CN106092576A - 多功能轴承试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多功能轴承试验装置，包括旋转驱动系统单元、加载系统单元、高低温环境箱、润滑冷却系统单元及测量控制系统单元，加载系统单元可以控制轴向加载单元、径向加载单元上加载头的加载力和加载波形，高低温环境箱可真实模拟实验的真实温度环境。该多功能轴承试验装置可在试验室模拟试验轴承的服役工况，实现给定转速、润滑、温度、轴向载荷、径向载荷及周向不平衡冲击载荷等条件下试验轴承的性能测试，通过试验过程中采集的振动加速度、磨屑量等数据，分析不对中、润滑不良、受力不均等对轴承性能的影响，可更真实的模拟滚动轴承受径向载荷、轴向载荷等实际工况，对试验轴承的寿命与可靠性评估更加的可靠、系统、科学。

Description

多功能轴承试验系统

技术领域

本发明涉及滚动轴承试验领域，特别涉及一种用于滚动轴承的寿命和可靠性试验的试验系统和试验方法。

背景技术

轴承是当代机械设备中一种重要零部件，按运动元件摩擦性质的不同，轴承可分为滚动轴承和滑动轴承两大类，其中滚动轴承已经标准化、系列化。滚动轴承的主要功能是支撑机械旋转体，降低其运动过程中的摩擦系数，并保证其回转精度。滚动轴承的考核参数主要有：最高转速、额定载荷和工作寿命。为确定滚动轴承寿命的标准，通常的做法是把滚动轴承的寿命与可靠性联系起来。影响轴承寿命的因素较多，主要有安装精度不够（如不同轴、间隙不合理等）、载荷不平衡、润滑不良、冷却不到位等等。因此，由于服役工况的差别，轴承个体的实际寿命差距极大，一旦轴承失效，往往直接影响机械设备的正常运行，严重时，甚至会造成人员伤亡事故，如汽车轮轴轴承、高铁轨轮的轴承、航空发动机轴承等。因此，针对不同服役工况下轴承的可靠性试验是优化轴承性能、提高轴承寿命的必备手段，相关的试验设备目前大多由轴承研制单位自行开发。对于轴承研制单位而言，轴承即为其最终产品，其开展轴承试验的目的在于提高轴承的各项参数，因此，轴承研制单位往往会将各项参数分解开来逐一试验。但由于轴承的服役工况是由多个单一因素复合的环境，如不同轴、不平衡、润滑不良等，因此参数分解试验无法真实反映轴承的实际工况，所得试验数据实际可用度低，市场上也有部分疲劳试验设备厂商研发的试验设备。

如中国发明专利（专利号：201010678673）就公开了一种轴承试验机。其解决了轴承参数分解试验无法模拟实际工况、试验数据实际可用度低的问题。所采取的技术措施是：一种轴承试验机，包括机架、设于机架上的安装座和伸入到安装座处的转动轴、设于机架上的径向载荷装置，径向载荷装置与转动轴之间通过传动带联接，其特征在于，在机架上设有轴向载荷装置，轴向载荷装置包括冲头和动力机构，在动力机构的带动下，冲头的端部可对转动轴施加轴向载荷。相较于参数分解试验设备，该专利所述的轴承试验机在模拟实际工况上有很大的进步，可实现旋转、径向载荷、轴向载荷的复合试验。但从其所述联接方式可知，其径向载荷装置和轴向载荷装置所施加的载荷量是不可调的，只适用于某特定载荷的工况模拟。而轴承作为一种通用零件，其面对的工况是多种多样的，要了解轴承有不同工况下的性能特性，需要具备多种工况模拟能力的试验设备，如可调载荷量的径向、轴向加载装置，可调温度的高低环境箱，可调参数的润滑冷却装置等。因此有必要设计一种多功能的轴承试验系统来满足不同工况的轴承试验。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种能够满足不同工况的多功能轴承试验系统。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种多功能轴承试验系统，其包括：旋转驱动系统单元，所述旋转驱动系统单元包括一驱动电机，所述驱动电机通过一传动机构与至少一根输出轴连接，所述输出轴与被试轴承的内圈配合安装，被试轴承的外圈与轴承座配合安装，所述轴承座在加载方向上的自由度不受限制；加载系统单元，所述加载系统单元包括至少一个轴向加载单元和至少一个径向加载单元，所述轴向加载单元、径向加载单元与所述轴承座位置一一对应，所述轴向加载单元的加载头作用在试验轴承的外圈上，所述径向加载单元的加载头作用在所述轴承座上； 高低温环境箱，所述高低温环境箱设置在被试轴承处，用于为被试轴承提供试验所模拟的高低温环境； 润滑冷却系统单元，所述润滑冷却系统单元用于对整个系统所有的旋转轴承进行润滑，该润滑冷却系统单元在被试轴承的润滑通道上各润滑参数可调可控；测量控制系统单元，所述测量控制系统单元包括电气控制单元和测量单元，所述电气控制单元与所述旋转驱动系统单元、加载系统单元、高低温环境箱和润滑冷却系统单元连接，用于控制各系统单元的动作及参数，包括旋转驱动系统单元的启停、转速，轴向加载单元、径向加载单元的动作、参数及加载波形，高低温环境箱的启停、温度参数，润滑冷却系统单元的启停、参数；所述测量单元与各系统中的检测传感器相连，用于检测试验过程中系统本体状态及被试轴承的试验参数。

优选地，所述轴向加载单元或径向加载单元包括一伺服加载液压缸，所述伺服加载液压缸与所述加载头连接，所述加载头上设有力传感器。

优选地，所述高低温环境箱设置在安装被试轴承的轴承座一侧，所述高低温环境箱的内腔通过送风管道与所述轴承座的封闭腔连通。

优选地，所述驱动电机的输出轴与所述传动机构的输入轴之间设有弹性联轴器和扭矩限制装置。

优选地，所述轴承座的底部和顶部均设有低摩擦垫板。

优选地，所述测量单元包括一清洁度监测模块，所述清洁度监测模块安装在被试轴承的润滑油路中，用于检测润滑油中的颗粒物。

优选地，所述测量单元包括一振动测量单元，所述振动测量单元包括安装在轴承座上的振动传感器。

优选地，所述测量单元还包括转速测量模块、温度测量模块、扭矩测量模块、润滑油参数测量模块及载荷测量模块。

如上所述，本发明的轴承试验装置具有以下有益效果：该多功能轴承试验装置通过测量控制系统单元设定加载系统单元、高低温环境箱、润滑冷却系统单元的试验参数，可在试验室模拟试验轴承的服役工况，实现给定转速、润滑、温度、轴向载荷、径向载荷及周向不平衡冲击载荷等条件下试验轴承的性能测试，同时可通过试验过程中采集的振动加速度、磨屑量等数据，分析不对中、润滑不良、受力不均等对轴承性能的影响。该多功能轴承试验装置可用于模拟滚动轴承受径向载荷、轴向载荷等多种工况，测试轴承刚度、轴承运行温度、轴心轨迹等转子系统参数，可真实的模拟试验轴承的实际服役工况，对试验轴承的寿命与可靠性评估更加的可靠、系统、科学。

附图说明

图1为本发明实施例的整体结构示意图。

图2为本发明实施例的主视图。

图3为本发明实施例的俯视图。

图4为本发明轴向加载单元或径向加载单元的控制系统示意图。

图5为本发明实施例温控系统的结构示意图。

图6为本发明实施例油气喷射润滑系统的结构示意图。

图7为本发明实施例环下润滑系统的结构示意图。

元件标号说明。

1、试验台底架 2、电机安装座 3、驱动电机 4、电机压盖 5、输出轴 6、弹性联轴器 7、扭矩限制装置 8、传动箱 9、径向伺服加载液压缸 10、径向加载支架 11、轴向伺服加载液压缸 12、轴向加载支架 13、轴承座 14、输入轴 15、试验轴承限位装置 16、伺服加载液压缸 17、加载头 18、伺服阀 19、力传感器 20、伺服控制器 21、位移传感器 22主控计算机 23、喷嘴 24、试验轴承 25、轴承外圈 26、轴承内圈 27、注油孔 28、高低温环境箱 29、送风管道。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

请参阅图1至图7。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

本发明提供一种轴承试验装置，其主要包括驱动系统、加载系统单元、测量控制系统单元、高低温环境箱和润滑冷却系统单元五个部分。

如图1、2、3所示，该驱动系统包括一驱动电机3，驱动电机3固定在电机安装座2上，固定安装座2固定在试验台底架1上，电机安装座2上还设有电机压盖4用于压紧驱动电机。驱动电机3的输出轴5通过一传动机构与至少一根输出轴30连接。试验轴承安装在输出轴30远端，在轴向用输出轴30远端的凸台进行限位，输出轴30用于固定试验轴承的内圈。试验轴承的外圈安装在轴承座13中，输出轴30与轴承座13位置对应，轴承座13在在加载方向上的自由度不受限制，即为浮动安装，底部不固定，这样可以加载径向力。轴承座13有注油空，液压供油软管等。在轴承座13的上方还设有试验轴承限位装置15。

轴承座13的底部设有铜垫板，通过铜垫板可调整轴承座13的中心高度，使得和输出轴30高低一致；同时轴承座13底部为平面，可以抵抗由轴承摩擦产生的翻转力矩；采用铜垫板还可尽量减小左右加载时轴承座所受的摩擦力。

传动机构可根据需要设置为多种形式，作为本专利的一个具体实施例，该传动机构包括一传动箱8，传动箱8包括一输入轴14，输出轴5通过输入轴14与传动箱8连接，在输出轴5与输入轴14之间设有弹性联轴器6和扭矩限制装置7。弹性联轴器6可在高速旋转传递扭矩的同时，依靠特定型面的弹性金属膜盘变形吸收两个旋转轴的不对中以及冲击载荷。轴承试验在高速运转过程中，加载于轴承上的额定动态载荷、轴向/径向载荷以及润滑油污染变质触发轴承失效，引起从动轴的挠曲和内应力，使设备产生振动和噪声的急剧增大，严重时会引起零部件严重变形、断裂等驱动系统破坏的重大事故。为了防止轴承失效导致驱动系统破坏事件出现，设置过载保护器。过载保护器选用扭矩限制装置7，扭矩限制装置7是一种机械式过载保护装置，安装于高速电机和从动轴之间，传递扭矩超过设定值便会脱开，从而使动力传动的主、被动侧分离，使机械设备免遭过载而引起的损坏。扭矩限制装置的过载扭矩可以根据需要进行调节，过载瞬间可向系统提供过载电信号，从而控制试验系统做出快速反应。

传动箱8内还设有一组相互啮合的齿轮，齿轮的个数与输出轴30的个数相同，输出轴30与齿轮一一对应同轴固定连接，输入轴14的一端与其中传动箱内一个齿轮同轴连接。这样当驱动电机3工作时，就可通过输入轴14、齿轮带动输出轴30同步旋转，输出轴30的个数可根据需要设置多个，如本实施例中，输出轴30设置了两个，这样就可以同时对两个轴承进行试验。输出轴30应用轴承座支撑，保证输出轴承载能力强，刚度好。

加载系统单元包括至少一个轴向加载单元和至少一个径向加载单元，轴向加载单元、径向加载单元与轴承座位置一一对应。如图1、2、3所示，该实施例中包括两个轴向加载单元和两个径向加载单元。轴向加载单元包括一轴向伺服加载液压缸11，轴向伺服加载液压缸11固定在轴向加载支架12上，轴向加载支架12固定在试验台底架1上。轴向伺服加载液压缸11上的加载头加载头作用在试验轴承的外圈上，用于对试验轴承提供轴向加载力。由于轴承内圈限位，轴向力会导致轴承外圈产生相对于轴承内圈的位移，在有加载力情况下进行进行轴承的可靠性测试。径向加载单元包括一径向伺服加载液压缸9，径向伺服加载液压缸9固定在径向加载支架10上，径向加载支架10固定在试验台底架1上。径向伺服加载液压缸9上的加载头加载头作用在轴承座13上，轴承座13将横向载荷传递到轴承外圈上，使得轴承外圈压轴承滚珠，力通过轴承滚珠传递到轴承内圈，再传递到输出轴30上，对轴承的可靠性进行测试。

如图4所示，轴向加载单元和径向加载单元的加载力控制系统基本相同，其主要包括伺服加载液压缸16，伺服加载液压缸16与加载头17固定连接，加载头17上安装有力传感器19，力传感器19用于测量加载力的大小，在伺服加载液压缸16还设有一位移传感器21，位移传感器21用于检测伺服加载液压缸的位移。伺服加载液压缸16与一伺服阀18连接，伺服阀18与伺服控制器20连接，伺服控制器20发出控制信号给伺服阀18，伺服阀18控制伺服加载液压缸16动作。力传感器19、位移传感器21与伺服控制器20形成一闭环系统，伺服控制器20与测量控制系统单元的主控计算机22连接，主控计算机22只需要输入变化的曲线，对于周期加载曲线，只需要输入加载周期，加载值，加载波形（正弦波、方波、三角波）等，将这些参数传输到伺服控制器20，伺服控制器20启动后将按照输入的力变化曲线由伺服加载液压缸16进行加载，伺服控制器20自反馈控制系统工作。伺服控制器20可控制轴向加载单元、径向加载单元上加载头的加载力和加载波形变化，这样可以更加真实的模拟轴承的工况。

如图5所示，该多功能轴承试验装置还包括一高低温环境箱28，高低温环境箱28设置在轴承座13的一侧，高低温环境箱28的内腔通过送风管道29与轴承座13的封闭腔连通。采用这种方式高低温环境箱的使用效率较高，损耗较小，各种管线也方便安装。高低温环境箱可将高低温箱分别设立，通过相同的送风管道29与轴承座13的封闭腔连接。低温箱温度可控范围：-60℃～150℃，高温箱温度可控范围：室温～500℃。为了能够对温度精确控制，可在轴承座13的封闭腔内设置温度传感器，使温度传感器与高低温环境箱连接，进行闭环控制。试验轴承安装在高温箱中进行测试时，为避免高温对力传感器的影响，在力传感器外端安装加载连接器和隔热组件，使加载端伸入高温箱中，对被试件加载，而力传感器及作动器在高温箱外部。

该轴承试验装置还包括一润滑冷去系统，因为在轴承工作时为减少摩擦和磨损,避免轴承表面形成点蚀而造成失效,就要求对轴承必须进行润滑。润滑对滚动轴承的疲劳寿命和摩擦、磨损、温度、振动等有显著地影响。滚动轴承在高温、高速条件下工作时,须采用机油润滑。该轴承试验装置采用油气喷射润滑系统和环下润滑系统两种方式进行润滑。

如图6所示，油气喷射润滑系统是在被试轴承座附近引入可调节的液压管线，通过油泵直接加压将润滑油从接近轴承的喷嘴23的小孔中以10～20m／s的速度喷入试验轴承24保持架与内圈或外圈所形成的间隙中，以润滑和冷却轴承。喷射润滑比较适用于DN值为2.5～3×10的高速轴承。油气喷射润滑系统主要由全自动电控器、润滑泵、气源联件、油量调节阀、过滤器、分配器、气体分配阀、气量调节阀、喷射嘴、空气压缩机等主要部件组成。

如图7所示，环下润滑系统是利用高速旋转产生的离心力，直接将油经由开设在轴承内圈26上的许多径向注油孔27而喷向滚道表面,油的一部分沿内圈下方作轴向流动而达到冷却内圈的目的，进入滚道的油分成左右两条通道向外流出，顺便将从保持架等零件落下的磨屑冲刷掉。这种润滑方法的用油量比喷油润滑少得多，由于油的动力搅拌所导致的功率损失也少，轴承的发热情况也得到较大改善，甚至内圈温度可能低于外圈而降低轴承故障率，这种润滑方法同样可以用来冷却轴承外圈25。

以上两种润滑方式在设备中共存，并可进行切换使用，轴承座内设置防泄漏密封，使经过轴承的滑油通过滚道，首先回到润滑泵油箱内重复利用（可进行金属、非金属颗粒及水分检测）。另外，润滑系统在润滑泵出口端设置多级可选性过滤装置，对进入被试轴承的滑油的清洁度进行人工干预，通过前后置油品检测仪采集滑油的清洁度数据，供试验参考。润滑系统可设置油温加热部分，控制进入轴承的滑油温度。

上述测量控制系统单元用于对整个的装置的运行进行控制和监测，分为电气控制单元和测量单元。电气控制单元主要是完成对驱动电机的动作控制、液压执行元件的控制；测量单元主要是完成对被试轴承试验过程中受到的各种载荷数据进行测量、存储、复现等功能。测量单元主要包括转速、温度、振动、噪声、力矩、清洁度等测量模块，以在需要时提供对应的数据。因此该电气控制系统还可设置以下测量模块。

1)转速测量模块，采用激光光电传感器，用于检测输出轴的转速。

2)温度测量模块，主要包括轴承内油温测量传感器，油箱油温测量传感器，进油和回油油温测量传感器。油温测量采用铂电阻温度传感器（PT100）零度阻值为100Ω，电阻变化率为0.3851Ω/℃。铂电阻温度传感器精度高，稳定性好，应用温度范围广，是中低温区（-200～650℃）最常用的一种温度检测器。

3)载荷测量模块，测量的载荷为为动态载荷，通过力传感器感应，系统有轴向和径向四路力传感器，力传感器进过力变送器，将力信号变为4～20mA电流信号，再进过采集板采集，数据处理后进行显示和存储。

4)振动测量模块，主要用于对轴承在试验过程中产生的振动情况进行监测，采用加速度传感器，安装在轴承座13处，同时还可以在轴承座上安装电涡流位移传感器测试轴承表面的位移变化。

5)噪声测量模块，用电容测试传声器测试噪声信号，该传感器连接前置变送器将被测声压信号转换为电信号。具有频率范围宽，频率特性好，动态范围宽，稳定好等特点。

6)扭矩监测模块，选用扭矩传感器测量电机输出的扭矩。

7)清洁度监测模块，由于润滑油黏度、污染度（磁屑等颗粒含量）以及油液水成分等因素决定轴承润滑情况，从而影响轴承寿命。试验中需要检测油液清洁度度。该系统选用北京航峰科伟装备技术股份有限公司的KLD-O-S在线式油液污染度水分检测仪。KLD-O-S在线式油液污染度水分检测仪主要能够检测油液中颗粒污染度和油液中的水分。

通过测量上述参数，可对试验轴承的实际服役工况做进一步的了解，如测量到轴承的振动、传递扭矩以及滑油清洁度等参数后，就可判断轴承是否出现打滑的情况，进而判断轴承是否失效，以及其失效的原因。

该测量控制系统单元采用的电气控制单元主要包括主控计算机、下位机、变频器和伺服控制器，主控计算机与下位机、变频器、伺服控制器连接。下位机上设有数据采集卡，用于采集各监测模块的反馈信号。变频器与驱动电机连接，控制驱动电机工作。伺服控制器用于驱动伺服液压气缸工作。主控计算机采用工控机，和下位机采用网线连接，和变频器采用RS485串行口连接，和加载力控制器采用网线连接，分别控制电机、力加载器、采集系统的状态信号。

该多功能轴承试验装置通过测量控制系统单元设定加载系统单元、高低温环境箱、润滑冷却系统单元的试验参数，可在试验室模拟试验轴承的服役工况，实现给定转速、润滑、温度、轴向载荷、径向载荷及周向不平衡冲击载荷等条件下试验轴承的性能测试，同时可通过试验过程中采集的振动加速度、磨屑量等数据，分析不对中、润滑不良、受力不均等对轴承性能的影响。该多功能轴承试验装置可用于模拟滚动轴承受径向载荷、轴向载荷等多种工况，测试轴承刚度、轴承运行温度、轴心轨迹等转子系统参数，可真实的模拟试验轴承的实际服役工况，对试验轴承的寿命与可靠性评估更加的可靠、系统、科学。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (8)

1.一种多功能轴承试验系统，其特征在于，其包括：

旋转驱动系统单元，所述旋转驱动系统单元包括一驱动电机，所述驱动电机通过一传动机构与至少一根输出轴连接，所述输出轴与被试轴承的内圈配合安装，被试轴承的外圈与轴承座配合安装，所述轴承座在加载方向上的自由度不受限制；

加载系统单元，所述加载系统单元包括至少一个轴向加载单元和至少一个径向加载单元，所述轴向加载单元、径向加载单元与所述轴承座位置一一对应，所述轴向加载单元的加载头作用在试验轴承的外圈上，所述径向加载单元的加载头作用在所述轴承座上；

高低温环境箱，所述高低温环境箱设置在被试轴承处，用于为被试轴承提供试验所模拟的高低温环境；

润滑冷却系统单元，所述润滑冷却系统单元用于对整个系统所有的旋转轴承进行润滑，该润滑冷却系统单元在被试轴承的润滑通道上各润滑参数可调可控；

测量控制系统单元，所述测量控制系统单元包括电气控制单元和测量单元，所述电气控制单元与所述旋转驱动系统单元、加载系统单元、高低温环境箱和润滑冷却系统单元连接，用于控制各系统单元的动作及参数，包括旋转驱动系统单元的启停、转速，轴向加载单元、径向加载单元的动作、参数及加载波形，高低温环境箱的启停、温度参数，润滑冷却系统单元的启停、参数；所述测量单元与各系统中的检测传感器相连，用于检测试验过程中系统本体状态及被试轴承的试验参数。

2.根据权利要求1所述的多功能轴承试验系统，其特征在于：所述轴向加载单元或径向加载单元包括一伺服加载液压缸，所述伺服加载液压缸与所述加载头连接，所述加载头上设有力传感器。

3.根据权利要求1所述的多功能轴承试验系统，其特征在于：所述高低温环境箱设置在安装被试轴承的轴承座一侧，所述高低温环境箱的内腔通过送风管道与所述轴承座的封闭腔连通。

4.根据权利要求1所述的多功能轴承试验系统，其特征在于：所述驱动电机的输出轴与所述传动机构的输入轴之间设有弹性联轴器和扭矩限制装置。

5.根据权利要求1所述的多功能轴承试验系统，其特征在于：所述轴承座的底部和顶部均设有低摩擦垫板。

6.根据权利要求1所述的多功能轴承试验系统，其特征在于：所述测量单元包括一清洁度监测模块，所述清洁度监测模块安装在被试轴承的润滑油路中，用于检测润滑油中的颗粒物。

7.根据权利要求1所述的轴承试验装置，其特征在于：所述测量单元包括一振动测量单元，所述振动测量单元包括安装在轴承座上的振动传感器。

8.根据权利要求1所述的轴承试验装置，其特征在于：所述测量单元还包括转速测量模块、温度测量模块、扭矩测量模块、润滑油参数测量模块及载荷测量模块。