑄鋁合金的熱導(dǎo)率是普通黑色金屬的5倍，這就避免了出現(xiàn)運(yùn)行中速動(dòng)油壓繼電器下腔由于油溫升降時(shí)導(dǎo)熱緩慢與上腔形成溫差而出現(xiàn)凝露的問題，保證速動(dòng)油壓繼電器的保護(hù)精度和工作壽命。

（2）檢測(cè)機(jī)構(gòu)。

速動(dòng)油壓繼電器的可變氣室由彈性元件及配套件組成，以此對(duì)變壓器油箱中的壓速率進(jìn)行檢測(cè)。平衡器檢測(cè)到壓速率后，將使固定氣室的壓速率增高，在彈性膜盒內(nèi)外的壓力差由可變氣室與固定氣室的壓速率差產(chǎn)生，這個(gè)壓速率差來推動(dòng)發(fā)信裝置動(dòng)作。

速動(dòng)油壓繼電器的監(jiān)控對(duì)象是故障壓速率，油箱中的每一壓速率，速動(dòng)油壓繼電器中固定氣室都有固定對(duì)應(yīng)的壓速率值，實(shí)現(xiàn)了對(duì)故障壓速率的全程監(jiān)控。決定速動(dòng)油壓繼電器能否對(duì)變壓器進(jìn)行保護(hù)的關(guān)鍵是繼電器的固定氣室檢測(cè)參數(shù)的正確與否和檢測(cè)精度的高低。速動(dòng)油壓繼電器是防止變壓器油箱爆裂的重要保護(hù)組件之一，必須實(shí)時(shí)監(jiān)控變壓器內(nèi)的壓速率變化。但由于變壓器通常處于惡劣環(huán)境中，長(zhǎng)期惡劣的工作環(huán)境勢(shì)必影響變壓器保護(hù)裝置的檢測(cè)精度，因此應(yīng)定期對(duì)速動(dòng)油壓繼電器進(jìn)行檢測(cè)，以使其保持最佳工作狀態(tài)，保證變壓器的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

速動(dòng)油壓繼電器校準(zhǔn)方法

通過對(duì)速動(dòng)繼電器計(jì)量特性的研究以及在校準(zhǔn)平臺(tái)上做了大量的試驗(yàn)，本文提出了一種適用于電力企業(yè)的速動(dòng)繼電器校準(zhǔn)方法。對(duì)變壓器速動(dòng)油壓繼電器性能進(jìn)行檢測(cè)，主要是對(duì)其動(dòng)作特性和密封性能及接點(diǎn)動(dòng)作有效性的校驗(yàn)。動(dòng)作特性校驗(yàn)時(shí)需要設(shè)置9種壓力上升速率，并測(cè)量動(dòng)作響應(yīng)時(shí)間。密封性能的校驗(yàn)時(shí)需要設(shè)定初始?jí)毫懊芊鈺r(shí)長(zhǎng)，即采用專門的校驗(yàn)設(shè)備，模擬變壓器發(fā)生故障時(shí)的速動(dòng)油壓繼電器動(dòng)作機(jī)理，采用微機(jī)測(cè)控技術(shù)，通過計(jì)算并控制壓力突變速率，自動(dòng)充放氣實(shí)時(shí)采集來自傳感器的信號(hào)，在規(guī)定壓力突變范圍內(nèi)對(duì)繼電器進(jìn)行校驗(yàn)。

1、計(jì)量特性

（1）繼電器動(dòng)作特性應(yīng)符合表1的規(guī)定。

（2）密封要求。

例行試驗(yàn)時(shí)，繼電器整體應(yīng)能承受100kPa正壓力的油壓試驗(yàn)，歷時(shí)60min無滲漏現(xiàn)象。

（3）報(bào)警接點(diǎn)。

分為單組報(bào)警和兩組報(bào)警接點(diǎn)動(dòng)作試驗(yàn)，接點(diǎn)輸出信號(hào)應(yīng)準(zhǔn)確有效。

（4）絕緣電阻。

在校準(zhǔn)條件下，繼電器接點(diǎn)端子和外殼之間的絕緣電阻不應(yīng)小于20 MΩ。

（5）電氣強(qiáng)度要求。

接線端子間及對(duì)地應(yīng)能承受2kV的工頻耐壓試驗(yàn)，持續(xù)1min，不允許有擊穿、閃絡(luò)現(xiàn)象。

2、校準(zhǔn)條件

（1）環(huán)境條件。

環(huán)境溫度為(20±5)℃; 環(huán)境濕度為不大于85%RH; 校準(zhǔn)所處的環(huán)境附近無影響讀數(shù)的機(jī)械振動(dòng)和外磁場(chǎng)。

（2）測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)及其他設(shè)備。

校準(zhǔn)用設(shè)備見表2中的規(guī)定。

（3）校準(zhǔn)項(xiàng)目與校準(zhǔn)方法

校準(zhǔn)項(xiàng)目校準(zhǔn)項(xiàng)目見表3中的規(guī)定。

1）校準(zhǔn)前準(zhǔn)備。

被校繼電器應(yīng)在校準(zhǔn)環(huán)境條件下放置不少于2h; 繼電器校驗(yàn)儀通電預(yù)熱30min以上。

2）絕緣電阻試驗(yàn)。

測(cè)試時(shí)使用額定電壓500V、量程不小于500MΩ的絕緣電阻表，測(cè)量接點(diǎn)端子與外殼之間的絕緣電阻。

3）動(dòng)作特性試驗(yàn) ( 包括動(dòng)作接點(diǎn)試驗(yàn))。繼電器校驗(yàn)儀通電預(yù)熱后，首先錄入被檢繼電器的基本信息: 規(guī)格型號(hào)、出廠編號(hào)、生產(chǎn)廠家(制造商)、校驗(yàn)次數(shù)、密封壓力和密封時(shí)長(zhǎng); 其次選擇報(bào)警接點(diǎn)類型: 單報(bào)警、報(bào)警 靜壓、雙報(bào)警; 然后根據(jù)繼電器類型選擇動(dòng)作特性測(cè)試點(diǎn); 以上步驟確認(rèn)后，即可開始校驗(yàn)。結(jié)果應(yīng)符合表1的規(guī)定。

4）密封性試驗(yàn)。

動(dòng)作特性試驗(yàn)完成后，根據(jù)已選擇好的密封壓力和密封時(shí)長(zhǎng)，確認(rèn)后，繼續(xù)在繼電器校驗(yàn)儀上進(jìn)行密封性能校驗(yàn)。繼電器整體應(yīng)能承受100kPa正壓力的油壓試驗(yàn)，歷時(shí)60min無滲漏現(xiàn)象。

5）電氣強(qiáng)度試驗(yàn)。

用符合規(guī)定的耐電壓測(cè)試儀，在無電狀態(tài)下，將耐電壓測(cè)試儀與被校繼電器端子連接，確認(rèn)連線正確后，通電并在端子間施加2kV電壓，持續(xù)1min，不得有發(fā)熱、擊穿、閃絡(luò)現(xiàn)象。

6）數(shù)據(jù)保存打印。

校驗(yàn)全部完成后，將校驗(yàn)數(shù)據(jù)保存并打印。

隨著動(dòng)車組運(yùn)行速度的不斷提升，車輛運(yùn)行的安全可靠性顯得尤為重要。對(duì)于高速列車而言，其車體枕梁部分是確保整個(gè)列車安全運(yùn)行的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)之一。根據(jù)運(yùn)用特點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行載荷譜編制和疲勞損傷分析研究在工程應(yīng)用上有著重要的實(shí)際意義。在高速列車載荷譜編制方面已經(jīng)取得了一些成績(jī)，但是對(duì)基于不同運(yùn)用工況下的動(dòng)車組關(guān)鍵結(jié)構(gòu)疲勞損傷的載荷譜建立工作進(jìn)展較為緩慢。

枕梁動(dòng)應(yīng)力測(cè)試與數(shù)據(jù)處理

枕梁焊接關(guān)鍵部位的兩組測(cè)點(diǎn) A和B來觀察工況下的損傷狀況。其中：A點(diǎn)在牽引梁與枕梁焊縫處；B點(diǎn)在牽引銷座與枕梁焊縫處。

試驗(yàn)選擇采樣頻率為500Hz，在盡量少占用存儲(chǔ)空間的同時(shí)，保證了數(shù)據(jù)的完整性。在整個(gè)測(cè)試過程中，各種干擾信號(hào)不可避免地進(jìn)入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并對(duì)測(cè)試信號(hào)產(chǎn)生干擾。對(duì)所得到的數(shù)據(jù)，首先進(jìn)行去除零點(diǎn) 漂移、小波處理，提高信噪比并將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為應(yīng)力信號(hào)，從而獲得準(zhǔn)確的測(cè)試結(jié)果。再對(duì)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力－時(shí)間歷 程進(jìn)行雨流計(jì)數(shù)，得到所需的應(yīng)力譜。

枕梁典型工況的損傷

由于進(jìn)出站及進(jìn)出庫等工況對(duì)測(cè)點(diǎn)的損傷影響較大，在一 個(gè)交路測(cè)試中占有較大份額。大型高鐵站6次完整的數(shù)據(jù)依照上述方法計(jì)算得到其壽命，并驗(yàn)證測(cè)試次數(shù)是否滿足估計(jì)平均壽命所需的最小值，對(duì)其均值進(jìn)行了計(jì)算。

1　某特大高鐵站進(jìn)站工況：

1)　數(shù)據(jù)提取與計(jì)算

根據(jù)隨車裝載 GPS的坐標(biāo)信號(hào)，找到所需的進(jìn)站數(shù)據(jù)段，選取了6次該試驗(yàn)列車進(jìn)站的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，其中5次均承擔(dān)同 一 交路。根據(jù)慣例，每日同一車次應(yīng)停靠同一站臺(tái)，那么可以近似認(rèn)為，這6次所取得的數(shù)據(jù) 段運(yùn)行交路相同。在同 一 交路中，可以認(rèn)為動(dòng)車組的運(yùn)用狀態(tài)是相對(duì)穩(wěn)定的。

2)　數(shù)據(jù)置信度和均值

假設(shè)測(cè)點(diǎn)的對(duì)數(shù)當(dāng)量壽命遵循正態(tài)分布，則母體的平均值即母體中值，由母體中抽取的子樣平均值即母體中值估計(jì)量。對(duì)數(shù)中值疲勞壽命9．2345作為母體中值的估計(jì)量時(shí)，可以滿足置信度與相對(duì)誤差的要求。

2　出入動(dòng)車段工況：

1)　數(shù)據(jù)提取與計(jì)算

一般情況下動(dòng)所內(nèi)線路多選用12號(hào)道岔，伴有小半徑曲線，并在進(jìn)出庫中有頻繁的啟停及加減速，但是動(dòng)車組在此過程平均速度較小，約為10km/h。由于影響因素眾多，故難以對(duì)動(dòng)車組進(jìn)出庫工況下枕梁關(guān)鍵點(diǎn)損傷有直觀認(rèn)識(shí)。

2)　壽命均值評(píng)估

對(duì)于小子樣試驗(yàn)評(píng)估常選用Bootstrap方法，但此法通常要求子樣數(shù)n≥5較合適。而試驗(yàn)由于進(jìn)出庫的數(shù)據(jù)段較為有限，故采用半經(jīng)驗(yàn)虛擬增廣子樣法使子樣數(shù)增至5，從而滿足 Bootstrap方法的要求。

枕梁各種工況對(duì)損傷的影響

有超過16條到發(fā)線并有多條線路交匯的高鐵站即為大型高鐵站。由此可知，試驗(yàn)列車所經(jīng)過的3個(gè)省會(huì)城市高鐵站均滿足上述條件。由于空間不足和線路交匯等原因，在進(jìn)出這些車站時(shí)會(huì)經(jīng)過眾多小曲線和較小號(hào)道岔。

由于各站進(jìn)出線路不同，無法直接對(duì)其損傷影響進(jìn)行對(duì)比。

考慮某些高鐵站高速與普速列車混跑，路況較差，并且建在市區(qū)，而有些車站建在較為偏遠(yuǎn)的郊區(qū)，地域空曠、不受城市原有建筑影響等因素有一定關(guān)系。