臧樂(lè)航 李智剛 孫建勇 馮武雷 楊同樂(lè) 張辛 王虎強(qiáng)

摘 要：隨著機(jī)械行業(yè)高新技術(shù)的迅猛發(fā)展，對(duì)軸承產(chǎn)品的性能要求越來(lái)越高，因此對(duì)軸承的性能、壽命和可靠性的跑合試驗(yàn)是裝機(jī)前必不可少的。文章從實(shí)際需求出發(fā)，設(shè)計(jì)了多套軸承疲勞壽命跑合試驗(yàn)設(shè)備，通過(guò)電缸對(duì)軸承內(nèi)圈軸向加載，并通過(guò)電主軸驅(qū)動(dòng)軸承模擬軸承實(shí)際工況的方式進(jìn)行試驗(yàn)，該設(shè)備的研制可以大大提高軸承疲勞壽命檢測(cè)效率，降低實(shí)機(jī)跑合成本。

關(guān)鍵詞：軸承；實(shí)際工況；跑合試驗(yàn)

中圖分類(lèi)號(hào)：V263.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2019）21-0029-02

Abstract： With the rapid development of high and new technology in the machinery industry， the performance requirements of bearing products are getting higher and higher， so the running-in test of bearing performance， life and reliability is essential before installation. In this paper， based on the actual demand， several sets of bearing fatigue life running-in test equipment are designed， which are loaded on the inner ring of the bearing through the cylinder， and the bearing is driven by the motorized spindle to simulate the actual working condition of the bearing. The development of this equipment can greatly improve the detection efficiency of bearing fatigue life and reduce the running-in cost of real machine.

Keywords： bearing； actual working condition； running-in test

1 概述

滾動(dòng)軸承作為機(jī)械設(shè)備的關(guān)鍵性零部件，軸承的性能和可靠性直接影響著機(jī)械設(shè)備的性能和可靠性。隨著高新技術(shù)的發(fā)展，軸承作為關(guān)鍵零部件，廣泛應(yīng)用在高速鐵路領(lǐng)域和航空航天領(lǐng)域，其應(yīng)用在更加苛刻的環(huán)境中，承受劇烈的載荷沖擊，其運(yùn)行過(guò)程中的狀態(tài)好壞直接影響著列車(chē)和飛機(jī)的安全。當(dāng)今對(duì)軸承的性能和需求量越來(lái)越高，而在不斷提高軸承性能和可靠性的同時(shí)，保證其在額定壽命內(nèi)的性能和穩(wěn)定性是關(guān)鍵性問(wèn)題。軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中的主要失效形式是磨損，使得軸承內(nèi)、外圈間隙增大，從而引起軸承振動(dòng)，磨損嚴(yán)重時(shí)還可能導(dǎo)致相關(guān)部件的失效。

2 軸承檢測(cè)現(xiàn)狀分析

在國(guó)外，Shimizu S配等通過(guò)對(duì)硬度范圍在58-62HRC的軸承鋼進(jìn)行研究，通過(guò)施加不同剪應(yīng)力的交變扭轉(zhuǎn)壽命試驗(yàn)，最終確定了該軸承鋼的疲勞極限。Williams T等認(rèn)為軸承故障是旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障的主要原因，因此通過(guò)加速度計(jì)和傳感器等測(cè)試記錄良好軸承的均方根和峰值等振動(dòng)指標(biāo)，通過(guò)和運(yùn)轉(zhuǎn)軸承的比對(duì)檢測(cè)，來(lái)提前預(yù)防因軸承失效帶來(lái)的故障。Wang L等通過(guò)擬動(dòng)力學(xué)方法，對(duì)軸承的故障進(jìn)行分析，并以圖形形式解釋了實(shí)際工況與軸承狀態(tài)參數(shù)的相互關(guān)系，為軸承加速度壽命試驗(yàn)提供了重要理論依據(jù)。

在國(guó)內(nèi)，李興林等概述了滾動(dòng)軸承壽命強(qiáng)化試驗(yàn)機(jī)及其試驗(yàn)技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展，探討了壽命試驗(yàn)的設(shè)計(jì)，壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理、分析。劉蘇亞從測(cè)試、加載、驅(qū)動(dòng)和控制技術(shù)等方面介紹了軸承試驗(yàn)機(jī)的試驗(yàn)技術(shù)，并舉例分析了壽命試驗(yàn)機(jī)，模擬試驗(yàn)機(jī)，航空、航天軸承試驗(yàn)機(jī)及其試驗(yàn)方法。晁代勇研究并設(shè)計(jì)一種能夠試驗(yàn)高速鐵路軸承性能的試驗(yàn)臺(tái)，并通過(guò)有限元分析軟件ANSYS對(duì)試驗(yàn)臺(tái)的關(guān)鍵性零部件進(jìn)行了模態(tài)和結(jié)構(gòu)分析。該試驗(yàn)臺(tái)能最大程度地模擬鐵路車(chē)輛行駛工況，并檢測(cè)鐵路軸承工況。

如何在軸承裝機(jī)前，確保軸承的性能、使用壽命和可靠性是保證機(jī)械設(shè)備的整機(jī)性能和可靠性的基礎(chǔ)和關(guān)鍵問(wèn)題。因此急需一種能高效、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)軸承的實(shí)驗(yàn)設(shè)備。

3 軸承壽命跑合設(shè)備設(shè)計(jì)

根據(jù)市場(chǎng)需求，本文設(shè)計(jì)了一種可以模擬軸承實(shí)際工況，并同時(shí)對(duì)多套軸承進(jìn)行壽命跑合試驗(yàn)設(shè)備。

軸承壽命跑合設(shè)備就是通過(guò)機(jī)械設(shè)計(jì)，將軸承實(shí)際工作過(guò)程中的受載和轉(zhuǎn)動(dòng)情況模擬。并通過(guò)傳感器檢測(cè)和記錄軸承運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中轉(zhuǎn)速、振動(dòng)、溫度和受力情況，為進(jìn)一步的軸承診斷和可靠性分析奠定基礎(chǔ)。設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖1所示：

3.1 加載部件

該試驗(yàn)及的加載系統(tǒng)在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中主要是在軸線方向上對(duì)軸承內(nèi)圈加載，并且加載系統(tǒng)要穩(wěn)定可靠，施加的載荷在一定范圍內(nèi)可調(diào)節(jié)、加載和卸載時(shí)方便操作。為滿(mǎn)足以上要求，加載采用德國(guó)費(fèi)斯托直線電缸。最大輸送力5000N，重復(fù)精度±0.01mm，行程400mm。

3.2 驅(qū)動(dòng)部件

該試驗(yàn)機(jī)要精確模擬軸承在工況條件下的動(dòng)作，因此要求驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)振動(dòng)小、精度高、穩(wěn)定性好和精確可控的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。因此驅(qū)動(dòng)部件選用ZYS試驗(yàn)機(jī)用電主軸和聯(lián)軸器組成。為滿(mǎn)足試驗(yàn)技術(shù)要求，選用高頻電主軸額定電壓380V，額定電流100A，額定功率50KW，額定轉(zhuǎn)速20000r/min。電主軸冷卻系統(tǒng)為水冷，潤(rùn)滑方式采用油脂潤(rùn)滑。電主軸通過(guò)柔性聯(lián)軸器拖動(dòng)試驗(yàn)軸系高速旋轉(zhuǎn)，由變頻器控制電主軸轉(zhuǎn)速，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)極變頻調(diào)速。

3.3 主體部件

試驗(yàn)整體外形采用剖分式結(jié)構(gòu)，便于安裝與拆卸。主體結(jié)構(gòu)采用橋式串聯(lián)結(jié)構(gòu)，通過(guò)內(nèi)隔套和外襯套結(jié)構(gòu)將10套軸承依次串聯(lián)在分離式主軸上，軸承由內(nèi)隔套隔開(kāi)。在施加載荷時(shí)，從左端對(duì)試驗(yàn)軸承加載，軸承之間通過(guò)隔套傳遞軸向力，互不影響，可以避免因單個(gè)軸承損壞造成測(cè)量誤差。

分離式主軸間用花鍵采用花鍵連接，既能用于驅(qū)動(dòng)又可以避免軸向載荷干涉。軸承外襯套與軸套之間裝密珠軸承，在需要測(cè)量不同型號(hào)軸承時(shí)，只需將整個(gè)軸系通過(guò)密珠軸承推出，更換襯套和主軸即可。密珠軸系結(jié)構(gòu)既保證分離式軸承的同軸度，又方便試驗(yàn)軸承的安裝和更換。其詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖2所示：

3.4 檢測(cè)系統(tǒng)

檢測(cè)系統(tǒng)是該試驗(yàn)機(jī)的核心部分，檢測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性直接影響對(duì)試驗(yàn)軸承的壽命和性能評(píng)定。配備相應(yīng)壓力傳感器、速度傳感器、溫度傳感器和振動(dòng)傳感器。通過(guò)在殼體上的預(yù)留孔10個(gè)，將傳感器深入到試驗(yàn)軸承附近，直接對(duì)試驗(yàn)軸承進(jìn)行單獨(dú)精密測(cè)量。當(dāng)試驗(yàn)設(shè)備對(duì)測(cè)試軸承進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，反饋到傳感器上產(chǎn)生電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)多套軸承的同時(shí)檢測(cè)，并通過(guò)PCI9111多功能數(shù)據(jù)采集卡來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、振動(dòng)、轉(zhuǎn)速和壓力的輸出數(shù)字采樣。

3.5 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是以工業(yè)控制計(jì)算機(jī)為核心，由電氣設(shè)備控制系統(tǒng)、電氣操作控制系統(tǒng)、變頻調(diào)速系統(tǒng)、加載控制系統(tǒng)、測(cè)試系統(tǒng)、自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)等組成。

測(cè)試中設(shè)備應(yīng)在電氣系統(tǒng)控制下按照設(shè)定的試驗(yàn)條件，穩(wěn)定可靠的運(yùn)行，能對(duì)載荷、溫度、振動(dòng)、電流、主軸轉(zhuǎn)速及試驗(yàn)時(shí)間等參數(shù)實(shí)時(shí)顯示并記錄，對(duì)測(cè)試中可能出現(xiàn)的如電機(jī)過(guò)載、溫度超限、振動(dòng)超限等故障及時(shí)報(bào)警停機(jī)，并可顯示故障原因。

4 性能分析

（1）軸承壽命跑合設(shè)備可以精確模擬軸承轉(zhuǎn)速在20000r/min以?xún)?nèi)，軸向載荷5000N以?xún)?nèi)的實(shí)際工況。實(shí)時(shí)檢測(cè)試驗(yàn)軸承的壓力、溫度、振動(dòng)和速度參數(shù)，準(zhǔn)確直觀的觀測(cè)試驗(yàn)軸承的運(yùn)轉(zhuǎn)情況，為軸承質(zhì)量檢測(cè)和可靠性提供充分依據(jù)。

（2）主體結(jié)構(gòu)采用橋式串聯(lián)結(jié)構(gòu)，可同時(shí)檢測(cè)10套試驗(yàn)軸承，顯著提高軸承檢測(cè)效率。分離式主軸和分離式襯套設(shè)計(jì)可以避免因單個(gè)軸承損壞影響整個(gè)試驗(yàn)檢測(cè)的準(zhǔn)確性。

（3）采用密珠軸系結(jié)構(gòu)，既保證分離式軸承的同軸度，又方便試驗(yàn)軸承安裝。對(duì)于不同型號(hào)的軸承，只需更換相應(yīng)的襯套和分離式主軸即可。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)該試驗(yàn)機(jī)的成功研發(fā)，完善了對(duì)軸承工況模擬，高效檢測(cè)的相關(guān)技術(shù)。（1）避免了通過(guò)整機(jī)來(lái)檢驗(yàn)試驗(yàn)軸承的問(wèn)題，大大減少了試驗(yàn)成本；（2）可以為軸承方面的設(shè)計(jì)計(jì)算、材料及處理方式等方面的研究提供了有效的技術(shù)保障；（3）多工位檢測(cè)可以大大提高軸承檢測(cè)效率，從而保證了軸承組件的質(zhì)量和裝機(jī)合格率，具有較高的研究意義和實(shí)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]Shimizu S， Tsuchiya K， Tosha K. Probabilistic Stress-Life（P-S-N） Study on Bearing Steel Using Alternating Torsion Life Test[C]// Taylor & Francis Group， 2009：807-816.

[2]Williams T， Ribadeneira X， Billington S， etal. ROLLING ELEMENT BEARING DIAGNOSTICS IN RUN-TO-FAILURE LIFETIME TESTING[J]. Mechanical Systems and Signal Processing， 2001，15（5）：979-993.

[3]Wang L， Li Y. Boundary for aviation bearing accelerated life test based on quasi-dynamic analysis[J].Tribology International， 2017，116.

[4]李興林，張燕遼，曹茂來(lái)，等.滾動(dòng)軸承壽命試驗(yàn)機(jī)及其試驗(yàn)技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展[J].工程與試驗(yàn)，2007，47（3）：1-6.

[5]劉蘇亞.軸承試驗(yàn)機(jī)及試驗(yàn)技術(shù)[J].軸承，2011（8）.

[6]晁代勇.高速鐵路軸承試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)研究[D].河南科技大學(xué)，2011.