CN107084841A - 基于阶梯轴安装的液压缸夹紧式多规格滚动轴承试验台 - Google Patents

基于阶梯轴安装的液压缸夹紧式多规格滚动轴承试验台 Download PDF

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郭远晶
林勇
钱少明
杨友东
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    • G01M13/00—Testing of machine parts
    • G01M13/04—Bearings
    • G01M13/045—Acoustic or vibration analysis

Abstract

本发明公开了一种基于阶梯轴安装的液压缸夹紧式多规格滚动轴承试验台，多级阶梯轴一端与驱动电机相连，另一端与转矩转速仪一端相连，转矩转速仪另一端与磁粉制动器相连；试验滚动轴承内圈套在多级阶梯轴中间的一段阶梯上，直套筒一端顶住试验滚动轴承内圈的端面，另一端顶住带凸缘套筒的凸缘端面，带凸缘套筒的另一端顶住第二带座轴承的内圈端面；三个液压缸伸出的三个活塞杆夹紧试验滚动轴承的外圈；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

基于阶梯轴安装的液压缸夹紧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，尤其涉及一种基于阶梯轴安装的液压缸夹紧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基于阶梯轴安装的液压缸夹紧式多规格滚动轴承试验台，本发明通过多级阶梯轴和液压缸的组合来对多规格的滚动轴承进行安装，从而对多规格滚动轴承进行试验，其结构简单、拆装方便。
本发明采用的技术方案是：
一种基于阶梯轴安装的液压缸夹紧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、多级阶梯轴、三个液压缸、试验滚动轴承、直套筒、带凸缘套筒、转矩转速仪和磁粉制动器；多级阶梯轴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，多级阶梯轴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磁粉制动器伸出轴相连；试验滚动轴承内圈套在多级阶梯轴中间的一段阶梯上，直套筒一端顶住试验滚动轴承内圈的端面，另一端顶住带凸缘套筒的凸缘端面，带凸缘套筒的另一端顶住第二带座轴承的内圈端面；三个液压缸间隔120°地安装在环形支架上，其伸出的三个活塞杆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、转矩转速仪和磁粉制动器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，所述多级阶梯轴中间加工有3个以上阶梯。
优选地，所述试验台还包括液压控制系统，所述液压控制系统包括油箱、过滤器、电动机、液压泵、溢流阀、第一单向阀、第一压力表以及三个相同的液压控制子系统；每个液压控制子系统包括调速阀、比例换向阀、液压锁、安全阀、压力表开关以及第二压力表；电动机与液压泵连接，液压泵吸油口经由过滤器接到油箱中；液压泵出油口的高压油分成两路，第一路接溢流阀的进油口，溢流阀的出油口通往油箱，第二路经由第一单向阀后再分成两路，第一路接到第一压力表中，第二路则又分成三路高压油分别接入到三个液压控制子系统的调速阀进油口中；调速阀出油口接入到比例换向阀进油口中，比例换向阀的出油口通往油箱，比例换向阀的另外两个油口接液压锁一端的油口；液压锁另外一端第一个油口的高压油分成两路，一路经由安全阀通往油箱，另外一路再分成两路，第一路经由压力表开关接入到第二压力表中，第二路接入到液压缸的一端；液压锁另外一端第二个油口接到液压缸的另一端。
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、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、多级阶梯轴上可以安装多种内径规格的滚动轴承，三个液压缸通过活塞杆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，而且通过液压缸的独立控制，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在多级阶梯轴上安装的结构示意图；
图4是本发明的试验滚动轴承外圈被液压缸夹紧的结构示意图；
图5是本发明的液压控制系统的架构示意图；
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、多级阶梯轴5、第一液压缸6、第二液压缸7、第三液压缸8、试验滚动轴承9、直套筒10、带凸缘套筒11、第二带座轴承12、第二弹性联轴器13、转矩转速仪14、第三弹性联轴器15、磁粉制动器16、驱动端底座17、环形支架18、加载端底座19、油箱20-1、过滤器20-2、电动机20-3、液压泵20-4、溢流阀20-5、第一单向阀20-6、第一压力表20-7、调速阀20-8、比例换向阀20-9、液压锁20-10、安全阀20-11、压力表开关20-12、第二压力表20-13、整流模块21-1、变频器21-2、控制单元21-3、可编程逻辑控制器21-4、第一工控机21-5、张力控制器21-6、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液压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、多级阶梯轴5、三个液压缸6、7、8、试验滚动轴承9、直套筒10、带凸缘套筒11、转矩转速仪14和磁粉制动器16。
多级阶梯轴5中间加工有直径依次为20mm、25mm、30mm、35mm、40mm与50mm的阶梯，可以对6种内径规格的滚动轴承进行试验。多级阶梯轴5一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，多级阶梯轴5另一端贯穿第二带座轴承12，通过第二弹性联轴器13与转矩转速仪14一端伸出轴相连，转矩转速仪14另一端伸出轴通过第三弹性联轴器15与磁粉制动器16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，额定转矩为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14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。本实施例中试验滚动轴承9为6006深沟球轴承，内径为30mm，外径为55mm。试验滚动轴承9内圈套在多级阶梯轴5中间30mm直径的阶梯上。直套筒10一端顶住试验滚动轴承9内圈的端面，对试验滚动轴承9进行轴向固定，另一端顶住带凸缘套筒11的凸缘端面，带凸缘套筒11的另一端顶住第二带座轴承12的内圈端面。三个液压缸6、7、8间隔120°地安装在环形支架18上，其伸出的三个活塞杆夹紧试验滚动轴承9的外圈。驱动电机2和第一带座轴承4安装在驱动端底座17上，第二带座轴承12、转矩转速仪14和磁粉制动器16安装在加载端底座19上，驱动端底座17、环形支架18和加载端底座19通过螺栓安装在基座台1上的T形槽中。
液压控制系统包括油箱20-1、过滤器20-2、电动机20-3、液压泵20-4、溢流阀20-5、第一单向阀20-6、第一压力表20-7以及三个相同的液压控制子系统。这三个液压控制子系统分别对第一液压缸6、第二液压缸7与第三液压缸8进行控制。每个液压控制子系统包括调速阀20-8、比例换向阀20-9、液压锁20-10、安全阀20-11、压力表开关20-12以及第二压力表20-13。电动机20-3与液压泵20-4连接，液压泵20-4吸油口经由过滤器20-2接到油箱20-1中，液压泵20-4出油口的高压油分成两路，第一路经由溢流阀20-5通往油箱20-1，以确保液压油的压力不会超过限定值，第二路经由第一单向阀20-6后再分成两路，第一路接到第一压力表20-7中，第二路则又分成三路高压油分别接入到三个液压控制子系统的调速阀20-8进油口中，调速阀20-8出油口接入到比例换向阀20-9进油口中。比例换向阀20-9的出油口通往油箱20-1，比例换向阀20-9的另外两个油口接液压锁20-10一端的油口。液压锁20-10另外一端第一个油口的高压油分成两路，一路经由安全阀20-11通往油箱20-1，以确保液压缸对于试验滚动轴承9的径向加载压力不会超过某个安全值，避免试验滚动轴承9变形或者破坏；另外一路再分成两路，第一路经由压力表开关20-12接入到第二压力表20-13中，以对液压缸的加载压力进行测量，第二路接入到液压缸的一端。液压锁20-10另外一端第二个油口接到液压缸的另一端。液压控制系统中的三个比例换向阀20-9可以控制第一液压缸6、第二液压缸7与第三液压缸8活塞杆等长同步地伸出，从而对试验滚动轴承9外圈进行三个径向方向等压力地夹紧。当试验滚动轴承9被夹紧后，又可以独立控制其中的某一个液压缸，通常为第一液压缸6，再对试验滚动轴承9进行单独地径向加载。
试验台电气控制系统包括整流模块21-1、变频器21-2、控制单元21-3、可编程逻辑控制器21-4、第一工控机21-5和张力控制器21-6。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21-1选用额定功率为5kW的非调节电源模块，变频器21-2选用额定功率为2.7kW的单轴电机模块，控制单元21-3选用CU 320控制器。整流模块21-1接入380V三相电，并与变频器21-2连接，变频器21-2通过DRIVE-CLiQ 电缆与驱动电机2连接，变频器21-2通过DRIVE-CLiQ电缆连接到控制单元21-3上，控制单元21-3通过以太网与可编程逻辑控制器21-4连接，可编程逻辑控制器21-4通过以太网与第一工控机21-5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16选用苏州德斯特CZ-1型号，额定转矩为10Nm；张力控制器21-6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16连接。张力控制器21-6控制磁粉制动器16输出一个恒定转矩，以实现试验台的加载。
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18上，与模拟量输入模块22-3连接；转矩转速仪14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21-6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。
本实施例中，当利用第一液压缸6、第二液压缸7与第三液压缸8对试验滚动轴承9进行等压力地夹紧时，试验台可以进行滚动轴承的故障模拟实验。试验滚动轴承9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14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9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9被等压力地夹紧后，再利用第一液压缸6对试验滚动轴承9进行单独地径向加载时，又可以进行试验滚动轴承9的寿命与可靠性试验。
本实施例中试验滚动轴承9可以更换为6206、6306深沟球轴承，其内径均为30mm，外径分别为62mm、72mm。安装时，仍将试验滚动轴承9内圈套在多级阶梯轴5中间30mm直径的阶梯上，并移动环形支架18，使第一液压缸6、第二液压缸7与第三液压缸8的活塞杆对准试验滚动轴承9的外圈，最后控制这三个液压缸对试验滚动轴承9外圈进行等压力地夹紧或者单独地径向加载。
本实施例中试验滚动轴承9可以更换为6000、6200或者6300系列中内径为20mm、25mm、35mm、40mm或者50mm的深沟球轴承。安装时，将试验滚动轴承9内圈套在多级阶梯轴5中间20mm、25mm、35mm、40mm或者50mm直径的阶梯上，并移动环形支架18，使第一液压缸6、第二液压缸7与第三液压缸8的活塞杆对准试验滚动轴承9的外圈，最后控制这三个液压缸对试验滚动轴承9外圈进行等压力地夹紧或者单独地径向加载。
进一步地，本实施例中试验滚动轴承9可以更换为符合内径要求的其它类型滚动轴承，如角接触轴承、圆柱滚子轴承和圆锥滚子轴承等。
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 (7)

1.一种基于阶梯轴安装的液压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)、多级阶梯轴(5)、三个液压缸(6、7、8)、试验滚动轴承(9)、直套筒(10)、带凸缘套筒(11)、转矩转速仪(14)和磁粉制动器(16)；多级阶梯轴(5)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，多级阶梯轴(5)另一端贯穿第二带座轴承(12)，通过第二弹性联轴器(13)与转矩转速仪(14)一端伸出轴相连，转矩转速仪(14)另一端伸出轴通过第三弹性联轴器(15)与磁粉制动器(16)伸出轴相连；试验滚动轴承(9)内圈套在多级阶梯轴(5)中间的一段阶梯上，直套筒(10)一端顶住试验滚动轴承(9)内圈的端面，另一端顶住带凸缘套筒(11)的凸缘端面，带凸缘套筒(11)的另一端顶住第二带座轴承(12)的内圈端面；三个液压缸(6、7、8)间隔120°地安装在环形支架(18)上，其伸出的三个活塞杆夹紧试验滚动轴承(9)的外圈；驱动电机(2)和第一带座轴承(4)安装在驱动端底座(17)上，第二带座轴承(12)、转矩转速仪(14)和磁粉制动器(16)安装在加载端底座(19)上，驱动端底座(17)、环形支架(18)和加载端底座(19)安装在基座台(1)上。
2.根据权利要求1所述的一种基于阶梯轴安装的液压缸夹紧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所述的一种基于阶梯轴安装的液压缸夹紧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所述的一种基于阶梯轴安装的液压缸夹紧式多规格滚动轴承试验台，其特征在于：所述多级阶梯轴(5)中间加工有3个以上阶梯。
5.根据权利要求4所述的一种基于阶梯轴安装的液压缸夹紧式多规格滚动轴承试验台，其特征在于：所述试验台还包括液压控制系统，所述液压控制系统包括油箱(20-1)、过滤器(20-2)、电动机(20-3)、液压泵(20-4)、溢流阀(20-5)、第一单向阀(20-6)、第一压力表(20-7)以及三个相同的液压控制子系统；每个液压控制子系统包括调速阀(20-8)、比例换向阀(20-9)、液压锁(20-10)、安全阀(20-11)、压力表开关(20-12)以及第二压力表(20-13)；电动机(20-3)与液压泵(20-4)连接，液压泵(20-4)吸油口经由过滤器(20-2)接到油箱(20-1)中；液压泵(20-4)出油口的高压油分成两路，第一路接溢流阀(20-5)的进油口，溢流阀(20-5)的出油口通往油箱(20-1)，第二路经由第一单向阀(20-6)后再分成两路，第一路接到第一压力表(20-7)中，第二路则又分成三路高压油分别接入到三个液压控制子系统的调速阀(20-8)进油口中；调速阀(20-8)出油口接入到比例换向阀(20-9)进油口中，比例换向阀(20-9)的出油口通往油箱(20-1)，比例换向阀(20-9)的另外两个油口接液压锁(20-10)一端的油口；液压锁(20-10)另外一端第一个油口的高压油分成两路，一路经由安全阀(20-11)通往油箱(20-1)，另外一路再分成两路，第一路经由压力表开关(20-12)接入到第二压力表(20-13)中，第二路接入到液压缸的一端；液压锁(20-10)另外一端第二个油口接到液压缸的另一端。
6.根据权利要求4所述的一种基于阶梯轴安装的液压缸夹紧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)、变频器(21-2)、控制单元(21-3)、可编程逻辑控制器(21-4)、第一工控机(21-5)和张力控制器(21-6)；整流模块(21-1)与变频器(21-2)连接，所述驱动电机(2)连接到变频器(21-2)上，变频器(21-2)接到控制单元(21-3)上，控制单元(21-3)与可编程逻辑控制器(21-4)连接，可编程逻辑控制器(21-4)与第一工控机(21-5)连接，张力控制器(21-6)与所述磁粉制动器(16)连接。
7.根据权利要求4所述的一种基于阶梯轴安装的液压缸夹紧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(18)上，并与模拟量输入模块(22-3)连接，所述转矩转速仪(14)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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