CN107024351A - 一种卡盘夹紧的顶轴式多规格滚动轴承故障模拟实验台 - Google Patents

一种卡盘夹紧的顶轴式多规格滚动轴承故障模拟实验台 Download PDF

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林勇
钱少明
杨友东
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Abstract

本发明公开了一种卡盘夹紧的顶轴式多规格滚动轴承故障模拟实验台，第一顶轴、第二顶轴的花键轴分别与第一套轴、第二套轴一端的花键孔配合，第一顶轴、第二顶轴的阶梯轴顶住实验滚动轴承的内圈，第一套轴另一端与驱动电机伸出轴相连，第二套轴另一端与转矩转速仪一端伸出轴相连，矩转速仪另一端伸出轴与磁粉制动器伸出轴相连；三爪卡盘的卡爪夹紧实验滚动轴承的外圈；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、转矩转速仪和磁粉制动器安装在加载端底座上，驱动端底座、卡盘架和加载端底座安装在基座台上。本发明能够对多规格的滚动轴承进行故障模拟实验，且拆装方便，数据采集可靠、完备。

Description

一种卡盘夹紧的顶轴式多规格滚动轴承故障模拟实验台
技术领域
本发明涉及一种滚动轴承实验台，尤其涉及一种卡盘夹紧的顶轴式多规格滚动轴承故障模拟实验台。
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，有必要研究或者探索行之有效的滚动轴承状态监测与故障预测、诊断方法，以提高机械设备的运行效率与生产效益。而为达到研究或者探索的目的，则通常需要构建一套合适的滚动轴承故障模拟实验台。
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之后，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。这使得目前大多数的滚动轴承故障模拟实验台通常只能对某一规格的滚动轴承进行实验。而若要在这些实验台上对其它规格的滚动轴承进行实验，则需对滚动轴承的安装机构进行大幅度改动，时间与经济成本较高。
发明内容
针对现有的滚动轴承故障模拟实验台难以对多规格滚动轴承进行实验的局限性，本发明的目的在于提供一种卡盘夹紧的顶轴式多规格滚动轴承故障模拟实验台，本发明利用两个可更换的顶轴和三爪卡盘的组合来对多规格的滚动轴承进行安装，从而对滚动轴承进行故障模拟实验，其结构简单、拆装方便。
本发明采用的技术方案是：
一种卡盘夹紧的顶轴式多规格滚动轴承故障模拟实验台，其特征在于：包括基座台、驱动电机、第一套轴、第一顶轴、实验滚动轴承、三爪卡盘、第二顶轴、第二套轴、转矩转速仪和磁粉制动器；第一顶轴的花键轴与第一套轴一端的花键孔配合，第二顶轴的花键轴与第二套轴一端的花键孔配合，第一顶轴、第二顶轴的阶梯轴顶住实验滚动轴承内圈；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，矩转速仪另一端伸出轴通过第三弹性联轴器与磁粉制动器伸出轴相连；三爪卡盘安装在卡盘架上，三爪卡盘的卡爪夹紧实验滚动轴承的外圈；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、转矩转速仪和磁粉制动器安装在加载端底座上，驱动端底座、卡盘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，所述第一顶轴与所述第二顶轴阶梯轴的直径与所述实验滚动轴承的内径相同，阶梯轴的长度之和小于所述实验滚动轴承的宽度；所述第一顶轴与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顶轴。
优选地，所述实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、变频器、控制单元、可编程逻辑控制器、第一工控机和张力控制器；整流模块与变频器连接，所述驱动电机连接到变频器上，变频器连接到控制单元上，控制单元与可编程逻辑控制器连接，可编程逻辑控制器与第一工控机连接；张力控制器与所述磁粉制动器连接。
优选地，所述实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三爪卡盘的卡爪上，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，三爪卡盘则可以夹持不同外径规格的滚动轴承，因而实验台能够对多规格的滚动轴承进行实验。
2、驱动端底座、卡盘架和加载端底座均可以在基座台上沿着T形槽移动，因此能够方便地安装与拆卸实验滚动轴承。
3、为滚动轴承状态监测与故障预测、诊断方法的研究与探索提供了一个良好的实验平台。
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是本发明的实验滚动轴承内圈安装的爆炸图；
图4是本发明的实验滚动轴承内圈安装的结构示意图；
图5是本发明的电气控制系统的架构示意图；
图6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、实验滚动轴承7、三爪卡盘8、第二顶轴9、第二套轴10、第二带座轴承11、第二弹性联轴器12、转矩转速仪13、第三弹性联轴器14、磁粉制动器15、驱动端底座16、卡盘架17、加载端底座18、整流模块19-1、变频器19-2、控制单元19-3、可编程逻辑控制器19-4、第一工控机19-5、张力控制器19-6、振动传感器20-1、光电隔离器20-2、模拟量输入模块20-3、数字量I/O模块20-4、机箱20-5、第二工控机20-6。
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6，一种卡盘夹紧的顶轴式多规格滚动轴承故障模拟实验台，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、实验滚动轴承7、三爪卡盘8、第二顶轴9、第二套轴10、转矩转速仪13和磁粉制动器15。
本实施例中，实验滚动轴承7为6006深沟球轴承，内径30mm，外径55mm，宽度15mm。第一顶轴6与第二顶轴9阶梯轴的直径与实验滚动轴承7的内径相同，阶梯轴的长度均为5mm，阶梯轴的长度之和小于实验滚动轴承7的宽度。第一顶轴6的花键轴与第一套轴5一端的花键孔配合，第二顶轴9的花键轴与第二套轴10一端的花键孔配合，第一顶轴6、第二顶轴9的阶梯轴分别顶住实验滚动轴承7内圈的两侧。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10的另一端贯穿第二带座轴承11，通过第二弹性联轴器12与转矩转速仪13一端伸出轴相连，矩转速仪13另一端伸出轴通过第三弹性联轴器14与磁粉制动器15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的闭环控制。转矩转速仪13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。三爪卡盘8安装在卡盘架17上，三爪卡盘8的卡爪夹紧实验滚动轴承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16上；第二带座轴承11、转矩转速仪13和磁粉制动器15安装在加载端底座18上；驱动端底座16、卡盘架17和加载端底座18通过螺栓安装到基座台1上的T形槽中。
实验台电气控制系统包括整流模块19-1、变频器19-2、控制单元19-3、可编程逻辑控制器19-4、第一工控机19-5和张力控制器19-6。电气控制系统采用西门子SINAMICS S120伺服控制系统来实现，其中整流模块19-1选用额定功率为5kW的非调节电源模块，变频器19-2选用额定功率为2.7kW的单轴电机模块，控制单元19-3选用CU 320控制器。整流模块19-1接入380V三相电，并与变频器19-2连接，变频器19-2通过DRIVE-CLiQ 电缆与驱动电机2连接，并通过DRIVE-CLiQ电缆连接到控制单元19-3上，控制单元19-3通过以太网与可编程逻辑控制器19-4连接，可编程逻辑控制器19-4通过以太网与第一工控机19-5连接。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。磁粉制动器15选用苏州德斯特CZ-1型号，额定转矩为10Nm；张力控制器19-6选用苏州德斯特KTC800张力控制器，并接入220V单相电，然后与磁粉制动器15连接。张力控制器19-6控制磁粉制动器15输出一个恒定转矩，以实现实验台的加载。
实验台测试系统包括振动传感器20-1、光电隔离器20-2、模拟量输入模块20-3、数字量I/O模块20-4、机箱20-5和第二工控机20-6。其中，模拟量输入模块20-3选用NI 9324数据采集卡，数字量I/O模块20-4选用NI 9401数据采集卡，机箱20-5选用NI cDAQ-9132机箱。振动传感器20-1安装在三爪卡盘8的卡爪上，与模拟量输入模块20-3连接。转矩转速仪13经由光电隔离器20-2与数字量I /O模块20-4连接。模拟量输入模块20-3、数字量I/O模块20-4安装在机箱20-5上，机箱20-5与第二工控机20-6连接。测试系统的数据采集软件部分由第二工控机20-6上的NI LabView编程实现。
本实施例中，实验滚动轴承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。在实验台的运行过程中，转矩转速仪13测量实验台的转速、转矩数据，对实验台的工况进行监测，振动传感器20-1采集实验滚动轴承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。
本实施例中实验滚动轴承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9不需要更换。
本实施例中实验滚动轴承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9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9的相同，阶梯轴直径与更换后深沟球轴承的内径相同，阶梯轴长度之和小于更换后深沟球轴承的宽度。
进一步地，本实施例中实验滚动轴承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9更换成阶梯轴直径与更换后滚动轴承内径相同、阶梯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)

1.一种卡盘夹紧的顶轴式多规格滚动轴承故障模拟实验台，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)、实验滚动轴承(7)、三爪卡盘(8)、第二顶轴(9)、第二套轴(10)、转矩转速仪(13)和磁粉制动器(15)；第一顶轴(6)的花键轴与第一套轴(5)一端的花键孔配合，第二顶轴(9)的花键轴与第二套轴(10)一端的花键孔配合，第一顶轴(6)、第二顶轴(9)的阶梯轴顶住实验滚动轴承(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(10)的另一端贯穿第二带座轴承(11)，通过第二弹性联轴器(12)与转矩转速仪(13)一端伸出轴相连，矩转速仪(13)另一端伸出轴通过第三弹性联轴器(14)与磁粉制动器(15)伸出轴相连；三爪卡盘(8)安装在卡盘架(17)上，三爪卡盘(8)的卡爪夹紧实验滚动轴承(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(16)上，第二带座轴承(11)、转矩转速仪(13)和磁粉制动器(15)安装在加载端底座(18)上，驱动端底座(16)、卡盘架(17)和加载端底座(18)安装在基座台(1)上。
2.根据权利要求1所述的一种卡盘夹紧的顶轴式多规格滚动轴承故障模拟实验台，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所述的一种卡盘夹紧的顶轴式多规格滚动轴承故障模拟实验台，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所述的一种卡盘夹紧的顶轴式多规格滚动轴承故障模拟实验台，其特征在于：所述第一顶轴(6)与所述第二顶轴(9)阶梯轴的直径与所述实验滚动轴承(7)的内径相同，阶梯轴的长度之和小于所述实验滚动轴承(7)的宽度；所述第一顶轴(6)与所述第二顶轴(9)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所述的一种卡盘夹紧的顶轴式多规格滚动轴承故障模拟实验台，其特征在于：所述实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(19-1)、变频器(19-2)、控制单元(19-3)、可编程逻辑控制器(19-4)、第一工控机(19-5)和张力控制器(19-6)；整流模块(19-1)与变频器(19-2)连接，所述驱动电机(2)连接到变频器(19-2)上，变频器(19-2)连接到控制单元(19-3)上，控制单元(19-3)与可编程逻辑控制器(19-4)连接，可编程逻辑控制器(19-4)与第一工控机(19-5)连接；张力控制器(19-6)与所述磁粉制动器(15)连接。
6.根据权利要求4所述的一种卡盘夹紧的顶轴式多规格滚动轴承故障模拟实验台，其特征在于：所述实验台还包括测试系统，所述测试系统包括振动传感器(20-1)、光电隔离器(20-2)、模拟量输入模块(20-3)、数字量I/O模块(20-4)、机箱(20-5)和第二工控机(20-6)；振动传感器(20-1)安装在所述三爪卡盘(8)的卡爪上，并与模拟量输入模块(20-3)连接，所述转矩转速仪(13)经由光电隔离器(20-2)与数字量I/O模块(20-4)连接，模拟量输入模块(20-3)、数字量I/O模块(20-4)安装在机箱(20-5)上，机箱(20-5)与第二工控机(20-6)连接。
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