基于電主軸驅動的油氣潤滑軸承性能測試系統

王旭，栗心明，楊萍，郭峰，池京銀

(青島理工大學 機械與汽車工程學院，山東 青島 266520)

高速電主軸是高速加工機床的核心部件[1]，其性能決定了加工效率和工件表面質量，滿足電主軸使用性能的關鍵是提高支承軸承的速度和精度，而滾動軸承的轉速與許用溫度、結構、材料、潤滑方式及劑量等相關。油氣潤滑具有消耗量低、冷卻效果好等優勢，廣泛用于高速滾動軸承的潤滑，對其潤滑性能的評估是潤滑領域的研究重點。油氣潤滑技術以壓縮空氣為載體，將管道中的潤滑油以微小液滴的形式持續地輸送到潤滑點，顯著降低了潤滑劑的消耗量。液滴在滾動體與內外圈之間形成彈性流體動壓油膜，起到潤滑作用；壓縮空氣帶走軸承部分熱量[2]，起到冷卻作用。

電主軸支承軸承在工作時常常承受不同的軸向載荷與徑向載荷，其在高速條件下的運行力矩與溫度變化等不僅影響軸承的服役壽命、運行穩定性等，也常被用于評估軸承的潤滑狀態[3]。文獻[4]分析了高速主軸軸承的摩擦力矩和運動特征，研究了軸承熱特性對潤滑狀態的影響。文獻[5]測量了不同供油量、轉速、軸向預載荷等參數條件下，電主軸外殼與轉軸之間的電阻和軸承外圈附近的溫升。文獻[6]采用懸臂對稱結構布置軸承并記錄軸承外圈的溫度和振動，用于判斷供油間隔、供氣壓力、供油位置等油氣參數對軸承潤滑性能的影響。文獻[7]研究了油氣潤滑下供油量、潤滑油黏度、油氣壓力和轉速對軸承溫升的影響，得到了使高速滾動軸承合理潤滑的油氣供油參數。文獻[8]對比了不同轉速下外圈供油和側向供油方式對軸承溫升的影響，發現側向供油方式比外圈供油方式更有利于滾動軸承的潤滑。文獻[9]研究了不同供油量、供氣壓力和噴嘴直徑對軸承性能的影響規律，給出了各因素對軸承溫升、振動的影響程度，并通過正交試驗得到了軸承最佳運行工況。

本文搭建了一種基于電主軸驅動的油氣潤滑軸承性能測試系統，可同時對測試軸承施加徑向和軸向載荷，在不同油氣供油參數下同步測量滾動軸承的力矩和溫升，通過測試數據分析軸承潤滑狀態。

1 測試系統及其工作原理

油氣潤滑軸承性能測試系統主要由試驗臺機械主體、電主軸驅動單元、加載單元、油氣供油單元、電氣控制單元、冷卻單元和數據采集單元等部分組成，其工作原理如圖1所示，各項技術指標見表1。電氣控制單元用來控制電主軸轉速，供油參數，冷卻水循環和壓力傳感器數據輸出。扭矩傳感器可實時測量轉速和軸承力矩，其兩端通過聯軸器分別與電主軸驅動單元和測試頭連接，由電主軸驅動扭矩傳感器和測試頭運轉。加載單元可對軸承施加測試要求的軸向和徑向載荷。油氣潤滑單元可依據設定的供油條件(單位時間內噴射的潤滑油體積)，將潤滑劑經油氣噴嘴射入軸承內部。數據采集單元可實時采集測試軸承的轉速、力矩、載荷和溫度等參數并儲存；冷卻單元通過單獨設計的冷卻管道對驅動電主軸和測試軸承進行冷卻。

表1 測試系統主要技術指標Tab.1 Main specifications of test system

1.1 試驗臺機械主體

試驗臺機械主體結構如圖2所示，主要由電主軸、聯軸器、扭矩傳感器、測試頭單元和L形底板構成。其中，電主軸采用定制的夾具固定在底板上；測試頭單元為懸臂結構，其回轉主軸與柔性聯軸器、扭矩傳感器連接，由電主軸驅動運轉；柔性聯軸器起到傳遞力矩和補償驅動軸與測量主軸間微小不對中的作用。

1.2 電主軸驅動單元

電主軸是測試系統的驅動單元，可通過改變變頻器的輸出頻率調節電主軸的轉速。根據轉速范圍，選用功率為5.5 kW的電主軸，可實現的最高轉速為12 000 r/min。選用DZB280矢量變頻器，可實時監測電流和電壓，實現傳動系統的無極調速。測試中通過通信程序控制電主軸轉速，具有響應快、可自動控制等特點。

1—電主軸；2—聯軸器；3—徑向加載裝置；4—軸向加載裝置；5—測試頭；6—扭矩傳感器；7—L形底板。

1.3 測試頭單元

測試頭是試驗臺的核心部件，主要由測試主軸、測試軸承、加載軸承、加載組件、平衡環、軸承室內外套和殼體等組成，其內部結構如圖3所示。

1—軸承室內外套；2—測試主軸；3，9—測試軸承；4—平衡環；5—加載軸承；6—殼體；7—測溫孔；8—油氣噴嘴。

測試軸承安裝于測試主軸兩側，加載軸承安裝于主軸中間，該對稱結構保證了測試頭高速運轉時的可靠性[10]。加載組件直接作用于加載軸承和測試軸承，實現軸向加載與徑向加載。

測試主軸可與內徑尺寸40 mm的角接觸球軸承和圓柱滾子軸承匹配。軸承內圈與測試主軸為過盈配合，通過對軸承內圈加熱的方式裝配。在殼體開設測溫孔，使溫度傳感器與軸承外圈直接接觸，以測量軸承外圈溫度。

為保證潤滑劑的供給，在殼體上端安裝油氣噴嘴，并設計與水平方向成15°的夾角，使潤滑油氣能直接噴射到測試軸承內圈的潤滑點上；殼體下端則設計有回油孔，可回收使用后的潤滑油滴。油氣噴嘴可根據測試要求靈活更換，例如不同射流角度噴嘴、不同長徑比噴嘴、導流式噴嘴[11-12]等，可用來研究供油結構對軸承潤滑性能的影響。

1.4 加載單元

加載單元的結構如圖4所示：對于軸向加載，可通過旋轉軸向加載螺釘使其壓緊碟簧，將軸向載荷均勻傳遞到與加載套相連的壓力傳感器上，實現對軸承外圈的軸向加載；類似地，通過徑向加載螺釘可將徑向載荷經壓力傳感器施加到加載軸承和測試主軸上。壓力傳感器將壓力轉化成電信號傳送到計算機并通過數據采集卡USB59835轉換，利用數據采集單元顯示和保存載荷數據。

1—加載螺釘；2—碟簧；3—壓力傳感器；4—轉接件；5—加載墊片；6—加載套。

1.5 油氣供油單元

油氣供油單元(圖5)主要由供氣系統、供油系統和電控系統構成。供氣系統由空壓機、儲氣罐、空氣濾清器、減壓閥、壓力開關、壓力表和電磁換向閥組成，可通過閥門改變供氣壓力。供油系統由油箱、氣動油泵、過濾器、液位計、遞進式分配器、油氣混合塊等組成，氣動油泵用于實現定量供油，可通過調整供油間隔(由PLC控制)調節供油量，本研究中的供油量恒為每次0.5 mL，供油間隔為15 min。潤滑油與壓縮空氣在油氣混合區內混合，形成的油氣混合物經過油氣分配器分配到多個潤滑點。電控系統采用EASY可編程控制系統，可監控并反饋油箱液位、供油情況以及壓縮空氣壓力，以便進行調整。

圖5 油氣供油單元原理圖Fig.5 Schematic diagram of oil-air lubrication unit

1.6 冷卻單元

冷卻單元由水箱、水泵、水管、冷卻水道組成，采用水循環冷卻方式對電主軸和測試軸承進行冷卻，具有成本低廉，熱交換良好，簡單可靠等優點。其中，測試軸承的冷卻通過在軸承外殼腔體壁上加工環形水槽并使水在水槽內循環實現[11]。

1.7 數據采集單元

數據采集單元的作用是實時采集轉速、載荷、力矩和溫度數據，并通過分析不同工況下的數據對軸承潤滑性能進行評估。

由前述的各單元結構可知，各傳感器嵌入機械主體中：PID溫度傳感器置入測溫孔中，探頭與測試軸承外圈接觸，可測量軸承外圈溫度(油氣潤滑下一般不超過80 ℃)，量程為-40～100 ℃，分辨率為0.1 ℃；壓電壓力傳感器位于加載系統中的碟簧與加載套之間，分別置于主軸的軸向與徑向，最大量程5 kN，精度高于0.05%FS；動態扭矩傳感器與主軸相連用以測量力矩與轉速，量程為 0～10 N·m，轉速不大于12 000 r/min，供電電壓12 V，基本誤差為0.2%FS。

動態扭矩傳感器測試程序的主界面如圖6所示，可實時顯示主軸的扭矩、轉速與功率的數值及其實時變化曲線。點擊界面上的“開始測試”按鈕后進行數據采集，可以根據數值設置圖像的縱坐標上限和采集間隔；點擊“停止測試”按鈕后監測器停止采集并將所采集數據儲存到指定位置的Excel文件中。

2 測試結果分析

為驗證該測試系統的運行可靠性和準確性，對不同工況下軸承的力矩和溫升進行了初步測試。測試條件：測試軸承為7008C型角接觸球軸承(圖3中右側測試軸承記為7008C1，左側測試軸承記為7008C2)，徑向加載2.0 kN，軸向加載1.0 kN，供油量為3 mL/h。不同轉速下，2套軸承的綜合軸承力矩和溫度隨時間的變化如圖7與圖8所示。

圖6 動態扭矩傳感器監測系統主界面Fig.6 Main interface of dynamic torque sensor monitoring system

圖7 不同轉速下軸承力矩隨時間的變化Fig.7 Variations of bearing torque with time under different rotational speeds

圖8 不同轉速下軸承溫度隨時間的變化Fig.8 Variations of bearing temperature with time under different rotational speeds

由圖7可知：隨著轉速的增加，軸承力矩整體增加，在測試啟動的瞬間存在啟動力矩峰值，隨后力矩稍有下降并再次上升直到穩定；測試軸承在低速、中速和高速工況下，3次測量數據的波動均不大，相對誤差不高于5%，呈現出較好的重復性，表明了測試系統的可靠性。

由圖8可知：軸承溫度在測試前30 min呈現出較明顯的上升趨勢，溫度上升會使潤滑劑黏度下降，這也是前10 min內軸承力矩呈下降趨勢但隨著轉速升高卻進一步增加的原因；此后因軸承溫度上升導致滾動體和軸承內外圈受熱膨脹使間隙減小，力矩再次增大，在30 min后軸承溫度趨向穩定，軸承力矩也相應地趨于穩定；7008C1與7008C2的溫度曲線并不重合，兩者間的差距隨轉速的增加而逐漸增大，這是由于2套測試軸承的安裝位置不同，導熱程度不同，從而存在一定的溫差。

鑒于軸承在開始測試30 min后的數值趨于穩定，在實際應用中，將采集該測試系統30～40 min區間內的數據依次作為有效數據進行后續分析。

3 結束語

為了對油氣潤滑下高速滾動軸承的性能進行測試評估，開發了一種新的基于電主軸驅動的油氣潤滑軸承測試系統，介紹了測試系統的工作原理和各組成單元的結構、功能。通過對不同工況下軸承力矩和溫度的反復測量，其結果呈現出較好的重復性，驗證了該測試系統的可靠性和準確性。

測試數據表明軸承的力矩與溫升之間具有較好的對應關系，可以相互結合用于軸承潤滑狀態的分析，該測試系統的成功開發可為不同工況下油氣潤滑軸承性能提供評估手段和數據支撐。