多套軸承壽命跑合試驗設備

臧樂航 李智剛 孫建勇 馮武雷 楊同樂 張辛 王虎強

摘 要：隨著機械行業高新技術的迅猛發展，對軸承產品的性能要求越來越高，因此對軸承的性能、壽命和可靠性的跑合試驗是裝機前必不可少的。文章從實際需求出發，設計了多套軸承疲勞壽命跑合試驗設備，通過電缸對軸承內圈軸向加載，并通過電主軸驅動軸承模擬軸承實際工況的方式進行試驗，該設備的研制可以大大提高軸承疲勞壽命檢測效率，降低實機跑合成本。

關鍵詞：軸承；實際工況；跑合試驗

中圖分類號：V263.3 文獻標志碼：A 文章編號：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

滾動軸承作為機械設備的關鍵性零部件，軸承的性能和可靠性直接影響著機械設備的性能和可靠性。隨著高新技術的發展，軸承作為關鍵零部件，廣泛應用在高速鐵路領域和航空航天領域，其應用在更加苛刻的環境中，承受劇烈的載荷沖擊，其運行過程中的狀態好壞直接影響著列車和飛機的安全。當今對軸承的性能和需求量越來越高，而在不斷提高軸承性能和可靠性的同時，保證其在額定壽命內的性能和穩定性是關鍵性問題。軸承在運轉過程中的主要失效形式是磨損，使得軸承內、外圈間隙增大，從而引起軸承振動，磨損嚴重時還可能導致相關部件的失效。

2 軸承檢測現狀分析

在國外，Shimizu S配等通過對硬度范圍在58-62HRC的軸承鋼進行研究，通過施加不同剪應力的交變扭轉壽命試驗，最終確定了該軸承鋼的疲勞極限。Williams T等認為軸承故障是旋轉機械故障的主要原因，因此通過加速度計和傳感器等測試記錄良好軸承的均方根和峰值等振動指標，通過和運轉軸承的比對檢測，來提前預防因軸承失效帶來的故障。Wang L等通過擬動力學方法，對軸承的故障進行分析，并以圖形形式解釋了實際工況與軸承狀態參數的相互關系，為軸承加速度壽命試驗提供了重要理論依據。

在國內，李興林等概述了滾動軸承壽命強化試驗機及其試驗技術的現狀及發展，探討了壽命試驗的設計，壽命試驗數據的處理、分析。劉蘇亞從測試、加載、驅動和控制技術等方面介紹了軸承試驗機的試驗技術，并舉例分析了壽命試驗機，模擬試驗機，航空、航天軸承試驗機及其試驗方法。晁代勇研究并設計一種能夠試驗高速鐵路軸承性能的試驗臺，并通過有限元分析軟件ANSYS對試驗臺的關鍵性零部件進行了模態和結構分析。該試驗臺能最大程度地模擬鐵路車輛行駛工況，并檢測鐵路軸承工況。

如何在軸承裝機前，確保軸承的性能、使用壽命和可靠性是保證機械設備的整機性能和可靠性的基礎和關鍵問題。因此急需一種能高效、實時監測軸承的實驗設備。

3 軸承壽命跑合設備設計

根據市場需求，本文設計了一種可以模擬軸承實際工況，并同時對多套軸承進行壽命跑合試驗設備。

軸承壽命跑合設備就是通過機械設計，將軸承實際工作過程中的受載和轉動情況模擬。并通過傳感器檢測和記錄軸承運轉過程中轉速、振動、溫度和受力情況，為進一步的軸承診斷和可靠性分析奠定基礎。設備結構如圖1所示：

3.1 加載部件

該試驗及的加載系統在整個試驗過程中主要是在軸線方向上對軸承內圈加載，并且加載系統要穩定可靠，施加的載荷在一定范圍內可調節、加載和卸載時方便操作。為滿足以上要求，加載采用德國費斯托直線電缸。最大輸送力5000N，重復精度±0.01mm，行程400mm。

3.2 驅動部件

該試驗機要精確模擬軸承在工況條件下的動作，因此要求驅動系統振動小、精度高、穩定性好和精確可控的轉速調節。因此驅動部件選用ZYS試驗機用電主軸和聯軸器組成。為滿足試驗技術要求，選用高頻電主軸額定電壓380V，額定電流100A，額定功率50KW，額定轉速20000r/min。電主軸冷卻系統為水冷，潤滑方式采用油脂潤滑。電主軸通過柔性聯軸器拖動試驗軸系高速旋轉，由變頻器控制電主軸轉速，可以實現無極變頻調速。

3.3 主體部件

試驗整體外形采用剖分式結構，便于安裝與拆卸。主體結構采用橋式串聯結構，通過內隔套和外襯套結構將10套軸承依次串聯在分離式主軸上，軸承由內隔套隔開。在施加載荷時，從左端對試驗軸承加載，軸承之間通過隔套傳遞軸向力，互不影響，可以避免因單個軸承損壞造成測量誤差。

分離式主軸間用花鍵采用花鍵連接，既能用于驅動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，在需要測量不同型號軸承時，只需將整個軸系通過密珠軸承推出，更換襯套和主軸即可。密珠軸系結構既保證分離式軸承的同軸度，又方便試驗軸承的安裝和更換。其詳細結構如圖2所示：

3.4 檢測系統

檢測系統是該試驗機的核心部分，檢測數據的可靠性直接影響對試驗軸承的壽命和性能評定。配備相應壓力傳感器、速度傳感器、溫度傳感器和振動傳感器。通過在殼體上的預留孔10個，將傳感器深入到試驗軸承附近，直接對試驗軸承進行單獨精密測量。當試驗設備對測試軸承進行檢測時，反饋到傳感器上產生電信號，實現對多套軸承的同時檢測，并通過PCI9111多功能數據采集卡來實現對溫度、振動、轉速和壓力的輸出數字采樣。

3.5 計算機控制系統

計算機控制系統是以工業控制計算機為核心，由電氣設備控制系統、電氣操作控制系統、變頻調速系統、加載控制系統、測試系統、自動報警系統等組成。

測試中設備應在電氣系統控制下按照設定的試驗條件，穩定可靠的運行，能對載荷、溫度、振動、電流、主軸轉速及試驗時間等參數實時顯示并記錄，對測試中可能出現的如電機過載、溫度超限、振動超限等故障及時報警停機，并可顯示故障原因。

4 性能分析

（1）軸承壽命跑合設備可以精確模擬軸承轉速在20000r/min以內，軸向載荷5000N以內的實際工況。實時檢測試驗軸承的壓力、溫度、振動和速度參數，準確直觀的觀測試驗軸承的運轉情況，為軸承質量檢測和可靠性提供充分依據。

（2）主體結構采用橋式串聯結構，可同時檢測10套試驗軸承，顯著提高軸承檢測效率。分離式主軸和分離式襯套設計可以避免因單個軸承損壞影響整個試驗檢測的準確性。

（3）采用密珠軸系結構，既保證分離式軸承的同軸度，又方便試驗軸承安裝。對于不同型號的軸承，只需更換相應的襯套和分離式主軸即可。

5 結束語

通過對該試驗機的成功研發，完善了對軸承工況模擬，高效檢測的相關技術。（1）避免了通過整機來檢驗試驗軸承的問題，大大減少了試驗成本；（2）可以為軸承方面的設計計算、材料及處理方式等方面的研究提供了有效的技術保障；（3）多工位檢測可以大大提高軸承檢測效率，從而保證了軸承組件的質量和裝機合格率，具有較高的研究意義和實用價值。

參考文獻：

[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.

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[5]劉蘇亞.軸承試驗機及試驗技術[J].軸承，2011（8）.

[6]晁代勇.高速鐵路軸承試驗臺設計研究[D].河南科技大學，2011.