CN113899685B - 适用于多型号轴承的电蚀损伤试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于多型号轴承的电蚀损伤试验装置，包括底板、旋转主轴、一对直线滑台和相应的一对支撑架，每个直线滑台滑动设置于底板上，每个支撑架的一端固定于相应的直线滑台面板上，另一端固定连接有轴承座，轴承座内安装有测试轴承，两测试轴承分别固定于旋转主轴两端，其中所述旋转主轴为双端同心阶梯轴结构，各段轴径由旋转轴中部向外递减；该试验装置还包括位于旋转主轴中部带动旋转主轴旋转的传动装置、位于旋转主轴中部向旋转主轴施加径向力的径向力加载装置、轴电压模拟装置和数据采集装置，轴电压模拟装置用于模拟通过轴承的电流和轴承上的电压，数据采集装置用于采集该试验装置所需的参数。

Description

适用于多型号轴承的电蚀损伤试验装置

技术领域

本发明涉及一种面向电机轴承的电蚀损伤测试装置，具体地涉及一种适用于多型号轴承的电蚀损伤试验装置。

背景技术

在PWM逆变器驱动电机系统中，共模电压一般定义为电机三相绕组中点对参考地的电位差。轴电压有两种定义，一种为转轴与机壳之间的电压差，由于轴承的内圈与转轴相连，外圈与轴承座和机壳相连，该电压也可表述为轴承内外圈之间的电压；另一种为转轴端到端的电压差。本申请中的轴电压指的是第一种定义。轴电流指的是流过轴承的电流，当电机磁路不平衡时可以引起低频轴电流，电机变频器驱动下会由于脉冲供电方式产生高频轴电流。轴承电蚀指的是电流在旋转中的轴承内外滚道和滚动体接触部分流动时，击穿润滑油膜发生火花放电，使得金属表面出现局部的熔融和凹凸现象。

轴承是电机运行的关键部件，同时也是电机内部最易损的部件之一。据工业调查，轴承故障占电机故障的40％～50％，其中40％的轴承故障由电蚀损伤引起，随着变频调速技术的推广应用，这一比例仍在扩大。在轨道交通牵引电机、风力发电机、电动汽车中，轴承电蚀问题逐年显现，越来越受到人们的重视。

PWM变频器固有驱动模式，会不可避免地产生高频共模电压，并通过电机内部寄生电容的耦合作用在电机转轴与机壳之间感应出轴电压。电机正常运行时，轴承滚珠与内外滚道之间形成的油膜会起到绝缘介质的作用，轴承呈现容性。当轴电压超过介质击穿阈值时，就会发生火花放电，产生轴电流和局部高温，一方面使润滑脂碳化，另一方面使金属表面熔融，产生微小的凹坑。长期的电蚀损伤会在滚道表面形成“搓板纹”，引起振动加剧、噪声增大、温度升高，缩短轴承的使用寿命。

目前尚没有一种方案能完全解决电蚀问题，为了节约成本、保障电机运行可靠性，探索针对电机轴承的预测性维护技术具有极高的应用前景。电机轴承预测性维护主要包括电蚀损伤机理分析、性能退化状态识别、剩余使用寿命预测三个方面，难点在于缺乏专门的轴承电蚀测试方案、试验设备和试验数据的支撑。开发一种面向电机轴承的电蚀损伤测试装置，模拟电机运行过程中轴电流对轴承造成的损伤失效模式，对测试轴承进行状态监测、信息提取和失效分析，对于解决上述问题有重要的理论和工程意义。

图1显示了由西门子工程师H.Tischmacher和S.Gattermannn提出的一种轴承电蚀试验装置。试验装置由驱动装置、传动装置、轴电压模拟装置、加载装置、测控装置组成。驱动电机100通过绝缘联轴节101与传动主轴102相连，前测试轴承103和后测试轴承104以及中间的负载轴承105固定在绝缘加载轴承座106上，沿轴向依次排列。变频器控制电机及测试轴承的转速；在负载轴承105上施加稳定的径向载荷，利用不平衡盘和惯性激振器可将动态负载引入系统；模拟电源通过固定于主轴102和轴承座106上的电刷将电压脉冲施加载测试轴承的内外圈之间，并通过电刷引出线测量流过轴承的电流。测控装置包括相应的力、热、电传感器，并行采集测试轴承的转速、温度、振动、电压、电流等运行参数。

湖南科技大学的王广斌、孟宪文等开发了一种模拟电机轴承轴电流损伤的试验装置，结构如图2所示。该试验装置整体设计思路与西门子的技术方案类似，试验装置包括驱动装置、传动装置、测控装置、加载装置和底座。传动装置包括旋转主轴、联轴器、轴承、支承座和轴承座；驱动装置和支承座分别安装在底座两侧，驱动装置经联轴器与旋转主轴的一端相连，旋转主轴的另一端安装在支承座上；旋转主轴的中部套设有转盘，旋转主轴上左右对称设有两个轴承，轴承的内圈固定在旋转主轴上，轴承的外圈固定在轴承座上，轴承座安装在底座上；加载装置包括轴承电流产生装置与径向载荷加载装置，轴承电流产生装置与旋转主轴相连，轴承外圈通过导线接地，径向载荷通过安装在轴承座上与轴承外圈连接的螺旋弹簧调节；测控装置包括振动加速度传感器、转速传感器、电流传感器、力传感器、采集卡和上位机，振动加速度传感器安装在轴承的侧面并与轴承外圈接触，转速传感器安装在旋转主轴上，电流传感器安装在轴承座与轴承之间，力传感器安装在轴承座侧面，振动加速度传感器、转速传感器、电流传感器、力传感器的信号输出端与采集卡的输入端相连，采集卡的输出端与上位机相连。该技术方案的加载装置存在一定的设计缺陷，螺旋弹簧的加载范围有限，并且给轴承座绝缘处理增添了难度。针对这一问题，该团队提出了图3所示的改进型方案，采用液压加载装置(包括液压缸支撑架、加载油缸、配套的铰链、销轴、加载垫片等)代替螺旋弹簧，一定程度上解决了上述问题。

这些现有的技术方案中的轴承试验装置的主轴和轴承座仅针对特定型号的轴承进行设计，无法在同一装置上完成多种型号轴承的测试，通用性较差。以西门子的方案为例，旋转主轴前、后端为测试轴承，由于轴承与主轴、轴承与轴承座的尺寸配合存在问题，无法测试其他型号轴承。当被测轴承型号变化，需要重新设计、加工和制造与之相应的装置，存在成本增加的问题。其次，现有的轴承电蚀试验装置普遍采取电机与旋转主轴刚性连接的传动方式，给径向力加载装置的设计带来一定的难度。以西门子方案为例，通过负载轴承在旋转主轴上加载径向力，由于主轴与传动轴之间的刚性连接，不可避免的会使驱动电机轴承承受一定的径向载荷，而加载在被测轴承上的径向载荷不易线性控制；以湖南科技大学的方案为例，通过在轴承座上安装螺旋弹簧或使用液压装置直接对被测轴承加载，这种方法加载范围有限、结构复杂。另外，现有的轴承电蚀试验装置绝缘设计存在加工难度大、可靠性不高的问题。以湖南科技大学的改进型方案为例，电机端与旋转主轴、旋转主轴与传动轴之间采用绝缘联轴节，径向力加载的液压装置与轴承座之间加装绝缘垫片，测试轴承配套的轴承座加开凹槽以安装绝缘垫圈或喷涂绝缘材料。上述绝缘处理方案加工难度大，且存在绝缘效果不可靠的问题。

发明内容

为克服现有技术中存在的缺陷，本发明提供了一种面向电机轴承的电蚀损伤试验装置，该试验装置可有效模拟电机运行过程中电流流过对轴承造成的损伤失效模式。该试验装置满足轴承电气参数、放电击穿规律、电蚀形貌演化等相关测试要求；具备单一装置完成多种型号轴承测试的能力；具有径向力加载范围大、易于控制，绝缘处理简单、可靠性高的优点。

本发明的技术方案如下：

一种适用于多型号轴承的电蚀损伤试验装置，包括底板、旋转主轴、一对直线滑台和相应的一对支撑架，每个直线滑台滑动设置于底板上，每个支撑架的一端固定于相应的直线滑台面板上，另一端固定连接有轴承座，轴承座内安装测试轴承，两测试轴承分别固定于旋转主轴两端，其中所述旋转主轴为双端同心阶梯轴结构，各段轴径由旋转轴中部向外递减；该试验装置还包括位于旋转主轴中部带动旋转主轴旋转的传动装置、位于旋转主轴中部向旋转主轴施加径向力的径向力加载装置、轴电压模拟装置和数据采集装置，轴电压模拟装置用于模拟通过轴承的电流和轴承上的电压，数据采集装置用于采集该试验装置所需的参数。

优选地，所述直线滑台包括丝杠，丝杠端部设置手轮。

优选地，所述阶梯轴结构在轴台各段开有卡簧槽，卡簧槽内设置卡簧，通过卡簧与轴肩对测试轴承内圈进行固定。

优选地，所述轴承座和支撑架的与轴承座固定的一端上均开有十字槽，十字槽内安放横、纵绝缘板。

优选地，所述传动装置包括驱动电机、固定于驱动电机输出轴上的主动带轮、固定于旋转主轴上的固定盘、与固定盘固定连接的从动带轮以及连接于主动带轮与从动带轮之间的传动带，所述驱动电机固定于所述底板上。

优选地，所述驱动电机为变频电机。

优选地，所述径向力加载装置包括带座轴承、固定板、螺杆、拉力传感器、卸扣、丝杆装置和支架，丝杆装置连接于卸扣与支架之间，支架固定于所述底板上，拉力传感器两端通过螺杆分别连接固定板和卸扣，固定板与带座轴承固定连接，所述固定板经过绝缘处理，通过摇动丝杆装置减速机来调整径向载荷。

优选地，所述轴电压模拟装置包括函数信号发生器、线性功率放大器和碳刷，采用函数信号发生器配合线性功率放大器输出波形、幅值、频率可调的电压激励，通过与旋转主轴相连的碳刷和轴承座引线施加至测试轴承内外圈之间，形成功率放大器正极—碳刷—主轴—测试轴承内圈—滚动体—测试轴承外圈—轴承座—功率放大器负极的闭合电流回路。

优选地，所述数据采集装置包括装在主轴上的转速传感器、所述径向力加载装置中的拉力传感器、串接于所述轴电压模拟装置电压加载回路中的电流传感器、连接轴承外圈引出线和所述碳刷引出线的电压传感器、安装于轴承座内的温度传感器和振动加速度传感器、采集记录电压和电流波形的高频采集设备、数据采集卡和上位机，所述数据采集卡采集各传感器的输出数据并将数据实时传输至上位机显示、存储。

优选地，所述温度传感器采用铠装热电偶/热电阻通过轴承座通孔接触轴承外圈。

优选地，所述振动加速度传感器为两个，分别安装于轴承座垂直中心线方向和水平中心线方向的振动加速度传感器安装孔中。

优选地，该试验装置还包括安全保护罩。

为在一个测试台上实现多尺寸、多型号轴承的电蚀测试，对主轴、支撑架和底板的机械结构提出相应的设计方案。主要特征包括：1)支撑架底部固定于直线滑台面板，通过手轮旋转滑台丝杠，可实现支撑架及支撑架承托的被测轴承沿轴向移动；2)主轴采用双端同心阶梯轴结构，各段轴径由中间向外递减，根据多组被测轴承的内圈尺寸确定。

该试验装置采用双端轴承支撑，配合中部驱动及中心点拉力加载，降低了系统的绝缘处理难度。仅需在被测轴承座底部加装固定尺寸的绝缘垫片和在径向力加载装置中采用绝缘固定板，即可实现轴电流加载回路和其他结构的可靠绝缘。

该试验装置传动系统采用纵向平行带传动，电机轴伸端通过带轮和传动带驱动主轴旋转；径向力加载装置采用中心拉力加载设计，在主轴中心点加装带座轴承，配合底部丝杆装置加载径向力。上述设计方案具有结构简单、传动平稳、易于拆卸、绝缘处理可靠等优点。

附图说明

为了更容易理解本发明的技术方案和有益的技术效果，通过参照在附图中示出的本发明的具体实施方式来对本发明进行详细的描述。该附图仅绘出了本发明的典型实施方式，并不构成对本发明的保护范围的限制，其中：

图1-3为现有技术中的轴承试验装置；

图4为根据本发明的一个具体实施方式的适用于多型号轴承的电蚀损伤试验装置的结构示意图；

图5为根据本发明的一个具体实施方式的轴承座结构示意图；

图6为根据图4所示实施方式的轴电压模拟装置及数据采集装置的示意图。

具体实施方式

下面将结合附图3-6对本发明作进一步的详细说明。

本发明装置主要包括主体机械结构、传动装置、径向力加载装置、轴电压模拟装置、数据采集装置五个部分。本发明装置的机械结构、传动装置、径向力加载装置如图4所示。

试验装置主体机械结构由底板2、直线滑台1,6、支撑架7、前端测试轴承10及配套轴承座11、后端测试轴承18及配套轴承座19、旋转主轴12构成。旋转主轴采用双端同心阶梯轴结构，各段轴径由中间向外递减，根据多组被测轴承的内圈尺寸确定。内侧轴台作为相邻外侧轴承的轴肩，用作该轴承内圈的定位。在轴台各段开有卡簧槽，依靠卡簧和轴肩对被测轴承内圈进行固定。旋转主轴中心处安装有用于加载径向力的带座轴承16，以及用于传动的固定盘13和从动带轮14。

针对多种型号的被测轴承，配备相应多个轴承座。轴承座结构如图5所示，不同型号轴承对应的轴承座轴孔中心高一致，孔径根据轴承外圈尺寸定制。旋转主轴、轴承座和被测轴承之间的尺寸配合保证了安装不同型号的轴承时主轴中心线水平。轴承座和支撑架都开有十字槽，用于安放横、纵绝缘板，一方面起绝缘作用，另一方面定位作用。使用绝缘螺栓和垫片将轴承座紧固于支撑架上。支撑架底部固定在直线滑台面板，滑台底座通过螺栓固定于底板。通过手轮旋转滑台丝杠，可实现支撑架及支撑架承托的被测轴承沿轴向移动。

传动装置采用平行带传动，包括驱动电机3、传动带8、固定于电机轴伸端的主动带轮5、固定于旋转主轴的固定盘13和从动带轮14。驱动电机3采用变频器控制，固定于底板2上，通过上述带传动系统带动旋转主轴旋转。

径向力加载装置包括带座轴承16、固定板20、螺杆21、拉力传感器22、卸扣23和丝杆装置24。丝杆装置24连接卸扣23和支架4，支架固定于底板上，摇动丝杆装置减速机调整径向载荷。带座轴承底部的固定板需进行绝缘处理，防止电流通过径向力加装装置泄露至底板。拉力传感器具备数显及通讯功能，两端通过螺杆分别连接固定板和卸扣，实时监测施加载主轴上的径向力。

轴电压模拟装置和数据采集装置如图6所示。轴电压模拟装置包括函数信号发生器30、线性功率放大器29、碳刷17。采用函数信号发生器配合线性功率放大器输出波形、幅值、频率可调的电压激励，通过与主轴相连的碳刷17和轴承座10,19引线施加至轴承内外圈之间，形成功率放大器正极—碳刷—主轴—测试轴承内圈—滚动体—测试轴承外圈—轴承座—功率放大器负极的闭合电流回路。

数据采集装置包括转速传感器15、拉力传感器22、电流传感器25、电压传感器28、温度传感器26、振动加速度传感器27、高频采集设备31、数据采集卡32和上位机33。针对带传动过载打滑造成传动比不准确的问题，在旋转主轴加装速度传感器15，进行转速监测。电流传感器串接于电压加载回路中，电压传感器连接轴承外圈引出线和碳刷引出线。由于相关测试实验的需要，常规的数据采集卡采样率和传输速率难以满足要求，因此需配备相应的高频采集设备(示波器、录波仪等)采集记录电压和电流波形。温度传感器26采用铠装热电偶/热电阻通过轴承座上的温度传感器安装孔34接触轴承外圈，两个振动加速度传感器27分别安装于轴承座垂直中心线方向和水平中心线方向的振动加速度传感器安装孔35中，如图5所示。由于测试时，轴承和轴承座处于强电加载回路内，应使用隔离型振动加速度传感器和温度传感器，同时需保证传感器信号线表面绝缘，防止因传感器信号线误接触引起的短路。数据采集卡32采集传感器输出的转速、载荷、振动、温度信号，并将数据实时传输至上位机显示、存储。试验中，电压传感器输出①、电流传感器输出②分别接高频采集设备的信号输入通道CHA、CHB；转速传感器输出③、拉力传感器输出④、温度传感器输出⑤、振动加速度传感器输出⑥分别接数据采集卡的输入通道AI0～AI3。

为保证操作安全，可以在测试装置外部加装安全保护罩。

下面介绍试验装置的功能。

(1)轴承电气参数测试

轴承电气参数测试是指运用伏安法、充电电压梯度法等方法，测量并提取轴承在不同的运行条件(载荷、转速、温度)下的等效电阻、油膜电容等电气参数。根据测试方法的需要，本试验装置可利用函数信号发生器和线性功率放大器在轴承内、外圈之间加载频率和幅值可调的高频正弦电压或方波电压，高频采集设备采集轴承电压和电流波形，并利用传感器和采集卡记录轴承运行状态(载荷、转速、温度)，最终获取不同外部工况下轴承的电气参数。

(2)击穿阈值电压测试

轴承油膜的击穿阈值电压会随外部工况及轴电压频率等而变化。利用模拟电源在轴承内外圈之间加载轴电压，高频采集设备采集轴承电压、电流波形。改变转速、载荷条件，并记录温度条件，改变电源电压的幅值、频率，观察轴电流和轴电压波形的变化，获取不同运行工况下轴承放电击穿阈值。

(3)电蚀形貌演化测试

轴承电蚀形貌演化是通过持续性、有规律地加载轴电压并控制外部运行工况，以使轴承电蚀失效加速，获取轴承老化过程中的放电频度、温升、振动等特征量，以及不同损伤程度下轴承的形貌演化规律，为电蚀故障特征提取和轴承损伤状态分析提供试验依据。

本发明的试验装置具有如下优点。

(1)适用于多型号轴承的电蚀测试

该轴承试验装置设计方案能够在测试台使用同一个主轴下对多种型号的轴承进行测试，且轴承的拆卸、更换、安装流程简便，一套测试装置的应用面扩大。

(2)机械结构简单

该试验装置采用平行带传动，两端支撑杆配合中心点拉力结构加压，整体机械结构简单、易于实现、方便拆装。

(3)绝缘处理简单

轴电流加载回路与其他结构接触点较少，仅需在轴承座底部加装绝缘板即可，相比于方案二对轴承座孔内表面进行绝缘处理的方案，绝缘处理简单、绝缘效果可靠。

本发明可以以其他具体的形式进行体现，但并不会脱离本发明的保护范围，本发明的保护范围仅由所附的权利要求限定。

Claims (6)

1.一种适用于多型号轴承的电蚀损伤试验装置，包括底板、旋转主轴、一对直线滑台和相应的一对支撑架，其特征在于：每个直线滑台滑动设置于底板上，每个支撑架的一端固定于相应的直线滑台面板上，另一端固定连接有轴承座，轴承座内安装测试轴承，两测试轴承分别固定于旋转主轴两端，其中所述旋转主轴为双端同心阶梯轴结构，各段轴径由旋转轴中部向外递减；该试验装置还包括位于旋转主轴中部带动旋转主轴旋转的传动装置、位于旋转主轴中部向旋转主轴施加径向力的径向力加载装置、轴电压模拟装置和数据采集装置，轴电压模拟装置用于模拟通过轴承的电流和轴承上的电压，数据采集装置用于采集该试验装置所需的参数；

所述传动装置包括驱动电机、固定于驱动电机输出轴上的主动带轮、固定于旋转主轴上的固定盘、与固定盘固定连接的从动带轮以及连接于主动带轮与从动带轮之间的传动带，所述驱动电机固定于所述底板上；

所述径向力加载装置包括带座轴承、固定板、螺杆、拉力传感器、卸扣、丝杆装置和支架，丝杆装置连接于卸扣与支架之间，支架固定于所述底板上，拉力传感器两端通过螺杆分别连接固定板和卸扣，固定板与带座轴承固定连接，所述固定板经过绝缘处理，通过摇动丝杆装置减速机来调整径向载荷；

所述轴电压模拟装置包括函数信号发生器、线性功率放大器和碳刷，采用函数信号发生器配合线性功率放大器输出波形、幅值、频率可调的电压激励，通过与旋转主轴相连的碳刷和轴承座引线施加至测试轴承内外圈之间，形成功率放大器正极—碳刷—主轴—测试轴承内圈—滚动体—测试轴承外圈—轴承座—功率放大器负极的闭合电流回路；

所述数据采集装置包括装在主轴上的转速传感器、所述径向力加载装置中的拉力传感器、串接于所述轴电压模拟装置电压加载回路中的电流传感器、连接轴承外圈引出线和所述碳刷引出线的电压传感器、安装于轴承座内的温度传感器和振动加速度传感器、采集记录电压和电流波形的高频采集设备、数据采集卡和上位机，所述数据采集卡采集各传感器的输出数据并将数据实时传输至上位机显示、存储。

2.根据权利要求1所述的适用于多型号轴承的电蚀损伤试验装置，其中所述阶梯轴结构在轴台各段开有卡簧槽，卡簧槽内设置卡簧，通过卡簧与轴肩对测试轴承内圈进行固定。

3.根据权利要求1所述的适用于多型号轴承的电蚀损伤试验装置，其中所述轴承座和支撑架的与轴承座固定的一端上均开有十字槽，十字槽内安放横、纵绝缘板。

4.根据权利要求1所述的适用于多型号轴承的电蚀损伤试验装置，其中所述驱动电机为变频电机。

5.根据权利要求1所述的适用于多型号轴承的电蚀损伤试验装置，其中该电蚀损伤试验装置还包括安全保护罩。

6.根据权利要求1所述的适用于多型号轴承的电蚀损伤试验装置，其中所述温度传感器采用铠装热电偶/热电阻通过轴承座通孔接触轴承外圈；其中所述振动加速度传感器为两个，分别安装于轴承座垂直中心线方向和水平中心线方向的振动加速度传感器安装孔中。