國(guó)內(nèi)滾動(dòng)軸承疲勞壽命試驗(yàn)機(jī)對(duì)比分析

湯潔，劉文勝，張培君

(1.國(guó)家軸承質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)中心，河南 洛陽(yáng) 471039；2.洛陽(yáng)LYC軸承有限公司，河南 洛陽(yáng) 471039；3.洛陽(yáng)普瑞森精密軸承有限公司，河南 洛陽(yáng) 471003)

1 國(guó)內(nèi)試驗(yàn)機(jī)的發(fā)展及對(duì)比分析

1.1 第一種機(jī)型

國(guó)內(nèi)最早的滾動(dòng)軸承疲勞壽命試驗(yàn)機(jī)系前蘇聯(lián)引進(jìn)產(chǎn)品(簡(jiǎn)稱為ΓΚБ系列)，采用剖分式試驗(yàn)主體，被稱之為第一種機(jī)型，結(jié)構(gòu)如圖1所示。引進(jìn)消化吸收后，國(guó)內(nèi)長(zhǎng)春第一汽車制造廠、石家莊軸承試驗(yàn)機(jī)制造廠以及濟(jì)南試驗(yàn)機(jī)制造廠先后生產(chǎn)出命名為ZS系列的軸承壽命試驗(yàn)機(jī)，以滿足當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)軸承生產(chǎn)企業(yè)軸承壽命試驗(yàn)室的需求。同時(shí)，也為剛剛起步的國(guó)內(nèi)軸承壽命試驗(yàn)積累了相當(dāng)?shù)脑囼?yàn)數(shù)據(jù)。

第一種機(jī)型試驗(yàn)機(jī)由軸、徑向加載薄膜油缸、2個(gè)端承載體、中承載體和試驗(yàn)主軸等組成。試驗(yàn)主體部分組裝后裝配于上下剖分的主體底座內(nèi)，試驗(yàn)主軸通過(guò)聯(lián)軸節(jié)和傳動(dòng)主軸相連，傳動(dòng)主軸的動(dòng)力由電動(dòng)機(jī)通過(guò)塔輪變速傳動(dòng)。軸向及徑向加載薄膜油缸分別和手動(dòng)增壓缸相連，靠旋轉(zhuǎn)推動(dòng)手動(dòng)增壓缸活塞獲得不同的壓力。此種試驗(yàn)機(jī)在國(guó)內(nèi)應(yīng)用極為普遍，為軸承工業(yè)的發(fā)展起到了不可磨滅的作用。

該試驗(yàn)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)為：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易保證試驗(yàn)精度；傳動(dòng)系統(tǒng)為皮帶傳動(dòng)，塔輪調(diào)速，簡(jiǎn)單方便；加載為手動(dòng)增壓缸加載，節(jié)能；傳動(dòng)主軸和試驗(yàn)主軸通過(guò)聯(lián)軸節(jié)直接相連，結(jié)構(gòu)合理，容易實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)速。但不足之處為：轉(zhuǎn)速、載荷的調(diào)整，溫度數(shù)據(jù)的記錄和振動(dòng)的檢測(cè)都依靠人工，試驗(yàn)人員勞動(dòng)強(qiáng)度大；傳動(dòng)系統(tǒng)皮帶打滑容易發(fā)熱引起事故；加載油缸在試驗(yàn)過(guò)程中由于泄漏造成壓力下降或由于發(fā)熱造成壓力上升需要人工調(diào)整，比較繁瑣；試驗(yàn)主軸支點(diǎn)跨距不可大范圍調(diào)整，小規(guī)格軸承試驗(yàn)支點(diǎn)跨距相對(duì)較大，無(wú)法實(shí)現(xiàn)大載荷試驗(yàn)。

1.2 第二、三種機(jī)型

20世紀(jì)80年代中后期，兩種軸承疲勞壽命試驗(yàn)機(jī)先后面世。一種是在前蘇聯(lián)引進(jìn)機(jī)型基礎(chǔ)上改進(jìn)的自動(dòng)控制軸承疲勞壽命試驗(yàn)機(jī)，稱之為第二種機(jī)型。該試驗(yàn)機(jī)是在第一種機(jī)型的基礎(chǔ)上，將傳動(dòng)塔輪改為同步齒形帶傳動(dòng)，通過(guò)變頻電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速控制，其加載系統(tǒng)壓力通過(guò)比例減壓閥自動(dòng)控制。第二種機(jī)型的優(yōu)點(diǎn)除具有第一種機(jī)型的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、合理，易于保證精度外，采用變頻調(diào)速可實(shí)現(xiàn)變速自動(dòng)控制；載荷自動(dòng)控制能夠?qū)崿F(xiàn)變載荷自動(dòng)控制；轉(zhuǎn)速、載荷、溫度、振動(dòng)等信號(hào)計(jì)算機(jī)自動(dòng)檢測(cè)，報(bào)警自動(dòng)停機(jī)并自動(dòng)卸載，能夠做到無(wú)人值守自動(dòng)運(yùn)行。但缺點(diǎn)為：試驗(yàn)主軸支點(diǎn)跨距不可大范圍調(diào)整，小規(guī)格軸承試驗(yàn)支點(diǎn)跨距相對(duì)較大，無(wú)法實(shí)現(xiàn)大載荷試驗(yàn)；加載電動(dòng)機(jī)和主機(jī)同步運(yùn)轉(zhuǎn)，發(fā)熱量大，不利于節(jié)能降噪；試驗(yàn)時(shí)加載油缸橡皮膜一旦破裂，加載力基本消失，而試驗(yàn)機(jī)無(wú)法發(fā)現(xiàn)，造成空載試驗(yàn)運(yùn)行；試驗(yàn)裝置裝拆不便，且加工成本較高。

另一種是仿造的強(qiáng)化軸承疲勞壽命試驗(yàn)機(jī)，主要指大載荷、低轉(zhuǎn)速的F&M 5型軸承壽命試驗(yàn)機(jī)，國(guó)內(nèi)命名為ABLT系列疲勞壽命強(qiáng)化試驗(yàn)機(jī)，稱之為第三種機(jī)型。該試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2所示，采用組合方箱主體，主體部分有軸、徑向加載薄膜油缸(徑向薄膜油缸未示出)，軸向加載板，端承載體，中承載體，試驗(yàn)主軸等組成。試驗(yàn)主軸通過(guò)中間傳動(dòng)小方軸、聯(lián)軸節(jié)和傳動(dòng)主軸相連，由電動(dòng)機(jī)通過(guò)塔輪變速傳輸動(dòng)力。加載油缸壓力由砝碼杠桿通過(guò)增壓缸獲得，加載系統(tǒng)壓力由電接點(diǎn)壓力表控制，在電接點(diǎn)壓力表調(diào)定范圍內(nèi)，加載電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)行。與前兩種機(jī)型不同，第三種機(jī)型的端承載體及中承載體為外方內(nèi)圓結(jié)構(gòu)，軸向承載板和軸向加載板均為方平板，加工要求更加苛刻。若試驗(yàn)軸承內(nèi)徑較小，可通過(guò)端承載體和軸向承載板之間加調(diào)節(jié)平板加以調(diào)整，縮小試驗(yàn)軸承支承跨距。

1—軸向加載油缸；2—軸向加載板；3—端承載體；4—中承載體；5—試驗(yàn)主軸；6—試驗(yàn)軸承；7—軸向承載板；8—中間傳動(dòng)小方軸；9—聯(lián)軸節(jié)；10—傳動(dòng)主軸；11—塔輪

第三種機(jī)型的優(yōu)點(diǎn)為：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，試驗(yàn)裝置裝拆方便；試驗(yàn)主軸支點(diǎn)跨距可大范圍調(diào)整，小規(guī)格軸承試驗(yàn)支點(diǎn)跨距相對(duì)較小，可以加大試驗(yàn)載荷，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化試驗(yàn)；加載系統(tǒng)壓力油泵開(kāi)動(dòng)時(shí)間較短，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降噪；傳動(dòng)系統(tǒng)為皮帶傳動(dòng)，塔輪調(diào)速，簡(jiǎn)單方便。但不足之處為：傳動(dòng)主軸和試驗(yàn)主軸通過(guò)中間小傳動(dòng)方軸硬連接，無(wú)法實(shí)現(xiàn)高速試驗(yàn)；載荷靠人工調(diào)整砝碼進(jìn)行，無(wú)法實(shí)現(xiàn)變載荷自動(dòng)控制；載荷及轉(zhuǎn)速信號(hào)靠人工錄入計(jì)算機(jī)，不是實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；傳動(dòng)系統(tǒng)為皮帶傳動(dòng)，塔輪調(diào)速，無(wú)法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制；中間小傳動(dòng)方軸磨損時(shí)易引起振動(dòng)信號(hào)判斷失誤，造成誤報(bào)警；報(bào)警停機(jī)不會(huì)自動(dòng)卸載。

目前，第一種機(jī)型國(guó)內(nèi)已不再生產(chǎn)，第二種機(jī)型主要應(yīng)用于航空高速性能試驗(yàn)，第三種機(jī)型民用軸承試驗(yàn)應(yīng)用較為普遍。

2 GQZS系列試驗(yàn)機(jī)

軸承強(qiáng)化試驗(yàn)可以極大提高試驗(yàn)效率，縮短試驗(yàn)時(shí)間。同時(shí)，隨著科技的發(fā)展，高速性能試驗(yàn)更不可缺少。在上述3種機(jī)型的基礎(chǔ)上，生產(chǎn)出一種新型的軸承疲勞壽命強(qiáng)化試驗(yàn)機(jī)，國(guó)內(nèi)命名為GQZS系列軸承疲勞壽命強(qiáng)化試驗(yàn)機(jī)，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1—軸向加載油缸；2—軸向加載板；3—端承載體；4—中承載體；5—試驗(yàn)主軸；6—試驗(yàn)軸承；7—軸向承載板；8—聯(lián)軸節(jié)；9—傳動(dòng)主軸；10—同步帶輪

該試驗(yàn)機(jī)采用組合方箱式結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)主體部分和第三種機(jī)型相似。組合方箱式結(jié)構(gòu)以經(jīng)過(guò)熱處理的高強(qiáng)度球墨鑄鐵為基體，可以長(zhǎng)期保持高精度；內(nèi)襯為高硬度合金鋼板，可以避免裝拆試驗(yàn)頭劃傷基體；傳動(dòng)主軸殼體凸緣固定于側(cè)板上，并增加輔助支承(圖中未示出)，傳動(dòng)主軸和試驗(yàn)主軸采用柔性聯(lián)軸節(jié)直接相連，聯(lián)軸節(jié)隱藏于試驗(yàn)主體內(nèi)；軸向承載板為上下剖分結(jié)構(gòu)，以利于安裝拆卸聯(lián)軸節(jié)。其加載系統(tǒng)在以往自動(dòng)調(diào)壓的基礎(chǔ)上加上特制的保壓裝置，按控制精度為在控制壓力值×(1±2%)內(nèi)進(jìn)行保壓，保壓期間加載電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，節(jié)能降噪并省去降溫費(fèi)用。穩(wěn)態(tài)情況下，能夠?qū)崿F(xiàn)24 h保壓，達(dá)到節(jié)能降噪的目的，其加載保壓控制框圖如圖4所示。

圖4 GQZS系列試驗(yàn)機(jī)加載保壓控制框圖

該試驗(yàn)機(jī)具有以下特點(diǎn)：(1)試驗(yàn)主軸支點(diǎn)跨距可大范圍調(diào)整，小規(guī)格軸承試驗(yàn)支點(diǎn)跨距相對(duì)較小，可以加大試驗(yàn)載荷，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化試驗(yàn)；(2)試驗(yàn)主軸和傳動(dòng)主軸通過(guò)柔性聯(lián)軸節(jié)直接相連，可以實(shí)現(xiàn)輕載高速運(yùn)行；(3)柔性聯(lián)軸節(jié)不影響試驗(yàn)振動(dòng)信號(hào)測(cè)試，使用壽命長(zhǎng)；(4)試驗(yàn)裝置易于設(shè)計(jì)加工，加工成本低，試驗(yàn)裝置裝拆方便；(5)潤(rùn)滑油路布置在水平面上，可以避免因上次軸承試驗(yàn)失效造成的油路不暢影響下次軸承試驗(yàn)的狀況；(6)主軸轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制且實(shí)時(shí)顯示，控制精度高，如載荷變化影響轉(zhuǎn)速變化，可以隨時(shí)反饋控制；(7)載荷閉環(huán)控制且實(shí)時(shí)顯示，可以根據(jù)載荷譜自動(dòng)調(diào)整，載荷調(diào)整到位后，自動(dòng)保壓，加載電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)行，有利于節(jié)能降噪。且保壓時(shí)間長(zhǎng)，穩(wěn)態(tài)下實(shí)現(xiàn)24 h連續(xù)控制精度保壓；(8)載荷和轉(zhuǎn)速可以完全按設(shè)定的載荷譜變載、變速自動(dòng)運(yùn)行；(9)報(bào)警停機(jī)自動(dòng)卸荷；(10)傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，更換不同組、大小不同的同步帶輪，可在一定范圍內(nèi)變頻調(diào)速，充分發(fā)揮主電動(dòng)機(jī)的扭矩，達(dá)到高速小扭矩或低速大扭矩的要求。主電動(dòng)機(jī)功率小，節(jié)能；(11)所有顯示參數(shù)均為實(shí)時(shí)值(載荷和轉(zhuǎn)速另有設(shè)定值顯示)；(12)各種參數(shù)報(bào)警值設(shè)置合理，使試驗(yàn)機(jī)達(dá)到完全自動(dòng)控制；(13)除一般報(bào)警功能外，增加試驗(yàn)機(jī)空載、空轉(zhuǎn)運(yùn)行報(bào)警功能和潤(rùn)滑不足報(bào)警功能，防止主機(jī)傳動(dòng)主軸軸承及試驗(yàn)軸承因潤(rùn)滑不足而失效。

3 結(jié)束語(yǔ)

軸承疲勞壽命試驗(yàn)機(jī)的進(jìn)一步研究開(kāi)發(fā)包括快速失效診斷技術(shù)、分析技術(shù)、處理技術(shù)等，這些將是我國(guó)軸承行業(yè)試驗(yàn)機(jī)研發(fā)的下一個(gè)重要課題。 同時(shí)，試驗(yàn)技術(shù)的智能化和個(gè)性化，即根據(jù)特定的試驗(yàn)條件，設(shè)定轉(zhuǎn)速譜和載荷譜等以滿足試驗(yàn)要求；應(yīng)用人工智能和專家系統(tǒng)等知識(shí)庫(kù)技術(shù)來(lái)進(jìn)行智能化處理是軸承壽命試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展方向。隨著科技的高速發(fā)展，試驗(yàn)技術(shù)及試驗(yàn)機(jī)的性能將會(huì)越來(lái)越高，必將對(duì)整個(gè)軸承工業(yè)起到強(qiáng)有力的推動(dòng)作用。