CN116839906A - 模拟数控机床电主轴轴承润滑脂可靠性试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了模拟数控机床电主轴轴承润滑脂可靠性试验装置及方法，涉及机械设备测试技术领域，包括地平铁、转速加载装置、摇篮式切削力加载装置、预紧力加载装置、扭矩加载装置、轴承组润滑脂试验装置、取脂装置、控制柜和空气泵站，转速加载装置用于轴承组润滑脂试验装置的模拟转速加载，摇篮式切削力加载装置用于轴承组润滑脂试验装置的多角度、动态切削力的模拟加载，取脂装置用于被测试轴承润滑脂的取样，预紧力加载装置用于轴承组润滑脂试验装置内的轴承预紧力加载，扭矩加载装置用于轴承组润滑脂试验装置的模拟扭矩加载，控制柜实现对整个可靠性试验装置的参数采集与控制功能，空气泵站为取脂装置提供压缩空气。

Description

模拟数控机床电主轴轴承润滑脂可靠性试验装置及方法

技术领域

本发明涉及机械设备测试技术领域，具体涉及一种模拟数控机床电主轴轴承润滑脂可靠性试验装置及方法。

背景技术

高端数控机床是支撑航空航天、船舶、汽车等领域发展的装备。电主轴是数控机床的核心功能部件，在高速、精密和多轴联动等高端数控机床上得到了大量应用。但是，在电主轴高速运转过程中，由于润滑不良导致的电主轴故障频发，严重影响了机床的可靠性和精度保持性。脂润滑是机床主轴轴承广泛采用的润滑方式，随着服役时间的增加，润滑脂会出现基础油和稠化剂氧化、稠化剂纤维结构被破坏、分油、硬化等现象，使其性能逐渐发生退化，且性能退化过程与运行工况参数密切相关。随着性能的不断退化，润滑脂会逐渐失去润滑功能，寿命到达上限，以致主轴发生故障。

掌握电主轴轴承润滑脂的性能退化规律，准确评估实际工况下的润滑脂可靠性，以此为依据进行科学选脂、合理规划润滑脂的补充或更换周期，优化运维策略，有效避免电主轴出现润滑不良或过度润滑的情况，能够确保电主轴的可靠性并大幅降低维护成本。因此，开发一种全工况模拟数控机床电主轴轴承润滑脂可靠性试验装置及方法对于国产数控机床电主轴可靠性的提升具有十分重要的意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是现有技术中没有能够全面模拟数控机床加工过程中电主轴轴承润滑脂承受的切削力、切削扭矩、轴承预紧力、温度、湿度等全工况载荷、在线监测电主轴轴承润滑脂性能的实时退化状态、无需拆卸电主轴轴承即可实现润滑脂的便捷取样以供测试、以及高效开展电主轴轴承润滑脂可靠性试验的问题，而提供了一种模拟数控机床电主轴轴承润滑脂可靠性试验装置及方法。

模拟数控机床电主轴轴承润滑脂可靠性试验装置，包括地平铁、转速加载装置、摇篮式切削力加载装置、预紧力加载装置、扭矩加载装置、轴承组润滑脂试验装置、取脂装置、控制柜和空气泵站；

转速加载装置、摇篮式切削力加载装置、预紧力加载装置和扭矩加载装置均通过螺栓固定连接在地平铁上，轴承组润滑脂试验装置固定连接在转速加载装置和扭矩加载装置之间，取脂装置固定连接在轴承组润滑脂试验装置的前侧，预紧力加载装置固定连接在轴承组润滑脂试验装置左右两侧，控制柜和空气泵站均放置在地面；

转速加载装置用于轴承组润滑脂试验装置的模拟转速加载；

摇篮式切削力加载装置用于轴承组润滑脂试验装置的多角度、动态切削力的模拟加载；

取脂装置用于被测试轴承润滑脂的取样；

预紧力加载装置用于轴承组润滑脂试验装置内的轴承预紧力加载；

扭矩加载装置用于轴承组润滑脂试验装置的模拟扭矩加载；

控制柜实现对整个可靠性试验装置的参数采集与控制功能，同时能够在显示器中显示试验装置的运行状况；

空气泵站为取脂装置提供压缩空气，并安装有流量控制阀。

优选的，转速加载装置包括转轴、转轴抱夹、转轴支架和加载单元；转轴转动连接在转轴抱夹内，转轴能由外部动力带着转动，转轴抱夹通过转轴支架与地平铁连接，加载单元固定连接在转轴右端，加载单元表面设置有凹槽，凹槽作为摇篮式切削力加载装置的施力点。

优选的，摇篮式切削力加载装置包括回转支撑机构、转台底座、转台、压电陶瓷加载机构和定位螺栓组；压电陶瓷加载机构通过螺栓固定连接在转台上，转台底座安装的电机能驱动转台转动，转台固定连接在转台底座上，转台底座的左右两侧通过定位螺栓组固定连接在回转支撑机构上，通过调整定位螺栓组在回转支撑机构上弧形槽的位置，实现转台底座、转台、压电陶瓷加载机构共同绕弧形槽的轴心转动，从而实现不同角度动态切削力的模拟加载。

优选的，轴承组润滑脂试验装置包括左联轴器、左力传感器、左传感器保持套、轴承左端盖、左Ⅰ轴承、热电阻、左外圈隔套、左内圈隔套、左Ⅱ轴承、轴承组底座、封闭滑门、电主轴、轴承组压盖、轴承组外圈导电装置、导电滑环、右Ⅰ轴承、右内圈隔套、右外圈隔套、右Ⅱ轴承、轴承右端盖、右传感器保持套和右力传感器；左联轴器的左右两端分别通过螺栓与转轴右端和电主轴左端固定连接，左力传感器安装在左传感器保持套上，轴承左端盖、左传感器保持套、左Ⅰ轴承、左Ⅱ轴承、右Ⅰ轴承、右Ⅱ轴承、右传感器保持套和轴承右端盖从左至右依次对称套设在电主轴外侧，左力传感器安装在左传感器保持套上，右力传感器安装在右传感器保持套上，左外圈隔套安装在左Ⅰ轴承外圈与左Ⅱ轴承外圈之间，左内圈隔套安装在左Ⅰ轴承内圈与左Ⅱ轴承内圈之间，右外圈隔套安装在右Ⅰ轴承外圈与右Ⅱ轴承外圈之间，右内圈隔套安装在右Ⅰ轴承内圈与右Ⅱ轴承内圈之间，导电滑环固定连接在电主轴上，轴承左端盖与左Ⅰ轴承外圈接触，轴承右端盖与右Ⅱ轴承外圈接触，轴承组底座与轴承组压盖通过螺栓固定连接，轴承组底座上滑动连接有封闭滑门，轴承组压盖上位于左Ⅰ轴承、左Ⅱ轴承、右Ⅰ轴承、右Ⅱ轴承的两侧设置有安装孔，安装孔内安装有热电阻，左外圈隔套、左内圈隔套、右内圈隔套、右外圈隔套结构均为绝缘材料制，轴承组外圈导电装置固定连接在轴承组压盖上，轴承组外圈导电装置内侧分别与左Ⅰ轴承、左Ⅱ轴承、右Ⅰ轴承、右Ⅱ轴承的外圈接触，导电滑环通过电主轴与左Ⅰ轴承、左Ⅱ轴承、右Ⅰ轴承、右Ⅱ轴承的内圈连接，轴承组外圈导电装置通电后，每个轴承的内圈和外圈均能够形成闭环电路，通过测试各闭环电路的导电情况，记录不同工况下轴承油膜击穿电压，折算后能够获得各轴承内润滑膜膜厚的分布情况，热电阻用于实现对轴承内润滑脂温度分布的监测。

优选的，取脂装置包括丝杠滑块、取脂棒、伸缩杆、伸缩杆支撑台、丝杠和丝杠底座，取脂棒通过气管和电磁阀与空气泵站连接，取脂棒固定连接在伸缩杆前端，伸缩杆固定连接在伸缩杆支撑台上，伸缩杆支撑台下端固定连接在丝杠滑块上，丝杠两端转动连接在丝杠底座上，丝杠底座螺栓连接在地平铁上。

优选的，四个预紧力加载装置对称安装在轴承组润滑脂试验装置两侧；

预紧力加载装置包括磁控形状记忆合金块、预紧力加载支撑架、外夹钳、V形块、预紧力加载棒和内夹钳；预紧力加载支撑架固定连接在磁控形状记忆合金块上方，V形块固定连接在预紧力加载支撑架上，预紧力加载棒滑动连接在V形块上端且预紧力加载棒两端贯穿外夹钳和内夹钳，外夹钳与预紧力加载支撑架固定连接，内夹钳通过连杆与磁控形状记忆合金块固定连接，通过外夹钳和内夹钳的反复松开和夹紧，带动预紧力加载棒的位移，实现对轴承预紧力的加载。

优选的，磁控形状记忆合金块由安装壳、磁控形状记忆合金主体、活塞、线圈和弹簧组成；

安装壳为一端开口的空腔结构，安装壳内壁环绕有线圈，线圈内安装有磁控形状记忆合金主体，安装壳内位于磁控形状记忆合金主体右侧固定连接有活塞，活塞右侧与安装壳之间安装有弹簧，连杆下端贯穿弹簧与活塞固定连接。

优选的，扭矩加载装置包括右联轴器、测功机支撑机构和测功机，右联轴器的左右两端分别通过螺栓与电主轴右端和测功机左端固定连接，测功机固定连接在测功机支撑机构上，测功机支撑机构固定连接在地平铁上。

模拟数控机床电主轴轴承润滑脂可靠性试验方法，包括以下步骤：

步骤1：确定被测试轴承润滑脂的规格和型号；

步骤2：计算电主轴轴承的加脂量，将轴承润滑脂充满轴承内部空间；

步骤3：通过控制柜设定转速加载装置、摇篮式切削力加载装置、预紧力加载装置和扭矩加载装置的试验参数，并设定润滑膜膜厚和温度的采集频率、轴承润滑脂停机取样时间间隔和取样次数以及试验总时间；

步骤4：检测和记录轴承润滑脂的性能指标；

步骤5：试验结束时间后，通过控制柜关闭转速加载装置、摇篮式切削力加载装置、预紧力加载装置和扭矩加载装置，并将摇篮式切削力加载装置和预紧力加载装置恢复至初始位置，对轴承拆洗。

本发明与现有技术相比的有益技术效果：

本发明能高保真地还原轴承润滑脂在实际工况下承受的载荷特征，体现了本装置的有效性；

本发明中的预紧力加载装置利用新型功能材料的形状记忆功能，结合仿生学蠕动原理，将磁控形状记忆合金块小步距的位移连续累加以形成大行程位移，该结构易于控制、动态响应速度高、可施加预紧力范围广、精度高；

本发明通过热电阻获得轴承润滑膜温度，利用导电滑环将轴承内外圈构成闭环电路，并通过测得轴承油膜击穿电压数据折算得到轴承润滑膜膜厚，从而实现对轴承润滑膜膜厚分布和润滑膜温度分布的实时在线监测。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为转速加载装置的立体结构示意图；

图3为摇篮式切削力加载装置的立体结构示意图；

图4为预紧力加载棒与轴承左端盖配合示意图；

图5为轴承组润滑脂试验装置的剖视图；

图6为图5中A处局部放大结构示意图；

图7为图5中B处局部放大结构示意图；

图8为轴承组润滑脂试验装置的立体结构示意图；

图9为取脂装置的立体结构示意图；

图10为预紧力加载装置的立体结构示意图；

图11为磁控形状记忆合金主体带动连杆运动的工作原理图；

图12为扭矩加载装置的立体结构示意图；

图13为本发明试验方法流程图。

图中：

1、地平铁；

21、转轴；22、转轴抱夹；23、转轴支架；24、加载单元；

31、回转支撑机构；32、转台底座；33、转台；34、压电陶瓷加载机构；35、定位螺栓组；

41、左联轴器；42、左力传感器；43、左传感器保持套；44、轴承左端盖；45、左Ⅰ轴承；46、热电阻；47、左外圈隔套；48、左内圈隔套；49、左Ⅱ轴承；410、轴承组底座；411、封闭滑门；412、电主轴；413、轴承组压盖；414、轴承组外圈导电装置；415、导电滑环；416、右Ⅰ轴承；417、右内圈隔套；418、右外圈隔套；419、右Ⅱ轴承；420、轴承右端盖；421、右传感器保持套；422、右力传感器；

51、丝杠滑块；52、取脂棒；53、伸缩杆；54、伸缩杆支撑台；55、丝杠；56、丝杠底座；

62、预紧力加载支撑架；63、外夹钳；64、V形块；65、预紧力加载棒；66、内夹钳；67、连杆；

610、安装壳；611、磁控形状记忆合金主体；612、活塞；613、线圈；614、弹簧；

71、右联轴器；72、测功机支撑机构；73、测功机；

8、控制柜；

9、空气泵站。

具体实施方式

参阅图1至图13所示，模拟数控机床电主轴轴承润滑脂可靠性试验装置，包括地平铁1、转速加载装置、摇篮式切削力加载装置、预紧力加载装置、扭矩加载装置、轴承组润滑脂试验装置、取脂装置、控制柜8和空气泵站9；

转速加载装置、摇篮式切削力加载装置、预紧力加载装置和扭矩加载装置均通过螺栓固定连接在地平铁1上，轴承组润滑脂试验装置固定连接在转速加载装置和扭矩加载装置之间，取脂装置固定连接在轴承组润滑脂试验装置的前侧，预紧力加载装置固定连接在轴承组润滑脂试验装置左右两侧，控制柜8和空气泵站9均放置在地面；

转速加载装置用于轴承组润滑脂试验装置的模拟转速加载；

摇篮式切削力加载装置用于轴承组润滑脂试验装置的多角度、动态切削力的模拟加载；

取脂装置用于被测试轴承润滑脂的便捷、快速取样；

预紧力加载装置用于轴承组润滑脂试验装置内的轴承预紧力加载；

扭矩加载装置用于轴承组润滑脂试验装置的模拟扭矩加载；

控制柜8实现对整个可靠性试验装置的参数采集与控制功能，同时能够在显示器中显示试验装置的运行状况；

空气泵站9为取脂装置提供压缩空气，并安装有流量控制阀。

参阅图1至图3所示，具体的，转速加载装置包括转轴21、转轴抱夹22、转轴支架23和加载单元24；转轴21转动连接在转轴抱夹22内，转轴21能由外部动力带着转动，转轴抱夹22通过转轴支架23与地平铁1连接，转轴抱夹22用于对转轴21固定，加载单元24固定连接在转轴21右端，加载单元24表面设置有凹槽，凹槽作为摇篮式切削力加载装置的施力点，摇篮式切削力加载装置通过加载单元24对轴承组润滑脂试验装置进行不同角度、动态切削力的模拟加载，加载单元24内圈可以随着转轴21转动，加载单元24外圈不能转动，通过压电陶瓷加载机构34的形变使加载单元24对转轴21施加一个径向力，该径向力就是切削力。

参阅图1和图3所示，具体的，摇篮式切削力加载装置包括回转支撑机构31、转台底座32、转台33、压电陶瓷加载机构34和定位螺栓组35；压电陶瓷加载机构34通过螺栓固定连接在转台33上，转台底座32安装的电机能驱动转台33转动，从而带动压电陶瓷加载机构34一起绕转台33的轴心转动，转台33固定连接在转台底座32上，转台底座32的左右两侧通过定位螺栓组35固定连接在回转支撑机构31上，通过调整定位螺栓组35在回转支撑机构31上弧形槽的位置，实现转台底座32、转台33、压电陶瓷加载机构34共同绕弧形槽的轴心转动，从而实现不同角度动态切削力的模拟加载，压电陶瓷加载机构34通电产生形变为本领域的公知常识，在此不做过多阐述。

参阅图1、图2和图4至图8所示，具体的，轴承组润滑脂试验装置包括左联轴器41、左力传感器42、左传感器保持套43、轴承左端盖44、左Ⅰ轴承45、热电阻46、左外圈隔套47、左内圈隔套48、左Ⅱ轴承49、轴承组底座410、封闭滑门411、电主轴412、轴承组压盖413、轴承组外圈导电装置414、导电滑环415、右Ⅰ轴承416、右内圈隔套417、右外圈隔套418、右Ⅱ轴承419、轴承右端盖420、右传感器保持套421和右力传感器422；左联轴器41的左右两端分别通过螺栓与转轴21右端和电主轴412左端固定连接，左力传感器42安装在左传感器保持套43上，轴承左端盖44、左传感器保持套43、左Ⅰ轴承45、左Ⅱ轴承49、右Ⅰ轴承416、右Ⅱ轴承419、右传感器保持套421和轴承右端盖420从左至右依次对称套设在电主轴412外侧，左力传感器42安装在左传感器保持套43上，右力传感器422安装在右传感器保持套421上，左外圈隔套47安装在左Ⅰ轴承45外圈与左Ⅱ轴承49外圈之间，左内圈隔套48安装在左Ⅰ轴承45内圈与左Ⅱ轴承49内圈之间，右外圈隔套418安装在右Ⅰ轴承416外圈与右Ⅱ轴承419外圈之间，右内圈隔套417安装在右Ⅰ轴承416内圈与右Ⅱ轴承419内圈之间，导电滑环415固定连接在电主轴412上，轴承左端盖44与左Ⅰ轴承45外圈接触，且轴承左端盖44外壁与轴承组压盖413和轴承组底座410内壁贴合，轴承右端盖420与右Ⅱ轴承419外圈接触，且轴承右端盖420外壁与轴承组压盖413和轴承组底座410内壁贴合，左Ⅰ轴承45、左Ⅱ轴承49、右Ⅰ轴承416和右Ⅱ轴承419外壁与轴承组底座410内壁和轴承组压盖413内壁贴合，轴承组底座410与轴承组压盖413通过螺栓固定连接，轴承组底座410上滑动连接有封闭滑门411，轴承组压盖413上位于左Ⅰ轴承45、左Ⅱ轴承49、右Ⅰ轴承416、右Ⅱ轴承419的两侧设置有安装孔，安装孔内安装有热电阻46，左外圈隔套47、左内圈隔套48、右内圈隔套417、右外圈隔套418结构均为绝缘材料制成或喷涂绝缘材料，轴承组外圈导电装置414固定连接在轴承组压盖413上，轴承组外圈导电装置414内侧分别与左Ⅰ轴承45、左Ⅱ轴承49、右Ⅰ轴承416、右Ⅱ轴承419的外圈接触，导电滑环415通过电主轴412与左Ⅰ轴承45、左Ⅱ轴承49、右Ⅰ轴承416、右Ⅱ轴承419的内圈连接，轴承组外圈导电装置414通电后，每个轴承的内圈和外圈均能够形成闭环电路，通过测试各闭环电路的导电情况，记录不同工况下轴承油膜击穿电压，折算后能够获得各轴承内润滑膜膜厚的分布情况；

轴承预紧力加载装置施加预紧力给轴承左端盖44，轴承左端盖44将预紧力传递至左力传感器42，左力传感器42将预紧力传递至左Ⅰ轴承45外圈，预紧力传递过程中经过左力传感器42，从而实现对左Ⅰ轴承45和左Ⅱ轴承49施加的预紧力大小的监测功能；左Ⅱ轴承49与右Ⅰ轴承416通过电主轴412轴肩定位，从而保证轴承整体的安装位置，右力传感器422固定连接在右传感器保持套421上，监测对右Ⅰ轴承416和右Ⅱ轴承419施加的预紧力大小；轴承组压盖413安装在轴承组底座410上，保证轴承试验空间封闭。轴承组底座410一侧设置有封闭滑门411，试验过程中，电主轴412运转时封闭滑门411闭合，保证轴承试验环境的密封，电主轴412停转时，封闭滑门411开启，便于润滑脂的取样；热电阻46用于实现对轴承内润滑脂温度分布的监测。

参阅图1和图9所示，具体的，取脂装置包括丝杠滑块51、取脂棒52、伸缩杆53、伸缩杆支撑台54、丝杠55和丝杠底座56，取脂棒52通过气管和电磁阀与空气泵站9连接，空气泵站9通过负压吸气的方式将轴承滚珠处的轴承润滑脂吸附至取脂棒52内，取脂棒52固定连接在伸缩杆53前端，伸缩杆53带动取脂棒52的前后伸缩，伸缩杆53固定连接在伸缩杆支撑台54上，伸缩杆支撑台54下端固定连接在丝杠滑块51上，丝杠55两端转动连接在丝杠底座56上，丝杠底座56螺栓连接在地平铁1上，随着丝杠55的旋转，丝杠滑块51带动伸缩杆53、伸缩杆支撑台54、取脂棒52沿着丝杠55左右移动，以实现对不同被测试轴承润滑脂的取样，丝杠55的转动方式可以为手动也可为电动。

参阅图1和图9所示，具体的，伸缩杆53为气缸，气缸的固定端固定连接在伸缩杆支撑台54上，气缸的活动端与取脂棒52固定连接，气缸通过气管和电磁阀与空气泵站9连接，气缸与空气泵站9连接的连接方式为现有技术，在此不做过多阐述。

参阅图1和图11所示，具体的，四个预紧力加载装置对称安装在轴承组润滑脂试验装置两侧；

预紧力加载装置包括磁控形状记忆合金块、预紧力加载支撑架62、外夹钳63、V形块64、预紧力加载棒65和内夹钳66；预紧力加载支撑架62固定连接在磁控形状记忆合金块上方，V形块64固定连接在预紧力加载支撑架62上，用于支撑预紧力加载棒65，并对支撑预紧力加载棒65的运动进行导向，预紧力加载棒65滑动连接在V形块64上端且预紧力加载棒65两端贯穿外夹钳63和内夹钳66，外夹钳63与预紧力加载支撑架62固定连接，内夹钳66通过连杆67与磁控形状记忆合金块固定连接，利用磁控形状记忆合金块的性质记忆特性和仿生学蠕动原理，通过外夹钳63和内夹钳66的反复松开和夹紧，带动预紧力加载棒65的位移，实现对轴承预紧力的加载。

轴承预紧力的施加主要是利用新型功能材料（磁控形状记忆合金块）的形状记忆功能，结合仿生学蠕动原理，将磁控形状记忆合金块小步距的位移连续累加以形成大行程位移来实现的，该结构易于控制、动态响应速度高、可施加预紧力范围广，精度高。

参阅图10和图11所示，磁控形状记忆合金块由安装壳610、磁控形状记忆合金主体611、活塞612、线圈613和弹簧614组成，其内部结构如图11所示，图11中线圈613上的箭头代表电流方向；

安装壳610为一端开口的空腔结构，安装壳610内壁环绕有线圈613，线圈613内安装有磁控形状记忆合金主体611，安装壳610内位于磁控形状记忆合金主体611右侧固定连接有活塞612，活塞612右侧与安装壳610之间安装有弹簧614，连杆67下端贯穿弹簧614与活塞612固定连接；

线圈613通电形成磁场，随着电流增大磁场达到一定数值时，磁控形状记忆合金主体611会向右发生伸长，通过连杆67带动预紧力加载棒65向轴承方向产生位移，通过挤压轴承端盖和轴承外圈隔套，使轴承内外圈产生相对位移，从而对轴承提供轴承预紧力。当线圈613电流磁场消失后，磁控形状记忆合金主体611会在弹簧614复位力的作用下恢复至原始状态。

参阅图1、图6、图10和图11所示，下面以轴承组润滑脂试验装置左侧的左Ⅰ轴承45和左Ⅱ轴承49为例，说明预紧力加载装置的具体工作原理如下：磁控形状记忆合金主体611与连杆67一端固定连接，连杆67另一端与内夹钳66固定连接，安装壳610上方固定连接有预紧力加载支撑架62，预紧力加载支撑架62上方固定连接有外夹钳63，当施加磁场后，在磁场作用下，磁控形状记忆合金主体611沿水平方向向右伸长，此时由于预紧力加载棒65被内夹钳66夹紧，外夹钳63为松开状态，内夹钳66带动预紧力加载棒65向右移动；预紧力加载棒65推动轴承左端盖44、左力传感器42、左Ⅰ轴承45外圈，使左Ⅰ轴承45内圈与外圈产生相对位移；同时，通过左外圈隔套47推动左Ⅱ轴承49外圈，左内圈隔套48保持不动，从而使左Ⅱ轴承49内圈与外圈产生相对位移，实现对左Ⅰ轴承45和左Ⅱ轴承49的预紧力同步加载；去掉磁场前，外夹钳63夹紧预紧力加载棒65，而内夹钳66松开；当去掉磁场后，预紧力加载棒65由于被外夹钳63夹紧，磁控形状记忆合金主体611在弹簧614作用下收缩恢复原形，内夹钳66相对于预紧力加载棒65向左移动；施加磁场前，内夹钳66夹紧预紧力加载棒65，外夹钳63松开预紧力加载棒65；之后，再次施加磁场，磁控形状记忆合金主体611再次沿水平方向向右伸长，内夹钳66带动预紧力加载棒65向右产生位移；重复上述操作，使预紧力加载棒65连续向轴承方向移动，直至通过轴承组润滑脂试验装置中的左力传感器42监测达到设定轴承预紧力大小后，去掉磁场。在上述过程中，外夹钳63与内夹钳66松开夹紧过程由控制柜8反复切换实现，与生物直线驱动器的蠕动方式完全吻合，外夹钳63与内夹钳66为微型电动夹爪，微型电动夹爪为现有技术中已知产品，在此不做过多阐述。

参阅图1和图12所示，具体的，扭矩加载装置包括右联轴器71、测功机支撑机构72和测功机73，右联轴器71的左右两端分别通过螺栓与电主轴412右端和测功机73左端固定连接，测功机73固定连接在测功机支撑机构72上，测功机支撑机构72固定连接在地平铁1上。

参阅图1至图13所示，模拟数控机床电主轴轴承润滑脂可靠性试验方法是在采用前面所述的模拟数控机床电主轴轴承润滑脂可靠性试验装置的基础上进行的，具体包括以下步骤：

步骤1：完成试验前准备，具体包括以下步骤：

1.1：确定被测试轴承润滑脂的规格和型号；

1.2：准备试验所需物品，包括被测试轴承润滑脂样品、用于密封轴承润滑脂样品的样本袋、用于检测轴承润滑脂性能的电子天平、锥入度仪、分油测试器、红外光谱分析仪、流变仪和SRV摩擦磨损试验机，用于清洗轴承润滑脂的石油醚以及用于取样轴承润滑脂样本的标签；

1.3：熟悉电子天平、锥入度仪、分油测试器、红外光谱分析仪、流变仪和SRV摩擦磨损试验机检测设备操作，检查设备是否能够正常使用；

步骤2：涂抹被测试轴承润滑脂样本，具体包括以下步骤：

2.1：利用公式：G=0.005D*B

计算电主轴轴承的加脂量，式中G为加脂重量（单位g），D为轴承外径（单位mm），B为轴承宽度（单位mm）；

2.2：用电子天平分别称取4份、每份重量为G的被测试轴承润滑脂样本；

2.3：清除附着在左Ⅰ轴承45、左Ⅱ轴承49、右Ⅰ轴承416和右Ⅱ轴承419内部的防锈油；

2.4：确定左Ⅰ轴承45、左Ⅱ轴承49、右Ⅰ轴承416和右Ⅱ轴承419内部无残余异物，如有，需对轴承进行清洗；

2.5：采用可读填充数的注脂器，将每份轴承润滑脂分别均匀填充在左Ⅰ轴承45、左Ⅱ轴承49、右Ⅰ轴承416和右Ⅱ轴承419的滚珠之间；

2.6：用手转动各个轴承，使轴承润滑脂均匀地进入滚道面、保持架内部、各个球之间、引导面处，使轴承润滑脂充满轴承内部空间；

步骤3：按照规范进行数控机床电主轴轴承润滑脂可靠性试验，具体包括以下步骤：

3.1：设定可靠性试验的环境载荷为温度22℃、湿度40%；

3.2：根据数控机床的正常工作应力，确定模拟实际工况的轴承润滑脂可靠性试验载荷，包括转速、扭矩、切削力、轴承预紧力等；

3.3：通过控制柜8设定转速加载装置、摇篮式切削力加载装置、预紧力加载装置和扭矩加载装置的试验参数，并设定润滑膜膜厚和温度的采集频率、轴承润滑脂停机取样时间间隔和取样次数以及试验总时间；

3.4：开始试验前，对轴承润滑脂进行第一次取样，检测轴承润滑脂性能指标的初始值；

3.5：可靠性试验开始；

步骤4：检测和记录轴承润滑脂相关性能指标，具体包括以下步骤：

4.1：试验过程中，通过控制柜8的数据采集卡采集热电阻46信号，实时监测左Ⅰ轴承45、左Ⅱ轴承49、右Ⅰ轴承416和右Ⅱ轴承419内润滑膜温度变化情况，并根据设定的采集频率，采集并存储润滑膜温度数据；

4.2：通过对轴承组外圈导电装置414和导电滑环415进行通电，使左Ⅰ轴承45、左Ⅱ轴承49、右Ⅰ轴承416和右Ⅱ轴承419内外圈形成闭环电路，根据设定的采集频率，采集、计算并存储润滑脂膜厚数据；

4.3：根据设定的轴承润滑脂停机取样时间间隔和取样次数，将取出的轴承润滑脂分装至样本袋，并在标签内注明取样时间，供检测需要，存储室温环境保持一致，放置庇荫处，避免阳光直晒；

4.4：运用锥入度仪、分油测试器、红外光谱分析仪、流变仪和SRV摩擦磨损试验机对取样的轴承润滑脂样本进行锥入度、分油率、化学成分、黏度和摩擦系数性能指标进行检测和记录；

步骤5：结束试验，具体包括以下步骤：

5.1：到达试验结束时间后，通过控制柜8关闭转速加载装置、摇篮式切削力加载装置、预紧力加载装置和扭矩加载装置，并将摇篮式切削力加载装置和预紧力加载装置恢复至初始位置；

5.2：拆卸试验轴承，用石油醚将试验轴承完全清洗干净，通风环境静置2小时，待石油醚挥发干净，供下次试验使用；

5.3：试验结束后，对轴承润滑脂性能退化数据进行统计分析，获得润滑脂性能退化规律。

本发明中所述的实例是为了便于该领域技术人员能够理解和应用本发明。本发明只是一个优化的实例，或者说是一种较佳的具体技术方案，如果相关的技术人员在坚持本发明基本技术方案的情况下，作出不需要经过创造性劳动的等效结构变化或各种修改都在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.模拟数控机床电主轴轴承润滑脂可靠性试验装置，其特征在于：包括地平铁（1）、转速加载装置、摇篮式切削力加载装置、预紧力加载装置、扭矩加载装置、轴承组润滑脂试验装置、取脂装置、控制柜（8）和空气泵站（9）；

转速加载装置、摇篮式切削力加载装置、预紧力加载装置和扭矩加载装置均通过螺栓固定连接在地平铁（1）上，轴承组润滑脂试验装置固定连接在转速加载装置和扭矩加载装置之间，取脂装置固定连接在轴承组润滑脂试验装置的前侧，预紧力加载装置固定连接在轴承组润滑脂试验装置左右两侧，控制柜（8）和空气泵站（9）均放置在地面；

转速加载装置用于轴承组润滑脂试验装置的模拟转速加载；

摇篮式切削力加载装置用于轴承组润滑脂试验装置的多角度、动态切削力的模拟加载；

取脂装置用于被测试轴承润滑脂的取样；

预紧力加载装置用于轴承组润滑脂试验装置内的轴承预紧力加载；

扭矩加载装置用于轴承组润滑脂试验装置的模拟扭矩加载；

控制柜（8）实现对整个可靠性试验装置的参数采集与控制功能，同时能够在显示器中显示试验装置的运行状况；

空气泵站（9）为取脂装置提供压缩空气，并安装有流量控制阀。

2.根据权利要求1所述的模拟数控机床电主轴轴承润滑脂可靠性试验装置，其特征在于：转速加载装置包括转轴（21）、转轴抱夹（22）、转轴支架（23）和加载单元（24）；转轴（21）转动连接在转轴抱夹（22）内，转轴（21）能由外部动力带着转动，转轴抱夹（22）通过转轴支架（23）与地平铁（1）连接，加载单元（24）固定连接在转轴（21）右端，加载单元（24）表面设置有凹槽，凹槽作为摇篮式切削力加载装置的施力点。

3.根据权利要求1所述的模拟数控机床电主轴轴承润滑脂可靠性试验装置，其特征在于：摇篮式切削力加载装置包括回转支撑机构（31）、转台底座（32）、转台（33）、压电陶瓷加载机构（34）和定位螺栓组（35）；压电陶瓷加载机构（34）通过螺栓固定连接在转台（33）上，转台底座（32）安装的电机能驱动转台（33）转动，转台（33）固定连接在转台底座（32）上，转台底座（32）的左右两侧通过定位螺栓组（35）固定连接在回转支撑机构（31）上，通过调整定位螺栓组（35）在回转支撑机构（31）上弧形槽的位置，实现转台底座（32）、转台（33）、压电陶瓷加载机构（34）共同绕弧形槽的轴心转动，从而实现不同角度动态切削力的模拟加载。

4.根据权利要求2所述的模拟数控机床电主轴轴承润滑脂可靠性试验装置，其特征在于：轴承组润滑脂试验装置包括左联轴器（41）、左力传感器（42）、左传感器保持套（43）、轴承左端盖（44）、左Ⅰ轴承（45）、热电阻（46）、左外圈隔套（47）、左内圈隔套（48）、左Ⅱ轴承（49）、轴承组底座（410）、封闭滑门（411）、电主轴（412）、轴承组压盖（413）、轴承组外圈导电装置（414）、导电滑环（415）、右Ⅰ轴承（416）、右内圈隔套（417）、右外圈隔套（418）、右Ⅱ轴承（419）、轴承右端盖（420）、右传感器保持套（421）和右力传感器（422）；左联轴器（41）的左右两端分别通过螺栓与转轴（21）右端和电主轴（412）左端固定连接，左力传感器（42）安装在左传感器保持套（43）上，轴承左端盖（44）、左传感器保持套（43）、左Ⅰ轴承（45）、左Ⅱ轴承（49）、右Ⅰ轴承（416）、右Ⅱ轴承（419）、右传感器保持套（421）和轴承右端盖（420）从左至右依次对称套设在电主轴（412）外侧，左力传感器（42）安装在左传感器保持套（43）上，右力传感器（422）安装在右传感器保持套（421）上，左外圈隔套（47）安装在左Ⅰ轴承（45）外圈与左Ⅱ轴承（49）外圈之间，左内圈隔套（48）安装在左Ⅰ轴承（45）内圈与左Ⅱ轴承（49）内圈之间，右外圈隔套（418）安装在右Ⅰ轴承（416）外圈与右Ⅱ轴承（419）外圈之间，右内圈隔套（417）安装在右Ⅰ轴承（416）内圈与右Ⅱ轴承（419）内圈之间，导电滑环（415）固定连接在电主轴（412）上，轴承左端盖（44）与左Ⅰ轴承（45）外圈接触，轴承右端盖（420）与右Ⅱ轴承（419）外圈接触，轴承组底座（410）与轴承组压盖（413）通过螺栓固定连接，轴承组底座（410）上滑动连接有封闭滑门（411），轴承组压盖（413）上位于左Ⅰ轴承（45）、左Ⅱ轴承（49）、右Ⅰ轴承（416）、右Ⅱ轴承（419）的两侧设置有安装孔，安装孔内安装有热电阻（46），左外圈隔套（47）、左内圈隔套（48）、右内圈隔套（417）、右外圈隔套（418）结构均为绝缘材料制，轴承组外圈导电装置（414）固定连接在轴承组压盖（413）上，轴承组外圈导电装置（414）内侧分别与左Ⅰ轴承（45）、左Ⅱ轴承（49）、右Ⅰ轴承（416）、右Ⅱ轴承（419）的外圈接触，导电滑环（415）通过电主轴（412）与左Ⅰ轴承（45）、左Ⅱ轴承（49）、右Ⅰ轴承（416）、右Ⅱ轴承（419）的内圈连接，轴承组外圈导电装置（414）通电后，每个轴承的内圈和外圈均能够形成闭环电路，通过测试各闭环电路的导电情况，记录不同工况下轴承油膜击穿电压，折算后能够获得各轴承内润滑膜膜厚的分布情况，热电阻（46）用于实现对轴承内润滑脂温度分布的监测。

5.根据权利要求1所述的模拟数控机床电主轴轴承润滑脂可靠性试验装置，其特征在于：取脂装置包括丝杠滑块（51）、取脂棒（52）、伸缩杆（53）、伸缩杆支撑台（54）、丝杠（55）和丝杠底座（56），取脂棒（52）通过气管和电磁阀与空气泵站（9）连接，取脂棒（52）固定连接在伸缩杆（53）前端，伸缩杆（53）固定连接在伸缩杆支撑台（54）上，伸缩杆支撑台（54）下端固定连接在丝杠滑块（51）上，丝杠（55）两端转动连接在丝杠底座（56）上，丝杠底座（56）螺栓连接在地平铁（1）上。

6.根据权利要求1所述的模拟数控机床电主轴轴承润滑脂可靠性试验装置，其特征在于：四个预紧力加载装置对称安装在轴承组润滑脂试验装置两侧；

预紧力加载装置包括磁控形状记忆合金块、预紧力加载支撑架（62）、外夹钳（63）、V形块（64）、预紧力加载棒（65）和内夹钳（66）；预紧力加载支撑架（62）固定连接在磁控形状记忆合金块上方，V形块（64）固定连接在预紧力加载支撑架（62）上，预紧力加载棒（65）滑动连接在V形块（64）上端且预紧力加载棒（65）两端贯穿外夹钳（63）和内夹钳（66），外夹钳（63）与预紧力加载支撑架（62）固定连接，内夹钳（66）通过连杆（67）与磁控形状记忆合金块固定连接，通过外夹钳（63）和内夹钳（66）的反复松开和夹紧，带动预紧力加载棒（65）的位移，实现对轴承预紧力的加载。

7.根据权利要求6所述的模拟数控机床电主轴轴承润滑脂可靠性试验装置，其特征在于：磁控形状记忆合金块由安装壳（610）、磁控形状记忆合金主体（611）、活塞（612）、线圈（613）和弹簧（614）组成；

安装壳（610）为一端开口的空腔结构，安装壳（610）内壁环绕有线圈（613），线圈（613）内安装有磁控形状记忆合金主体（611），安装壳（610）内位于磁控形状记忆合金主体（611）右侧固定连接有活塞（612），活塞（612）右侧与安装壳（610）之间安装有弹簧（614），连杆（67）下端贯穿弹簧（614）与活塞（612）固定连接。

8.根据权利要求4所述的模拟数控机床电主轴轴承润滑脂可靠性试验装置，其特征在于：扭矩加载装置包括右联轴器（71）、测功机支撑机构（72）和测功机（73），右联轴器（71）的左右两端分别通过螺栓与电主轴（412）右端和测功机（73）左端固定连接，测功机（73）固定连接在测功机支撑机构（72）上，测功机支撑机构（72）固定连接在地平铁（1）上。

9.应用权利要求1至8任一项所述的模拟数控机床电主轴轴承润滑脂可靠性试验装置的试验方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：确定被测试轴承润滑脂的规格和型号；

步骤2：计算电主轴轴承的加脂量，将轴承润滑脂充满轴承内部空间；

步骤3：通过控制柜（8）设定转速加载装置、摇篮式切削力加载装置、预紧力加载装置和扭矩加载装置的试验参数，并设定润滑膜膜厚和温度的采集频率、轴承润滑脂停机取样时间间隔和取样次数以及试验总时间；

步骤4：检测和记录轴承润滑脂的性能指标；

步骤5：试验结束时间后，通过控制柜（8）关闭转速加载装置、摇篮式切削力加载装置、预紧力加载装置和扭矩加载装置，并将摇篮式切削力加载装置和预紧力加载装置恢复至初始位置，对轴承拆洗。