CN106969915B - 一种电动缸夹紧的顶轴式多规格滚动轴承试验台 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电动缸夹紧的顶轴式多规格滚动轴承试验台，第一顶轴、第二顶轴的花键轴分别与第一套轴、第二套轴的花键孔配合，第一顶轴、第二顶轴的阶梯轴顶住试验滚动轴承的内圈，第一套轴与驱动电机相连，第二套轴与转矩转速仪一端相连，转矩转速仪另一端与加载电机相连；三个伺服电动缸的伸出轴夹紧试验滚动轴承的外圈；驱动电机和第一带座轴承安装在驱动端底座上，第二带座轴承、转矩转速仪和加载电机安装在加载端底座上，驱动端底座、环形支架和加载端底座安装在基座台上。本发明实现了多规格滚动轴承的安装，能够对多规格的滚动轴承进行故障模拟实验或者寿命与可靠性试验，且拆装方便，控制精确，数据采集可靠、完备。

Description

一种电动缸夹紧的顶轴式多规格滚动轴承试验台
技术领域
本发明涉及一种滚动轴承试验台，尤其涉及一种电动缸夹紧的顶轴式多规格滚动轴承试验台。
背景技术
滚动轴承是现代机械设备中一种非常重要的标准零件，其支撑着机械设备中的旋转轴，并起着降低旋转运动摩擦系数和保证回转精度的作用。在很多情况下，滚动轴承运行环境为高温、高转速或者变转速、重载荷或者变载荷工况，如高速列车、风力发电机、矿山机械与汽车等；此外，滚动轴承还可能会运行于润滑不良、异物侵入等恶劣工况下。这些因素使得滚动轴承容易出现点蚀、裂纹、磨损或者剥落等损伤，而滚动轴承损伤最终又会引发机械设备故障，其后果轻则使得设备停机，造成经济损失，重则导致安全事故。因此，滚动轴承长寿命、可靠地运行对于提高机械设备的运行效率或生产效益有着至关重要的作用。
根据国家标准GB/T 24607-2009，滚动轴承需要进行寿命与可靠性试验及评定，同时为对滚动轴承开展性能、寿命以及故障诊断等方面的科学研究，滚动轴承生产企业、相关质检单位以及高校、研究所等科研机构均需要为此构建相应的滚动轴承测试试验台。
滚动轴承安装基本上都是外圈固定、内圈可旋转，但滚动轴承一旦安装固定之后，其安装机构就很难改变。由于滚动轴承的规格非常多，宽度与内、外圈直径不尽相同，设计加工出的一个特定安装机构通常只适用于某一规格的滚动轴承。这也使得目前大多数滚动轴承试验台通常只能对某一规格的滚动轴承进行试验。而若要在这些试验台上对其它规格的滚动轴承进行试验，则需改变其上滚动轴承安装装置的尺寸，时间与经济成本较高。
发明内容
针对现有的滚动轴承试验台难以对多规格滚动轴承进行试验的局限性，本发明的目的在于提供一种电动缸夹紧的顶轴式多规格滚动轴承试验台，本发明通过两个可更换的顶轴和伺服电动缸的组合来对多规格的滚动轴承进行安装，从而对多规格的滚动轴承进行试验，其结构简单、拆装方便。
本发明采用的技术方案是：
一种电动缸夹紧的顶轴式多规格滚动轴承试验台，其特征在于：包括基座台、驱动电机、第一套轴、第一顶轴、试验滚动轴承、第二顶轴、第二套轴、转矩转速仪、加载电机和三个伺服电动缸；第一顶轴的花键轴与第一套轴的花键孔配合，第二顶轴的花键轴与第二套轴的花键孔配合，第一顶轴、第二顶轴的阶梯轴顶住试验滚动轴承内圈，第一套轴的另一端贯穿第一带座轴承，通过第一弹性联轴器与驱动电机伸出轴相连，第二套轴的另一端贯穿第二带座轴承，通过第二弹性联轴器与转矩转速仪一端伸出轴相连，转矩转速仪另一端伸出轴通过第三弹性联轴器与加载电机伸出轴相连；三个伺服电动缸间隔120°地安装在环形支架上，其三个伸出轴夹紧试验滚动轴承的外圈；驱动电机和第一带座轴承安装在驱动端底座上，第二带座轴承、转矩转速仪和加载电机安装在加载端底座上，驱动端底座、环形支架和加载端底座安装在基座台上。
进一步地，所述基座台上加工有T形槽。
进一步地，所述驱动电机内部安装有光电编码器。
进一步地，所述第一顶轴和所述第二顶轴的阶梯轴最外段轴直径与所述试验滚动轴承的内径相同，两个阶梯轴最外段轴的长度之和小于所述试验滚动轴承的宽度；所述第一顶轴和所述第二顶轴可以更换为花键轴尺寸相同但阶梯轴尺寸不同的新顶轴。
优选地，所述试验台还包括电气控制系统，所述电气控制系统包括整流模块、第一变频器、第二变频器、直流母线、控制单元、可编程逻辑控制器、第一伺服控制器、第二伺服控制器、第三伺服控制器和第一工控机；整流模块与直流母线连接，第一变频器与所述驱动电机连接，第二变频器与所述加载电机连接，第一变频器与第二变频器通过直流母线连接，第一变频器、第二变频器同时连接到控制单元，控制单元与可编程逻辑控制器连接，所述三个伺服电动缸分别连接到第一伺服控制器、第二伺服控制器和第三伺服控制器上，第一伺服控制器、第二伺服控制器和第三伺服控制器连接到可编程逻辑控制器上，可编程逻辑控制器与第一工控机连接。
优选地，所述试验台还包括测试系统，所述测试系统包括振动传感器、光电隔离器、模拟量输入模块、数字量I/O模块、机箱和第二工控机；振动传感器安装在所述环形支架上，并与模拟量输入模块连接；所述转矩转速仪经由光电隔离器与数字量I/O模块连接；模拟量输入模块、数字量I/O模块安装在机箱上，机箱与第二工控机连接。
本发明具有的有益效果是：
1、两个顶轴结构简单，加工与拆装方便，通过更换不同尺寸的顶轴，可以安装不同内径规格的滚动轴承，三个伺服电动缸通过伸出轴的伸缩可以夹紧多种外径规格的滚动轴承，因而能够对多规格的滚动轴承进行试验。
2、驱动端底座、环形支架和加载端底座均可以在基座台上沿T形槽移动，因此能够方便地安装与拆卸试验滚动轴承。
3、不仅为滚动轴承的故障模拟实验提供了一个良好平台，而且通过伺服电动缸的独立控制，可以实现滚动轴承的径向加载，从而也为滚动轴承的寿命与可靠性试验提供了一个良好平台。
附图说明
图1是本发明的等轴侧视图；
图2是本发明的正视图；
图3是本发明的试验滚动轴承内圈安装的爆炸图；
图4是本发明的试验滚动轴承内圈安装的结构示意图；
图5是本发明的试验滚动轴承外圈被伺服电动缸夹紧的结构示意图；
图6是本发明的电气控制系统的架构示意图；
图7是本发明的测试系统的架构示意图。
图中：基座台1、驱动电机2、第一弹性联轴器3、第一带座轴承4、第一套轴5、第一顶轴6、试验滚动轴承7、第二顶轴8、第二套轴9、第二带座轴承10、第二弹性联轴器11、转矩转速仪12、第三弹性联轴器13、加载电机14、驱动端底座15、加载端底座16、第一伺服电动缸17、第二伺服电动缸18、第三伺服电动缸19、环形支架20、整流模块21-1、第一变频器21-2、第二变频器21-3、直流母线21-4、控制单元21-5、可编程逻辑控制器21-6、第一伺服控制器21-7、第二伺服控制器21-8、第三伺服控制器21-9、第一工控机21-10、振动传感器22-1、光电隔离器22-2 、模拟量输入模块22-3 、数字量I/O模块22-4 、机箱22-5、第二工控机22-6。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
参照图1~图7，一种阶梯轴安装的伺服电动缸夹紧式多规格滚动轴承试验台，其特征在于：包括基座台1、驱动电机2、第一套轴5、第一顶轴6、试验滚动轴承7、第二顶轴8、第二套轴9、转矩转速仪12、加载电机14和三个伺服电动缸17、18、19。
本实施例中试验滚动轴承7为6006深沟球轴承，内径为30mm，外径为55mm，宽度为15mm。第一顶轴6和第二顶轴8的阶梯轴最外段轴直径与试验滚动轴承7的内径相同，两个阶梯轴最外段轴的长度均为5mm，长度之和小于试验滚动轴承7的宽度。第一顶轴6的花键轴与第一套轴5的花键孔配合，第二顶轴8的花键轴与第二套轴9的花键孔配合，第一顶轴6、第二顶轴8的阶梯轴顶住试验滚动轴承7内圈。第一套轴5的另一端贯穿第一带座轴承4，通过第一弹性联轴器3与驱动电机2伸出轴相连，第二套轴9的另一端贯穿第二带座轴承10，通过第二弹性联轴器11与转矩转速仪12一端伸出轴相连，矩转速仪12另一端伸出轴通过第三弹性联轴器13与加载电机14伸出轴相连。驱动电机2为变频调速三相异步电机，选用安徽皖南的YVF2-100L1-4型号，额定功率为2.2kW，额定转速为3000rpm，额定转矩7.3Nm，驱动电机2内部还安装有100线的测速用光电编码器，以实现驱动电机2的转速闭环控制。转矩转速仪12选用北京新宇航测控的JN338-A系列直连式转矩转速传感器，转矩量程为20Nm，转速量程为6000rpm。加载电机14的型号与驱动电机2一致，但没有安装光电编码器，且工作于发电状态。第一伺服电动缸17、第二伺服电动缸18和第三伺服电动缸19间隔120°地安装在环形支架20上，其三个伸出轴夹紧试验滚动轴承7的外圈。伺服电动缸选用力姆泰Exlar 伺服电动缸的 GSX20-0301型号，行程75mm，导程2.54mm，最大静载5560N，内置压力传感器。驱动电机2和第一带座轴承4安装在驱动端底座15上，第二带座轴承10、转矩转速仪12和加载电机14安装在加载端底座16上，驱动端底座15、环形支架20和加载端底座16安装在基座台1上。
试验台电气控制系统包括整流模块21-1、第一变频器21-2、第二变频器21-3、直流母线21-4、控制单元21-5、可编程逻辑控制器21-6、第一伺服控制器21-7、第二伺服控制器21-8、第三伺服控制器21-9和第一工控机21-10。电气控制系统主要采用西门子SINAMICSS120 伺服控制系统来实现，其中整流模块21-1选用额定功率为5kW的非调节电源模块，第一变频器21-2、第二变频器21-3均选用额定功率为2.7kW的单轴电机模块，控制单元21-5选用CU 320控制器。整流模块21-1接入工业三相电，并连接到直流母线21-4上，第一变频器21-2通过DRIVE-CLiQ电缆与驱动电机2连接，第二变频器21-3通过DRIVE-CLiQ电缆与加载电机14连接，第一变频器21-2与第二变频器21-3通过直流母线21-4相互连接，第一变频器21-2、第二变频器21-3通过DRIVE-CLiQ电缆连接到控制单元21-5，控制单元21-5通过以太网与可编程逻辑控制器21-6连接。第一伺服电动缸17、第二伺服电动缸18与第三伺服电动缸19分别通过高性能伺服电缆及反馈电缆连接到第一伺服控制器21-7、第二伺服控制器21-8和第三伺服控制器21-9上；第一伺服控制器21-7、第二伺服控制器21-8和第三伺服控制器21-9通过以太网连接到可编程逻辑控制器21-6上，可编程逻辑控制器21-6通过以太网与第一工控机21-10连接。
试验台测试系统包括振动传感器22-1、光电隔离器22-2、模拟量输入模块22-3、数字量I/O模块22-4、机箱22-5和第二工控机22-6。其中，模拟量输入模块22-3选用NI 9324数据采集卡，数字量I/O模块22-4选用NI 9401数据采集卡，机箱22-5选用NI cDAQ-9132机箱。振动传感器22-1安装在环形支架20上，与模拟量输入模块22-3连接；转矩转速仪12经由光电隔离器22-2与数字量I /O模块22-4连接；模拟量输入模块22-3、数字量I/O模块22-4安装在机箱22-5上，机箱22-5与第二工控机22-6连接。测试系统的数据采集软件部分由第二工控机22-6上的NI LabView软件编程实现。
电气控制系统中的西门子SINAMICS S120 伺服控制系统与驱动电机2、加载电机14构成电封闭系统。驱动电机2采用转速控制方式，可以使其在额定转速内以任一恒定转速或者按照某一函数变化的转速进行旋转。加载电机14采用转矩控制方式，可以在额定转矩内施加任一恒定的载荷，因此，加载电机14工作于发电状态，其产生的电能可以反馈到直流母线21-4中再供驱动电机2使用，整流模块21-1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14加载所需的能量，从而使试验台达到节能的目的。电气控制系统中的第一伺服控制器21-7、第二伺服控制器21-8和第三伺服控制器21-9可以分别对内置压力传感器的第一伺服电动缸17、第二伺服电动缸18和第三伺服电动缸19所施加的载荷进行闭环控制，从而对试验滚动轴承7的三个径向进行精确地加载。
本实施例中，当利用第一伺服电动缸17、第二伺服电动缸18与第三伺服电动缸19对试验滚动轴承7进行等载荷地夹紧时，试验台可以进行滚动轴承的故障模拟实验。试验滚动轴承7的内圈、外圈或者滚动体上可以通过人工的方法设置所要研究的点蚀、裂纹、磨损、剥落或者它们的组合等故障损伤。在试验台的运行过程中，转矩转速仪12测量试验台的转速、转矩数据，对试验台的工况进行监测，振动传感器22-1采集试验滚动轴承7的振动数据。最后利用采集到的振动数据和转速、转矩数据，可以对滚动轴承的状态监测与故障预测、诊断方法进行研究与探索。当试验滚动轴承7被等载荷地夹紧后，再利用第一伺服电动缸17对试验滚动轴承7进行单独地径向加载时，又可以进行试验滚动轴承7的寿命与可靠性试验。
本实施例中试验滚动轴承7可以更换为内径相同但外径规格不同的深沟球轴承，如6206、6306深沟球轴承，此时第一顶轴6与第二顶轴8不需要更换。
本实施例中试验滚动轴承7可以更换为其它内径规格的深沟球轴承，此时只需将第一顶轴6与第二顶轴8更换，更换后两根新顶轴的花键轴尺寸与第一顶轴6或者第二顶轴8的相同，阶梯轴最外段轴直径与更换后深沟球轴承的内径相同，两个阶梯轴最外段轴的长度之和小于更换后深沟球轴承的宽度。
进一步地，本实施例中试验滚动轴承7可以更换为其它类型的滚动轴承，如角接触轴承、圆柱滚子轴承和圆锥滚子轴承等，此时只需将第一顶轴6与第二顶轴8更换成阶梯轴最外段轴直径与更换后滚动轴承内径相同、阶梯轴最外段轴长度之和小于更换后滚动轴承宽度的两根新顶轴。
以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变换或变型，因此所有等同的技术方案也应该属于本发明的范畴，应由各权利要求所限定。

Claims (6)

1.一种电动缸夹紧的顶轴式多规格滚动轴承试验台，其特征在于：包括基座台(1)、驱动电机(2)、第一套轴(5)、第一顶轴(6)、试验滚动轴承(7)、第二顶轴(8)、第二套轴(9)、转矩转速仪(12)、加载电机(14)和三个伺服电动缸(17、18、19)；第一顶轴(6)的花键轴与第一套轴(5)的花键孔配合，第二顶轴(8)的花键轴与第二套轴(9)的花键孔配合，第一顶轴(6)、第二顶轴(8)的阶梯轴顶住试验滚动轴承(7)内圈，第一套轴(5)的另一端贯穿第一带座轴承(4)，通过第一弹性联轴器(3)与驱动电机(2)伸出轴相连，第二套轴(9)的另一端贯穿第二带座轴承(10)，通过第二弹性联轴器(11)与转矩转速仪(12)一端伸出轴相连，转矩转速仪(12)另一端伸出轴通过第三弹性联轴器(13)与加载电机(14)伸出轴相连；三个伺服电动缸(17、18、19)间隔120°地安装在环形支架(20)上，其三个伸出轴夹紧试验滚动轴承(7)的外圈；驱动电机(2)和第一带座轴承(4)安装在驱动端底座(15)上，第二带座轴承(10)、转矩转速仪(12)和加载电机(14)安装在加载端底座(16)上，驱动端底座(15)、环形支架(20)和加载端底座(16)安装在基座台(1)上。
2.根据权利要求1所述的一种电动缸夹紧的顶轴式多规格滚动轴承试验台，其特征在于：所述基座台(1)上加工有T形槽。
3.根据权利要求1所述的一种电动缸夹紧的顶轴式多规格滚动轴承试验台，其特征在于：所述驱动电机(2)内部安装有光电编码器。
4.根据权利要求1所述的一种电动缸夹紧的顶轴式多规格滚动轴承试验台，其特征在于：所述第一顶轴(6)和所述第二顶轴(8)的阶梯轴最外段轴直径与所述试验滚动轴承(7)的内径相同，两个阶梯轴最外段轴的长度之和小于所述试验滚动轴承(7)的宽度；所述第一顶轴(6)和所述第二顶轴(8)可以更换为花键轴尺寸相同但阶梯轴尺寸不同的新顶轴。
5.根据权利要求4所述的一种电动缸夹紧的顶轴式多规格滚动轴承试验台，其特征在于：所述试验台还包括电气控制系统，所述电气控制系统包括整流模块(21-1)、第一变频器(21-2)、第二变频器(21-3)、直流母线(21-4)、控制单元(21-5)、可编程逻辑控制器(21-6)、第一伺服控制器(21-7)、第二伺服控制器(21-8)、第三伺服控制器(21-9)和第一工控机(21-10)；整流模块(21-1)与直流母线(21-4)连接，第一变频器(21-2)与所述驱动电机(2)连接，第二变频器(21-3)与所述加载电机(14)连接，第一变频器(21-2)与第二变频器(21-3)通过直流母线(21-4)连接，第一变频器(21-2)、第二变频器(21-3)同时连接到控制单元(21-5)，控制单元(21-5)与可编程逻辑控制器(21-6)连接，所述三个伺服电动缸(17、18、19)分别连接到第一伺服控制器(21-7)、第二伺服控制器(21-8)和第三伺服控制器(21-9)上，第一伺服控制器(21-7)、第二伺服控制器(21-8)和第三伺服控制器(21-9)连接到可编程逻辑控制器(21-6)上，可编程逻辑控制器(21-6)与第一工控机(21-10)连接。
6.根据权利要求4所述的一种电动缸夹紧的顶轴式多规格滚动轴承试验台，其特征在于：所述试验台还包括测试系统，所述测试系统包括振动传感器(22-1)、光电隔离器(22-2)、模拟量输入模块(22-3)、数字量I/O模块(22-4)、机箱(22-5)和第二工控机(22-6)；振动传感器(22-1)安装在所述环形支架(20)上，并与模拟量输入模块(22-3)连接；所述转矩转速仪(12)经由光电隔离器(22-2)与数字量I/O模块(22-4)连接；模拟量输入模块(22-3)、数字量I/O模块(22-4)安装在机箱(22-5)上，机箱(22-5)与第二工控机(22-6)连接。
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