基于增壓技術(shù)的軸承試驗(yàn)機(jī)軸向加載裝置研制

青克爾，王艷鑫，李國城，王淑芳

(1.中機(jī)試驗(yàn)裝備股份有限公司，吉林 長春 130103；2.長春市凡諾教育培訓(xùn)學(xué)校，吉林 長春 130000)

1 引 言

滾動(dòng)軸承是應(yīng)用廣泛的重要機(jī)械基礎(chǔ)件，軸承質(zhì)量直接影響相應(yīng)的主機(jī)性能。國內(nèi)外軸承生產(chǎn)商越來越注重軸承的品質(zhì)，尤其在研發(fā)新型軸承時(shí)，需要通過性能試驗(yàn)、疲勞壽命試驗(yàn)、材料試驗(yàn)、零部件綜合試驗(yàn)等來驗(yàn)證軸承性能參數(shù)和壽命。軸承試驗(yàn)機(jī)是驗(yàn)證軸承性能參數(shù)和功能的重要技術(shù)手段，其中，軸向加載裝置是軸承試驗(yàn)機(jī)的重要組成部分。本文研制了一種滾動(dòng)軸承在不同旋轉(zhuǎn)工況下施加軸向載荷的加載裝置。

2 軸向加載裝置設(shè)計(jì)

本軸向加載裝置由機(jī)械結(jié)構(gòu)單元和液壓加載單元兩部分組成。機(jī)械結(jié)構(gòu)單元實(shí)現(xiàn)軸承試樣的安裝及載荷施加，液壓加載單元為軸向載荷施加結(jié)構(gòu)提供動(dòng)力源。

2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)單元

本軸向加載裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)單元將兩個(gè)軸承外圈分別固定在軸承座上，再與軸向加載活塞串聯(lián)到一個(gè)缸筒里。軸承內(nèi)圈套在一個(gè)主軸單元上，主軸由機(jī)電轉(zhuǎn)動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)功能。液壓加載單元在串聯(lián)活塞端面施加高液壓載荷，實(shí)現(xiàn)軸向加載功能。機(jī)械結(jié)構(gòu)單元如圖1所示。

1.主軸 2.缸筒 3.滾動(dòng)軸承 4.軸承座 5.活塞 6.壓力傳感器圖1 機(jī)械結(jié)構(gòu)單元

2.2 液壓加載單元

軸向施加載荷是液壓加載單元壓力與活塞桿面積之乘積。軸向加載裝置類似于單腔體油缸結(jié)構(gòu)，腔體內(nèi)液壓油壓力的平穩(wěn)性是影響軸向加載平穩(wěn)的重要條件。軸承旋轉(zhuǎn)過程中軸承的振動(dòng)、軸承加工精度和加載裝置的裝配精度均會(huì)影響液壓油壓力平穩(wěn)性。因此，液壓加載單元要求具有足夠高的響應(yīng)和平穩(wěn)性?；谏鲜鲆?，設(shè)計(jì)了一種基于增壓技術(shù)的具有高穩(wěn)定性和響應(yīng)性的液壓加載單元。

增壓技術(shù)加載原理是采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠，將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)，滾珠絲杠與工程缸活塞串聯(lián)，進(jìn)而壓縮工程缸體內(nèi)的液壓油形成高壓油，供給軸向加載裝置作動(dòng)力源。高壓油壓力值由軸向加載裝置活塞桿端腔體的壓力傳感器測(cè)量，用于與活塞面積相乘得出軸向載荷值。增壓技術(shù)加載原理如圖2所示。

軸向載荷需要保持在±0.5%FS精度范圍內(nèi)，滿足該指標(biāo)的重要條件是液壓加載單元的壓力要滿足或優(yōu)于該精度指標(biāo)。因此，伺服電機(jī)的伺服控制單元實(shí)時(shí)采集壓力傳感器測(cè)量值，通過與命令值比較，確定兩者的偏差，通過內(nèi)部PID環(huán)，確定輸出模擬量電壓值，控制伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而完成液壓加載單元壓力的升降和保壓保載操作，伺服閉環(huán)控制如圖3所示。

圖3 伺服閉環(huán)控制原理

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 傳統(tǒng)液壓加載單元

為驗(yàn)證增壓技術(shù)加載單元的準(zhǔn)確性，將其與傳統(tǒng)液壓加載單元進(jìn)行比較分析。傳統(tǒng)液壓加載單元是通過比例減壓閥調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)提供的壓力來實(shí)現(xiàn)，壓力由軸向加載裝置活塞桿端腔體的壓力傳感器測(cè)量值進(jìn)行閉環(huán)調(diào)節(jié)，如圖4所示。

圖4 傳統(tǒng)液壓加載原理圖

3.2 試驗(yàn)力校準(zhǔn)

針對(duì)上述兩種加載原理，設(shè)計(jì)了一套壓力傳感器校準(zhǔn)工裝：加工一個(gè)加載桿代替軸承和主軸，再把標(biāo)準(zhǔn)力傳感器串聯(lián)到封閉加載框架以內(nèi)，如圖5所示。兩種方法的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)如表1、表2所示。

1.活塞 2.加載桿 3.標(biāo)準(zhǔn)力傳感器圖5 校準(zhǔn)工裝

表1 增壓技術(shù)加載原理校準(zhǔn)數(shù)據(jù)

表2 傳統(tǒng)液壓加載原理校準(zhǔn)數(shù)據(jù)

3.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

從上節(jié)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)可知，低載荷時(shí)測(cè)量精度比較差，尤其傳統(tǒng)液壓加載原理的測(cè)量精度超過了要求的±0.5%FS精度指標(biāo)。對(duì)兩種加載原理分別進(jìn)行30kN低載荷長時(shí)保載試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線如圖6所示。

圖6 30kN載荷保載試驗(yàn)數(shù)據(jù)

從校準(zhǔn)和低載荷加載保持結(jié)果數(shù)據(jù)可知，增壓技術(shù)加載原理的測(cè)量精度滿足精度±0.5%FS要求。采用該技術(shù)完成的370kN高載荷保載試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖7 370kN載荷保載試驗(yàn)數(shù)據(jù)

從低載荷和高載荷長時(shí)保載試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，基于增壓技術(shù)的液壓加載單元完全滿足軸向加載裝置的軸向載荷施加的平穩(wěn)性和精度指標(biāo)要求。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種滾動(dòng)軸承試驗(yàn)機(jī)軸向加載裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)單元，并配套設(shè)計(jì)了一種高響應(yīng)和穩(wěn)定的液壓加載單元。該單元利用增壓技術(shù)原理實(shí)現(xiàn)，通過校準(zhǔn)和試驗(yàn)驗(yàn)證，該軸向加載裝置完全滿足軸承試驗(yàn)機(jī)軸向加載的測(cè)量和控制精度要求。