宋劍虹，李超強(qiáng)，張 旭

(1.江門職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 江門 529090；2.洛陽軸承研究所有限公司，河南 洛陽 471039)

軸承壽命是表征軸承質(zhì)量的重要指標(biāo)，同時(shí)也是綜合性指標(biāo)，其與產(chǎn)品設(shè)計(jì)、材料、工藝以及加工過程中的質(zhì)量控制手段等諸多因素有關(guān)。隨著工業(yè)水平的不斷發(fā)展，對(duì)軸承的質(zhì)量要求越來越高，軸承壽命在軸承質(zhì)量中的地位也變得越來越重要?，F(xiàn)仍有一些軸承企業(yè)采用ZS-15/30型老式軸承壽命試驗(yàn)機(jī)，其具有精度低、加載系統(tǒng)不穩(wěn)定、無自動(dòng)控制系統(tǒng)、試驗(yàn)成本高、工作強(qiáng)度大等缺點(diǎn)，已無法滿足目前高性能長(zhǎng)壽命軸承的試驗(yàn)需要。若全部淘汰而采用新一代的軸承壽命試驗(yàn)機(jī)將會(huì)大幅增加成本，故采用新技術(shù)對(duì)原試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行改造，以提高試驗(yàn)精度、加載系統(tǒng)穩(wěn)定性、自動(dòng)化程度和智能水平。

1 試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)原理及存在的問題

ZS-15/30型軸承壽命試驗(yàn)機(jī)主要由機(jī)座、試驗(yàn)頭箱體、試驗(yàn)頭組件、軸向加載部件、徑向加載部件、傳動(dòng)系統(tǒng)、潤(rùn)滑冷卻部件及儀表等組成。其結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

1—三角皮帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)；2—電動(dòng)機(jī)；3—濾油器；4—油泵；5—集油器；6—油箱；7—手動(dòng)螺旋調(diào)壓器；8—壓力表；9—軸向加載部件；10—試驗(yàn)頭箱體；11—徑向加載部件；12—加載軸承；13—被試軸承；14—聯(lián)軸節(jié)；15—增速器圖1 ZS-15/30型軸承壽命試驗(yàn)機(jī)原理圖

該試驗(yàn)機(jī)采用手動(dòng)螺旋調(diào)壓器實(shí)現(xiàn)液壓徑向加載或卸載，但由于油路泄漏或試驗(yàn)過程中溫升等原因會(huì)造成試驗(yàn)載荷變化，人工調(diào)整很難及時(shí)且準(zhǔn)確地將試驗(yàn)載荷誤差控制在試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的±2%F.S范圍內(nèi)。

該試驗(yàn)機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)由普通電動(dòng)機(jī)、三角帶、增速器和聯(lián)軸節(jié)組成，以實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)組件的主軸旋轉(zhuǎn)。試驗(yàn)過程中，皮帶打滑和載荷變化等因素使得試驗(yàn)轉(zhuǎn)速誤差難以控制在±2%F.S范圍內(nèi)。并且增速器的膠木齒輪使用壽命較低，傳動(dòng)系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速。

在長(zhǎng)達(dá)數(shù)百小時(shí)的試驗(yàn)中，試驗(yàn)人員需不間斷地輪班，通過壓力表及轉(zhuǎn)速表實(shí)現(xiàn)對(duì)載荷、轉(zhuǎn)速的監(jiān)測(cè)并實(shí)施調(diào)節(jié)，使之穩(wěn)定在試驗(yàn)規(guī)程規(guī)定的范圍內(nèi)；用溫度計(jì)測(cè)量軸承的溫度，通過溫升判定軸承是否失效；通過聽筒憑經(jīng)驗(yàn)判斷軸承振動(dòng)情況，以確定是否失效；同時(shí)，按照試驗(yàn)規(guī)程規(guī)定的時(shí)間間隔，定時(shí)監(jiān)測(cè)和記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

試驗(yàn)結(jié)束后，根據(jù)記錄的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，人工在Weibull分布圖上依次描點(diǎn)，然后按照各點(diǎn)的位置，配置分布直線，由分布直線求出Weibull分布的斜率及特征壽命，最后求出基本額定壽命的試驗(yàn)值L10t及可靠度Re；或者，根據(jù)記錄的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行估計(jì)計(jì)算來確定基本額定壽命的試驗(yàn)值L10t及可靠度Re。

此方法具有工作環(huán)境惡劣、人力成本高、準(zhǔn)確性差、受人為因素影響大等缺點(diǎn)，為此對(duì)試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行全自動(dòng)化改造。

2 改造方案

本次改造分機(jī)械和電氣兩部分。機(jī)械部分只做部分改造；而電氣部分則全部重新設(shè)計(jì)，采用LabVIEW虛擬儀器技術(shù)，設(shè)計(jì)電氣測(cè)控系統(tǒng)硬件和軟件，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)過程的全自動(dòng)化和智能化。

2.1 機(jī)械部分

試驗(yàn)機(jī)機(jī)械改造方案如圖2所示。該方案的機(jī)械部分最大程度地保留了原機(jī)械結(jié)構(gòu)，只針對(duì)加載機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行改造，并新增電主軸冷卻系統(tǒng)。

1—過濾器；2—冷卻泵；3—冷卻水箱；4—濾油器；5—油泵；6—集油器；7—油箱；8—螺旋調(diào)壓器；9—滑動(dòng)聯(lián)軸器；10—壓力表；11—減速器；12—加載電動(dòng)機(jī)；13—壓力變送器； 14—軸向加載部件；15—徑向加載部件；16—試驗(yàn)頭箱體；17—聯(lián)軸節(jié)；18—電主軸圖2 ZS-15/30型軸承壽命試驗(yàn)機(jī)改造原理圖

2.1.1 加載機(jī)構(gòu)

將原徑向加載機(jī)構(gòu)的手動(dòng)螺旋調(diào)壓器改為由YN60-6微型電動(dòng)機(jī)、60JB 300G8型減速器(減速比為300)和滑動(dòng)聯(lián)軸器驅(qū)動(dòng)的螺旋調(diào)壓裝置。電動(dòng)機(jī)由計(jì)算機(jī)根據(jù)實(shí)際載荷與設(shè)定載荷的差值大小自動(dòng)控制加載、卸載或保壓。

2.1.2 傳動(dòng)系統(tǒng)

將原傳動(dòng)機(jī)構(gòu)所采用的普通電動(dòng)機(jī)、三角帶傳動(dòng)和增速器的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)改為由120MD36Y8.5型電主軸直接驅(qū)動(dòng)。電主軸由計(jì)算機(jī)通過串行口與變頻器通信來控制其試驗(yàn)轉(zhuǎn)速，不但可以實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速，而且可以在試驗(yàn)中任意改變轉(zhuǎn)速。

2.1.3 電主軸冷卻系統(tǒng)

采用YSB三相機(jī)床冷卻電泵(流量50 L/min、揚(yáng)程 4 m)、不銹鋼過濾器及冷卻水箱組成的循環(huán)供水系統(tǒng)對(duì)電主軸進(jìn)行冷卻。

2.2 電氣系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.2.1 主電路設(shè)計(jì)

改造后的控制系統(tǒng)主電路由斷路器、熔斷器、接觸器、中間繼電器、熱繼電器、變頻器和電動(dòng)機(jī)等構(gòu)成。圖3為壽命試驗(yàn)機(jī)的控制系統(tǒng)主電路原理圖。

圖3 ZS-15/30型軸承壽命試驗(yàn)機(jī)改造主電路

潤(rùn)滑電動(dòng)機(jī)M1對(duì)開式試驗(yàn)軸承提供潤(rùn)滑；冷卻電動(dòng)機(jī)M2對(duì)電主軸進(jìn)行冷卻；主軸電動(dòng)機(jī)M3用于120MD36Y8.5型電主軸，由變頻器驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)主軸組件；單相微型電動(dòng)機(jī)M4和M5分別進(jìn)行徑向和軸向加載、卸載或保壓。

2.2.2 測(cè)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.2.2.1 測(cè)控系統(tǒng)構(gòu)成

測(cè)控系統(tǒng)主要由工控機(jī)、PCL-1202L型多功能數(shù)據(jù)采集卡(具有AD，DA，DI，DO功能)、DB-16P型16路光電隔離開關(guān)量輸入板、DB-16R型16路繼電器輸出板、DB-1825型模擬量輸入/輸出端子連接板及RS-232/RS-485接口轉(zhuǎn)換器等構(gòu)成，如圖4所示。

圖4 ZS-15/30型軸承壽命試驗(yàn)機(jī)改造測(cè)控原理圖

2.2.2.2 開關(guān)量輸入

DB-16P型16路光電隔離開關(guān)量輸入板用于輸入壽命試驗(yàn)機(jī)的旋鈕開關(guān)、多位開關(guān)、接近開關(guān)及熱繼電器觸點(diǎn)等開關(guān)信號(hào)。

2.2.2.3 開關(guān)量輸出

DB-16R型16路繼電器輸出板用于控制壽命試驗(yàn)機(jī)的中間繼電器，以實(shí)現(xiàn)對(duì)潤(rùn)滑電動(dòng)機(jī)、冷卻電動(dòng)機(jī)、變頻器以及加/卸載電動(dòng)機(jī)的控制。

2.2.2.4 模擬量輸入

DB-1825型模擬量輸入端子連接板用于分別輸入壽命試驗(yàn)機(jī)的載荷、軸承溫度和振動(dòng)。

載荷監(jiān)測(cè)采用DG1300-BZ-A-2-10型壓力傳感器/變送器(量程0～10 MPa)，將壓力值轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的直流電壓值，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后輸入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)根據(jù)監(jiān)測(cè)的載荷值來控制相應(yīng)的加/卸載電動(dòng)機(jī)，以實(shí)現(xiàn)載荷穩(wěn)定在設(shè)定的范圍內(nèi)。

溫度監(jiān)測(cè)采用Pt100型溫度傳感器、DZ-4131型熱電阻溫度隔離變送器(量程-20～130 ℃)，將溫度值轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的直流電壓值，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后輸入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)根據(jù)監(jiān)測(cè)的溫度值判定試驗(yàn)軸承運(yùn)轉(zhuǎn)是否正常。

振動(dòng)監(jiān)測(cè)采用YD-3-G型加速度傳感器和DHF-2型電荷放大器，將振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的交流電壓值，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后輸入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)通過監(jiān)測(cè)振動(dòng)的變化判定試驗(yàn)軸承運(yùn)轉(zhuǎn)是否正常。

2.2.2.5 變頻器通信

通過計(jì)算機(jī)串行口COM1，RS-232/RS-485接口轉(zhuǎn)換器與變頻器RS-485接口的雙向通信，對(duì)變頻器進(jìn)行啟/?？刂?、參數(shù)設(shè)置和運(yùn)行數(shù)據(jù)讀取等，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電主軸的運(yùn)轉(zhuǎn)控制與監(jiān)測(cè)。

2.2.2.6 防干擾接地

測(cè)控系統(tǒng)的干擾與系統(tǒng)的接地方式有很大關(guān)系，接地技術(shù)是抑制噪聲的重要手段。在測(cè)控系統(tǒng)中不僅要進(jìn)行人身和設(shè)備安全的保護(hù)接地，而且要進(jìn)行使系統(tǒng)安全正常工作和防電磁干擾的接地。若接地處理不好，就會(huì)產(chǎn)生共模干擾。產(chǎn)生共模干擾的原因是計(jì)算機(jī)、變頻器和電動(dòng)機(jī)采用了共同的地線，為了減小共模干擾，應(yīng)將它們各自單獨(dú)接地。另外，所有的電源地線、信號(hào)地線和屏蔽地線都要接到各自的總地線上，最后把3類地線匯總到公共的地線上。

串行通信的RS232/485轉(zhuǎn)換接口與變頻器之間通信采用雙芯屏蔽線，一點(diǎn)接地；模擬量輸入采用雙芯屏蔽電纜，在信號(hào)電纜對(duì)地分布電纜數(shù)量多的一側(cè)接地。

另外，將信號(hào)線與動(dòng)力線分開布線，以減小干擾。

2.3 測(cè)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在LabVIEW平臺(tái)下開發(fā)了模塊化的測(cè)控系統(tǒng)軟件，可實(shí)現(xiàn)如下功能：(1)監(jiān)測(cè)功能。分別監(jiān)測(cè)、顯示壽命試驗(yàn)機(jī)的4路溫度、徑向載荷、軸向載荷和整機(jī)振動(dòng)；(2)控制功能。調(diào)整狀態(tài)下控制各電動(dòng)機(jī)按輸入指令運(yùn)行，自動(dòng)狀態(tài)下控制各電動(dòng)機(jī)按設(shè)定的順序運(yùn)行，并控制徑向和軸向載荷在設(shè)定值的范圍內(nèi)以及電主軸按設(shè)定的轉(zhuǎn)速和時(shí)間運(yùn)行；(3)軸承異常識(shí)別功能。溫度超過設(shè)定值會(huì)報(bào)警、停機(jī)，根據(jù)整機(jī)振動(dòng)識(shí)別軸承失效并停機(jī)；(4)運(yùn)行故障診斷功能。能診斷出電動(dòng)機(jī)、變頻器故障和試驗(yàn)組件的聯(lián)軸片損壞等，報(bào)警并停機(jī)；(5)管理功能。累計(jì)總運(yùn)行時(shí)間，設(shè)定試驗(yàn)參數(shù)，自動(dòng)保存試驗(yàn)過程參數(shù)和停機(jī)原因。

測(cè)控系統(tǒng)主VI的程序框圖如圖5所示，采用多任務(wù)、多線程模式。定時(shí)循環(huán)(TimedLoop)結(jié)構(gòu)模仿PLC的工作原理，首先輸入掃描數(shù)據(jù)，再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理與保存等，最后進(jìn)行控制輸出。While循環(huán)結(jié)構(gòu)采用事件結(jié)構(gòu)(Event Structure),實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)參數(shù)的設(shè)置并對(duì)試驗(yàn)參數(shù)采用Excel格式保存。

圖5 主程序框圖

采用LabVIEW的狀態(tài)圖工具包進(jìn)行編程，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分析、處理與保存等功能，如圖6所示。

圖6 自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)圖

3 結(jié)束語

經(jīng)使用證明，改造后的ZS-15/30型軸承壽命試驗(yàn)機(jī)的各項(xiàng)試驗(yàn)技術(shù)指標(biāo)均符合JB/T 50013—2000《滾動(dòng)軸承 壽命及可靠性試驗(yàn)規(guī)程》的規(guī)定，并實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)化和初步智能化。下一步改造應(yīng)在此基礎(chǔ)上，采用交流伺服技術(shù)對(duì)載荷進(jìn)行控制，以實(shí)現(xiàn)各類載荷譜的壽命試驗(yàn)；采用新的信號(hào)分析與處理技術(shù)，進(jìn)一步研究軸承故障診斷技術(shù)，以求更準(zhǔn)確地識(shí)別軸承故障；采用數(shù)據(jù)庫技術(shù)，實(shí)現(xiàn)軸承壽命試驗(yàn)報(bào)告的自動(dòng)生成。