劉蘇亞

(洛陽軸研科技股份有限公司 試驗技術(shù)開發(fā)部，河南 洛陽 471039)

隨著對軸承試驗重要性的逐步認識，生產(chǎn)廠家對軸承試驗的要求也越來越高。在產(chǎn)品開發(fā)階段要做結(jié)構(gòu)試驗，檢驗軸承能否滿足其使用工況的要求，主要是對軸承結(jié)構(gòu)的考核。產(chǎn)品定型后，試驗主要是對軸承質(zhì)量的考核，鑒別其質(zhì)量等級，找到軸承在結(jié)構(gòu)、材料、制造工藝等方面的薄弱環(huán)節(jié)，并加以控制，促進質(zhì)量的提高。試驗是軸承設(shè)計、制造過程中一個不可缺少的重要的驗證過程，能把質(zhì)量風(fēng)險有效地控制在生產(chǎn)企業(yè)內(nèi)部。

目前，軸承試驗的種類大致有壽命試驗、模擬試驗、性能試驗、零部件試驗、材料試驗、設(shè)計驗證試驗、強化試驗等。壽命試驗即確定軸承疲勞壽命的試驗。模擬試驗是在試驗機上按照軸承的實際工況，如轉(zhuǎn)速、軸向載荷、徑向載荷、環(huán)境溫度、潤滑狀態(tài)等進行運轉(zhuǎn)，達到預(yù)定壽命或直到軸承失效，常見的有輪轂軸承模擬試驗、汽車離合器分離軸承模擬試驗、汽車水泵軸連軸承模擬試驗等。性能試驗考核軸承的某種特殊性能，如極限轉(zhuǎn)速試驗、大載荷試驗、潤滑性能試驗、防塵試驗、脂漏試驗、溫升試驗、高溫試驗、低溫試驗、噴水試驗、軸承打滑試驗等。零部件試驗主要是針對鋼球、滾子、密封圈的試驗。強化試驗是壽命試驗的一種，即給定試驗載荷為軸承額定載荷的0.5倍，用以縮短試驗時間。設(shè)計驗證試驗是根據(jù)軸承試驗的數(shù)據(jù)，如溫升、振動及噪聲等提出設(shè)計改進意見。

與上述試驗所對應(yīng)的軸承試驗機有壽命試驗機、模擬試驗機、性能試驗機、零部件試驗機等。雖然這些試驗機的功能不同，但其主體結(jié)構(gòu)、測試技術(shù)、加載技術(shù)、控制技術(shù)、驅(qū)動技術(shù)卻基本相同。下文就試驗機常用技術(shù)及軸承試驗方法逐一介紹。

1 試驗主體

試驗機主體結(jié)構(gòu)包括試驗軸承、軸系及支承部分，是試驗機的核心，決定試驗機的最高轉(zhuǎn)速和承受的最大載荷。軸系的精度決定了試驗機的精度，進而決定試驗數(shù)據(jù)的準確度。任何一種試驗機所試驗的軸承尺寸均有一定范圍，結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要目的就是要解決轉(zhuǎn)速、載荷和軸承尺寸范圍的矛盾。

(1)橋式結(jié)構(gòu)：主要用于壽命機，1次可試驗深溝球軸承或圓柱滾子軸承4套、角接觸球軸承或圓錐滾子軸承2套。其特點是加工精度高，適用于高轉(zhuǎn)速試驗。

(2)懸臂結(jié)構(gòu)：每次只能試驗1套軸承，拆裝和測試方便，可用于潤滑狀態(tài)測試、油膜厚度測試、內(nèi)圓溫度測試以及軸心運動軌跡測試等，適用于性能試驗及研究。

(3) 組合式結(jié)構(gòu)：實際也是一種橋式結(jié)構(gòu)，有3個活動的方塊在方箱內(nèi)，試驗軸承跨距在一定范圍內(nèi)可調(diào)，結(jié)構(gòu)緊湊，試驗軸承的范圍較大。由于支承試驗軸承的襯套沒有固定，轉(zhuǎn)速較低，當(dāng)轉(zhuǎn)速超過一定值后，整機振動較大，影響試驗效果。

2 測試技術(shù)

測試技術(shù)是試驗機的關(guān)鍵技術(shù)，直接影響數(shù)據(jù)的準確性。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，測試技術(shù)發(fā)展很快，常用的測試方式均采用不同類型計算機測試，在計算機和傳感器之間安裝接口電路(濾波等信號處理系統(tǒng))，測試頻率、測試精度由計算機和傳感器確定。

2.1 單片機測試

測試方法簡單、成本低，但內(nèi)存較小，對數(shù)據(jù)要求高的試驗機一般不采用。

2.2 計算機直接測試

測試結(jié)構(gòu)如圖1所示，由傳感器、濾波器、A/D轉(zhuǎn)換和計算機組成。能存儲大量信息，可記錄軸承的全部試驗數(shù)據(jù)，記錄間隔按秒、分、時可以任意設(shè)置，真正做到無人看守、無人記錄。但由于受CPU的限制，采樣頻率較低，每秒鐘采樣低于100次，若需要更高的采樣頻率，則CPU只能停止其他工作，在某一段時間內(nèi)采樣頻率每秒可達幾千次。采樣精度則根據(jù)A/D采集卡的位數(shù)確定，一般高于0.1%。

圖1 試驗機測試控制原理圖

2.3 計算機網(wǎng)絡(luò)測試

網(wǎng)絡(luò)測試即計算機上、下位機測試，上位機只管理系統(tǒng)，讀取數(shù)據(jù)進行處理；而下位機采用單片機或PLC單獨測試數(shù)據(jù)并存入下位機存儲器，當(dāng)存儲器即將存滿后，將數(shù)據(jù)傳送到上位機。下位機和上位機還可采取無線通信協(xié)議。這種測試系統(tǒng)復(fù)雜、造價高，但抗干擾性好、測試速度快，一般用于振動信號的采集和分析，以及測試參數(shù)較多、采樣頻率要求較高的場合。

2.4 測試參數(shù)

2.4.1 溫度

一般測試軸承的外圈溫度，特殊場合測試軸承的供油、回油溫度。軸承溫度是軸承試驗機必測參數(shù)，軸承溫升的高低是確定軸承質(zhì)量的特征參數(shù)之一。由于溫度參數(shù)變化緩慢，因而測試頻率要求不高，測試精度一般為1%，要求較高的場合可達0.5%或更高，普通軸承的外圈溫度傳感器測試范圍在0～200 ℃。

2.4.2 載荷

試驗軸承的載荷也是試驗機測試的重要參數(shù)，其準確度的高低直接影響軸承的試驗結(jié)果，對于壽命試驗機，采用壓力傳感器測出加載系統(tǒng)油壓，根據(jù)加載油缸面積，計算出載荷。由于油缸的邊沿效應(yīng)，實際測試中存在誤差，最高達10%。因此，要用力傳感器進行校正。在載荷恒定不變的情況下，采樣速度和響應(yīng)速度一般傳感器均滿足要求。汽車輪轂軸承試驗機的載荷，采用力傳感器直接測試。由于輪轂軸承試驗機為變載荷系統(tǒng)，因此測試頻率、響應(yīng)速度均要高于載荷的變化速度，否則測試誤差可達30%以上。由于變載荷加載系統(tǒng)是閉環(huán)控制系統(tǒng)，因而測試精度及響應(yīng)速度對加載精度有著非常重要的作用。

2.4.3 振動

振動參數(shù)是判定軸承是否失效的重要參數(shù)之一。GB/T 24607—2009《滾動軸承壽命及可靠性試驗與評定》中規(guī)定：疲勞失效是軸承的主要失效形式，指軸承樣品的套圈或滾動體工作表面基體金屬出現(xiàn)的疲勞剝落。剝落深度≥0.05 mm；剝落面積：球軸承零件>0.5 mm2，滾子軸承零件≥1.0 mm2。這就要求測試振動信號精度高，靈敏度高，以便在軸承試驗過程中準確判斷軸承失效的最佳時機，有效地保留疲勞失效樣本，為進一步的軸承失效分析奠定良好的基礎(chǔ)。當(dāng)然，軸承疲勞失效時的振動值并不是定值，對不同的試驗軸承，不同的試驗機的失效振動信號是不同的，這需要試驗人員根據(jù)經(jīng)驗來確定，不同的試驗機采用振動信號的單位也不太一樣。一般采用振動信號的均方根值來確定失效，當(dāng)需要對振動信號分析時則采用瞬時振動信號，采樣頻率則要求大于每秒一萬次。

另外，主電動機電流也是測試的主要參數(shù)，其大小可以直接反映試驗機是否正常工作。某些有特殊要求的試驗，則要測試摩擦力矩、啟動力矩、軸心運動軌跡等，保持架轉(zhuǎn)速、軸承轉(zhuǎn)速、潤滑油流量及環(huán)境溫度等參數(shù)。

不管什么樣的傳感器，隨時間的推移，測試精度、變送器放大倍數(shù)都會發(fā)生漂移。為保證測試精度，需要在測試軟件中對每個測試參數(shù)設(shè)置校正系數(shù)，以便定期校正。

3 加載技術(shù)

載荷是試驗機的主要指標，其加載精度和加載速度決定了試驗結(jié)果的準確度，加載精度和速度的不同可能導(dǎo)致加載系統(tǒng)的價格相差幾倍或更高。

3.1 杠桿砝碼加載

優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，不需要載荷傳感器測試，由加載砝碼可以確定出載荷的大小，但不適合高速，若速度過高會引起砝碼振動，導(dǎo)致載荷不穩(wěn)，變載荷也不方便，僅適用于壽命試驗，成本低。

3.2 彈簧加載

載荷的大小取決于彈簧的大小和彈簧的壓縮量，加載范圍較小，所占空間比較大，成本比較低，一般用于特殊試驗。

3.3 液靜壓加載

即手動螺旋液壓加載，通過手動調(diào)節(jié)小液壓缸的壓力達到控制試驗機油缸壓力的目的，加載方式簡單、無噪聲，但受溫度影響大，精度低，一般用于壽命試驗，在環(huán)境溫度變化時需人工調(diào)節(jié)。特別是開機第1小時內(nèi)需注意試驗機溫度變化情況及壓力變化情況，隨時調(diào)節(jié)壓力。

3.4 液壓比例自動加載

由液壓系統(tǒng)、工控機和壓力傳感器組成閉環(huán)系統(tǒng)，如圖2所示，由工控機數(shù)字調(diào)節(jié)器控制液壓比例閥，進而控制載荷。該結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高，但控制精度高，可達1%。系統(tǒng)的最大特點是載荷可控，可按照預(yù)先編制的程序變化，特別適合做模擬試驗，如汽車發(fā)電機軸承試驗機即采用此種加載結(jié)構(gòu)。

圖2 試驗機液壓加載結(jié)構(gòu)圖

對于汽車輪轂軸承，試驗機加載結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，軸向載荷為交變載荷，控制比較困難，如系統(tǒng)調(diào)整不好，超調(diào)量可達60%,將導(dǎo)致試驗數(shù)據(jù)嚴重失真。為解決這一問題，需要選用響應(yīng)速度快的油缸，在控制軟件中除采用PID算法外，還要增加智能控制技術(shù)軟件。圖3為模擬試驗機的加載圖。這種系統(tǒng)在程序模擬試驗機中的響應(yīng)時間一般為1 s，超調(diào)量7%。另外還需注意的是，液壓油要采用標準的液壓油，絕對不能采用再生油，否則將使整個系統(tǒng)報廢。

圖3 模擬試驗機的加載圖

3.5 液壓伺服加載

當(dāng)比例加載系統(tǒng)的加載頻率不能滿足試驗要求時，就要選擇液壓伺服系統(tǒng)，其原理和比例加載相同，采用液壓伺服閥來控制載荷，這種系統(tǒng)的加載頻率可達每秒20次，但成本更高，對油的清潔度要求也高，一般用于軍工試驗和特殊試驗等。

除上述加載方式外，有砝碼加載和液靜壓加載組成的加載系統(tǒng)；還有液靜壓加載和伺服電動機組成的自動加載系統(tǒng)；彈簧加載和伺服電動機組成的彈簧自動加載系統(tǒng)。

4 驅(qū)動技術(shù)

4.1 三相異步電動機驅(qū)動

由電動機、變頻器、同步帶和傳動組件組成，電動機采用變頻調(diào)速電動機，轉(zhuǎn)速一般在10 000 r/min以內(nèi)，開環(huán)系統(tǒng)調(diào)速精度在2%以內(nèi)，調(diào)速范圍為1∶10。由于電動機調(diào)速為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，而試驗機工作時的調(diào)速方式為恒功率調(diào)速，要使電動機適用于試驗機的調(diào)速方式，還需采用其他措施，提高電動機功率或更換皮帶輪。

4.2 電主軸直接驅(qū)動

當(dāng)軸承試驗機的轉(zhuǎn)速要求超過10 000 r/min時采用電主軸直接驅(qū)動。該系統(tǒng)由電主軸、變頻器、轉(zhuǎn)速傳感器、潤滑冷卻器組成,轉(zhuǎn)速一般為10 000～70 000 r/min，考慮到轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性，采用閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，調(diào)速精度0.5%，調(diào)速范圍達到1∶20。

4.3 伺服電動機驅(qū)動

當(dāng)試驗軸承的調(diào)速范圍要求超過1∶50時采用伺服電動機驅(qū)動，驅(qū)動系統(tǒng)由伺服電動機、驅(qū)動器、編碼器組成。特點是調(diào)速范圍寬，最高轉(zhuǎn)速為10 000 r/min，轉(zhuǎn)速控制精度高，達到0.05%，成本也較高，一般用于特殊場合。

5 控制技術(shù)

目前的試驗機絕大部分為工業(yè)計算機控制，可以完全按照預(yù)先編制好的程序運行，做到無人值守和一鍵式操作。轉(zhuǎn)速、載荷及環(huán)境溫度均采用計算機閉環(huán)控制，可以在允許的范圍內(nèi)任意變化。轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)控制精度為0.5%，載荷穩(wěn)態(tài)控制精度為2%，溫度穩(wěn)態(tài)控制精度為1%。若不計成本，控制精度還可提高。且每個測試參數(shù)均設(shè)有上限報警值，當(dāng)所測試的參數(shù)超過報警值時，計算機控制自動停機，并記錄當(dāng)前參數(shù)。

6 試驗機簡介

6.1 壽命試驗機

普通壽命試驗機主體采用橋式結(jié)構(gòu)，液壓自動加載，計算機自動控制。試驗軸承的內(nèi)徑為2～240 mm，分6個型號(尺寸段)覆蓋；轉(zhuǎn)速50～30 000 r/min；載荷0.01～800 kN；試驗軸承的環(huán)境溫度和潤滑油溫度均為常溫～200 ℃。根據(jù)GB/T 24607—2009編制了可靠度的計算方法軟件，用戶可根據(jù)試驗數(shù)據(jù)直接得到軸承的可靠度。

6.2 模擬試驗機

汽車輪轂?zāi)M試驗機模擬汽車的運行方式及安裝結(jié)構(gòu)進行運轉(zhuǎn)，按試驗軸承內(nèi)徑尺寸分為15～45和30～70，可試驗1～3代汽車輪轂軸承、SUV轎車輪轂軸承和大客車輪轂軸承等；最高轉(zhuǎn)速2 500 r/min和1 500 r/min，最大載荷20 kN和50 kN，溫度測量范圍0～200 ℃，精度±2 ℃，環(huán)境溫度 150 ℃±5 ℃；試驗機主軸的徑跳和端跳不超過0.015 mm，可以實現(xiàn)內(nèi)圈或外圈旋轉(zhuǎn)；采用液壓加載方式，提供拉力和壓力交變載荷，按徑向水平加載(拉力)、軸向水平加載(拉壓力)的結(jié)構(gòu)布局，進行輪轂單元性能試驗(一般耐久性試驗)時軸向力通過車輪半徑加載，軸向和徑向加載裝置分布在試驗體兩側(cè)，軸向加載油缸行程±30 mm，加載位置即力臂的調(diào)節(jié)范圍(車輪半徑)300 mm或400 mm，徑向加載油缸行程±20 mm，加載位置可根據(jù)不同型號軸承力線調(diào)整；控制系統(tǒng)采用計算機控制，加載采用閉環(huán)控制，可在計算機參數(shù)設(shè)定窗口任意設(shè)置系統(tǒng)的參數(shù)(轉(zhuǎn)速、載荷、循環(huán)步數(shù))、循環(huán)時間數(shù)據(jù)自動存盤時間等，系統(tǒng)可監(jiān)控試驗的振動、電動機電流、轉(zhuǎn)速、載荷、試驗時間和循環(huán)次數(shù)等；具有電動機電流、試驗機的振動及試驗軸承溫度超限自動報警停機功能等。

除此之外，還有汽車離合器軸承試驗機、汽車水泵軸連軸承試驗機、汽車張緊輪試驗機、風(fēng)電變槳軸承試驗機(試驗軸承外徑達4 m，傾覆力矩為8 000 kN·m)、風(fēng)電偏航軸承試驗機、變速箱軸承試驗機及發(fā)電機軸承試驗機等。

6.3 航空、航天軸承試驗機

航空、航天專用軸承的技術(shù)性能要求較高，工作條件惡劣，可靠性要求也很高。在試驗時不僅要滿足載荷、轉(zhuǎn)速及環(huán)境溫度變化等要求，軸承的安裝方式、供油方式也要求與實際工況相同，還要模擬航空發(fā)動機的飛行包線，進行變載荷、變轉(zhuǎn)速運行。航空、航天軸承試驗機均采用電主軸直接驅(qū)動，最高轉(zhuǎn)速可達15×104r/min。某型航空軸承試驗機的轉(zhuǎn)速為17 000 r/min，電主軸最大驅(qū)動功率達100 kW，可同時試驗航空發(fā)動機主軸的全部5～7套軸承，模擬各套軸承在發(fā)動機中的工作狀態(tài)。該試驗機結(jié)構(gòu)復(fù)雜、驅(qū)動功率大、噪聲低、效率高，為國內(nèi)首創(chuàng)，并于2009年獲機械工業(yè)科技進步二等獎。

7 試驗方法

7.1 壽命試驗方法

GB/T 24607—2009規(guī)定壽命試驗方法有3種，即完全試驗方法、截尾試驗方法和序貫試驗方法，根據(jù)用戶要求選取。試驗時，要采用鑒定合格的軸承壽命試驗機，按要求選取軸承與軸及外襯套的配合尺寸，選用合適的潤滑方式，取8～20套軸承進行編碼，確定試驗軸承的載荷、轉(zhuǎn)速，一般選取額定動載荷的20%～30%，極限轉(zhuǎn)速的20%～60%。在試驗過程中監(jiān)控試驗機的載荷、轉(zhuǎn)速、油壓、振動、噪聲和溫升，當(dāng)試驗軸承發(fā)生故障，不能正常試驗或疲勞剝落大于規(guī)定值時，判定軸承失效。根據(jù)失效的時間及樣品容量，由Weibull分布參數(shù)進行分析處理，即可得出該試驗軸承的可靠度。

7.2 模擬試驗方法

根據(jù)用戶的試驗要求或試驗任務(wù)書，編制試驗大綱，確定試驗軸承的載荷譜、轉(zhuǎn)速曲線及試驗軸承環(huán)境溫度。根據(jù)用戶提供的軸承安裝方式設(shè)計試驗工裝，確定軸承受力點、加載半徑、供油方式及配合公差，對試驗軸承編號，檢查加工工裝的精度，安裝試驗軸承，并在試驗機上檢查安裝位置、供油狀態(tài)是否符合任務(wù)書要求，然后運轉(zhuǎn)并記錄試驗參數(shù)。試驗軸承不能正常運轉(zhuǎn)或疲勞剝落超過規(guī)定值即為失效，根據(jù)試驗記錄，整理撰寫試驗報告。

8 軸承試驗技術(shù)展望

軸承試驗技術(shù)的發(fā)展，是和軸承新產(chǎn)品的研發(fā)緊密相連的。隨著我國軸承新產(chǎn)品的大量開發(fā)，對軸承的各種試驗方法、試驗裝置、數(shù)學(xué)模型的建立、失效數(shù)據(jù)和非失效數(shù)據(jù)的處理和變換、試驗機的控制技術(shù)、各種試驗信號等物理量的拾取精度和反映速度、自動控制技術(shù)等等，都將提出越來越高的要求，這是未來軸承試驗技術(shù)的難點所在。

在軸承試驗機發(fā)展的同時，試驗軟件技術(shù)的發(fā)展也是相輔相成的，其包括：試驗規(guī)程(或規(guī)范)、試驗數(shù)據(jù)的處理方法和評定方法、試驗數(shù)據(jù)庫的建立和對今后如何加以利用、試驗信號的積累和軸承壽命的預(yù)測推論、老化篩選試驗技術(shù)、軸承的性能壽命試驗技術(shù)和軸承的精度壽命試驗技術(shù)，這些都是以后要解決的軟件問題。

由于軸承壽命試驗機是個性化、專用性較強的設(shè)備。隨著軸承產(chǎn)品的多樣化和個性化，軸承試驗機的發(fā)展必然呈現(xiàn)出多品種、小批量、高精度、多控制和群控化、模擬工況化及專用性的格局。

軸承品種多樣性和廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，決定了軸承試驗機試驗技術(shù)、試驗方法和試驗結(jié)果處理方法的研究和發(fā)展方向，是一門將數(shù)學(xué)、力學(xué)、材料學(xué)、機械學(xué)及控制學(xué)等綜合學(xué)科交織在一起的應(yīng)用學(xué)科。在軸承行業(yè)廣大技術(shù)人員的共同努力下，軸承試驗技術(shù)必定迅速向前發(fā)展。