基于低粘度绿色润滑剂的高速动静压陶瓷滑动轴承研究

摘要：高速高精密主轴系统是高速加工机床的心脏部件，而液体动静压电主轴因其具有高承载能力、高刚度、高阻尼减震性等优势，被看作未来高速高精密机床主轴的首选方案。针对传统油润滑动静压轴承易受高速温升影响，性能稳定性差和水润滑轴承在防锈、材料方面的问题，本课题提出了一种新型的高速动静压陶瓷轴承。它突破了传统动静压轴承的局限性，并对我国制造业水平的提高有着重要意义。 本项目是基于低粘度绿色润滑剂的高速动静压陶瓷滑动轴承的研究。在项目实行期间，已研制出一种在一定范围内粘度可控的低粘度绿色流体润滑剂，并进行了相关性能测试，确定了工程陶瓷材料SiC为最佳的摩擦副材料；同时对该轴承进行了数值计算及动力学分析，得出润滑剂粘度与轴承间隙的最佳配合、轴承的最优结构形式等；完成了非牛顿流体润滑轴承-转子系统的非线性动力学分析，并且完成了高速陶瓷动静压电主轴系统的设计与制造；搭建了主轴专用的主轴试验台，对在使用该可控粘度润滑剂情况下摩擦副的跑合情况、主轴性能等方面进行了研究，通过不断地对润滑剂、轴承-主轴系统进行修改完善，最终使其达到了如下的技术指标：主轴径向回转精度误差≤1μm ；主轴转速≥15000rpm；主轴Dn值≥1500000mm•r/min，并在国内外学术刊物和会议上发表论文8篇（其中SCI检索2篇，EI检索5篇，核心期刊1篇，任务书要求SCI/EI检索2篇），申请发明专利8项（其中已授权5项，任务书要求申请发明专利1项）；所有预期工作均已完成，为制造和研发高性能的机床主轴打下了坚实的理论和实验基础。

本项目的目标是，基于新型低粘度绿色流体润滑剂，研制出动静压陶瓷高速高精密主轴。研究工作中，首先需要研制一种在一定范围内粘度可控的低粘度绿色流体润滑剂，并进行相关性能测试；随后对轴承进行数值计算及动力学分析，以得出润滑剂粘度与轴承间隙的最佳搭配、轴承最优结构形式等；搭建主轴实验台，对在使用该可控粘度润滑剂情况下摩擦副跑和情况、主轴性能等方面进行研究，通过不断对润滑剂、轴承-主轴系统进行修改完善，最终使其达到如下技术指标：主轴回转精度≤1μm；主轴转速≥15000rpm；主轴Dn值：≥1500000mmor/min，并在国内外学术刊物和会议上发表论文2篇以上（SCI/EI检索），申请发明专利1项以上。所有工作预期三年内完成。

速动油压继电器计量特性

1、保护特性

速动油压继电器是为防止变压器油箱在故障中爆裂而研制的，为避免速动油压继电器与其他保护装置的保护参数重复而出现干扰、误动，采用了检测变压器油箱内故障压力上升速率 ( 以下简称压速率) 作为保护参数，压速率不同，与其对应的速动油压继电器响应时间也不同。压速率低，速动油压继电器动作时间长，反之则短，以此来实现动态监测、动态保护。正常运行时，速动油压继电器的安装位置低于变压器油面线，继电器油室与变压器油箱相连，油室内隔离波纹管受到较小的静油压，继电器气室内弹簧对静油压进行补偿以达到平衡，此时继电器不会动作。

当变压器内部发生故障时，油箱内的变压器油在单位时间内的压力变化速度升高至整定限值时，速动油压继电器中的隔离波纹管受压变形，气室内的压力升高，操作波纹管发生位移，微动开关迅速动作，同时使控制回路及时发出报警信号并迅速切断电源，使变压器退出运行状态，从而实现对变压器安全运行的保护。

2、结构特征

（1）外壳。

速动油压继电器产品结构见图1，速动油压继电器独立安装于变压器油箱上部。

由于工作环境与变压器油温的温差容易造成变压器腔体内凝露，腔体内凝露会使变压器内检测、控制用的金属件腐蚀、剥落甚至阻塞，破坏变压器检测、控制作用。速动油压继电器外壳采用铸铝合金制成，铸铝合金的热导率是普通黑色金属的5倍，这就避免了出现运行中速动油压继电器下腔由于油温升降时导热缓慢与上腔形成温差而出现凝露的问题，保证速动油压继电器的保护精度和工作寿命。

（2）检测机构。

速动油压继电器的可变气室由弹性元件及配套件组成，以此对变压器油箱中的压速率进行检测。平衡器检测到压速率后，将使固定气室的压速率增高，在弹性膜盒内外的压力差由可变气室与固定气室的压速率差产生，这个压速率差来推动发信装置动作。

速动油压继电器的监控对象是故障压速率，油箱中的每一压速率，速动油压继电器中固定气室都有固定对应的压速率值，实现了对故障压速率的全程监控。决定速动油压继电器能否对变压器进行保护的关键是继电器的固定气室检测参数的正确与否和检测精度的高低。速动油压继电器是防止变压器油箱爆裂的重要保护组件之一，必须实时监控变压器内的压速率变化。但由于变压器通常处于恶劣环境中，长期恶劣的工作环境势必影响变压器保护装置的检测精度，因此应定期对速动油压继电器进行检测，以使其保持最佳工作状态，保证变压器的安全稳定运行。

速动油压继电器校准方法

通过对速动继电器计量特性的研究以及在校准平台上做了大量的试验，本文提出了一种适用于电力企业的速动继电器校准方法。对变压器速动油压继电器性能进行检测，主要是对其动作特性和密封性能及接点动作有效性的校验。动作特性校验时需要设置9种压力上升速率，并测量动作响应时间。密封性能的校验时需要设定初始压力及密封时长，即采用专门的校验设备，模拟变压器发生故障时的速动油压继电器动作机理，采用微机测控技术，通过计算并控制压力突变速率，自动充放气实时采集来自传感器的信号，在规定压力突变范围内对继电器进行校验。

1、计量特性

（1）继电器动作特性应符合表1的规定。

（2）密封要求。

例行试验时，继电器整体应能承受100kPa正压力的油压试验，历时60min无渗漏现象。

（3）报警接点。

分为单组报警和两组报警接点动作试验，接点输出信号应准确有效。

（4）绝缘电阻。

在校准条件下，继电器接点端子和外壳之间的绝缘电阻不应小于20 MΩ。

（5）电气强度要求。

接线端子间及对地应能承受2kV的工频耐压试验，持续1min，不允许有击穿、闪络现象。

2、校准条件

（1）环境条件。

环境温度为(20±5)℃; 环境湿度为不大于85%RH; 校准所处的环境附近无影响读数的机械振动和外磁场。

（2）测量标准及其他设备。

校准用设备见表2中的规定。

（3）校准项目与校准方法

校准项目校准项目见表3中的规定。

1）校准前准备。

被校继电器应在校准环境条件下放置不少于2h; 继电器校验仪通电预热30min以上。

2）绝缘电阻试验。

测试时使用额定电压500V、量程不小于500MΩ的绝缘电阻表，测量接点端子与外壳之间的绝缘电阻。

3）动作特性试验 ( 包括动作接点试验)。继电器校验仪通电预热后，首先录入被检继电器的基本信息: 规格型号、出厂编号、生产厂家(制造商)、校验次数、密封压力和密封时长; 其次选择报警接点类型: 单报警、报警 静压、双报警; 然后根据继电器类型选择动作特性测试点; 以上步骤确认后，即可开始校验。结果应符合表1的规定。

4）密封性试验。

动作特性试验完成后，根据已选择好的密封压力和密封时长，确认后，继续在继电器校验仪上进行密封性能校验。继电器整体应能承受100kPa正压力的油压试验，历时60min无渗漏现象。

5）电气强度试验。

用符合规定的耐电压测试仪，在无电状态下，将耐电压测试仪与被校继电器端子连接，确认连线正确后，通电并在端子间施加2kV电压，持续1min，不得有发热、击穿、闪络现象。

6）数据保存打印。

校验全部完成后，将校验数据保存并打印。

随着动车组运行速度的不断提升，车辆运行的安全可靠性显得尤为重要。对于高速列车而言，其车体枕梁部分是确保整个列车安全运行的关键结构之一。根据运用特点，对其进行载荷谱编制和疲劳损伤分析研究在工程应用上有着重要的实际意义。在高速列车载荷谱编制方面已经取得了一些成绩，但是对基于不同运用工况下的动车组关键结构疲劳损伤的载荷谱建立工作进展较为缓慢。

枕梁动应力测试与数据处理

枕梁焊接关键部位的两组测点 A和B来观察工况下的损伤状况。其中：A点在牵引梁与枕梁焊缝处；B点在牵引销座与枕梁焊缝处。

试验选择采样频率为500Hz，在尽量少占用存储空间的同时，保证了数据的完整性。在整个测试过程中，各种干扰信号不可避免地进入数据采集系统，并对测试信号产生干扰。对所得到的数据，首先进行去除零点 漂移、小波处理，提高信噪比并将电信号转换为应力信号，从而获得准确的测试结果。再对测点的应力－时间历 程进行雨流计数，得到所需的应力谱。

枕梁典型工况的损伤

由于进出站及进出库等工况对测点的损伤影响较大，在一 个交路测试中占有较大份额。大型高铁站6次完整的数据依照上述方法计算得到其寿命，并验证测试次数是否满足估计平均寿命所需的最小值，对其均值进行了计算。

1　某特大高铁站进站工况：

1)　数据提取与计算

根据随车装载 GPS的坐标信号，找到所需的进站数据段，选取了6次该试验列车进站的数据进行分析，其中5次均承担同 一 交路。根据惯例，每日同一车次应停靠同一站台，那么可以近似认为，这6次所取得的数据 段运行交路相同。在同 一 交路中，可以认为动车组的运用状态是相对稳定的。

2)　数据置信度和均值

假设测点的对数当量寿命遵循正态分布，则母体的平均值即母体中值，由母体中抽取的子样平均值即母体中值估计量。对数中值疲劳寿命9．2345作为母体中值的估计量时，可以满足置信度与相对误差的要求。

2　出入动车段工况：

1)　数据提取与计算

一般情况下动所内线路多选用12号道岔，伴有小半径曲线，并在进出库中有频繁的启停及加减速，但是动车组在此过程平均速度较小，约为10km/h。由于影响因素众多，故难以对动车组进出库工况下枕梁关键点损伤有直观认识。

2)　寿命均值评估

对于小子样试验评估常选用Bootstrap方法，但此法通常要求子样数n≥5较合适。而试验由于进出库的数据段较为有限，故采用半经验虚拟增广子样法使子样数增至5，从而满足 Bootstrap方法的要求。

枕梁各种工况对损伤的影响

有超过16条到发线并有多条线路交汇的高铁站即为大型高铁站。由此可知，试验列车所经过的3个省会城市高铁站均满足上述条件。由于空间不足和线路交汇等原因，在进出这些车站时会经过众多小曲线和较小号道岔。

由于各站进出线路不同，无法直接对其损伤影响进行对比。

考虑某些高铁站高速与普速列车混跑，路况较差，并且建在市区，而有些车站建在较为偏远的郊区，地域空旷、不受城市原有建筑影响等因素有一定关系。