CN114486251A - 一种轴承试验台及其轴承试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种轴承试验台，包括主试侧装置、陪试侧装置、轴向加载装置、径向加载装置和控制系统；主试侧装置包括主试盾体和主试驱动，并设计有主试轴承安装接口，主试轴承的外圈与主试盾体固连而其内圈与主试驱动固连；陪试侧装置包括陪试盾体和陪试驱动，并设计有陪试轴承安装接口，陪试轴承的外圈与陪试盾体固连而其内圈与陪试驱动固连，且陪试轴承的内圈通过连接法兰与主试轴承的内圈固连；轴向加载装置用于对主试轴承和陪试轴承进行轴向力加载；径向加载装置用于对主试轴承和陪试轴承进行径向力加载；控制系统包括驱动控制系统、液压控制系统、PLC和上位机，驱动控制系统用于控制主试驱动及陪试驱动，液压控制系统用于控制轴向加载装置和径向加载装置，且驱动控制系统、液压控制系统均通过PLC与上位机连接。

Description

一种轴承试验台及其轴承试验方法

技术领域

本发明涉及轴承测试技术领域，具体地，涉及一种轴承试验台及其轴承试验方法。

背景技术

轴承是一种低速重载轴承，是掘进机的关键部件。多个电机经过多级减速、齿圈啮合连接到轴承，然后驱动刀盘旋转，实施隧道挖掘作业。轴承的性能对于掘进的效率和安全性至关重要。掘进机工况的复杂多变导致轴承在运行中经常承受着剧烈变化的载荷，因此轴承若能经过等效工况载荷的测试，可提高轴承的可靠性，并为轴承设计提供数据支持。

轴承工况模拟试验台的目的是模拟掘进机在实际施工遇到的不同工况，获取不同工况下的轴承状态，评估轴承的运行稳定性和可靠性。

轴承试验平台已经存在较多种类和方案，但轴承工况模拟试验台比较少见。目前这些轴承试验平台主要存在以下不足：

1)试验台多为缩尺或减功率试验台，没有大功率、灵活可调的陪试驱动，无法提供足够的载荷，无法完全模拟实际工况。

2)只有主试侧与掘进机的轴承应用相似，配置了盾体、多级减速机和驱动电机等，只能固定一侧为主试侧，另一侧为陪试侧。不能实现一个试验台测试两个轴承。

3)没有考虑能量回馈或者使用价格高昂的四象限变频器实现能量回馈。

4)考虑到以上问题，本发明设计的掘进机工况模拟试验台通过电气控制方法可实现大功率加载载荷灵活可调、主试陪试双侧切换功能、主试陪试驱动能量回馈再利用。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中的不足，提供一种轴承试验台。

为实现上述目的，本发明提供了一种轴承试验台，包括主试侧装置、陪试侧装置、轴向加载装置、径向加载装置和控制系统；

所述主试侧装置包括主试盾体和主试驱动，所述主试盾体上设有主试轴承安装接口，主试轴承的外圈与主试盾体固连而其内圈与主试驱动固连；

所述陪试侧装置包括陪试盾体和陪试驱动，所述陪试盾体上设有陪试轴承安装接口，陪试轴承的外圈与陪试盾体固连而其内圈与陪试驱动固连，且陪试轴承的内圈通过连接法兰与主试轴承的内圈固连；

所述轴向加载装置用于对主试轴承和陪试轴承进行轴向力加载；

所述径向加载装置用于对主试轴承和陪试轴承进行径向力加载；

所述控制系统包括驱动控制系统和液压控制系统、PLC和上位机，所述驱动控制系统用于控制主试驱动及陪试驱动，所述液压控制系统用于控制轴向加载装置和径向加载装置，且驱动控制系统和液压控制系统均与PLC连接，PLC与上位机连接。

可选的，所述驱动控制系统包括主试变频器和陪试变频器，所述主试变频器用于控制主试驱动，并与PLC之间进行信号的相互传输；所述陪试变频器用于控制陪试驱动，并与PLC之间进行信号的相互传输；所述主试变频器包括主试逆变单元，所述主试逆变单元用于控制主试驱动；所述陪试变频器包括陪试逆变单元，所述陪试逆变单元用于控制陪试驱动；所述主试逆变单元与陪试逆变单元采用共直流母线与整流单元连接，并通过整流单元与电网相连；所述整流单元用于将电网的定频交流电转换成直流电。

可选的，所述主试变频器和陪试变频器均设置为二象限变频器。

可选的，所述主试驱动包括主试电机和主试电机编码器，所述主试电机、主试电机编码器采用信号与主试变频器连接，上位机通过PLC控制主试电机运行，主试电机编码器将主试电机的运行情况反馈至主试逆变单元，主试逆变单元自动调整电机参数，以形成主试闭环控制系统。

可选的，所述陪试驱动包括陪试电机和陪试电机编码器，所述陪试电机、陪试电机编码器采用信号与陪试变频器连接，上位机通过PLC控制陪试电机运行，陪试电机编码器将陪试电机的运行情况反馈至陪试逆变单元，陪试逆变单元自动调整电机参数，以形成陪试闭环控制系统。

可选的，所述轴向加载装置包括多个沿圆周方向分布的轴向油缸，多个轴向轴油的一端均与主试盾体铰接而另一端均与陪试盾体铰接。

可选的，所述径向加载装置包括多个沿水平方向分布的径向油缸，多个径向油缸的一端均与陪试盾体铰接。

可选的，所述液压控制系统包括与轴向油缸采用一一对应设置的多个第一比例减压阀和第一压力传感器、以及与径向油缸采用一一对应设置的多个第二比例减压阀和第二压力传感器，所述第一压力传感器用于对轴向油缸的内压进行检测，所述第一比例减压阀用于根据第一压力传感器所检测到的数据控制轴向油缸内的油压；所述第二压力传感器用于对径向油缸的内压进行检测，所述第二比例减压阀用于根据第二压力传感器所检测到的数据控制径向油缸内的油压。

应用上述所述的轴承试验台，对大直径重载轴承进行工况模拟型式试验的方法具体如下：

步骤1、确定型式试验总时间:根据轴承设计载荷谱每种工况的时间占比，计算每种工况的运行时间；

步骤2、根据试验台结构，计算每种工况下轴向和径向油缸的加载力；

步骤3、调节轴向径向油缸达到工况一要求值，启动主试侧驱动系统，轴承转速缓慢增加至工况一要求值，通过陪试侧电机施加反扭矩，达到工况一要求值，然后连续运行达到工况一要求运行时间；

步骤4、按步骤3依次完成所有工况的运行，运行过程中关注控制系统信号是否有异常；

步骤5、拆解主试轴承，检查滚动体、滚道等部位是否有异常，以此来验证轴承性能是否满足设计要求。

应用上述所述的轴承试验台，对大直径重载轴承进行工况模拟加速疲劳寿命试验的方法具体如下：

步骤1、根据轴承设计载荷谱和设计寿命，计算轴承加速工况的轴向力、径向力、倾覆力矩、扭矩、转速以及等效加速时间，并通过工程计算以及仿真分析验证加速试验工况载荷的合理性，即加速载荷条件下不改变轴承的失效模式；

步骤2、计算加速工况下轴向和径向油缸的加载力；

步骤3、调节轴向径向油缸达到加速工况要求值，启动主试侧驱动系统，轴承转速缓慢增加至加速工况要求值，通过陪试侧电机施加反扭矩，达到加速工况要求值，然后连续运行达到等效加速时间；

步骤4、试验台运行过程中关注控制系统信号是否有异常；

步骤5、加速疲劳试验完成后，拆解主试轴承，检查轴承的疲劳失效情况，判断轴承是否达到设计寿命要求以及评估轴承的实际使用寿命。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明提供的一种轴承试验台，通过设置主试装置、陪试装置、轴向加载装置、径向加载装置，通过对轴承在试验过程中施加轴向载荷、径向载荷、倾覆力矩和负载扭矩，以检测和分析轴承的振动、噪声等性能参数，实现轴承的状态监测和性能评估。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明实施例中轴承试验台的结构示意图；

图2是图1中的控制系统框架示意图(图中→表示为信号传输方向)；

图3是图1中的驱动控制系统连接示意图(图中→表示驱动控制系统的框架连接方向，

表示为电能传输方向)。

其中：

1、主试盾体，2、主试驱动，3、陪试盾体，4、陪试驱动，5、轴向加载装置，6、径向加载装置。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点等能够更加明确易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。需说明的是，本发明附图均采用简化的形式且均使用非精确比例，仅用以方便、清晰地辅助说明本发明实施；本发明中所提及的若干，并非限于附图实例中具体数量；本发明中所提及的‘前’‘中’‘后’‘左’‘右’‘上’‘下’‘顶部’‘底部’‘中部’等指示的方位或位置关系，均基于本发明附图所示的方位或位置关系，而不指示或暗示所指的装置或零部件必须具有特定的方位，亦不能理解为对本发明的限制。

本实施例:

参见图1至图3所示，一种轴承试验台，包括主试侧装置、陪试侧装置、轴向加载装置5、径向加载装置6和控制系统；所述主试侧装置包括主试盾体1、主试轴承和主试驱动2，主试轴承的外圈与主试盾体1固连，主试轴承的内圈与主试驱动2固连；所述陪试侧装置包括陪试盾体3、陪试轴承和陪试驱动4，陪试轴承的外圈与陪试盾体3固连，陪试轴承的内圈与陪试驱动4固连，且陪试轴承的内圈通过连接法兰与主试轴承的内圈固连；所述轴向加载装置5用于对主试轴承和陪试轴承进行轴向力加载；所述径向加载装置6用于对主试轴承和陪试轴承进行径向力加载；所述控制系统包括驱动控制系统、液压控制系统、PLC和上位机，所述驱动控制系统用于控制主试驱动2和陪试驱动4，所述液压控制系统用于控制轴向加载装置5和径向加载装置6，且驱动控制系统和液压控制系统均与PLC连接，PLC与上位机连接。此处优选：所述主试盾体1和陪试盾体3均安装于安装底座上，从而实现主试盾体1和陪试盾体3的连接。

可选的，所述主试驱动2包括主试电机和主试电机编码器，主试电机用于对主试轴承进行驱动，且主试电机、主试电机编码器采用信号与主试变频器连接，上位机通过PLC控制主试电机运行，主试电机编码器将主试电机的运行情况反馈至主试逆变单元，主试逆变单元自动调整电机参数，以形成主试闭环控制系统。此处优选：所述主试电机根据需求可设置为一组及以上，所述主试电机编码器与主试电机采用一一对应设置，每组主试电机和主试电机编码器分别与主试变频器连接形成单组主试闭环控制系统；所述主试电机优选设置为驱动电机；所述主试变频器设置为二象限变频器。

可选的，所述陪试驱动3包括陪试电机和陪试电机编码器，陪试电机用于对陪试轴承进行驱动，且陪试电机、陪试电机编码器采用信号与陪试变频器连接，上位机通过PLC控制陪试电机运行，陪试电机编码器将陪试电机的运行情况反馈至陪试逆变单元，陪试逆变单元自动调整电机参数，以形成陪试闭环控制系统。此处优选：所述陪试电机根据需求可设置为一组及以上，所述陪试电机编码器与陪试电机采用一一对应设置，每组陪试电机和陪试电机编码器分别与陪试变频器连接形成单组陪试闭环控制系统；所述陪试电机优选设置为驱动电机；所述陪试变频器设置为二象限变频器。

除上述结构以外，为减少电能的消耗，所述主试电机或陪试电机还可设置为发电机，采用一端驱动另一端根据其驱动动力进行发电的方式，以减少电能的消耗。此处优选：为实现主试驱动和陪试驱动能够相互替换成驱动端，所述主试驱动和陪试驱动通过采用共直流母线的方式与电网连接。

可选的，所述驱动控制系统包括主试变频器和陪试变频器，所述主试变频器包括主试逆变单元，主试逆变单元与主试电机和PLC之间采用信号连接，上位机通过PLC向主试逆变单元发送控制信号，主试逆变单元将控制信号传送至主试电机，从而实现对主试电机的控制，同时，主试电机编码器将主试电机的运行情况反馈至主试逆变单元，主试逆变单元自动调整电机参数，实现高精度的闭环控制；所述陪试变频器包括陪试逆变单元，陪试逆变单元与陪试电机和PLC之间采用信号连接，上位机通过PLC向陪试逆变单元发送控制信号，陪试逆变单元将控制信号传送至陪试电机，从而实现对陪试电机的控制，同时，陪试电机编码器将陪试电机的运行情况反馈至陪试逆变单元，陪试逆变单元自动调整电机参数，实现高精度的闭环控制。此处优选：为实现主试装置与陪试装置的相互替换使用，所述主试逆变单元与陪试逆变单元采用共直流母线与整流单元连接，并通过整流单元与电网相连；所述整流单元用于将电网的定频交流电转换成直流电；当电网输出的电能带动主试电机驱动时，陪试电机作为发电机进行发电并将电能通过直流母线传送给主试电机，为主试电机提供部分电能；当电网输出的电能带动陪试电机驱动时，主试电机作为发电机进行发电并将电能通过直流母线传送线陪试电机，为陪试电机提供部分电能。

可选的，所述主试逆变单元与主试驱动2采用一一对应设置，所述陪试逆变单元与陪试驱动4采用一一对应设置。

可选的，所述轴向加载装置包括多个沿圆周方向分布的轴向油缸，多个轴向轴油的一端均与主试盾体铰接而另一端均与陪试盾体铰接。

可选的，所述径向加载装置包括多个沿水平方向分布的径向油缸，多个径向油缸的一端均与陪试盾体铰接。

可选的，所述液压控制系统包括与轴向油缸采用一一对应设置的多个第一比例减压阀和第一压力传感器、以及与径向油缸采用一一对应设置的多个第二比例减压阀和第二压力传感器，所述第一压力传感器用于对轴向油缸的内压进行检测，所述第一比例减压阀用于根据第一压力传感器所检测到的数据控制轴向油缸内的油压；所述第二压力传感器用于对径向油缸的内压进行检测，所述第二比例减压阀用于根据第二压力传感器所检测到的数据控制径向油缸内的油压。

除上述结构外，所述驱动控制系统和液压控制系统中未提及的部分可参考现有技术。

除上述结构外，本发明提供的一种轴承试验台，还包括上位机，所述PLC与上位机采用通讯连接，上位机用于存储和显示PLC的各数据，并给PLC发送指令。

应用上述轴承试验台，对轴承的性能进行试验的方法具体如下：

1)空载试验：轴向油缸不加载，径向油缸加载力抵消陪试装置的重力，主试装置空载启动，检测轴承启动摩擦力矩，观测轴承是否存在卡滞和异响；

2)单一载荷试验：根据轴承载荷谱，使轴承稳定运行于设计速度下，施加单一载荷，分别取设计满载荷的20％、40％、60％、80％和100％进行试验，获得倾覆力矩-时间曲线、负载扭矩-时间曲线、负载扭矩-倾覆力矩变化等曲线；

3)综合载荷试验：根据轴承载荷谱,使轴承稳定运行于设计速度下，同时施加轴向力、径向力、负载扭矩进行试验，获得倾覆力矩-时间曲线、负载扭矩-时间曲线、负载扭矩-倾覆力矩变化等曲线；

4)疲劳度测试：根据轴承疲劳载荷谱,使轴承稳定运行于设计速度下，按照设计疲劳载荷进行疲劳度试验，运行到设计时间后，将测试轴承进行拆解检查。

应用上述轴承试验台，对大直径重载轴承进行工况模拟型式试验的方法具体如下：

步骤1、确定型式试验总时间，根据轴承设计载荷谱每种工况的时间占比，计算每种工况的运行时间；

步骤2、根据试验台结构，计算每种工况下轴向和径向油缸的加载力；

步骤3、通过上位机控制面板，调节轴向径向油缸达到工况一要求值，启动主试侧驱动系统，轴承转速缓慢增加至工况一要求值，通过陪试侧电机施加反扭矩，达到工况一要求值，然后连续运行达到工况一要求运行时间；

步骤4、按步骤3依次完成所有工况的运行，运行过程中关注控制系统信号是否有异常；

步骤5、拆解主试轴承，检查滚动体、滚道等部位是否有异常，以此来验证轴承性能是否满足设计要求。

应用上述轴承试验台，对大直径重载轴承进行工况模拟加速疲劳寿命试验的方法具体如下：

步骤1、根据轴承设计载荷谱和设计寿命，计算轴承加速工况的轴向力、径向力、倾覆力矩、扭矩、转速以及等效加速时间，并通过工程计算以及仿真分析验证加速试验工况载荷的合理性，即加速载荷条件下不改变轴承的失效模式；

步骤2、根据试验台结构，计算加速工况下轴向和径向油缸的加载力；

步骤3、通过上位机控制面板，调节轴向径向油缸达到加速工况要求值，启动主试侧驱动系统，轴承转速缓慢增加至加速工况要求值，通过陪试侧电机施加反扭矩，达到加速工况要求值，然后连续运行达到等效加速时间；

步骤4、试验台运行过程中关注控制系统信号是否有异常；

步骤5、加速疲劳试验完成后，拆解主试轴承，检查轴承的疲劳失效情况，判断轴承是否达到设计寿命要求以及评估轴承的实际使用寿命。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种轴承试验台，其特征在于，包括主试侧装置、陪试侧装置、轴向加载装置、径向加载装置和控制系统；

所述主试侧装置包括主试盾体和主试驱动，所述主试盾体上设有主试轴承安装接口，主试轴承的外圈与主试盾体固连而其内圈与主试驱动固连；

所述陪试侧装置包括陪试盾体和陪试驱动，所述陪试盾体上设有陪试轴承安装接口，陪试轴承的外圈与陪试盾体固连而其内圈与陪试驱动固连，且陪试轴承的内圈通过连接法兰与主试轴承的内圈固连；

所述轴向加载装置用于对主试轴承和陪试轴承进行轴向力加载；

所述径向加载装置用于对主试轴承和陪试轴承进行径向力加载；

所述控制系统包括驱动控制系统和液压控制系统、PLC和上位机，所述驱动控制系统用于控制主试驱动及陪试驱动，所述液压控制系统用于控制轴向加载装置和径向加载装置，且驱动控制系统和液压控制系统均与PLC连接，PLC与上位机连接。

2.根据权利要求1所述的轴承试验台，其特征在于，所述驱动控制系统包括主试变频器和陪试变频器，所述主试变频器用于控制主试驱动，并与PLC之间进行信号的相互传输；所述陪试变频器用于控制陪试驱动，并与PLC之间进行信号的相互传输；

所述主试变频器包括主试逆变单元，所述主试逆变单元用于控制主试驱动；

所述陪试变频器包括陪试逆变单元，所述陪试逆变单元用于控制陪试驱动；

所述主试逆变单元与陪试逆变单元采用共直流母线与整流单元连接，并通过整流单元与电网相连；所述整流单元用于将电网的定频交流电转换成直流电。

3.根据权利要求2所述的轴承试验台，其特征在于，所述主试变频器和陪试变频器均设置为二象限变频器。

4.根据权利要求3所述的轴承试验台，其特征在于，所述主试驱动包括主试电机和主试电机编码器，所述主试电机、主试电机编码器采用信号与主试变频器连接，上位机通过PLC控制主试电机运行，主试电机编码器将主试电机的运行情况反馈至主试逆变单元，主试逆变单元自动调整电机参数，以形成主试闭环控制系统。

5.根据权利要求3所述的轴承试验台，其特征在于，所述陪试驱动包括陪试电机和陪试电机编码器，所述陪试电机、陪试电机编码器采用信号与陪试变频器连接，上位机通过PLC控制陪试电机运行，陪试电机编码器将陪试电机的运行情况反馈至陪试逆变单元，陪试逆变单元自动调整电机参数，以形成陪试闭环控制系统。

6.根据权利要求1所述的轴承试验台，其特征在于，所述轴向加载装置包括多个沿圆周方向分布的轴向油缸，多个轴向轴油的一端均与主试盾体铰接而另一端均与陪试盾体铰接；

所述径向加载装置包括多个沿水平方向分布的径向油缸，多个径向油缸的一端均与陪试盾体铰接。

7.根据权利要求6所述的轴承试验台，其特征在于，所述液压控制系统包括与轴向油缸采用一一对应设置的多个第一比例减压阀和第一压力传感器、以及与径向油缸采用一一对应设置的多个第二比例减压阀和第二压力传感器，所述第一压力传感器用于对轴向油缸的内压进行检测，所述第一比例减压阀用于根据第一压力传感器所检测到的数据控制轴向油缸内的油压；所述第二压力传感器用于对径向油缸的内压进行检测，所述第二比例减压阀用于根据第二压力传感器所检测到的数据控制径向油缸内的油压。

8.一种轴承试验的方法，其特征在于，应用权利要求1-8任意一项所述的轴承试验台对大直径重载轴承进行工况模拟型式试验的具体步骤如下：

步骤1、确定型式试验总时间:根据轴承设计载荷谱每种工况的时间占比，计算每种工况的运行时间；

步骤2、根据试验台结构，计算每种工况下轴向和径向油缸的加载力；

步骤3、调节轴向径向油缸达到工况一要求值，启动主试侧驱动系统，轴承转速缓慢增加至工况一要求值，通过陪试侧电机施加反扭矩，达到工况一要求值，然后连续运行达到工况一要求运行时间；

步骤4、按步骤3依次完成所有工况的运行，运行过程中关注控制系统信号是否有异常；

步骤5、拆解主试轴承，检查滚动体、滚道等部位是否有异常，以此来验证轴承性能是否满足设计要求。

9.一种轴承试验的方法，其特征在于，应用权利要求1-8任意一项所述的轴承试验台对大直径重载轴承进行工况模拟加速疲劳寿命试验的具体步骤如下：

步骤1、根据轴承设计载荷谱和设计寿命，计算轴承加速工况的轴向力、径向力、倾覆力矩、扭矩、转速以及等效加速时间，并通过工程计算以及仿真分析验证加速试验工况载荷的合理性，即加速载荷条件下不改变轴承的失效模式；

步骤2、计算加速工况下轴向和径向油缸的加载力；

步骤3、调节轴向径向油缸达到加速工况要求值，启动主试侧驱动系统，轴承转速缓慢增加至加速工况要求值，通过陪试侧电机施加反扭矩，达到加速工况要求值，然后连续运行达到等效加速时间；

步骤4、试验台运行过程中关注控制系统信号是否有异常；

步骤5、加速疲劳试验完成后，拆解主试轴承，检查轴承的疲劳失效情况，判断轴承是否达到设计寿命要求以及评估轴承的实际使用寿命。

Images