軸承試驗(yàn)技術(shù)及試驗(yàn)機(jī)

馬 偉，莊樹明，孫 勇，云 峰

(中機(jī)試驗(yàn)裝備股份有限公司，吉林 長春 130103)

1 引 言

軸承是機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的重要支撐基礎(chǔ)件，直接影響裝備的技術(shù)水平和質(zhì)量性能，被譽(yù)為“工業(yè)的關(guān)節(jié)”。當(dāng)前，風(fēng)力發(fā)電機(jī)軸承、高鐵軸承等高端軸承被國外公司壟斷和控制，高端軸承已經(jīng)成為重要的戰(zhàn)略資源，是國防安全、民生保障的重要物資。國內(nèi)軸承企業(yè)的產(chǎn)品研發(fā)能力與國外先進(jìn)企業(yè)相比尚有較大差距，尤其是在軸承綜合性能試驗(yàn)、檢驗(yàn)檢測、產(chǎn)品研發(fā)、工程技術(shù)服務(wù)等方面差距更大，這些差距已成為制約國內(nèi)軸承產(chǎn)品創(chuàng)新升級和技術(shù)進(jìn)步的瓶頸。軸承企業(yè)加強(qiáng)新產(chǎn)品試制手段、全面增強(qiáng)軸承試驗(yàn)?zāi)芰Α⑼晟戚S承綜合檢驗(yàn)檢測手段，可以提升企業(yè)的自主研發(fā)創(chuàng)新能力，提升企業(yè)的市場競爭能力。

隨著高速、高精、高可靠性、低摩擦、低振動(dòng)、低噪聲軸承及特殊工況下使用的專用軸承產(chǎn)品的不斷研發(fā)，對軸承檢測技術(shù)、試驗(yàn)等方面都提出了更高的要求，也為大力發(fā)展軸承試驗(yàn)設(shè)備提供了廣闊的市場和機(jī)遇。目前，中機(jī)試驗(yàn)已經(jīng)為包括航空、航天、軌道交通、科研院所和大專院校等在內(nèi)的眾多行業(yè)提供了各類軸承試驗(yàn)設(shè)備，其中包含關(guān)節(jié)軸承、滾動(dòng)軸承、汽車和火車輪轂軸承、飛機(jī)起落架軸承、直升機(jī)主旋翼軸承等疲勞壽命試驗(yàn)設(shè)備。

軸承試驗(yàn)機(jī)的種類較多，其功能和用途也有所不同，包括軸承性能試驗(yàn)機(jī)、疲勞壽命試驗(yàn)機(jī)、強(qiáng)化試驗(yàn)機(jī)、設(shè)計(jì)驗(yàn)證試驗(yàn)機(jī)等，但這些試驗(yàn)設(shè)備的主機(jī)結(jié)構(gòu)原理、載荷施加技術(shù)、驅(qū)動(dòng)技術(shù)、測試技術(shù)、控制技術(shù)卻基本相同。下文對軸承試驗(yàn)機(jī)的共性技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2 主機(jī)結(jié)構(gòu)原理

試驗(yàn)機(jī)的主機(jī)框架主要用于承載及軸承專用工裝的連接、測控部件的安裝布局等。專用工裝部分包含承載主軸、陪試軸承及軸承潤滑密封等。其中，陪試軸承是試驗(yàn)機(jī)的關(guān)鍵零部件，其性能優(yōu)劣決定了試驗(yàn)機(jī)的極限轉(zhuǎn)速和最大承載力，也決定了試驗(yàn)機(jī)的旋轉(zhuǎn)精度，進(jìn)而影響主軸跳動(dòng)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。按主機(jī)結(jié)構(gòu)分類，一般分為橋式結(jié)構(gòu)、懸臂結(jié)構(gòu)、組合式結(jié)構(gòu)。

2.1 橋式結(jié)構(gòu)

橋式結(jié)構(gòu)分三點(diǎn)式結(jié)構(gòu)和四點(diǎn)式結(jié)構(gòu)。三點(diǎn)式結(jié)構(gòu)中，中間是一個(gè)試驗(yàn)軸承，兩端安裝兩個(gè)陪試軸承，起支撐作用。四點(diǎn)式結(jié)構(gòu)中，中間是兩個(gè)試驗(yàn)軸承，兩端安裝兩個(gè)陪試軸承，起支撐作用。其中，陪試軸承也可以采用相同規(guī)格的試驗(yàn)軸承，可以同時(shí)試驗(yàn)4個(gè)軸承。橋式結(jié)構(gòu)試驗(yàn)機(jī)多用于疲勞壽命試驗(yàn)。

2.2 懸臂結(jié)構(gòu)

試驗(yàn)軸承安裝軸采用懸臂梁結(jié)構(gòu)，一側(cè)支撐，一側(cè)安裝試驗(yàn)軸承，每次只能試驗(yàn)一套軸承，拆裝、測試方便，擴(kuò)展功能也很容易，比如增加高低溫環(huán)境、噴水噴粉環(huán)境、泥漿環(huán)境等。懸臂結(jié)構(gòu)試驗(yàn)機(jī)多用于性能試驗(yàn)及研究。

2.3 組合式結(jié)構(gòu)

采用類似試驗(yàn)軸承使用工況下的安裝結(jié)構(gòu)，或直接采用試驗(yàn)軸承使用時(shí)的軸箱和主軸的主機(jī)結(jié)構(gòu)。此種結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但試驗(yàn)方法更接近實(shí)際工況，對軸承的應(yīng)用更具指導(dǎo)意義，主要用于工況模擬試驗(yàn)機(jī)。

3 載荷施加技術(shù)

試驗(yàn)載荷是軸承試驗(yàn)機(jī)的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，其載荷大小決定了測試軸承的大小范圍，其加載精度決定了試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確度。不同功能需求的軸承試驗(yàn)機(jī)對精度和速度的要求各不相同，比如軸承強(qiáng)化試驗(yàn)機(jī)對加載精度要求較高，一般需達(dá)到0.5%FS，但對加載速度要求緩慢加載即可。常用的載荷施加方法有杠桿砝碼加載、彈簧加載、電動(dòng)加載、液壓加載等。

3.1 杠桿砝碼加載

杠桿砝碼加載由加載砝碼質(zhì)量和杠桿比來確定載荷的大小。這種加載方式結(jié)構(gòu)簡單，不需要載荷傳感器測試，且成本較低，適用于壽命試驗(yàn)，但試驗(yàn)過程中不能改變試驗(yàn)載荷，也不適合高速，因速度過高會(huì)引起砝碼振動(dòng)，導(dǎo)致載荷不穩(wěn)。

3.2 彈簧加載

通過壓縮或拉伸彈簧來進(jìn)行加載。加載前對彈簧的剛度進(jìn)行標(biāo)定，試驗(yàn)時(shí)通過調(diào)整彈簧的壓縮量或伸長量來調(diào)節(jié)試驗(yàn)載荷的大小。彈簧加載的調(diào)整范圍較小，成本低廉，一般用于恒定載荷疲勞試驗(yàn)。

3.3 電動(dòng)加載

通過步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)蝸輪蝸桿升降機(jī)進(jìn)行加載，或通過伺服電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠加載，載荷的大小通過負(fù)荷傳感器進(jìn)行測量，并形成閉環(huán)控制，從而實(shí)現(xiàn)載荷的準(zhǔn)確加載。電動(dòng)加載一般加載頻率較低，不超過5Hz。為防止加載力過沖，一般會(huì)在加載頭安裝彈性裝置，以減少?zèng)_擊。

3.4 液壓加載

通過調(diào)節(jié)液壓缸加載腔的壓力來控制載荷的大小。根據(jù)調(diào)節(jié)方式的不同，又分為手動(dòng)液壓加載、比例閥自動(dòng)加載、電液伺服閥加載。

(1)手動(dòng)液壓加載：通過手動(dòng)旋鈕調(diào)節(jié)液壓缸的壓力，達(dá)到控制試驗(yàn)載荷的目的。這種加載方式簡單、無噪聲，但精度低，需要人為調(diào)節(jié)，而且受加載缸摩擦力和內(nèi)泄影響較大，一般用于壽命試驗(yàn)。

(2)比例閥自動(dòng)加載：由液壓站、比例閥控制系統(tǒng)和壓力傳感器或載荷傳感器組成閉環(huán)系統(tǒng)。由比例閥控制系統(tǒng)的數(shù)字調(diào)節(jié)器或函數(shù)發(fā)生器來控制比例閥的開度大小和方向，進(jìn)而控制施加到測試軸承上的載荷。此液壓系統(tǒng)較復(fù)雜、成本較高，但控制精度良好，通過PID調(diào)整可以達(dá)到1%控制精度。系統(tǒng)的最大特點(diǎn)是載荷可以按試驗(yàn)需求自定義變化，特別適合進(jìn)行模擬試驗(yàn)。

(3)電液伺服閥加載：電液伺服閥的響應(yīng)遠(yuǎn)高于比例閥，當(dāng)試驗(yàn)頻率高于5Hz或載荷曲線變化比較激烈時(shí)，比例閥自動(dòng)加載就會(huì)嚴(yán)重滯后且無法達(dá)到試驗(yàn)峰谷值，此時(shí)需要采用電液伺服閥加載系統(tǒng)。電液伺服閥加載的原理和比例閥加載相同，只是該系統(tǒng)的加載速度更快，頻率響應(yīng)更高，采用摩擦副作動(dòng)器可達(dá)50Hz，采用中機(jī)試驗(yàn)靜壓作動(dòng)器可達(dá)到300Hz。此類試驗(yàn)設(shè)備價(jià)格昂貴，常用于軍工試驗(yàn)和特殊試驗(yàn)等。

4 驅(qū)動(dòng)技術(shù)

進(jìn)行軸承試驗(yàn)時(shí)，需要試驗(yàn)主軸按一定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)或按一定的頻率及擺角往復(fù)擺動(dòng)。驅(qū)動(dòng)主軸的方式有：變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)、電主軸驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)等。

4.1 變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)

變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)由變頻器、變頻電機(jī)及傳動(dòng)組件組成。通過變頻器來調(diào)節(jié)電機(jī)供電電源的頻率，就可以自由地控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度。一般通過皮帶或聯(lián)軸器連接電機(jī)與主軸，驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)軸承內(nèi)圈或外圈旋轉(zhuǎn)。

4.2 伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)

伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)由伺服電機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)器、編碼器等組成，主要用于試驗(yàn)軸承的調(diào)速范圍要求很大時(shí)，比如試驗(yàn)最低轉(zhuǎn)速為最高轉(zhuǎn)速的2%時(shí)，就比較適合使用。其轉(zhuǎn)速控制精度高，可達(dá)到0.1%或更高，但試驗(yàn)功率較小，大于30kW的伺服電機(jī)就需要特殊定制。

4.3 電主軸驅(qū)動(dòng)

電主軸直接驅(qū)動(dòng)用于軸承試驗(yàn)轉(zhuǎn)速超過8000r/min時(shí)，可減少傳動(dòng)組件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。該系統(tǒng)由電主軸、轉(zhuǎn)速傳感器、變頻器等組成?？紤]到高轉(zhuǎn)速軸承發(fā)熱，需要對電主軸軸承、支撐軸承、試驗(yàn)軸承(若需要)進(jìn)行潤滑冷卻，系統(tǒng)一般配有冷卻潤滑裝置。

4.4 液壓驅(qū)動(dòng)

液壓驅(qū)動(dòng)主要用于關(guān)節(jié)軸承、軸瓦等摩擦副軸承試驗(yàn)機(jī)，其主要由擺動(dòng)作動(dòng)器或液壓馬達(dá)來驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)主軸，運(yùn)動(dòng)形式一般為往復(fù)擺動(dòng)。液壓驅(qū)動(dòng)的主要優(yōu)點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)扭矩大，可達(dá)10000N·m甚至更高。對于較小扭矩的作動(dòng)器，擺動(dòng)頻率可以控制到100Hz。液壓驅(qū)動(dòng)主要用于航空航天自潤滑軸承疲勞試驗(yàn)機(jī)。

5 測試技術(shù)

測試技術(shù)是試驗(yàn)機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)。試驗(yàn)機(jī)的控制參數(shù)和測量反饋參數(shù)都需要進(jìn)行采集、存儲(chǔ)和處理，主要是通過單片機(jī)、PLC、數(shù)據(jù)采集卡等進(jìn)行測試，并通過工控機(jī)或工業(yè)顯示器來顯示和操作，主要測試參數(shù)有載荷、轉(zhuǎn)速、溫度、振動(dòng)、磨損量等。

5.1 載荷測試

試驗(yàn)載荷是軸承試驗(yàn)機(jī)的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，載荷大小決定了測試軸承的大小范圍，其加載精度決定了試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確度。一般要求靜態(tài)精度不超過示值的1%，動(dòng)態(tài)精度不超過示值的3%。可以采用負(fù)荷傳感器直接測量，也可以通過用壓力傳感器測量加載腔的油壓來換算。精度要求較高時(shí)，多用負(fù)荷傳感器直接測量。

5.2 轉(zhuǎn)速測試

試驗(yàn)軸承的轉(zhuǎn)速是試驗(yàn)機(jī)的主要控制參數(shù)，開環(huán)轉(zhuǎn)速控制誤差會(huì)超過2%，在軸承試驗(yàn)機(jī)上不建議使用。當(dāng)前試驗(yàn)機(jī)多采用光電編碼器或其他形式的轉(zhuǎn)速測量傳感器與電機(jī)變頻器或控制器形成轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制，轉(zhuǎn)速控制精度可達(dá)0.5%。

試驗(yàn)軸承的溫升是軸承質(zhì)量的綜合反映，新產(chǎn)品研制時(shí)需要測試軸承的溫升情況。測試時(shí)應(yīng)盡量貼近軸承內(nèi)圈或外圈，試驗(yàn)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，哪個(gè)圈固定，就測量哪個(gè)圈。特殊情況需要同時(shí)測量內(nèi)外圈，旋轉(zhuǎn)側(cè)的溫度信號(hào)需要通過電滑環(huán)把測控信號(hào)導(dǎo)出，但電滑環(huán)可靠性偏差、壽命較短，也不建議使用。對于使用時(shí)需要通潤滑油的試驗(yàn)，試驗(yàn)軸承的供油溫度、回油溫度也需要進(jìn)行測量。對于比較苛刻的試驗(yàn)，還必須嚴(yán)格控制潤滑油供油的溫度。溫度傳感器可以采用K型、J型熱電偶，溫度范圍-60℃～350℃，精度±1℃。

5.3 振動(dòng)測試

振動(dòng)參數(shù)通常用于判定軸承是否失效。對于不同的試驗(yàn)軸承、不同的試驗(yàn)機(jī)，軸承疲勞失效時(shí)的振動(dòng)值并不是一個(gè)定值，這需要試驗(yàn)人員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來確定。為了對振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析，需要對信號(hào)進(jìn)行高速采集，采樣頻率一般要求大于10kHz。但為了避免由于控制系統(tǒng)或加載系統(tǒng)的干擾造成振動(dòng)超限而產(chǎn)生誤停機(jī)，需要對超限值進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，可采用多次觸發(fā)或一段時(shí)間觸發(fā)才認(rèn)為振動(dòng)超限有效。

5.4 磨損量測試

磨損量測試主要用于關(guān)節(jié)軸承、軸瓦等摩擦副軸承在長時(shí)間試驗(yàn)過程中磨損厚度測量，分在線測量和線下測量。在線測量可采用光柵尺、差動(dòng)變壓器、激光位移傳感器等，傳感器自身精度較高，但由于運(yùn)行時(shí)干擾因素較多，僅能作為參考。具體磨損量的數(shù)值需要進(jìn)行線下測量。

6 控制技術(shù)

當(dāng)前，軸承試驗(yàn)機(jī)控制技術(shù)的核心為控制器，主要有專用動(dòng)靜態(tài)控制器、工業(yè)計(jì)算機(jī)、NI或PLC等，基本都可以實(shí)現(xiàn)長時(shí)試驗(yàn)無人看守，試驗(yàn)機(jī)可以按設(shè)置好的程序自動(dòng)運(yùn)行，所有試驗(yàn)參數(shù)、反饋測量參數(shù)均可以設(shè)置上下限報(bào)警值。當(dāng)所測試的參數(shù)超過報(bào)警值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)停機(jī)。配置上位機(jī)軟件，可以方便地操作，靈活地編譯試驗(yàn)流程。

7 試驗(yàn)機(jī)簡介

本文主要結(jié)合中機(jī)試驗(yàn)運(yùn)用上述技術(shù)研制的軸承試驗(yàn)機(jī)，來介紹不同種類的試驗(yàn)機(jī)功能、結(jié)構(gòu)、原理、性能參數(shù)等。

7.1 圓錐滾子軸承試驗(yàn)機(jī)

專用于測試圓錐滾子軸承的疲勞壽命，為軸承性能評估提供了試驗(yàn)條件。該試驗(yàn)機(jī)的主要功能：對成對的圓錐滾子軸承進(jìn)行軸向加載，并進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)，通過溫度、振動(dòng)、摩擦扭矩等參數(shù)判定軸承是否失效，檢測軸承的使用壽命。

主要技術(shù)參數(shù)：最大軸向載荷400kN；靜態(tài)測量精度±1%FS(4%～100%范圍內(nèi))；最高轉(zhuǎn)速1600r/min；軸承外圈尺寸70mm～200mm；軸承內(nèi)圈尺寸60mm～130mm。圓錐滾子軸承試驗(yàn)機(jī)如圖1所示。

圖1 圓錐滾子軸承試驗(yàn)機(jī)

7.2 汽車輪轂軸承試驗(yàn)機(jī)

專用于測試輪轂軸承的疲勞壽命，可實(shí)現(xiàn)同時(shí)對兩組輪轂軸承進(jìn)行徑向加載，模擬車負(fù)重對輪轂軸承的載荷。徑向加載位置與輪轂軸承邊緣間距A可橫向調(diào)整，保證輪胎接地點(diǎn)與軸承邊緣之間的距離。對兩組輪轂軸承同時(shí)進(jìn)行軸向加載，模擬車在轉(zhuǎn)彎過程中地面通過輪胎給輪轂軸承施加的軸向載荷。軸向加載軸線與輪轂軸承軸線間距B可調(diào)，模擬不同半徑輪胎的受力情況。通過變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)輪轂軸承的外圈，實(shí)現(xiàn)模擬軸承的轉(zhuǎn)動(dòng)。該試驗(yàn)機(jī)可全方位模擬輪轂軸承的受載及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并通過溫度、振動(dòng)、轉(zhuǎn)速等傳感器采集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，判定軸承是否失效。

設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)：最大徑向試驗(yàn)力150kN；最大軸向試驗(yàn)力±60kN；最高轉(zhuǎn)速1500r/min，變頻調(diào)速；徑向加載軸線與輪轂軸承邊緣間距A在0～150mm可以調(diào)整；軸向加載軸線與輪轂軸承軸線間距B在350mm～700mm可調(diào)。汽車輪轂軸承試驗(yàn)機(jī)如圖2所示。

圖2 汽車輪轂軸承試驗(yàn)機(jī)

7.3 關(guān)節(jié)軸承壓擺疲勞摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)

主要用于測定各種關(guān)節(jié)軸承襯墊在承受徑向加載和軸向擺動(dòng)時(shí)的摩擦磨損壽命。配置各種環(huán)境裝置，如高溫環(huán)境、低溫環(huán)境、噴水環(huán)境和噴粉環(huán)境等，可對軸承進(jìn)行實(shí)際工況的模擬和測試。

目前，中機(jī)試驗(yàn)生產(chǎn)的該設(shè)備已經(jīng)形成從10kN/500N·m～1000kN/16000N·m的系列化，能覆蓋從0.1Hz到100Hz之間的所有頻率段試驗(yàn)，其產(chǎn)品性能指標(biāo)滿足法軍標(biāo)、美軍標(biāo)中對航空用關(guān)節(jié)軸承的要求。

主要技術(shù)參數(shù)：徑向作動(dòng)器10kN～1000kN；軸向擺動(dòng)作動(dòng)器500N·m～16000N·m；溫度范圍-60℃～350℃；最高頻響可達(dá)100Hz。關(guān)節(jié)軸承壓擺疲勞摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)如圖3所示。

圖3 關(guān)節(jié)軸承壓擺疲勞摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)

7.4 關(guān)節(jié)軸承工況模擬試驗(yàn)機(jī)

主要用于關(guān)節(jié)軸承實(shí)際使用工況再現(xiàn)的試驗(yàn)技術(shù)研究，可模擬關(guān)節(jié)軸承承受的徑向、軸向動(dòng)靜載荷，實(shí)現(xiàn)耦合周向回轉(zhuǎn)擺動(dòng)、傾斜運(yùn)動(dòng)及其多自由度的組合運(yùn)動(dòng)。在實(shí)現(xiàn)載荷和運(yùn)動(dòng)耦合的同時(shí)，可以增加環(huán)境模擬裝置，如高低溫環(huán)境箱、粉塵箱、鹽霧箱、溫濕度環(huán)境箱等。設(shè)置合理試驗(yàn)載荷譜，可摸擬實(shí)際使用工況。

主要技術(shù)參數(shù)：實(shí)現(xiàn)徑向、軸向加載，軸向擺動(dòng)和傾斜；直線作動(dòng)器5kN～1000kN；擺動(dòng)作動(dòng)器500N·m～16000N·m；溫度范圍：-60℃～350℃；最高頻響可達(dá)30Hz。關(guān)節(jié)軸承工況模擬試驗(yàn)機(jī)如圖4所示。

圖4 關(guān)節(jié)軸承工況模擬試驗(yàn)機(jī)

7.5 飛機(jī)起落架軸承試驗(yàn)機(jī)

專用于測試飛機(jī)起落架中關(guān)節(jié)軸承的疲勞壽命，主要功能有：往復(fù)模擬飛機(jī)在降落時(shí)起落架中關(guān)節(jié)軸承所承受的沖擊載荷及高速滑動(dòng)，檢測起落架軸承的使用壽命。

主要技術(shù)參數(shù)：最大徑向試驗(yàn)力1000kN(沖擊力)；最大軸向試驗(yàn)力300kN(摩擦力)；靜態(tài)測量精度±1%(4%～100%范圍內(nèi))；往復(fù)運(yùn)動(dòng)行程500mm；間歇性往復(fù)運(yùn)動(dòng)，最大運(yùn)動(dòng)速度5m/s；試驗(yàn)軸承溫度不超過設(shè)定溫度(一般為100℃)。飛機(jī)起落架軸承試驗(yàn)機(jī)如圖5所示。

圖5 飛機(jī)起落架軸承試驗(yàn)機(jī)

7.6 直升機(jī)主旋翼軸承試驗(yàn)機(jī)

專用于測試直升機(jī)主旋翼軸承的疲勞壽命。直升機(jī)主旋翼軸承在運(yùn)行時(shí)可繞著垂直軸線進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)和各個(gè)方向的傾斜，并且在運(yùn)動(dòng)過程中還要承受徑向的動(dòng)載荷。針對這種情況，該試驗(yàn)機(jī)采用多軸協(xié)調(diào)加載伺服控制模式來對關(guān)節(jié)軸承的工況進(jìn)行模擬。在控制上需要對各個(gè)伺服缸進(jìn)行同步協(xié)調(diào)加載控制，按照平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)學(xué)控制方程將平臺(tái)的控制信號(hào)解耦，然后分別進(jìn)行協(xié)調(diào)加載控制，從而控制平臺(tái)按照試驗(yàn)要求進(jìn)行各個(gè)方向和各種傾斜角的控制和上下運(yùn)動(dòng)。為了保證動(dòng)態(tài)性能，對幾個(gè)伺服缸的幅值和相位進(jìn)行補(bǔ)償，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的動(dòng)靜態(tài)力控制和位移控制，充分地模擬和再現(xiàn)主旋翼軸承的實(shí)際工況。

主要技術(shù)參數(shù)：軸向、徑向載荷±50kN；運(yùn)動(dòng)形式為高速擺動(dòng)、滑動(dòng)、擺動(dòng)加滑動(dòng)；傾覆擺角范圍為，最大傾斜角度±15°，最大傾斜頻率5Hz；總距往復(fù)行程為，最大行程±100mm，最高往復(fù)頻率5Hz。直升機(jī)主旋翼軸承試驗(yàn)機(jī)如圖6所示。

圖6 直升機(jī)主旋翼軸承試驗(yàn)機(jī)

7.7 自潤滑襯墊三維球面擺動(dòng)摩擦性能試驗(yàn)機(jī)

該試驗(yàn)機(jī)對推力關(guān)節(jié)軸承施加軸向力，在模擬高低溫環(huán)境的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)球面摩擦副的三維擺動(dòng)，測試推力關(guān)節(jié)軸承中自潤滑襯墊的摩擦性能和使用壽命。通過控制系統(tǒng)載荷、溫度和擺動(dòng)模式，近似模擬材料使用的實(shí)際工況條件，實(shí)時(shí)測量材料的擺動(dòng)摩擦性能、動(dòng)態(tài)力學(xué)等參數(shù)，真實(shí)反映材料在使用工況下的綜合性能。軸向加載裝置為試樣提供軸向(Z向)載荷，由擺動(dòng)油缸部件和擺動(dòng)部裝實(shí)現(xiàn)試樣球面翻轉(zhuǎn)(Y向)擺動(dòng)和球面傾斜(X向)擺動(dòng)。軸向(Z向)加載、球面翻轉(zhuǎn)(Y向)和傾斜(X向)可以分別獨(dú)立運(yùn)行，也可以同步、異步協(xié)調(diào)運(yùn)行，可實(shí)現(xiàn)三維球面運(yùn)動(dòng)。試驗(yàn)環(huán)境為-60℃～+150℃。自潤滑襯墊三維球面擺動(dòng)摩擦性能試驗(yàn)機(jī)如圖7所示。

圖7 自潤滑襯墊三維球面擺動(dòng)摩擦性能試驗(yàn)機(jī)

8 軸承試驗(yàn)機(jī)及技術(shù)展望

軸承試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展是與軸承新產(chǎn)品的研發(fā)緊密相連的。隨著軸承新產(chǎn)品的不斷研發(fā)，對與軸承相關(guān)的各種試驗(yàn)方法、試驗(yàn)設(shè)備、數(shù)學(xué)仿真模型的建立、失效數(shù)據(jù)的處理、試驗(yàn)機(jī)的測控技術(shù)、自動(dòng)測量技術(shù)等，都提出了更高的要求。

8.1 軸承壽命試驗(yàn)方法及試驗(yàn)機(jī)標(biāo)準(zhǔn)化

影響軸承壽命及可靠性的因素較多，也非常復(fù)雜，軸承疲勞壽命理論還有待進(jìn)一步完善。我國對軸承壽命試驗(yàn)的研究起步較晚，對軸承失效機(jī)理的理論研究還不足，目前還處于試驗(yàn)數(shù)據(jù)積累階段，需要通過理論與實(shí)際相結(jié)合，摸索經(jīng)驗(yàn)。在此階段需要通過標(biāo)準(zhǔn)化、系列化的軸承試驗(yàn)機(jī)來探討一種有效的試驗(yàn)方法，形成行業(yè)公認(rèn)的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，包括試驗(yàn)規(guī)范、試驗(yàn)裝置、試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理方法和評定方法、試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫的建立等。

8.2 軸承試驗(yàn)技術(shù)的智能化和個(gè)性化

隨著各種高、精、專軸承的不斷研發(fā)，對軸承壽命及可靠性試驗(yàn)提出了更多智能化和個(gè)性化的需求，以滿足軸承使用條件漸趨苛刻的要求：精密、高壽命、高可靠性、低噪聲、節(jié)能、綠色(免維護(hù))、組合化與系統(tǒng)化等。根據(jù)特定的試驗(yàn)條件(類比實(shí)際工況參數(shù))設(shè)定載荷譜、轉(zhuǎn)速譜以滿足試驗(yàn)要求，同時(shí)運(yùn)用人工智能、傳感器神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和專家系統(tǒng)等知識(shí)庫技術(shù)進(jìn)行智能化處理，促進(jìn)軸承試驗(yàn)機(jī)及試驗(yàn)技術(shù)多元化、個(gè)性化發(fā)展。

8.3 理論與實(shí)際相結(jié)合進(jìn)行壽命預(yù)估

目前，軸承故障檢測與診斷技術(shù)已經(jīng)初步形成了一門跨學(xué)科、跨領(lǐng)域的綜合信息處理技術(shù)，科學(xué)而準(zhǔn)確地預(yù)估軸承的疲勞壽命是最實(shí)用、最復(fù)雜的工程應(yīng)用課題。在不久的將來，采用軸承試驗(yàn)機(jī)及試驗(yàn)軸承的尺寸、功能、性能等參數(shù)，通過運(yùn)動(dòng)仿真建立網(wǎng)絡(luò)虛擬試驗(yàn)機(jī)模型，實(shí)現(xiàn)在虛擬試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行疲勞壽命試驗(yàn)，并結(jié)合較少或較短的實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比和修正，預(yù)估軸承的疲勞壽命?；ヂ?lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)+軸承試驗(yàn)機(jī)技術(shù)，必將促進(jìn)軸承學(xué)術(shù)理論的快速發(fā)展。