高速電主軸軸承性能試驗臺的研制

潘奔流，葉軍,，薛玉君，李澤強，王健

(1.河南科技大學 機電工程學院,河南 洛陽 471003；2.洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039)

隨著數控機床向著高速度、高精度、高效率及環保性等方向發展,對電主軸的轉速和可靠性等要求也越來越高。高速軸承是電主軸的關鍵部件，其直接影響電主軸性能的好壞,進而影響到機床的加工精度、零件表面質量、生產效率、振動和噪聲等[1-3]。因此，對高速軸承的性能和壽命等也提出了更高的要求。

為了給設計者提供相關數據支持和確保軸承達到預期性能，對軸承進行試驗評估是至關重要的。目前有關電主軸軸承試驗的研究報道不少，但是針對油霧潤滑電主軸軸承的試驗研究主要是在電主軸或僅能軸向加載的高速軸承試驗臺上完成，因為軸承工作過程中有可能會承受徑向載荷,該方法并不能完全模擬軸承的實際工況。而目前有關能實現油霧潤滑、軸向加載和徑向加載的高速軸承試驗臺還未見有報道。鑒于此，針對電主軸軸承的實際工況、極限工況條件及運轉特點，研制了一臺電主軸軸承試驗裝置，其能夠進行軸承的油霧潤滑或脂潤滑試驗，同時可以施加軸向載荷和徑向載荷，且實現了系統運行控制的自動化和智能化。

1 主要技術要求

根據電主軸軸承的實際工況、極限工況條件及運轉特點,試驗臺應滿足以下主要技術要求：被試軸承內徑為15～30 mm；最高轉速可達60 000 r/min，且無級可調；最大徑向載荷為2 000 N,最大軸向載荷為1 000 N，且連續可調；采用油霧潤滑和脂潤滑，同時提供水冷卻；系統可以手動或自動控制，并能夠實時監測軸承的工作狀態，顯示、處理和存儲軸承的性能參數；出現故障時系統可自動采取適當的處理措施。

2 技術方案

如圖1所示，試驗臺由驅動系統、試驗主體、加載系統、冷卻系統、潤滑系統、控制系統和數據采集系統等組成。

圖1 試驗臺系統框圖

2.1 驅動方式

通常情況下，采用如交流電動機或直流電動機等產生的旋轉運動經由皮帶傳動、齒輪傳動或變速機構傳遞給試驗軸承，但系統存在可靠性差、噪聲大、振動大和試驗轉速受限制等缺陷。而電主軸具有質量輕、振動小、噪聲低、效應快及功率大等優點[4-5]，故試驗臺采用20 kW的電主軸提供動力，最高轉速可達60 000 r/min，通過變頻器實現無級調速。另外，為了避免試驗主軸在高速試驗過程中產生的振動傳遞到電主軸上，電主軸和試驗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主軸上對應的孔纏繞起來。該連接也減少了由于試驗主軸與電主軸同軸度不好而產生的附加彎矩，從而提高了試驗主軸的穩定性。

2.2 試驗臺主體

試驗臺主體是試驗臺的核心部件，主要由試驗主軸、試驗軸承、加載軸承、加載組件、軸承襯套、上蓋和底座組成，整個結構設計緊湊。殼體采用剖分式結構，以便于拆裝；為了使試驗主軸具有較高轉速和穩定性，在試驗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槽，以實現水冷卻[7]。另外，該試驗臺除了要滿足脂潤滑的方式外，還要實現油霧潤滑的方式，因而在軸承襯套和底座上設計進油孔和回油孔，在底座的進油孔處安裝噴槍，并設計噴嘴與水平方向成15°夾角，以使潤滑油霧直接能噴射到軸承滾動體上。

2.3 加載方式

常用的加載方式有電動加載、機械加載和液壓加載等[8]。由于軸承運行時間長且運行過程中載荷經常發生變化，機械加載很難實現加載的連續性和自動性，電動加載裝置體積較大，不宜長時間使用，而且這兩種方式在加載過程中易產生載荷沖擊。液壓加載具有質量輕，穩定性和可調性好，控制方便等特點，故本試驗臺采用液壓伺服加載。

液壓加載系統原理如圖2所示，電動機驅動液壓泵工作，壓力油分兩路進入兩個比例減壓閥，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中間加載軸承把徑向載荷施加到被試軸承內圈上。在回油路上有冷卻器, 以控制系統油溫, 保證油壓的穩定性。載荷的大小可通過計算機設定，由比例減壓閥控制。

圖2 液壓加載系統原理

2.4 數據采集及控制系統

試驗采集數據包括：轉速、載荷、主機電流、電壓及軸承的溫度和振動等。這些參數通過相應的傳感器送入計算機，由計算機軟件處理后顯示于屏幕上，定時寫入數據庫文件并存儲。為使傳感器能夠準確測量軸承的溫度和軸系振動，選擇鉑電阻溫度傳感器和加速度振動傳感器，安裝在與水平成30°夾角的軸承座上，緊貼于軸承外圈上，并將加速度振動傳感器與殼體通過彈簧裝置間接分開。

控制系統由電氣操作控制系統、變頻調速系統、加載控制系統和計算機測控系統組成。其中，為了精確控制轉速和載荷的大小，變頻調速系統和加載控制系統采用閉環控制，由計算機D/A輸出或者手調指令電位器給出電壓控制信號，實際輸出值由相應傳感器經變送器反饋給計算機，計算機對轉速及載荷的控制量進行PID調節后D/A輸出形成系統閉環控制[9]。加載閉環控制系統框圖如圖3所示。

圖3 加載閉環控制系統框圖

電氣控制方式分為手動和自動兩種。其中自動控制方式由計算機輸出開關量，通過功率驅動板控制各電氣設備的啟/停；由A/D板接收并轉換檢測溫度、壓力、轉速及振動等信號，通過顯示器界面讀出。為確保試驗過程中提取關鍵數據的可靠性和準確性，對試驗過程中的重要參數設計了雙重顯示，即數字表及計算機屏顯。另外，配合計算機監控系統對現場采集信號進行判斷、運算、處理及存儲后，由D/A板轉換并輸出模擬電壓信號，控制調節被控單元，通過I/O板輸出控制系統中電氣設備的工作狀態。試驗中如果出現水、氣壓欠壓和過載等異常情況，也可通過I/O板檢測并輸出報警信號或自動停車，并存儲故障原因，以便日后查看。

3 性能試驗

為考核試驗臺的性能，首先對液壓伺服加載系統進行階躍響應測試。試驗條件為：初始載荷為0，軸向加載1 000 N，徑向加載2 000 N，保持時間為40 s。系統階躍響應如圖4所示。從圖4可以看出,軸向和徑向載荷響應較快且同步，達到預定值的過渡時間約為20 s。因而試驗時階躍載荷對軸承造成的沖擊將會很小，同時表明了載荷的大小可以滿足試驗臺的預期要求。

圖4 液壓伺服加載系統階躍響應曲線

然后，在不同轉速下，對軸承進行性能試驗。軸承型號為B7005C/HQ1，試驗條件為：采用循環水冷卻和油霧潤滑方式，潤滑油為32#汽輪機油，給油量為80滴/min，冷水溫度20 ℃，軸承轉速為5 000～36 000 r/min，分別運行10 min，軸向加載(預緊力)100 N,徑向加載100 N，軸承溫升和主機振動取試驗過程中的最大值。在試驗過程中，各部件運行正常，整機工作平穩，系統控制穩定，試驗結果見表1(表中g為重力加速度)。從表1可以看出，隨著轉速的提高，前、后端試驗軸承的溫度逐漸升高。這主要由于隨著轉速的提高，軸承的摩擦力矩增大，從而導致發熱量增加。另外，隨著轉速的提高，滾動體所受的離心力增大，使軸承的內圈接觸角增大，外圈接觸角減小，產生了陀螺力矩，使滾動體產生滑動，加劇了摩擦磨損[10]。從表1還可以看出主機的振動逐漸增大，這是因為固有振動頻率不受轉速的影響，而轉速和強迫振動的頻率和幅值近似成正比關系[11]。因而表明了試驗臺具有良好的可靠性。

表1 不同轉速下B7005C/HQ1軸承的試驗結果

4 結束語

經驗證，該試驗臺能滿足預定的設計要求，具有良好的可靠性，能夠對轉速、軸向及徑向載荷、軸承工作溫度和軸系振動等進行實時監測，可以模擬電主軸軸承實際工況及極限工況，對軸承進行高速性能、耐久性能及壽命等試驗，能為高性能電主軸軸承的研發和檢驗提供有力的數據支持和評估依據。