恒載荷關(guān)節(jié)軸承壽命試驗(yàn)機(jī)的研制

尹廷林，谷春華，姬戰(zhàn)國，王暖春

(中機(jī)試驗(yàn)裝備股份有限公司，吉林 長春 130103)

1 引 言

目前，我國關(guān)節(jié)軸承壽命試驗(yàn)機(jī)有了一定的發(fā)展，一般都為液壓加載，精度尚可，但使用成本極高，且液壓泄漏是很難避免的，因此容易造成實(shí)驗(yàn)室環(huán)境污染?；诖?，依據(jù)關(guān)節(jié)軸承制造廠家提出的技術(shù)參數(shù)和試驗(yàn)方法，研制了杠桿砝碼加載的恒載荷關(guān)節(jié)軸承壽命試驗(yàn)機(jī)，目前已研制成功幾種規(guī)格，均已交付用戶，運(yùn)行良好。

2 關(guān)節(jié)軸承壽命試驗(yàn)機(jī)

2.1 概述

恒載荷關(guān)節(jié)軸承壽命試驗(yàn)機(jī)為純機(jī)械雙向加載的試驗(yàn)設(shè)備。軸承徑向載荷采用杠桿砝碼加載。砝碼經(jīng)過計(jì)量，杠桿支撐均采用刀口，因此加載精度非常高，并且很穩(wěn)定。擺動(dòng)載荷通過變頻電機(jī)帶動(dòng)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行加載，由扭矩傳感器、光電編碼器分別測量扭矩、扭角。磨損采用激光測距儀非接觸式測量，測量關(guān)節(jié)軸承的內(nèi)外圈徑向相對(duì)位移。軟件可實(shí)時(shí)繪制試驗(yàn)曲線，可以顯示扭矩、扭角、磨損量、溫度、摩擦系數(shù)等。

2.2 主要技術(shù)指標(biāo)(以600kN為例)

徑向載荷：600kN；

扭矩：14000N·m；

徑向載荷精度：示值的±1%；

擺動(dòng)角度：±60°；

擺動(dòng)頻率：0.3Hz—1Hz。

如果是小噸位機(jī)型，擺動(dòng)角度可達(dá)到±80°，其小角度最高擺動(dòng)頻率可達(dá)6Hz。

3 試驗(yàn)機(jī)工作原理及組成

恒載荷關(guān)節(jié)軸承壽命試驗(yàn)機(jī)主要由主機(jī)系統(tǒng)、杠桿砝碼加載系統(tǒng)、擺動(dòng)加載系統(tǒng)，測量控制系統(tǒng)等4部分組成。主機(jī)采用臥式結(jié)構(gòu)，軸承工裝安裝在工作臺(tái)上，徑向載荷采用杠桿砝碼機(jī)構(gòu)加載，杠桿可通過接近開關(guān)和對(duì)中指針與標(biāo)尺監(jiān)測平衡。擺動(dòng)部分通過變頻器控制變頻電機(jī)帶動(dòng)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)和齒輪增速齒輪箱帶動(dòng)關(guān)節(jié)軸承主軸擺動(dòng)。通過扭矩傳感器測量扭矩，詳見圖1。

1.激光反射板 2.激光測距儀 3.砝碼 4.標(biāo)尺 5.指針 6.液壓千斤頂 7.負(fù)荷傳感器 8.杠桿 9.彈性聯(lián)軸器 10.扭矩傳感器 11.傳動(dòng)箱 12.曲柄搖桿機(jī)構(gòu) 13.驅(qū)動(dòng)電機(jī) 14.手壓泵圖1 主機(jī)示意圖

杠桿砝碼加載系統(tǒng)由砝碼、支承、杠桿及杠桿平衡檢測裝置組成。砝碼由多級(jí)組成，砝碼的標(biāo)稱值即為徑向力值。最小砝碼標(biāo)稱值1N，最大砝碼標(biāo)稱值12.5kN，可自由組合成各種加載值。主機(jī)上配備負(fù)荷傳感器測力，精度高、穩(wěn)定性好，并且采用電腦實(shí)時(shí)測量。

擺動(dòng)加載系統(tǒng)由變頻器控制變頻電機(jī)和減速機(jī)帶動(dòng)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。曲柄端加慣性飛輪，在搖桿高速時(shí)儲(chǔ)存能量，低速時(shí)釋放能量，減少對(duì)主動(dòng)傳動(dòng)端的沖擊。主傳動(dòng)減速機(jī)輸入端加兩級(jí)慣性飛輪，節(jié)省電機(jī)能量消耗。傳動(dòng)帶輪與飛輪間用彈性聯(lián)軸器連接，減小安裝誤差對(duì)主傳動(dòng)減速機(jī)的影響。搖桿采用對(duì)稱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，增加平衡性。連桿長短可調(diào)以適應(yīng)不同擺角需要。由于曲柄搖桿擺角有限制，而試驗(yàn)角度又超過了搖桿的擺角極限，所以采用一級(jí)增速機(jī)構(gòu)，很好地解決了曲柄搖桿的最大擺角限制問題。

4 試驗(yàn)軟件

該試驗(yàn)機(jī)采用電腦控制，軟件基于Windows系統(tǒng)編寫，符合Windows的操作習(xí)慣。試驗(yàn)機(jī)軟件界面如圖2所示。試驗(yàn)軟件可測量摩擦扭矩、徑向力、擺角、摩擦系數(shù)、磨損量、軸承溫度、環(huán)境溫度、擺動(dòng)次數(shù)等，可繪制擺角、扭矩的時(shí)間曲線?？芍庇^地顯示磨損量、軸承溫度、摩擦系數(shù)隨擺動(dòng)次數(shù)的變化趨勢。試驗(yàn)數(shù)據(jù)可導(dǎo)出到EXCEL進(jìn)行后續(xù)處理。

圖2 試驗(yàn)軟件界面

5 試驗(yàn)分析

經(jīng)過對(duì)關(guān)節(jié)軸承實(shí)際測試，徑向加載載荷采用杠桿砝碼加載，載荷非常穩(wěn)定。由于杠桿采用刀口支撐，砝碼也經(jīng)過計(jì)量，因此加載非常精準(zhǔn)。主機(jī)上配置了測力傳感器和扭角傳感器，軟件也可實(shí)時(shí)顯示力值和擺角的變化。由于關(guān)節(jié)軸承壽命試驗(yàn)頻率不高，因此試驗(yàn)一般持續(xù)的時(shí)間會(huì)比較長，此種結(jié)構(gòu)的加載方式優(yōu)勢非常明顯，不管加載持續(xù)多長時(shí)間，都不需要消耗額外能源。

擺動(dòng)加載采用曲柄搖桿結(jié)構(gòu)也比較合理，不需要復(fù)雜的閉環(huán)控制技術(shù)，也不需要調(diào)校各種PID參數(shù)，只需要利用變頻調(diào)速技術(shù)，按需要的頻率調(diào)定轉(zhuǎn)速即可。采用增速機(jī)構(gòu)增大曲柄搖桿的擺角限制，也是一種創(chuàng)新。由于采用了無急回特性的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，因此運(yùn)行非常平穩(wěn)。從軟件上看，擺角曲線也非常平滑、對(duì)稱。

當(dāng)然，本機(jī)也存在一些不足：砝碼人工裝卸，比較費(fèi)力；更換擺角時(shí)需要改變曲柄長度，同時(shí)連桿和搖桿長度也要改變，都需要人工調(diào)整，有些費(fèi)時(shí)費(fèi)力，好在調(diào)整一次能做很長時(shí)間試驗(yàn)。所以，該試驗(yàn)機(jī)總體上仍有改進(jìn)的空間。

6 結(jié)束語

經(jīng)過調(diào)校和試驗(yàn)，多臺(tái)采用此結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)機(jī)已交付用戶，并已運(yùn)行多年，運(yùn)行狀態(tài)一直良好，在用戶的關(guān)節(jié)軸承產(chǎn)品測試中發(fā)揮了重要作用，研制取得了成功。徑向加載采用杠桿砝碼，力值準(zhǔn)確，穩(wěn)定性好，同時(shí)節(jié)能環(huán)保，沒有液壓油泄漏和油液污染，很值得推廣。