CN116413030A - 一种滚动球轴承表面损伤摩擦磨损测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种滚动球轴承表面损伤摩擦磨损测试系统，包括滚动摩擦磨损测试设备、环境控制系统和计算机控制系统；该测试系统模拟了滚动轴承材料的实际服役工况，可用于滚动轴承在主轴转速（最大12000rpm），扭矩（17Nm：30‑3000rpm，7Nm：12000rpm），载荷（最大加载力2000N），大气、高/低温（‑40‑500℃）、湿度（20‑98%RH）多因素环境下的摩擦磨损性能的测试，实现对轴承材料服役性能的精确掌握。具体的，可实现各种材质轴承球与滚道、球与保持架之间的摩擦学性能、表面损伤和使役行为的测试评估，为突破高精密轴承的国产化提供依据，进而加快我国高端装备的快速发展。

Description

一种滚动球轴承表面损伤摩擦磨损测试系统

技术领域

本发明涉及滚动摩擦测试技术领域，具体涉及一种滚动球轴承表面损伤摩擦磨损测试系统。

背景技术

轴承作为机械装备动力传输的支撑，是工业领域重大装备和军工武器装备传动系统的基础性、关键性零部件之一，其摩擦磨损性能与疲劳寿命直接决定着装备的安全服役和性能提升。我国是轴承应用的超级大国，每年需求占数万亿规模的经济总量。按服役特征划分，高端轴承基本可分为低速重载大型轴承、高速高精密低噪音轴承、高速高温高可靠轴承三大类。

国产轴承突出的差距主要表现在基础材料、加工装配和性能测试评价几大关键共性技术方面。可以看出，除材料核心技术和工艺外，可靠和准确的性能测试评价设备也是制约我国高端轴承材料性能提升和应用的重要原因。

滚动球轴承主要包括轴承滚道、保持架、润滑脂以及轴承球，其中轴承球以滚动方式支撑机械旋转体，从而降低运动过程中的摩擦阻力。因此，轴承球的抗磨损和接触疲劳性能是影响滚动球轴承装配精度和服役寿命的重要因素之一。目前，常用来考核轴承用润滑油及其轴承球滚动接触疲劳寿命性能的试验机主要有四球摩擦试验机、五球疲劳试验机、推力盘试验机。四球试验机通过固定的钢套当作轴承的外圈，3个下球当作1个轴承滚道中的滚动体，上球当作内滚道，利用钢套下的活塞由杠杆臂加载，上球通过轴径安装在驱动轴上，与3个下球相接触，上、下球的接触处浸入润滑油中，其主要用来评价轴承球的摩擦磨损性能；五球疲劳试验机用于研究接触角、材料硬度、热处理、润滑、油膜厚度、变形、磨损、温度以及赫兹应力和残余应力对接触疲劳寿命的影响。四球摩擦试验机、五球疲劳试验机的被试球为上球，虽然分别有3点和4点接触受载，但其受力点不在最大圆截面内，而陪试球除绕自身轴线旋转外，同时还绕驱动轴轴线公转，因此陪试球的接触点间的速度关系不恒定，所以被试球与陪试球之间必是滚/滑状态，这会增加接触疲劳寿命的影响因素。最接近纯滚动接触工况的是推力盘试验机，被试球在绕推力圆盘轴线公转的同时还要绕自身轴线滚动，被试球因公转产生的离心力作用于保持架的径向，而球推动保持架转动或被保持架推动而向前滚动的力则作用于保持架的周向。因此被试球上仍有一些滑动摩擦，这些滑动及附加结构都增加了滚动接触疲劳寿命的影响因素。

此外，球/V形环试验机和3点接触纯滚动轴承球滚动接触疲劳寿命试验机也是常见的轴承球及润滑剂测试设备。球/V形环试验机是1个被试球被挤压在带Ｖ形槽的两环之间，其中一个环承担摩擦传动，被试球有4个接触点，分别在最大圆截面的两侧，被试球与V形槽之间的接触角可模拟角接触轴承的接触角；3点接触纯滚动轴承球滚动接触疲劳寿命试验机被试球仅在最大圆截面上受力，并沿此圆周作纯滚动，被试球每转一周受到3次非等间隔但等接触强度的循环载荷作用，且3接触点共处在同一最大滚动圆周上，通过加载高速实验来评价轴承球的滚动疲劳寿命。

通过对比发现，以上试验机都是多球或多点接触的滚动方式测试，经过一个固定的轨道（圆形或短直线），主要用来进行润滑油的测试试验，包括承载能力，寿命测试，抗磨损性能等，无法评价轴承及轴承材料组件在近似运动状态和服役工况下的摩擦性能退化行为和演变规律。此外，我国研制的三点接触纯滚动疲劳测试机也存在缺点，如不能加入保持架材料的磨损，对于滚道模拟的不够精确。总体而言，目前缺少对于滚动球轴承表面损伤（磨损、疲劳和腐蚀）的测试技术，进而无法对轴承球与滚道、轴承球与保持架之间的摩擦学性能、表面损伤和使役行为进行准确评估。

发明内容

本发明的目的是基于以上所述，提供一种滚动球轴承表面损伤摩擦磨损测试系统，用于考察轴承球与滚道、轴承球与保持架在温度-转速-加载力-湿度-摩擦多因素耦合作用下的服役性能和退化规律，进而为滚动球轴承的性能提升和实际应用提供基础数据。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种滚动球轴承表面损伤摩擦磨损测试系统，包括滚动摩擦磨损测试设备、环境控制系统和计算机控制系统；

所述滚动表面摩擦磨损测试设备包括仪器底板，仪器底板顶部设有四根下立柱，下立柱四周由钣金外壳包裹组成主机下箱体，下立柱顶部有电机安装板，电机安装板顶部四周设有上立柱，上立柱顶部通过立柱安装顶板固定；所述主机下箱体内设有双速伺服电机，双速伺服电机主轴垂直向上穿过电机安装板与旋转主轴连接，旋转主轴通过第一高速轴承和第二高速轴承固定在轴套中；

所述旋转主轴顶端设置为轨道盘安装座，轨道盘安装座内镶嵌有下轨道盘，下轨道盘中心由压紧螺栓与轨道盘安装座紧固，双速伺服电机旋转时带动下轨道盘转动；下轨道盘上方加载轴底端固定有上轨道盘，两个轨道盘平行且同心，中间夹装轴承球，加载轴顶部设有压扭复合传感器，下轨道盘转动时带动轴承球在两轨道盘内旋转，所述加载轴通过上方设置的电动缸驱动；所述下轨道盘和上轨道盘与轴承球接触一面设有螺旋轨道，上轨道盘上设有摩擦力传感器；在所述两轨道盘开口处垂直设有碰撞引导柱，两轨道盘开口处轴承球与碰撞引导柱擦磨区为直线接触，碰撞引导柱上设有力传感器；

所述环境控制系统包括高低温环境箱、压缩机和压缩机控制面板；所述下轨道盘和上轨道盘位于高低温环境箱内，下轨道盘侧设有温湿度传感器，温度传感器电连接温控仪，高低温环境箱顶部的加载轴外周设有水冷套，所述水冷套位于水冷盒内；所述高低温环境箱包括箱体外壳，箱体外壳内部从外向内依次设有冷气腔和加热圈，所述箱体外壳与冷气腔之间设有隔热保温层，环境箱内朝向下轨道盘和上轨道盘一侧设有若干加热片；冷气腔外侧贯穿箱体外壳设有冷气入口，所述冷气入口与压缩机出气口相连通，用于控制环境箱的温度和湿度，冷气入口设有电磁阀；

所述计算机控制系统用于测试过程中的人机交互，其信号输出端分别与电动缸、双速伺服电机、温控仪和压缩机控制面板电连接，计算机控制系统的信号输入端分别与压扭复合传感器、温湿度传感器、摩擦力传感器和力传感器电连接。

作为本发明技术方案的进一步改进，所述上轨道盘与轨道盘安装座外周设有同轴度调整弧板。

进一步地，所述加载轴与电动缸主轴通过加载弹簧套连接，加载轴与电动缸主轴四周均设有限位滑杆。

进一步地，所述双速伺服电机主轴与旋转主轴通过高速联轴器连接。

进一步地，所述电机安装板顶部上立柱内侧设有支撑架，所述轴套通过支撑架提供支撑。

进一步地，所述轴套通过轴承座与支撑架相接。

进一步地，所述上立柱通过立柱安装座安装于电机安装板上表面。

进一步地，所述电动缸通过蝶形安装板安装于上立柱之间中心位置。

进一步地，所述电动缸四周设有限位导杆。

进一步地，所述碰撞引导柱贯穿高低温环境箱，在箱体外侧与力传感器连接并通过安装支架安装于支撑架顶部；所述力传感器安装于碰撞引导柱伸出高低温环境箱部分。

本发明的有益效果在于：

1、本发明测试系统模拟了滚动轴承材料的服役工况，可用于滚动轴承在主轴转速（最大12000rpm），扭矩（17Nm：30-3000rpm，7Nm：12000rpm），载荷（最大加载力2000N），高/低温（-40-500℃）、大气、湿度（20-98%RH）多因素环境下的摩擦磨损性能的测试，实现对轴承材料服役性能的精确掌握。具体的，可实现各种材质轴承球与滚道、球与保持架之间的摩擦学性能、表面损伤和使役行为的测试评估，为突破高精密轴承的国产化提供依据，进而加快我国高端装备的快速发展。

2、本发明轴承球在载荷下由下轨道盘驱动在一个下轨道盘与上轨道盘组成的圆形轨道上运动，此圆形轨道实际是一个开口的螺旋轨道，球与两轨道盘之间除滚动摩擦外，还会有微滑动产生。由于轴承球在轨道中运动时局部切向应力和摩擦系数与局部法向力的乘积大小不等，轴承球就会在轨道内出现粘着或滑动，滑动的方向垂直于碰撞引导柱。因此，将开口处轴承球与碰撞引导柱擦磨区设置为直线接触，球在直线上滚动时，不存在旋转运动及其带来的能量消耗，在下轨道盘安装摩擦力传感器可测试纯滚动摩擦力，在碰撞引导柱端安装灵敏的力传感器可测试碰撞力。轴承球碰到碰撞引导柱后又被带回螺旋轨道的起始点，如此反复运动，形成检测装置。本发明设置轴承球在碰撞引导柱端直线接触方式来检测纯滚动摩擦力和碰撞力，消除其在轨道内的粘着力或微滑动力影响，并可实现轴承球与碰撞引导柱在高速运转下碰撞力的精确采集。

3、目前国内外已有的四球试验机只能实现低速（≤3600rpm）、重载下的摩擦磨损试验，尚无同时测试和评价不同类型典型工况的相关设备。本发明采用双速伺服电机，实现了设备可同时在低速重载、高速高精密和高速高温三大类典型滚动轴承的表面损伤性能评价和测试要求。

4、本发明通过在旋转主轴前端加装轨道盘安装座，借助沉降方法将下轨道盘精确卡套在旋转主轴上，轴端由紧固螺丝调整固定，可保证上下轨道盘的水平及与旋转主轴的高精度同心，使轴承球在轨道内运动过程受力均匀，电机主轴不发生偏摆，球在滚动过程不发生滑动现象。

5、目前国内外相关试验机都采集的是连续力或低转速下的瞬间力，对于高转速条件下的瞬态接触力尚无检测设备。本发明通过采用高速数据采集卡，实现摩擦力传感器和力传感器数据的实时瞬态精确可靠采集显示和稳定输出存储。

附图说明

图1为本发明滚动表面摩擦磨损测试设备的主视图；

图2为图1的半剖视图；

图3为本发明滚动表面摩擦磨损测试系统中高低温环境箱与压缩机的连接关系示意图；

图4为本发明中高低温环境箱的结构示意图；

图5为本发明中轨道盘与碰撞引导柱的安装关系示意图；

图6为本发明中轨道盘的安装关系示意图；

图7为图6的纵剖视图；

图8为本发明中上下轨道盘与轴承球的安装关系示意图；

附图标记：1、仪器底板；2、福马轮；3、主机下箱体；4、电机安装板；5、立柱安装座；6、高速联轴器；7、轴承座；8、高低温环境箱；9、水冷盒；10、压扭复合传感器；11、定位导杆；12、加载弹簧套；13、蝶形安装板；14、限位导杆；15、电动缸；16、立柱安装顶板；17、下立柱；18、双速伺服电机；19、第一高速轴承；20、第二高速轴承；21、隔热保温层；22、下轨道盘；23、上轨道盘；24、冷气入口；25、加热圈；26、水冷套；27、支撑架；28、旋转主轴；29、轴套；30、加载轴；31、轨道盘安装座；32、轴承球；33、上立柱；34、箱体外壳；35、冷气腔；36、加热片；37、压缩机控制面板；38、碰撞引导柱；39、压缩机；40、同轴度调整弧板；41、安装支架；42、力传感器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明。

参照图1-8，本发明提供的一种滚动球轴承表面损伤摩擦磨损测试系统，包括滚动摩擦磨损测试设备、环境控制系统和计算机控制系统。

其中，上述滚动表面摩擦磨损测试设备包括仪器底板1，仪器底板1底部设有福马轮2，便于设备的移动，仪器底板1顶部设有四根下立柱17，下立柱17四周由钣金外壳包裹组成主机下箱体3，下立柱17顶部设有电机安装板4，电机安装板4顶部四周通过立柱安装座5安装有上立柱33，上立柱33顶部设有立柱安装顶板16；所述主机下箱体3内设有双速伺服电机18，双速伺服电机18主轴垂直向上穿过电机安装板4，并通过高速联轴器6与旋转主轴28连接，旋转主轴28通过第一高速轴承19和第二高速轴承20固定在轴套29中。所述电机安装板4顶部上立柱33内侧设有支撑架27，所述轴套29通过轴承座7与支撑架27相接，由支撑架27提供支撑。

旋转主轴28顶端设置为轨道盘安装座31，轨道盘安装座31内镶嵌有下轨道盘22，下轨道盘22中心由压紧螺栓与轨道盘安装座31紧固，双速伺服电机18旋转时带动下轨道盘22转动；下轨道盘22上方加载轴30底端固定有上轨道盘23，两个轨道盘平行且同心，中间夹装轴承球32，上轨道盘23与轨道盘安装座31外周设有同轴度调整弧板40，加载轴30顶部设有压扭复合传感器10，下轨道盘22转动时带动轴承球32在两轨道盘内旋转；所述加载轴30与电动缸15主轴之间通过加载弹簧套12（加载弹簧套12由内部加载弹簧和外部滑套构成，现有技术，图中未示出）连接，加载轴30及电动缸15主轴四周均设有限位滑杆11，加载轴30通过电动缸15驱动，用于施加载荷，电动缸15通过蝶形安装板13安装于上立柱33之间中心位置，电动缸15四周设有限位导杆14，防止电动缸15推杆自身摆动。所述下轨道盘22和上轨道盘23与轴承球32接触一面设有螺旋轨道；在所述两轨道盘开口处垂直设有碰撞引导柱38，两轨道盘开口处轴承球32与碰撞引导柱38擦磨区为直线接触，碰撞引导柱38上设有力传感器42。

环境控制系统包括高低温环境箱8、压缩机39和压缩机控制面板37；所述下轨道盘22和上轨道盘23位于高低温环境箱8内，下轨道盘22上设有温湿度传感器，温湿度传感器电连接温控仪，高低温环境箱8顶部的加载轴30外周设有水冷套26，所述水冷套26位于水冷盒9内；所述高低温环境箱8包括箱体外壳34，箱体外壳34内部从外向内依次设有冷气腔35和加热圈25，所述箱体外壳34与冷气腔35之间设有隔热保温层21，加热圈25朝向下轨道盘22和上轨道盘23一侧设有若干加热片36；冷气腔35外侧贯穿箱体外壳34设有冷气入口24，所述冷气入口24与压缩机39出气口相连通，用于控制冷气的温度和湿度，冷气入口24设有电磁阀。所述碰撞引导柱38贯穿高低温环境箱8，在箱体外侧与力传感器42连接并通过安装支架41安装于支撑架27顶部；所述力传感器42安装于碰撞引导柱38伸出高低温环境箱8部分。

计算机控制系统用于测试过程中的人机交互，其信号输出端分别与电动缸15、双速伺服电机18、RS485通讯温控仪和压缩机控制面板37电连接，计算机控制系统的信号输入端分别与压扭复合传感器10、温湿度传感器、摩擦力传感器和力传感器电连接。所述计算机控制系统包括高速数据采集卡、运动控制卡以及计算机软件系统。

采用本发明测试系统进行轴承球与滚道、轴承球与保持架的摩擦磨损性能测试时，通过计算机软件系统预设加载力，旋转主轴扭矩，高低温环境箱的温度、湿度数据，并将轴承球32置于下轨道安装盘22上。启动双速伺服电机18，双速伺服电机18通过高速联轴器6驱动旋转主轴28旋转，旋转主轴28通过轨道盘安装座31带动下轨道盘22转动，旋转主轴28的扭矩通过压扭复合传感器10检测并反馈给计算机软件系统，最终将扭矩实际大小调整至预设值；与此同时，启动电动缸15，电动缸15主轴通过加载弹簧套12内加载弹簧驱动加载轴30向下移动施加载荷，直至加载轴30底端的上轨道盘23与轴承球32相接触，下轨道盘22转动时带动轴承球32在两轨道盘形成的螺旋轨道内旋转。加载轴30的加载力也通过压扭复合传感器10检测并反馈给计算机软件系统，最终将加载力实际大小调整至预设值。然后，根据检测要求，通过加热片36加热高低温环境箱8，并通过温控仪和温湿度传感器将高低温环境箱8高温调整至预设值，或打开冷气入口24的电磁阀，通过压缩机控制面板37调整从冷气入口24通入的压缩气的温度、湿度参数，使高低温环境箱8内低温、湿度、保持所需的恒定值，其中，高低温环境箱8内低温和湿度通过温湿度传感器检测并反馈给计算机软件系统，最终调整至预设值。至此，测试试验正式开始，轴承球32在上下轨道盘中高速旋转，碰到碰撞引导柱38后又被带回螺旋轨道的起始点，如此反复运动。轴承球32与上下轨道盘之间的纯滚动摩擦力通过上轨道盘23上安装的摩擦力传感器检测并反馈给计算机软件系统进行显示；轴承球32与碰撞引导柱38之间的碰撞力通过碰撞引导柱38上设置的力传感器42检测并反馈给计算机软件系统进行显示。

综上，本发明测试系统可用于检测各种材质的轴承球32与上下轨道盘在主轴转速（最大12000rpm），扭矩（17Nm：30-3000rpm，7Nm：12000rpm），载荷（最大加载力2000N），大气、高/低温（-40-500℃）、湿度（20-98%RH）多因素环境下的摩擦磨损性能，其中本申请中轴承球32与上下轨道盘之间的作用力对应于实际服役环境中轴承球与滚道的作用力，轴承球32与碰撞引导柱38之间的作用力对应于轴承球与保持架的作用力，从而实现各种材质轴承球32与滚道、轴承球32与保持架之间的摩擦学性能、表面损伤和使役行为的测试评估，为突破高精密轴承的国产化提供依据，进而加快我国高端装备的快速发展。

另外，本发明的测试系统在保持其他条件不变时，将润滑脂加入两轨道盘内还可以用于各种润滑脂的摩擦性能测试。

采用本发明系统进行测试过程中，在高转速情况下，由于轴承球32滚动速度极快，碰撞引导柱38擦磨区较短，球瞬时通过擦磨区，现有通用的数据采集卡最大采样频率无法适时采集到符合条件的数据。因此，本发明使用高速采集卡与微积分电路模块相匹配，可满足实验需求的采样频率。

Claims (10)

1.一种滚动球轴承表面损伤摩擦磨损测试系统，其特征在于，包括滚动摩擦磨损测试设备、环境控制系统和计算机控制系统；

所述滚动表面摩擦磨损测试设备包括仪器底板（1），仪器底板（1）顶部设有下立柱（17），下立柱（17）四周由外壳包裹组成主机下箱体（3），下立柱（17）顶部设有电机安装板（4），电机安装板（4）顶部四周设有上立柱（33），上立柱（33）顶部通过立柱安装顶板（16）固定；所述主机下箱体（3）内设有双速伺服电机（18），双速伺服电机（18）主轴垂直向上穿过电机安装板（4）与旋转主轴（28）连接，旋转主轴（28）通过第一高速轴承（19）和第二高速轴承（20）固定在轴套（29）中；

所述旋转主轴（28）顶端设置为轨道盘安装座（31），轨道盘安装座（31）内镶嵌有下轨道盘（22），双速伺服电机（18）旋转时带动下轨道盘（22）转动；下轨道盘（22）上方加载轴（30）底端固定有上轨道盘（23），两个轨道盘平行且同心，中间夹装轴承球（32），加载轴（30）顶部设有压扭复合传感器（10），下轨道盘（22）转动时带动轴承球（32）在两轨道盘内旋转，所述加载轴（30）通过上方设置的电动缸（15）驱动；所述下轨道盘（22）和上轨道盘（23）与轴承球（32）接触一面设有螺旋轨道，上轨道盘（23）上设有摩擦力传感器；在所述两轨道盘开口处垂直设有碰撞引导柱（38），两轨道盘开口处轴承球（32）与碰撞引导柱（38）擦磨区为直线接触，碰撞引导柱（38）上设有力传感器（42）；

所述环境控制系统包括高低温环境箱（8）、压缩机（39）和压缩机控制面板（37）；所述下轨道盘（22）和上轨道盘（23）位于高低温环境箱（8）内，下轨道盘（22）上设有温湿度传感器，温湿度传感器电连接温控仪，高低温环境箱（8）顶部的加载轴（30）外周设有水冷套（26），所述水冷套（26）位于水冷盒（9）内；所述高低温环境箱（8）包括箱体外壳（34），箱体外壳（34）内部从外向内依次设有冷气腔（35）和加热圈（25），所述箱体外壳（34）与冷气腔（35）之间设有隔热保温层（21），加热圈（25）朝向下轨道盘（22）和上轨道盘（23）一侧设有若干加热片（36）；冷气腔（35）外侧贯穿箱体外壳（34）设有冷气入口（24），所述冷气入口（24）与压缩机（39）出气口相连通，用于控制冷气的温度和湿度，冷气入口（24）设有电磁阀；

所述计算机控制系统用于测试过程中的人机交互，其信号输出端分别与电动缸（15）、双速伺服电机（18）、温控仪和压缩机控制面板（37）电连接，计算机控制系统的信号输入端分别与压扭复合传感器（10）、温湿度传感器、摩擦力传感器和力传感器（42）电连接。

2.如权利要求1所述的一种滚动球轴承表面损伤摩擦磨损测试系统，其特征在于，所述上轨道盘（23）与轨道盘安装座（31）外周设有同轴度调整弧板（40）。

3.如权利要求1所述的一种滚动球轴承表面损伤摩擦磨损测试系统，其特征在于，所述加载轴（30）与电动缸（15）主轴通过加载弹簧套（12）连接，加载轴（30）与电动缸（15）主轴四周均设有限位滑杆（11）。

4.如权利要求1所述的一种滚动球轴承表面损伤摩擦磨损测试系统，其特征在于，所述双速伺服电机（18）主轴与旋转主轴（28）通过高速联轴器（6）连接。

5.如权利要求1-4任一项所述的一种滚动球轴承表面损伤摩擦磨损测试系统，其特征在于，所述电机安装板（4）顶部上立柱（33）内侧设有支撑架（27），所述轴套（29）通过支撑架（27）提供支撑。

6.如权利要求5所述的一种滚动球轴承表面损伤摩擦磨损测试系统，其特征在于，所述轴套（29）通过轴承座（7）与支撑架（27）相接。

7.如权利要求1-4、6任一项所述的一种滚动球轴承表面损伤摩擦磨损测试系统，其特征在于，所述上立柱（33）通过立柱安装座（5）安装于电机安装板（4）上表面。

8.如权利要求1-4、6任一项所述的一种滚动球轴承表面损伤摩擦磨损测试系统，其特征在于，所述电动缸（15）通过蝶形安装板（13）安装于上立柱（33）之间中心位置。

9.如权利要求1-4、6任一项所述的一种滚动球轴承表面损伤摩擦磨损测试系统，其特征在于，所述电动缸（15）四周设有限位导杆（14）。

10.如权利要求1-4、6任一项所述的一种滚动球轴承表面损伤摩擦磨损测试系统，其特征在于，所述碰撞引导柱（38）贯穿高低温环境箱（8），在箱体外与力传感器（42）连接并通过安装支架（41）安装于支撑架（27）顶部；所述力传感器（42）安装于碰撞引导柱（38）伸出高低温环境箱（8）部分。

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