摘 要:介绍了轴承磨损试验机的研制背景,叙述了轴承磨损试验机结构特点和测试原理。结合调试和用户生产过程中的测试,进行了试验数据分析,同时指出试验机尚存在的问题和不足。
1 引言
关节轴承的主要失效形式是磨损,由于磨损使轴承内部的游隙明显加大,从而引起轴承支撑部位的振动和噪声增加,使机械的运行状态变差,常导致轴承不能正常工作,使轴承在疲劳损坏前发生破坏。因此研究关节轴承的磨损寿命测试技术是一项非常重要的工作。而自润滑型关节轴承的关键技术在于衬垫,国产衬垫的研究与制造虽与国外有很大差距,但也有了一定的发展,正处在提高阶段。尤其是航空航天用的关节轴承的衬垫以前主要依靠进口,常常受到国外的限制,因此必须提高国产衬垫技术水平。而要提高,就必须不断试验,不断改进。因此亟需进行测定轴承衬垫磨损的试验设备。此前,我国大直径、受重载的关节轴承磨损试验机的研发基本尚处于空白,小直径、轻载轴承试验机也只有制造厂家或研究机构自行设计制造的非专业测试设备,精度和准确性都不高。基于此,依据关节轴承制造厂家的技术要求和试验方法,研制了轴承磨损试验机,目前已制造大中小三种规格,基本满足各种载荷的大中小关节轴承的测试需求。
2 轴承磨损试验机概述
2.1 概述
轴承磨损试验机为二轴双向专用试验设备。轴承径向载荷采用伺服油缸加载。利用电液伺服闭环控制原理,进行负荷、位移控制。其负荷、位移状态可任意切换,安全可靠。扭转部分通过伺服电机带动摆线针轮减速机输出扭矩,由扭矩传感器、光电编码器分别测量扭矩、扭角,并组成闭环系统进行控制。磨损测量采用差动变压器式位移传感器,测量试验过程中外圈相对于内圈的径向位移。还可测量关节轴承的最大启动扭矩。计算机可实时采集试验数据绘制曲线,并可存储试验数据进行后处理。轴承磨损试验机主要由主机、液压源、测量控制系统三部分组成。
2.2 主要技术指标
径向载荷最大试验力按大中小分别为:700 kN、300 kN、100 kN。
扭矩最大试验力按大中小分别为:5000 Nm、1500 Nm、200 Nm。
试验力(含径向负荷和扭矩)精度:示值的±1%,衰减档:1、2、5。
位移测量范围:±75 mm,测量精度:±1%F.S。
变形(磨损)测量范围:0~0.5 mm,分辨率0.005 mm。
变形(磨损)测量精度:±1%F.S。
油缸行程:150 mm。
控制方式:具有负荷、位移控制方式。
摆动角度:±25°。
摆动频率:1~15次/分可调。
最大摆动次数: 10万次。
3 试验机工作原理及组成
3.1 工作原理
从油源输出的高压油流经滤油器进入电液伺服阀,同时由电控系统给定的电信号与从负荷传感器或位移、应变传感器输出的反馈信号相比较,将此差值信号放大后送至电液伺服阀,把电信号转变为油的流量,高压油输入到作动器的上下油腔、驱动活塞运动,活塞杆与负荷传感器、压头相连,因此使试件上及测力传感器产生的负荷信号与电控系统给定的设定信号有相同的变化,这时作用于试件上的负荷和油缸的位移由负荷传感器、位移传感器测出。扭转部分通过伺服电机带动减速机等传递扭矩,由扭矩传感器、角位移传感器分别测量扭矩、扭角,并组成闭环系统进行控制。
3.2 试验机组成
试验机由主机系统、液压系统、电控系统组成。主机由轴承径向加载和扭转两部分组成。轴承径向加载部分由横梁、立柱和工作台组成的封闭框架加上伺服油缸、负荷传感器、压头、试验工装、磨损测量装置等组成。扭转部分由伺服电机、减速机、扭矩传感器、光电编码器、万向联轴器等组成。图2为700kN主机结构简图。300 kN、100 kN主机与700 kN主机结构基本相同,只是700 kN主机由于试验轴承要求施加径向载荷大,扭转过程中摩擦力很大,试验过程中产生的热量较高,导致试验轴承温度上升很快,因此配置了测温装置和冷却装置,使试验轴承的温度被控制在80℃以下。300 kN和100 kN主机配置了-70℃~350℃的环境箱,因此可做关节轴承的高低温环境下的磨损试验。
3.3 测量原理
关节轴承的磨损试验主要是测试自润滑衬垫磨损量。本试验机是采用测长法来测量磨损量,即用试件的内外圈相对摆动后,在径向尺寸发生变化测定磨损量,并采用径向位移量与电测量相互转换的方法,对磨损量进行连续测量。这种测量方法的优点:(1)能连续记录磨损情况并绘成曲线,便于研究分析。(2)测量结果可靠,精度较高。(3)能直接反映位移量,符合有关标准的要求。根据这一设计思路,关节轴承磨损测试原理如图1所示,中间被试轴承受到径向载荷作用,当主轴摆动后,被试轴承的内外滚道产生摩擦磨损。轴承磨损后,将会使轴承的外圈连同试验机的压块产生径向位移;两端支承轴承为滚动轴承产生摩擦磨损量很小可忽略,因此试验机的压块产生的垂向位移即为被试轴承的磨损量。
3.4 主机结构
主机为四立柱式框架结构,伺服作动器直接固定于横梁上,压头通过负荷传感器连接在活塞杆上,轴承夹具安装在工作台上,摆动部分通过传动轴与工装的轴相连,详见图2。
4 试验软件
该机采用计算机控制,主要操作都是通过计算机虚拟面板来完成的,操作方便快捷。计算机的虚拟面板主要由两部分组成:主菜单及主面板,如图3所示。主菜单包括文件管理、试验参数、试验选择、曲线、数据处理、打印。主面板主要由以下几部分组成(至上而下):显示表头(位移、负荷、变形)、负荷量程档位、试验状态和控制方式按键、扭角、扭矩和摆动次数显示表头、扭转试验状态控制按键、试验的开始和结束按键等。主要的控制操作,都是通过该面板完成的,所以称其为主面板。
5 试验分析
试验过程中可显示实时曲线,可以自动记录试验数据,并可设置记录试验数据的时间间隔。图4是GEC130向心关节轴承的一组试验数据,数据可导出到EXCEL进行后处理,图5是GEC130向心关节轴承试验25000次的实时曲线,上面的曲线为扭矩,下面的为磨损量,从曲线上可以看出:扭矩、变形(衬垫磨损量)随着试验次数增加的变化趋势,通过缩放可以看出其数值,也可查看记录的数据。从曲线上可以看出,随着试验次数的增加,扭矩渐渐变小到某一值附近开始趋于稳定,磨损量也是开始增加较快,到一定值时趋于平稳。在标准中规定的次数内,磨损量小于规定值,轴承即合格,试验机在产品的抽检检验中发挥了重要作用。
从曲线中可以看出,磨损量开始有一个急剧上升又下降的趋势,这是本试验机的一点不足之处,就是大直径关节轴承在摆动过程中扭矩很大,轴承温度上升很快,对磨损测量装置有一定的影响,由于有冷却装置,温度趋于稳定后,变形曲线也恢复稳定.
试验结束后用专用仪器测量磨损间隙,与计算机采集到的磨损量对比,测量结果还是准确的。小直径轴承则没有这种现象。在100KN和300KN试验机上的试验均没有这种现象。尽管这样,温度变化对测量装置的影响还是不容忽视的,应该加以改进。
试验还进行了启动扭矩测量,以计算关节轴承衬垫的摩擦系数。在扭矩测量过程中,工装轴承的摩擦引起的扭矩也在其中,因此计算机采集到的最大扭矩,并不是真实的关节轴承的摩擦带来的扭矩,虽然工装轴承为滚动摩擦,带来的扭矩很小,但无法消除,对试验结果还是有一定的影响,需要改进
6 结束语
通过研制过程中的调试试验和在用户处的成功应用,轴承磨损试验机的研制取得了成功。目前已经为用户设计制造了三台,均已交付使用并在用户处运行良好,在用户的关节轴承产品检验中发挥了重要作用。根据主机结构形式可定义为压扭疲劳试验机,在其他行业也可推广使用。
参考文献
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本文作者：迟成芳,尹廷林,尹芳芳,赵国章
