潘奔流，葉軍,，薛玉君，李澤強(qiáng)，王健

(1.河南科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,河南 洛陽(yáng) 471003；2.洛陽(yáng)軸研科技股份有限公司，河南 洛陽(yáng) 471039)

隨著數(shù)控機(jī)床向著高速度、高精度、高效率及環(huán)保性等方向發(fā)展,對(duì)電主軸的轉(zhuǎn)速和可靠性等要求也越來(lái)越高。高速軸承是電主軸的關(guān)鍵部件，其直接影響電主軸性能的好壞,進(jìn)而影響到機(jī)床的加工精度、零件表面質(zhì)量、生產(chǎn)效率、振動(dòng)和噪聲等[1-3]。因此，對(duì)高速軸承的性能和壽命等也提出了更高的要求。

為了給設(shè)計(jì)者提供相關(guān)數(shù)據(jù)支持和確保軸承達(dá)到預(yù)期性能，對(duì)軸承進(jìn)行試驗(yàn)評(píng)估是至關(guān)重要的。目前有關(guān)電主軸軸承試驗(yàn)的研究報(bào)道不少，但是針對(duì)油霧潤(rùn)滑電主軸軸承的試驗(yàn)研究主要是在電主軸或僅能軸向加載的高速軸承試驗(yàn)臺(tái)上完成，因?yàn)檩S承工作過(guò)程中有可能會(huì)承受徑向載荷,該方法并不能完全模擬軸承的實(shí)際工況。而目前有關(guān)能實(shí)現(xiàn)油霧潤(rùn)滑、軸向加載和徑向加載的高速軸承試驗(yàn)臺(tái)還未見(jiàn)有報(bào)道。鑒于此，針對(duì)電主軸軸承的實(shí)際工況、極限工況條件及運(yùn)轉(zhuǎn)特點(diǎn)，研制了一臺(tái)電主軸軸承試驗(yàn)裝置，其能夠進(jìn)行軸承的油霧潤(rùn)滑或脂潤(rùn)滑試驗(yàn)，同時(shí)可以施加軸向載荷和徑向載荷，且實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)運(yùn)行控制的自動(dòng)化和智能化。

1 主要技術(shù)要求

根據(jù)電主軸軸承的實(shí)際工況、極限工況條件及運(yùn)轉(zhuǎn)特點(diǎn),試驗(yàn)臺(tái)應(yīng)滿(mǎn)足以下主要技術(shù)要求：被試軸承內(nèi)徑為15～30 mm；最高轉(zhuǎn)速可達(dá)60 000 r/min，且無(wú)級(jí)可調(diào)；最大徑向載荷為2 000 N,最大軸向載荷為1 000 N，且連續(xù)可調(diào)；采用油霧潤(rùn)滑和脂潤(rùn)滑，同時(shí)提供水冷卻；系統(tǒng)可以手動(dòng)或自動(dòng)控制，并能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)軸承的工作狀態(tài)，顯示、處理和存儲(chǔ)軸承的性能參數(shù)；出現(xiàn)故障時(shí)系統(tǒng)可自動(dòng)采取適當(dāng)?shù)奶幚泶胧?/p>

2 技術(shù)方案

如圖1所示，試驗(yàn)臺(tái)由驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、試驗(yàn)主體、加載系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成。

圖1 試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)框圖

2.1 驅(qū)動(dòng)方式

通常情況下，采用如交流電動(dòng)機(jī)或直流電動(dòng)機(jī)等產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)經(jīng)由皮帶傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)或變速機(jī)構(gòu)傳遞給試驗(yàn)軸承，但系統(tǒng)存在可靠性差、噪聲大、振動(dòng)大和試驗(yàn)轉(zhuǎn)速受限制等缺陷。而電主軸具有質(zhì)量輕、振動(dòng)小、噪聲低、效應(yīng)快及功率大等優(yōu)點(diǎn)[4-5]，故試驗(yàn)臺(tái)采用20 kW的電主軸提供動(dòng)力，最高轉(zhuǎn)速可達(dá)60 000 r/min，通過(guò)變頻器實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速。另外，為了避免試驗(yàn)主軸在高速試驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生的振動(dòng)傳遞到電主軸上，電主軸和試驗(yàn)主軸之間采用柔性連接[6]，即用尼龍繩將電主軸上的凸緣和試驗(yàn)主軸上對(duì)應(yīng)的孔纏繞起來(lái)。該連接也減少了由于試驗(yàn)主軸與電主軸同軸度不好而產(chǎn)生的附加彎矩，從而提高了試驗(yàn)主軸的穩(wěn)定性。

2.2 試驗(yàn)臺(tái)主體

試驗(yàn)臺(tái)主體是試驗(yàn)臺(tái)的核心部件，主要由試驗(yàn)主軸、試驗(yàn)軸承、加載軸承、加載組件、軸承襯套、上蓋和底座組成，整個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊。殼體采用剖分式結(jié)構(gòu)，以便于拆裝；為了使試驗(yàn)主軸具有較高轉(zhuǎn)速和穩(wěn)定性，在試驗(yàn)主軸兩端安裝被試軸承，中間為加載軸承；在軸承襯套上加工環(huán)槽，以實(shí)現(xiàn)水冷卻[7]。另外，該試驗(yàn)臺(tái)除了要滿(mǎn)足脂潤(rùn)滑的方式外，還要實(shí)現(xiàn)油霧潤(rùn)滑的方式，因而在軸承襯套和底座上設(shè)計(jì)進(jìn)油孔和回油孔，在底座的進(jìn)油孔處安裝噴槍?zhuān)⒃O(shè)計(jì)噴嘴與水平方向成15°夾角，以使?jié)櫥挽F直接能?chē)娚涞捷S承滾動(dòng)體上。

2.3 加載方式

常用的加載方式有電動(dòng)加載、機(jī)械加載和液壓加載等[8]。由于軸承運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)且運(yùn)行過(guò)程中載荷經(jīng)常發(fā)生變化，機(jī)械加載很難實(shí)現(xiàn)加載的連續(xù)性和自動(dòng)性，電動(dòng)加載裝置體積較大，不宜長(zhǎng)時(shí)間使用，而且這兩種方式在加載過(guò)程中易產(chǎn)生載荷沖擊。液壓加載具有質(zhì)量輕，穩(wěn)定性和可調(diào)性好，控制方便等特點(diǎn)，故本試驗(yàn)臺(tái)采用液壓伺服加載。

液壓加載系統(tǒng)原理如圖2所示，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓泵工作，壓力油分兩路進(jìn)入兩個(gè)比例減壓閥，比例減壓閥在控制器的作用下輸出給定壓力大小的壓力油。軸向活塞在油壓作用下通過(guò)加載套把軸向載荷施加到軸承外圈上；徑向活塞在油壓作用下通過(guò)中間加載軸承把徑向載荷施加到被試軸承內(nèi)圈上。在回油路上有冷卻器, 以控制系統(tǒng)油溫, 保證油壓的穩(wěn)定性。載荷的大小可通過(guò)計(jì)算機(jī)設(shè)定，由比例減壓閥控制。

圖2 液壓加載系統(tǒng)原理

2.4 數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng)

試驗(yàn)采集數(shù)據(jù)包括：轉(zhuǎn)速、載荷、主機(jī)電流、電壓及軸承的溫度和振動(dòng)等。這些參數(shù)通過(guò)相應(yīng)的傳感器送入計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)軟件處理后顯示于屏幕上，定時(shí)寫(xiě)入數(shù)據(jù)庫(kù)文件并存儲(chǔ)。為使傳感器能夠準(zhǔn)確測(cè)量軸承的溫度和軸系振動(dòng)，選擇鉑電阻溫度傳感器和加速度振動(dòng)傳感器，安裝在與水平成30°夾角的軸承座上，緊貼于軸承外圈上，并將加速度振動(dòng)傳感器與殼體通過(guò)彈簧裝置間接分開(kāi)。

控制系統(tǒng)由電氣操作控制系統(tǒng)、變頻調(diào)速系統(tǒng)、加載控制系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)組成。其中，為了精確控制轉(zhuǎn)速和載荷的大小，變頻調(diào)速系統(tǒng)和加載控制系統(tǒng)采用閉環(huán)控制，由計(jì)算機(jī)D/A輸出或者手調(diào)指令電位器給出電壓控制信號(hào)，實(shí)際輸出值由相應(yīng)傳感器經(jīng)變送器反饋給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)對(duì)轉(zhuǎn)速及載荷的控制量進(jìn)行PID調(diào)節(jié)后D/A輸出形成系統(tǒng)閉環(huán)控制[9]。加載閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 加載閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖

電氣控制方式分為手動(dòng)和自動(dòng)兩種。其中自動(dòng)控制方式由計(jì)算機(jī)輸出開(kāi)關(guān)量，通過(guò)功率驅(qū)動(dòng)板控制各電氣設(shè)備的啟/停；由A/D板接收并轉(zhuǎn)換檢測(cè)溫度、壓力、轉(zhuǎn)速及振動(dòng)等信號(hào)，通過(guò)顯示器界面讀出。為確保試驗(yàn)過(guò)程中提取關(guān)鍵數(shù)據(jù)的可靠性和準(zhǔn)確性，對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中的重要參數(shù)設(shè)計(jì)了雙重顯示，即數(shù)字表及計(jì)算機(jī)屏顯。另外，配合計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集信號(hào)進(jìn)行判斷、運(yùn)算、處理及存儲(chǔ)后，由D/A板轉(zhuǎn)換并輸出模擬電壓信號(hào)，控制調(diào)節(jié)被控單元，通過(guò)I/O板輸出控制系統(tǒng)中電氣設(shè)備的工作狀態(tài)。試驗(yàn)中如果出現(xiàn)水、氣壓欠壓和過(guò)載等異常情況，也可通過(guò)I/O板檢測(cè)并輸出報(bào)警信號(hào)或自動(dòng)停車(chē)，并存儲(chǔ)故障原因，以便日后查看。

3 性能試驗(yàn)

為考核試驗(yàn)臺(tái)的性能，首先對(duì)液壓伺服加載系統(tǒng)進(jìn)行階躍響應(yīng)測(cè)試。試驗(yàn)條件為：初始載荷為0，軸向加載1 000 N，徑向加載2 000 N，保持時(shí)間為40 s。系統(tǒng)階躍響應(yīng)如圖4所示。從圖4可以看出,軸向和徑向載荷響應(yīng)較快且同步，達(dá)到預(yù)定值的過(guò)渡時(shí)間約為20 s。因而試驗(yàn)時(shí)階躍載荷對(duì)軸承造成的沖擊將會(huì)很小，同時(shí)表明了載荷的大小可以滿(mǎn)足試驗(yàn)臺(tái)的預(yù)期要求。

圖4 液壓伺服加載系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線

然后，在不同轉(zhuǎn)速下，對(duì)軸承進(jìn)行性能試驗(yàn)。軸承型號(hào)為B7005C/HQ1，試驗(yàn)條件為：采用循環(huán)水冷卻和油霧潤(rùn)滑方式，潤(rùn)滑油為32#汽輪機(jī)油，給油量為80滴/min，冷水溫度20 ℃，軸承轉(zhuǎn)速為5 000～36 000 r/min，分別運(yùn)行10 min，軸向加載(預(yù)緊力)100 N,徑向加載100 N，軸承溫升和主機(jī)振動(dòng)取試驗(yàn)過(guò)程中的最大值。在試驗(yàn)過(guò)程中，各部件運(yùn)行正常，整機(jī)工作平穩(wěn)，系統(tǒng)控制穩(wěn)定，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1(表中g(shù)為重力加速度)。從表1可以看出，隨著轉(zhuǎn)速的提高，前、后端試驗(yàn)軸承的溫度逐漸升高。這主要由于隨著轉(zhuǎn)速的提高，軸承的摩擦力矩增大，從而導(dǎo)致發(fā)熱量增加。另外，隨著轉(zhuǎn)速的提高，滾動(dòng)體所受的離心力增大，使軸承的內(nèi)圈接觸角增大，外圈接觸角減小，產(chǎn)生了陀螺力矩，使?jié)L動(dòng)體產(chǎn)生滑動(dòng)，加劇了摩擦磨損[10]。從表1還可以看出主機(jī)的振動(dòng)逐漸增大，這是因?yàn)楣逃姓駝?dòng)頻率不受轉(zhuǎn)速的影響，而轉(zhuǎn)速和強(qiáng)迫振動(dòng)的頻率和幅值近似成正比關(guān)系[11]。因而表明了試驗(yàn)臺(tái)具有良好的可靠性。

表1 不同轉(zhuǎn)速下B7005C/HQ1軸承的試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)驗(yàn)證，該試驗(yàn)臺(tái)能滿(mǎn)足預(yù)定的設(shè)計(jì)要求，具有良好的可靠性，能夠?qū)D(zhuǎn)速、軸向及徑向載荷、軸承工作溫度和軸系振動(dòng)等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可以模擬電主軸軸承實(shí)際工況及極限工況，對(duì)軸承進(jìn)行高速性能、耐久性能及壽命等試驗(yàn)，能為高性能電主軸軸承的研發(fā)和檢驗(yàn)提供有力的數(shù)據(jù)支持和評(píng)估依據(jù)。