CN103616180A - 轴承径向动态加载故障模拟诊断试验台 - Google Patents
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Abstract
一种轴承径向动态加载故障模拟诊断试验台，驱动电机安装在台架一端，驱动电机的输出轴与旋转主轴一端连接，旋转主轴另一端与负载电机的输入轴，主试轴承安装在旋转主轴上并固定在台架上；径向动态加载装置包括加载爪、伸缩弹簧套筒、直线滑块、升降直线滑轨和加载支架，加载支架固定在台架上，升降直线滑轨固定在加载支架上，直线滑块可上下滑动地安装在升降直线滑轨内，伸缩弹簧套筒一端与直线滑块固定连接，伸缩弹簧套筒的另一端与加载爪顶部端面固定连接，加载爪的底部呈圆弧型并与旋转主轴接触，直线滑块与用以带动直线滑块上下滑动的加载传动机构连接。本发明可实现任意变化形式的径向动态加载、能耗较低、实施成本较低。
Description
技术领域
本发明涉及一种轴承加载试验装置，尤其是一种轴承径向动态加载故障模拟诊断试验台。
背景技术
滚动轴承被广泛应用于机械系统中，其质量直接影响着机械系统的性能。在机械设备上，若轴承出现损坏，轻则会影响设备运行的稳定性以及可靠性，重则会造成严重的事故，尤其在风力发电等设备上，轴承往往承受比较恶劣的工况，一旦轴承失效往往造成较大的经济损失甚至人员伤亡。为了保证轴承长期有效的运行，轴承一般需要经过大量的测试和性能评估，因此需要一种轴承加载试验装置，通过模拟实际运行工况对轴承性能进行测试。传统的轴承径向加载装置多为静态加载，且现有的动态加载技术包括气动加载、液压加载以及机械加载，气动加载响应较快，可以通过直线气缸在某一方向上对被测试元器件进行往复式的直线冲击加载，但是由于气动元件特性导致加载过程不可控，且加载功率由于气源功率以及气动元件的成本等因素而受到限制，液压加载的加载方式与气动加载类似，可以实现较大功率的加载且加载过程较为精确，但是由于液压元器件自身特性导致加载过程中的频响特性较低，且实施成本较高，液压加载一般作为静态加载的一种技术被广泛应用，传统机械加载的规律形式单一，如通过重物或者螺栓在某一方向上对被测元器件实施静态加载力，或者通过弹簧装置在某一方向上对被测元器件施加一个周期恒定的冲击载荷，上述几种加载方式均无法有效对轴承进行真实的动态加载模拟以及长时间的运行测试。
发明内容
为了克服已有动态轴承加载形式单一、实施能耗较大、成本较高的不足，本发明提供一种可实现任意变化形式的径向动态加载、能耗较低、实施成本较低的轴承径向动态加载故障模拟诊断试验台。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种轴承径向动态加载故障模拟诊断试验台，所述试验台包括台架、驱动电机、旋转主轴、主试轴承、负载电机和径向动态加载装置，所述驱动电机安装在台架一端，所述驱动电机的输出轴与所述旋转主轴一端连接，所述旋转主轴另一端与所述负载电机的输入轴连接，所述主试轴承安装在所述旋转主轴上并固定在所述台架上；
所述径向动态加载装置包括加载爪、伸缩弹簧套筒、直线滑块、升降直线滑轨和加载支架，所述加载支架固定在所述台架上，所述升降直线滑轨固定在加载支架上，所述直线滑块可上下滑动地安装在所述升降直线滑轨内，所述伸缩弹簧套筒一端与所述直线滑块固定连接，所述伸缩弹簧套筒的另一端与所述加载爪顶部端面固定连接，所述加载爪的底部呈圆弧型并与所述旋转主轴接触，所述直线滑块与用以带动所述直线滑块上下滑动的加载传动机构连接。
进一步，所述加载爪的底部沿圆弧均匀安装有圆柱滚动体，所述滚动体与所述旋转主轴滚动接触。当然，也可以采用其他多点接触的加载爪的结构，只要能够将加载力均匀的传递到旋转主轴即可。
更进一步，所述试验台还包括两个陪试轴承，两个陪试轴承对称安装在所述旋转主轴两端并固定在所述台架上，所述主试轴承位于所述旋转主轴正中，所述主试轴承与两侧所述陪试轴承间隔距离相等。该优选方案中，采用两个陪试轴承，能够提供更好的测试环境，优选的，所述陪试轴承与主试轴承的型号一致。
再进一步，所述加载传动机构包括加载电机、同步带传动装置以及加载曲柄，所述同步带传动装置包括同步带主动轮、同步带从动轮以及同步带，所述加载电机固定在台架上，所述同步带主动轮安装在所述加载电机的输出轴端，所述同步带从动轮与所述加载曲柄安装在同一根传动轴上，所述传动轴通过附加轴承和轴承座安装在所述加载支架上，所述同步带主动轮与同步带从动轮通过同步带连接，所述加载曲柄的偏心位置的销轴套装在与连杆上端的销轴孔内，所述连杆的下端与所述直线滑块铰接。上述方案提供了一个优选的方案，当然，只要能够驱动所述直线滑块上下滑动，实现径向加载，也可以选用其他往复机构。
优选的，所述试验台还包括测控系统，所述测控系统包括测量系统，所述测量系统包括加速度传感器、热电偶、光电编码器、数据采集卡、工控机，所述加速度传感器安装于所述主试轴承座的顶端和水平端，所述热电偶安装于所述主试轴承的外圈，所述光电编码器安装在所述负载电机尾部，所述速度传感器、热电偶、光电编码器与所述数据采集卡连接，所述数据采集卡与所述工控机连接。
所述测控系统还包括电气控制系统，所述电气控制系统包括三相电源整流模块、直流母线、第一变频控制器、第二变频控制器和第三变频控制器，所述三相电源整理模块与所述直流母线连接，所述直流母线与所述第一变频控制器、第二变频控制器和第三变频控制器连接，所述第一变频控制器与所述驱动电机连接，所述第二变频控制器与所述负载电机连接，所述第三变频控制器与所述加载电机连接。
本发明的技术构思为：通过对旋转主轴多点滚动接触的径向加载，将径向载荷较为均匀的加载到主试轴承，避免单点加载导致的载荷不均，结合曲柄滑块机构往复运动特性以及变频调速电机的特性实现对主试轴承不定周期的冲击加载，通过电封闭技术实现试验过程中能量的回收循环，节约能源。
本发明的有益效果主要表现在：(1)可实现任意变化形式径向动态加载，真实模拟轴承实际运行工况；(2)为轴承的状态监控和故障诊断提供一个实时试验平台；(3)系统可长时间自动化运行，检测精度较高，能耗较低，降低了实施成本。
附图说明
图1是轴承径向加载试验台的结构示意图。
图2是轴承径向动态加载装置的结构示意图。
图3是测量系统的示意图。
图4是电气控制系统的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照图1～图4，一种轴承径向动态加载故障模拟诊断试验台，包括台架1、驱动电机2、旋转主轴3、主试轴承4、陪试轴承5、径向动态加载装置6、负载电机7、加载传动机构8，
所述驱动电机2为三相变频调速电机，用以模拟旋转机械的驱动源，电机选用安徽皖南电机，型号为YVF2-90S-4，额定功率为1.1kW，额定转速1500rpm，变频范围为5～100Hz，所述驱动电机2安装在台架1的一端，所述驱动电机2通过膜片式联轴器连接所述旋转主轴3一端并带动旋转主轴3联动旋转，所述陪试轴承5数量为两个，陪试轴承的作用是为了给旋转主轴3提供稳定的支承点并给主试轴承4提供一个良好的旋转测试环境，选用型号与所述主试轴承4型号一致，所述陪试轴承5分别安装于所述旋转主轴4的两端并固定在台架1上，所述主试轴承4安装在所述旋转主轴3的正中并固定在台架1上，所述主试轴承4与两侧所述陪试轴承5间隔距离相等，所述负载电机7的选用型号与所述驱动电机2型号一致，用以模拟旋转机械的负载，所述负载电机7安装在台架1的另一端，所述旋转主轴3的另一端通过膜片式联轴器连接并带动所述负载电机7的输出轴旋转，机械能量的传递方向为：驱动电机2——旋转主轴3——负载电机7，所述驱动电机处于正向电动状态，所述负载电机7处于反馈发电制动状态。
所述径向动态加载装置6包括加载爪6-1、伸缩弹簧套筒6-2、直线滑块6-3、升降直线滑轨6-4、加载支架6-5，所述升降直线滑轨6-4固定在所述加载支架6-5上，所述直线滑块6-3安装在升降直线滑轨6-4内，所述伸缩弹簧套筒6-2的一端与直线滑块6-3用螺栓固定连接，伸缩弹簧套筒6-2的另一端与加载爪6-1顶部端面用螺栓固定连接，所述加载爪6-1呈圆弧型，弧度为96°，底部沿圆弧均匀安装有4个可自由滚动的圆柱滚动体6-1-1，所述滚动体与6-1-1所述旋转主轴3的表面滚动接触，所述直线滑块6-3沿着升降直线滑轨6-4上下滑动压缩所述伸缩弹簧套筒6-2的长度，通过所述加载爪6-1的圆柱滚动体6-1-1对旋转主轴3施加径向力的加载，进而通过旋转主轴3向所述主试轴承4施加径向加载；
所述加载传动机构8包括加载电机8-1、同步带传动装置8-2、曲柄滑块机构8-3，所述同步带传动装置包括同步带主动轮8-2-1、同步带从动轮8-2-2以及同步带8-2-3，所述同步带主动轮8-2-1通过平键安装在所述加载电机8-1的输出轴，所述同步带从动轮通过键固定在所述曲柄滑块机构8-3的主轴8-3-1上，所述加载电机8-1通过同步带传动装置带动主轴8-3-1，所述曲柄滑块机构8-3包括主轴8-3-1、曲柄盘8-3-2、连杆8-3-3，所述曲柄盘8-3-2通过平键安装主轴8-3-1的外侧，所述连杆8-3-3一端与曲柄盘8-3-2通过短轴连接，所述连杆8-3-3的另一端与直线滑块6-3通过短轴转动连接。
所述测控系统9包括数据采集系统9-1、电气控制系统9-2，所述测量装置包括加速度传感器9-1-1、热电偶9-1-2、光电编码器9-1-3、数据采集卡9-1-4、工控机9-1-5，所述加速度传感器9-1-1选用美国Dytran公司生产的内置放大电路的压电式加速度传感器，型号为3023A，灵敏度为10mV/g，频响特性为1.5到5000Hz，量程为50g，所述加速度传感器9-1-1通过螺纹固定于所述主试轴承座的顶端和水平端，用以测量主试轴承水平方向和竖直方向的两路振动加速度信号，所述热电偶9-1-2选用T型热电偶，安装于所述主试轴承的外圈，用以测量主试轴承的温度变化，所述光电编码器9-1-3选用1000线/转、AB两相输出的编码器，安装在所述负载电机7尾部，所述数据采集卡9-1-4为选用美国国家仪器公司生产的PICe-6320多功能数据采集卡，其中包括8路模拟量输入和24路数字IO口，其中数模转换方式为Σ-Δ型，转换精度为16位，8路最大转换速率为250kS/s，数字量输入信号为TTL电平，所述数据采集卡9-1-4将加速度信号、温度信号、编码器信号分别采集后通过PCI总线传输给工控机9-1-5，所述电气控制系统包括变频控制器、三相电源整流模块9-2-2、以及直流母线9-2-3，所述变频控制器选用西门子公司的S120单机变频器，内部含有整流单元和逆变单元，所述驱动电机2通过第一变频控制器9-2-1-1连接到所述直流母线上9-2-3，所述负载电机7通过第二变频控制器9-2-1-2连接到所述直流母线9-2-3上，所述加载电机8-1通过第三变频控制器9-2-1-3连接到所述直流母线上9-2-3，所述三相电源整流模块9-2-2一端与工业三相电连接，另一端与所述直流母线9-2-3连接。
本实施例中，所述电气控制系统与驱动电机2、旋转主轴3、负载电机7构成电封闭系统，所述三相电源整流模块9-2-2将工业三相电整流成直流电，能量以直流电的形式存储在直流母线9-2-3中，第一变频控制器9-2-1-1通过内部的逆变单元将直流电逆变至驱动电机2所需的三相交流电压，按设定的转速和转矩变频控制驱动电机2工作在正向电动状态，驱动电机2通过旋转主轴3带动负载电机7，第二变频控制器二-2-1-2控制负载电机7工作在反馈发电制动状态，并将其产生的交流电通过内部的整流单元整流成直流电反馈到直流母线9-2-3中，由于机械传动效率较高，因此三相电源整流模块9-2-2只需从工业三相电中获取少量电能来补偿系统运行损耗的能量以及加载电机8-1加载所需的能量即可满足其循环运行。
径向动态加载装置6与加载传动机构8完成对主试轴承4加载过程，加载电机8-1通过同步带传动装置8-2带动曲柄滑块机构8-3运行，将加载电机8-1的旋转运动转换成直线滑块直线6-3往复的直线运动，直线滑块6-3通过伸缩弹簧套筒6-2的缓冲装置以及加载爪6-1完成对主试轴承4的动态冲击径向加载，加载电机的加载规律可通过变频控制器三实现控制，对主试轴承完成任意加载曲线的径向冲击加载。
数据采集系统9-1的软件部分在美国国家仪器公司开发的图形化编程软件LabVIEW2010平台上编写完成，完成对主试轴承4运行状态的监控和特征信号提取，由于主试轴承4运行过程中并非一直处于匀速转动状态，振动信号往往是非平稳信号，将光电编码器9-1-3安装在负载电机7尾部来获取主试轴承4旋转时的等角度采样触发信号，通过对在角域的振动信号进行快速傅里叶变换，即阶次分析，进而对被测轴承的振动信号进行故障诊断。
Claims (6)
1.一种轴承径向动态加载故障模拟诊断试验台，其特征在于：所述试验台包括台架、驱动电机、旋转主轴、主试轴承、负载电机和径向动态加载装置，所述驱动电机安装在台架一端，所述驱动电机的输出轴与所述旋转主轴一端连接，所述旋转主轴另一端与所述负载电机的输入轴连接，所述主试轴承安装在所述旋转主轴上并固定在所述台架上；
所述径向动态加载装置包括加载爪、伸缩弹簧套筒、直线滑块、升降直线滑轨和加载支架，所述加载支架固定在所述台架上，所述升降直线滑轨固定在加载支架上，所述直线滑块可上下滑动地安装在所述升降直线滑轨内，所述伸缩弹簧套筒一端与所述直线滑块固定连接，所述伸缩弹簧套筒的另一端与所述加载爪顶部端面固定连接，所述加载爪的底部呈圆弧型并与所述旋转主轴接触，所述直线滑块与用以带动所述直线滑块上下滑动的加载传动机构连接。
2.如权利要求1所述的轴承径向动态加载故障模拟诊断试验台，其特征在于：所述加载爪的底部沿圆弧均匀安装有圆柱滚动体，所述滚动体与所述旋转主轴滚动接触。
3.如权利要求1或2所述的轴承径向动态加载故障模拟诊断试验台，其特征在于：所述试验台还包括两个陪试轴承，两个陪试轴承对称安装在所述旋转主轴两端并固定在所述台架上，所述主试轴承位于所述旋转主轴正中，所述主试轴承与两侧所述陪试轴承间隔距离相等。
4.如权利要求1或2所述的轴承径向动态加载故障模拟诊断试验台，其特征在于：所述加载传动机构包括加载电机、同步带传动装置和加载曲柄，所述同步带传动装置包括同步带主动轮、同步带从动轮以及同步带，所述加载电机固定在台架上，所述同步带主动轮安装在所述加载电机的输出轴端，所述同步带从动轮与所述加载曲柄安装在同一根传动轴上，所述传动轴通过附加轴承和轴承座安装在所述加载支架上，所述同步带主动轮与同步带从动轮通过同步带连接，所述加载曲柄的偏心位置的销轴套装在与连杆上端的销轴孔内，所述连杆的下端与所述直线滑块铰接。
5.如权利要求4所述的轴承径向动态加载故障模拟诊断试验台，其特征在于：所述试验台还包括测控系统，所述测控系统包括测量系统，所述测量系统包括加速度传感器、热电偶、光电编码器、数据采集卡、工控机，所述加速度传感器安装于所述主试轴承座的顶端和水平端，所述热电偶安装于所述主试轴承的外圈，所述光电编码器安装在所述负载电机尾部，所述速度传感器、热电偶、光电编码器与所述数据采集卡连接，所述数据采集卡与所述工控机连接。
6.如权利要求5所述的轴承径向动态加载故障模拟诊断试验台，其特征在于：所述测控系统还包括电气控制系统，所述电气控制系统包括三相电源整流模块、直流母线、第一变频控制器、第二变频控制器和第三变频控制器，所述三相电源整流模块与所述直流母线连接，所述直流母线与所述第一变频控制器、第二变频控制器和第三变频控制器连接，所述第一变频控制器与所述驱动电机连接，所述第二变频控制器与所述负载电机连接，所述第三变频控制器与所述加载电机连接。
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