CN109084981A - 一种轴承冲击摩擦磨损试验机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轴承冲击摩擦磨损试验机，包括试验台、主传动系统、摩擦副系统、径向冲击系统、液压加载系统、温湿度控制系统、信号采集与检测系统和计算机；通过主传动系统、液压加载系统以及温湿度控制系统来改变摩擦副系统中轴承摩擦磨损试验时的工况，并由径向冲击系统模拟振动轴承运行中的振动条件；通过信号采集与检测系统对摩擦副系统中轴承摩擦磨损输出参数进行实时的采集和监测，经由数据采集卡传输给计算机，进行数据处理和分析，从而进行轴承在冲击与摩擦耦合作用下的摩擦磨损试验。本发明为研究轴承在冲击与摩擦耦合作用下的磨损行为提供了有效的试验平台，采集到的试验参数可以用于作为轴承磨损状态识别的判剧。

Description

一种轴承冲击摩擦磨损试验机

技术领域

本发明涉及一种轴承冲击摩擦磨损试验机，可以进行轴承不同工况下的摩擦磨损试验，及轴承在冲击与摩擦耦合作用下的磨损行为研究，属于材料摩擦磨损性能研究技术领域。

背景技术

振动机械是重要的工程建设和工业生产设备，在机械设备中占有较大比重。振动机械是依靠高频率高强度的振动实现工作的，这对轴承的寿命和可靠性有极大的影响。轴承是现代工业应用中必不可少的基础零件，滚动轴承更是被形象地称为“工业的关节”，轴承的运行状态是否正常通常直接影响到整台设备的性能（精度、可靠性及寿命等）。磨损是导致轴承失效的重要因素之一，对轴承的摩擦磨损行为研究可以为研究轴承失效提供理论依据，此外对轴承的摩擦磨损输出参数实时监测也有利于实现轴承的工况监测，为轴承的运行状态识别提供有效判剧。由于轴承的摩擦磨损行为是一种非常复杂的现象，对于在冲击和摩擦耦合作用下运转的轴承，其影响因素更为复杂。因此，一种能够模拟轴承在冲击与摩擦耦合作用的专用摩擦磨损试验机就显得尤为重要。

现有的轴承磨损研究大多集中在对实际工程应用中的轴承的故障诊断研究，主要手段是基于设计寿命对轴承进行定期监测或是对失效轴承的故障分析。定期监测的问题主要在于轴承的寿命离散性很大，如果按照设计寿命对轴承进行定时维修往往出现以下情况，一是有的轴承已远超设计寿命而依然完好地工作，造成不必要的浪费，二是未达到设计寿命的轴承早早出现故障导致机器的失效，甚至导致严重事故。因此需要对轴承的运行状态进行工况监视和故障诊断。对失效轴承的故障分析则需要停机并拆卸轴承，导致生产停滞，而且这种滞后的故障分析会造成机器故障，带来不必要的损失。要求试验机可以实现轴承实际运行状态的模拟，实现载荷、转速、环境工况等参数的控制和标定，实现轴承摩擦磨损过程中输出参数的测量和分析。

为此，设计一种轴承冲击摩擦磨损试验机，该试验机能够有效地模拟轴承在冲击作用下的摩擦磨损行为，并且能够改变试验载荷、转速、环境温湿度等试验参数，为研究轴承在冲击与摩擦耦合作用下的磨损行为提供了有效的试验平台，采集到的试验参数可以用于作为轴承磨损状态识别的判剧。

发明内容

发明目的：本发明的目的是为了研究轴承在冲击与摩擦耦合作用下的磨损行为，提供了一种工况参数可调的轴承冲击摩擦磨损试验平台。

为了实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：

一种轴承冲击摩擦磨损试验机，包括试验台、主传动系统、摩擦副系统、径向冲击系统、液压加载系统、温湿度控制系统、信号采集与检测系统和计算机；其中，通过主传动系统、液压加载系统以及温湿度控制系统来改变摩擦副系统中轴承摩擦磨损试验时的工况，并由径向冲击系统模拟振动轴承运行中的振动条件；通过信号采集与检测系统对摩擦副系统中轴承摩擦磨损输出参数进行实时的采集和监测，经由数据采集卡传输给计算机，进行数据处理和分析，从而进行轴承在冲击与摩擦耦合作用下的摩擦磨损试验。

进一步，所述主传动系统包括驱动电机、同步轮、传动轴和弹性联轴器；所述驱动电机安装在试验台中部的固定架上，所述传动轴安装在位于试验台表面的支撑轴承Ⅰ中，传动轴一端与同步轮相连，所述驱动电机的输出轴通过同步带与同步轮之间进行传动，传动轴另一端通过弹性联轴器与信号采集与检测系统中的静态扭矩传感器一端相传动，静态扭矩传感器另一端通过弹性联轴器与摩擦副系统相传动。

进一步，所述摩擦副系统包括试验主轴、试验轴套、试验轴承、试验轴承夹具；所述试验主轴安装在位于试验台表面的支撑轴承Ⅱ中，试验主轴一端与主传动系统进行传动，所述试验轴套通过螺纹连接与试验主轴相连并随之转动，试验轴承安装在试验轴承夹具上，通过夹具的中心孔定位并由夹具侧边的锁紧螺杆夹紧；试验轴套在主传动系统驱动下与试验轴承产生相对运动并发生摩擦磨损。

进一步，所述径向冲击系统包括电磁激振器、冲击连杆、冲击导向杆、导向杆支撑座、冲击导向杆底座和压电式力传感器；所述电磁激振器设置在试验台侧面，冲击导向杆底座设置在试验台表面上，导向杆支撑座安装在冲击导向杆底座上，所述冲击导向杆套装在导向杆支撑座中，冲击导向杆一端通过冲击连杆与电磁激振器相传动，冲击导向杆另一端与摩擦副系统中的试验轴承夹具相连，用以将冲击传递到试验轴承夹具上，实现试验轴承的振动工况模拟；所述压电式力传感器安装在试验轴承夹具和冲击导向杆之间，用于标定冲击力的大小和频率。

进一步，所述冲击导向杆与导向杆支撑座采用间隙配合，保证试验轴承夹具不会沿着冲击方向转动；冲击导向杆与连接座相连，该连接座通过四个定位螺栓连接，实现试验轴承夹具的定位的同时，也有效地将冲击传递到摩擦副系统。

进一步，所述电磁激振器设置在电磁激振器底座上，所述电磁激振器底座通过螺栓与螺母配合安装在直角支撑上，该直角支撑固定在试验台侧面。

进一步，所述液压加载系统为径向液压加载，其安装在摩擦副系统中试验轴承夹具下方；液压加载系统包括加载液压油缸、径向加载连杆、压力传感器；所述加载液压油缸安装在试验台中部的固定架上，所述径向加载连杆一端与加载液压油缸相连，径向加载连杆另一端与摩擦副系统中的验轴承夹具相连，实现摩擦副的加载，载荷大小由安装在油缸活塞杆和加载连杆之间的压力传感器标定。

进一步，所述温湿度控制系统包括温湿度箱体、温湿度控制器；

所述温湿度箱体安装在摩擦副系统的正上方并将摩擦副系统完全包络，温湿度箱体前方留有观察窗以便进行实时观测；所述温湿度控制器安装在温湿度箱体内，用于实现环境温湿度的监测和控制，以实现摩擦副在不同环境温湿度下的摩擦磨损试验。

进一步，所述信号采集与检测系统包括静态扭矩传感器、加速度传感器和麦克风；所述静态扭矩传感器用于测量摩擦磨损过程中的摩擦扭矩，所述加速度传感器安装在试验轴承夹具上，用于测量摩擦磨损过程中的摩擦振动，所述麦克风通过麦克风底座安装在温湿度控制系统中的温湿度控制箱内，用于测量摩擦磨损过程中的摩擦噪声；测得的摩擦扭矩、摩擦振动和摩擦噪声信号由数据采集卡上传到计算机加以处理和显示，作为评价轴承摩擦磨损行为的参数以及监测轴承运行状态的判剧。

本发明有益效果：

该轴承冲击摩擦磨损试验机，通过所述的主传动系统、液压加载系统、温湿度控制系统、径向冲击系统，能够改变载荷、转速、润滑条件、温湿度条件、冲击参数等，来测试轴承在不同工况条件下的摩擦磨损行为，研究上述工况参数对轴承磨损行为的影响。通过所述的信号采集与检测系统进行摩擦磨损参数的测量和采集，对轴承的摩擦磨损状态进行监测和识别。该轴承冲击摩擦磨损试验机能够进行轴承摩擦磨损机理研究等科研活动。

附图说明

图1为本发明的一种实施方式的构造原理图；

图2为试验机摩擦副系统的局部剖面图；

图3为试验机径向冲击模块的局部放大图；

图4为试验机径向液压加载系统的局部放大图；

图5为温湿度箱体内的局部放大图（不包括摩擦副系统）及外部模块。

图中：1-试验台，2-驱动电机，3-加载液压油缸，4-温湿度箱体，5-冲击导向杆底座，6-冲击连杆，7-电磁激振器底座，8-螺栓，9-电磁激振器，10-弹性联轴器， 11-静态扭矩传感器，12-支撑轴承Ⅰ，13-同步轮，14-试验台垫板，15-电机减震垫， 16-试验主轴，17-支撑轴承Ⅱ，18-轴承端盖，19-密封圈，20-试验轴套，21-试验轴承夹具，22-试验轴承，23-紧定螺钉，24-锁紧螺杆，25-压电式力传感器，26-定位螺栓，27-连接座，28-导向杆支撑座，29-冲击导向杆，30-直角支撑，31-径向加载连杆，32-压力传感器，33-温湿度控制器，34-加速度传感器，35-麦克风，36-麦克风底座，37-数据采集卡，38-计算机。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

如图1所示，一种轴承冲击摩擦磨损试验机，包括试验台1、主传动系统、摩擦副系统、径向冲击系统、液压加载系统、温湿度控制系统、信号采集与检测系统和计算机38；其中，通过主传动系统、液压加载系统以及温湿度控制系统来改变摩擦副系统中轴承摩擦磨损试验时的工况，并由径向冲击系统模拟振动轴承运行中的振动条件；通过信号采集与检测系统对摩擦副系统中轴承摩擦磨损输出参数进行实时的采集和监测，经由数据采集卡传输给计算机，进行数据处理和分析，从而进行轴承在冲击与摩擦耦合作用下的摩擦磨损试验。

以下给出上述实施例中关于主传动系统一优选实施例：

继续参照图1所示，主传动系统包括驱动电机2、同步轮13、传动轴和弹性联轴器10；驱动电机2安装在试验台1中部的固定架上，传动轴安装在位于试验台表面的支撑轴承Ⅰ12中，传动轴一端与同步轮13相连，驱动电机2的输出轴通过同步带与同步轮13之间进行传动，传动轴另一端通过弹性联轴器10与信号采集与检测系统中的静态扭矩传感器11一端相传动，静态扭矩传感器11另一端通过弹性联轴器10与摩擦副系统相传动。

需要说明的是，驱动电机2底部设有电机减震垫15，减少驱动电机2振动对试验机的干扰。静态扭矩传感器11和支撑轴承Ⅰ12均设置在试验台垫板14上。

由此可知，驱动电机2提供试验主轴16的旋转并通过驱动器变更转速，同步轮13将驱动电机2的转动传递到传动轴并减少电机振动对传动系统的干扰，传动轴、联轴器10和静态扭矩传感器11将运动传递到试验轴套20，与试验轴承22发生相对运动，从而产生摩擦磨损。

以下给出上述实施例中关于摩擦副系统一优选实施例：

如图2所示，试验机的摩擦副选用轴套-轴承摩擦副，采用悬臂方式安装在试验机的右侧端部，方便试样的拆卸与更换，摩擦副系统包括试验主轴16、试验轴套20、试验轴承22、试验轴承夹具21；试验主轴16安装在位于试验台表面的支撑轴承Ⅱ17中，试验主轴16一端与主传动系统进行传动，试验轴套20通过螺纹连接与试验主轴16相连并随之转动，试验轴承22安装在试验轴承夹具22上，通过夹具的中心孔定位并由夹具侧边的锁紧螺杆24夹紧；试验轴套20在主传动系统驱动下与试验轴承22产生相对运动并发生摩擦磨损。

需要说明的是，试验轴套20通过螺纹连接与试验主轴16相连，由端部的紧定螺钉23锁死，随试验主轴16做旋转运动，与试验轴承22产生相对运动，使试验轴套20与试验轴承22相互摩擦。

支撑轴承Ⅱ17设置在轴承端盖18中，其内还设有密封圈19。

由此可知，试验轴套20在驱动电机2驱动下与试验轴承22产生相对运动并发生摩擦磨损。

以下给出上述实施例中关于径向冲击系统一优选实施例：

如图3所示，径向冲击系统包括电磁激振器9、冲击连杆6、冲击导向杆29、导向杆支撑座28、冲击导向杆底座5和压电式力传感器25；电磁激振器9设置在试验台侧面，冲击导向杆底座5设置在试验台1表面上，导向杆支撑座28安装在冲击导向杆底座5上，冲击导向杆29套装在导向杆支撑座28中，冲击导向杆29一端通过冲击连杆6与电磁激振器9相传动，冲击导向杆29另一端与摩擦副系统中的试验轴承夹具21相连，用以将冲击传递到试验轴承夹具21上，实现试验轴承的振动工况模拟；压电式力传感器25安装在试验轴承夹具21和冲击导向杆29之间，用于标定冲击力的大小和频率。

需要说明的是，冲击导向杆29与导向杆支撑座28采用间隙配合，保证试验轴承夹具21不会沿着冲击方向转动；冲击导向杆29与连接座27相连，该连接座27通过四个定位螺栓26连接，实现试验轴承夹具21的定位的同时，也有效地将冲击传递到摩擦副系统。

电磁激振器9设置在电磁激振器底座7上，电磁激振器底座7通过螺栓8与螺母配合安装在直角支撑30上，该直角支撑30固定在试验台侧面。

由此可知，通过改变激振电流调节激振力的大小和频率，通过冲击连杆6和冲击导向杆29将冲击传递到试验轴承夹具21上，实现试验轴承的振动工况模拟，压电式力传感器25用于标定激振的大小和频率。

以下给出上述实施例中关于液压加载系统一优选实施例：

如图4所示，液压加载系统为径向液压加载，其安装在摩擦副系统中试验轴承夹具21下方；液压加载系统包括加载液压油缸3、径向加载连杆31、压力传感器32；加载液压油缸3安装在试验台1中部的固定架上，径向加载连杆31一端与加载液压油缸3相连，径向加载连杆31另一端与摩擦副系统中的验轴承夹具21相连，实现摩擦副的加载，载荷大小由安装在油缸活塞杆和加载连杆31之间的压力传感器32标定。

由此可知，试验机的径向载荷由加载液压油缸3提供，并由径向加载连杆31传递到试验轴承夹具21，实现摩擦副的加载，载荷大小由安装在油缸活塞杆和径向加载连杆31之间的压力传感器32标定。

以下给出上述实施例中关于温湿度控制系统、信号采集与检测系统一优选实施例：

如图5所示，温湿度控制系统包括温湿度箱体4、温湿度控制器33；

温湿度箱体4安装在摩擦副系统的正上方并将摩擦副系统完全包络，温湿度箱体4前方留有观察窗以便进行实时观测；温湿度控制器33安装在温湿度箱体4内，用于实现环境温湿度的监测和控制，以实现摩擦副在不同环境温湿度下的摩擦磨损试验。

继续参照图5所示，信号采集与检测系统包括静态扭矩传感器11、加速度传感器34和麦克风35；静态扭矩传感器11用于测量摩擦磨损过程中的摩擦扭矩，加速度传感器34安装在试验轴承夹具21上，用于测量摩擦磨损过程中的摩擦振动，麦克风35通过麦克风底座36安装在温湿度控制系统中的温湿度控制箱4内，用于测量摩擦磨损过程中的摩擦噪声；测得的摩擦扭矩、摩擦振动和摩擦噪声信号由数据采集卡37上传到计算机38加以处理和显示，作为评价轴承摩擦磨损行为的参数以及监测轴承运行状态的判剧。

以下给出本发明的整体工作过程：

继续参照图1所示，液压加载油缸3竖直安装在试验台1中部，通过活塞杆驱动径向加载连杆31将负载施加到试验轴承夹具21上，最终传递到轴套-轴承摩擦副。驱动电机2安装在试验台1中部的固定架上，并通过电机减震垫15减少电机振动对试验机的干扰，电机输出由同步轮13传递到试验主轴16，通过弹性联轴器10和静态扭矩传感器11驱动试验主轴16旋转，将运动传递到试验轴套20，与试验轴承22发生相对运动，从而产生摩擦磨损。电磁激振器9安装在径向方向，通过冲击连杆6和冲击导向杆29将冲击传递到轴承夹具上，以模拟轴承在冲击工况下的摩擦磨损行为。

综上可得，本发明可用于实现轴承在冲击与摩擦耦合作用下的磨损行为试验研究，在试验过程中，可通过液压加载系统、驱动电机、径向冲击系统和温湿度控制系统来分别改变试验轴承的载荷、相对运动速度、激振力幅值和频率、环境温湿度等工况参数，以研究轴承在冲击与摩擦耦合作用下的摩擦磨损行为，及上述参数对轴承磨损现象的影响。通过信号采集与检测系统对轴承摩擦磨损试验过程中的输出参数进行采集与分析，可以用于描述轴承的磨损状态，及定量分析各工况参数对轴承磨损的影响。利用本发明的轴承冲击摩擦磨损试验机，可以研究各工况参数及振动参数对轴承摩擦磨损行为的影响，实现轴承磨损状态队在线实时监测，刻画出轴承在冲击与摩擦耦合作用下的摩擦磨损机理，寻求最优工况参数，以达到降低轴承磨损、延长轴承寿命和可靠性的目的。

最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (9)

1.一种轴承冲击摩擦磨损试验机，其特征在于：包括试验台（1）、主传动系统、摩擦副系统、径向冲击系统、液压加载系统、温湿度控制系统、信号采集与检测系统和计算机（38）；

其中，通过主传动系统、液压加载系统以及温湿度控制系统来改变摩擦副系统中轴承摩擦磨损试验时的工况，并由径向冲击系统模拟振动轴承运行中的振动条件；

通过信号采集与检测系统对摩擦副系统中轴承摩擦磨损输出参数进行实时的采集和监测，经由数据采集卡传输给计算机，进行数据处理和分析，从而进行轴承在冲击与摩擦耦合作用下的摩擦磨损试验。

2.根据权利要求1所述的一种轴承冲击摩擦磨损试验机，其特征在于：所述主传动系统包括驱动电机（2）、同步轮（13）、传动轴和弹性联轴器（10）；

所述驱动电机（2）安装在试验台（1）中部的固定架上，所述传动轴安装在位于试验台表面的支撑轴承Ⅰ（12）中，传动轴一端与同步轮（13）相连，所述驱动电机（2）的输出轴通过同步带与同步轮（13）之间进行传动，传动轴另一端通过弹性联轴器（10）与信号采集与检测系统中的静态扭矩传感器（11）一端相传动，静态扭矩传感器（11）另一端通过弹性联轴器（10）与摩擦副系统相传动。

3.根据权利要求1所述的一种轴承冲击摩擦磨损试验机，其特征在于：所述摩擦副系统包括试验主轴（16）、试验轴套（20）、试验轴承（22）、试验轴承夹具（21）；

所述试验主轴（16）安装在位于试验台表面的支撑轴承Ⅱ（17）中，试验主轴（16）一端与主传动系统进行传动，所述试验轴套（20）通过螺纹连接与试验主轴（16）相连并随之转动，试验轴承（22）安装在试验轴承夹具（22）上，通过夹具的中心孔定位并由夹具侧边的锁紧螺杆（24）夹紧；试验轴套（20）在主传动系统驱动下与试验轴承（22）产生相对运动并发生摩擦磨损。

4.根据权利要求1所述的一种轴承冲击摩擦磨损试验机，其特征在于：所述径向冲击系统包括电磁激振器（9）、冲击连杆（6）、冲击导向杆（29）、导向杆支撑座（28）、冲击导向杆底座（5）和压电式力传感器（25）；

所述电磁激振器（9）设置在试验台侧面，冲击导向杆底座（5）设置在试验台（1）表面上，导向杆支撑座（28）安装在冲击导向杆底座（5）上，所述冲击导向杆（29）套装在导向杆支撑座（28）中，冲击导向杆（29）一端通过冲击连杆（6）与电磁激振器（9）相传动，冲击导向杆（29）另一端与摩擦副系统中的试验轴承夹具（21）相连，用以将冲击传递到试验轴承夹具（21）上，实现试验轴承的振动工况模拟；

所述压电式力传感器（25）安装在试验轴承夹具（21）和冲击导向杆（29）之间，用于标定冲击力的大小和频率。

5.根据权利要求4所述的一种轴承冲击摩擦磨损试验机，其特征在于：所述冲击导向杆（29）与导向杆支撑座（28）采用间隙配合，保证试验轴承夹具（21）不会沿着冲击方向转动；

冲击导向杆（29）与连接座（27）相连，该连接座（27）通过四个定位螺栓（26）连接，实现试验轴承夹具（21）的定位的同时，也有效地将冲击传递到摩擦副系统。

6.根据权利要求4所述的一种轴承冲击摩擦磨损试验机，其特征在于：所述电磁激振器（9）设置在电磁激振器底座（7）上，所述电磁激振器底座（7）通过螺栓（8）与螺母配合安装在直角支撑（30）上，该直角支撑（30）固定在试验台侧面。

7.根据权利要求1所述的一种轴承冲击摩擦磨损试验机，其特征在于：所述液压加载系统为径向液压加载，其安装在摩擦副系统中试验轴承夹具（21）下方；

液压加载系统包括加载液压油缸（3）、径向加载连杆（31）、压力传感器（32）；

所述加载液压油缸（3）安装在试验台（1）中部的固定架上，所述径向加载连杆（31）一端与加载液压油缸（3）相连，径向加载连杆（31）另一端与摩擦副系统中的验轴承夹具（21）相连，实现摩擦副的加载，载荷大小由安装在油缸活塞杆和加载连杆（31）之间的压力传感器（32）标定。

8.根据权利要求1所述的一种轴承冲击摩擦磨损试验机，其特征在于：所述温湿度控制系统包括温湿度箱体（4）、温湿度控制器（33）；

所述温湿度箱体（4）安装在摩擦副系统的正上方并将摩擦副系统完全包络，温湿度箱体（4）前方留有观察窗以便进行实时观测；

所述温湿度控制器（33）安装在温湿度箱体（4）内，用于实现环境温湿度的监测和控制，以实现摩擦副在不同环境温湿度下的摩擦磨损试验。

9.根据权利要求1所述的一种轴承冲击摩擦磨损试验机，其特征在于：所述信号采集与检测系统包括静态扭矩传感器（11）、加速度传感器（34）和麦克风（35）；

所述静态扭矩传感器（11）用于测量摩擦磨损过程中的摩擦扭矩，所述加速度传感器（34）安装在试验轴承夹具（21）上，用于测量摩擦磨损过程中的摩擦振动，所述麦克风（35）通过麦克风底座（36）安装在温湿度控制系统中的温湿度控制箱（4）内，用于测量摩擦磨损过程中的摩擦噪声；

测得的摩擦扭矩、摩擦振动和摩擦噪声信号由数据采集卡（37）上传到计算机（38）加以处理和显示，作为评价轴承摩擦磨损行为的参数以及监测轴承运行状态的判剧。