ZS-15/30型軸承壽命試驗機全自動改造

宋劍虹，李超強，張 旭

(1.江門職業技術學院，廣東 江門 529090；2.洛陽軸承研究所有限公司，河南 洛陽 471039)

軸承壽命是表征軸承質量的重要指標，同時也是綜合性指標，其與產品設計、材料、工藝以及加工過程中的質量控制手段等諸多因素有關。隨著工業水平的不斷發展，對軸承的質量要求越來越高，軸承壽命在軸承質量中的地位也變得越來越重要。現仍有一些軸承企業采用ZS-15/30型老式軸承壽命試驗機，其具有精度低、加載系統不穩定、無自動控制系統、試驗成本高、工作強度大等缺點，已無法滿足目前高性能長壽命軸承的試驗需要。若全部淘汰而采用新一代的軸承壽命試驗機將會大幅增加成本，故采用新技術對原試驗機進行改造，以提高試驗精度、加載系統穩定性、自動化程度和智能水平。

1 試驗機結構原理及存在的問題

ZS-15/30型軸承壽命試驗機主要由機座、試驗頭箱體、試驗頭組件、軸向加載部件、徑向加載部件、傳動系統、潤滑冷卻部件及儀表等組成。其結構原理如圖1所示。

1—三角皮帶傳動機構；2—電動機；3—濾油器；4—油泵；5—集油器；6—油箱；7—手動螺旋調壓器；8—壓力表；9—軸向加載部件；10—試驗頭箱體；11—徑向加載部件；12—加載軸承；13—被試軸承；14—聯軸節；15—增速器圖1 ZS-15/30型軸承壽命試驗機原理圖

該試驗機采用手動螺旋調壓器實現液壓徑向加載或卸載，但由于油路泄漏或試驗過程中溫升等原因會造成試驗載荷變化，人工調整很難及時且準確地將試驗載荷誤差控制在試驗標準規定的±2%F.S范圍內。

該試驗機的傳動系統由普通電動機、三角帶、增速器和聯軸節組成，以實現試驗組件的主軸旋轉。試驗過程中，皮帶打滑和載荷變化等因素使得試驗轉速誤差難以控制在±2%F.S范圍內。并且增速器的膠木齒輪使用壽命較低，傳動系統無法實現無級調速。

在長達數百小時的試驗中，試驗人員需不間斷地輪班，通過壓力表及轉速表實現對載荷、轉速的監測并實施調節，使之穩定在試驗規程規定的范圍內；用溫度計測量軸承的溫度，通過溫升判定軸承是否失效；通過聽筒憑經驗判斷軸承振動情況，以確定是否失效；同時，按照試驗規程規定的時間間隔，定時監測和記錄試驗數據。

試驗結束后，根據記錄的試驗數據，人工在Weibull分布圖上依次描點，然后按照各點的位置，配置分布直線，由分布直線求出Weibull分布的斜率及特征壽命，最后求出基本額定壽命的試驗值L10t及可靠度Re；或者，根據記錄的試驗數據進行估計計算來確定基本額定壽命的試驗值L10t及可靠度Re。

此方法具有工作環境惡劣、人力成本高、準確性差、受人為因素影響大等缺點，為此對試驗機進行全自動化改造。

2 改造方案

本次改造分機械和電氣兩部分。機械部分只做部分改造；而電氣部分則全部重新設計，采用LabVIEW虛擬儀器技術，設計電氣測控系統硬件和軟件，實現試驗過程的全自動化和智能化。

2.1 機械部分

試驗機機械改造方案如圖2所示。該方案的機械部分最大程度地保留了原機械結構，只針對加載機構和驅動機構進行改造，并新增電主軸冷卻系統。

1—過濾器；2—冷卻泵；3—冷卻水箱；4—濾油器；5—油泵；6—集油器；7—油箱；8—螺旋調壓器；9—滑動聯軸器；10—壓力表；11—減速器；12—加載電動機；13—壓力變送器； 14—軸向加載部件；15—徑向加載部件；16—試驗頭箱體；17—聯軸節；18—電主軸圖2 ZS-15/30型軸承壽命試驗機改造原理圖

2.1.1 加載機構

將原徑向加載機構的手動螺旋調壓器改為由YN60-6微型電動機、60JB 300G8型減速器(減速比為300)和滑動聯軸器驅動的螺旋調壓裝置。電動機由計算機根據實際載荷與設定載荷的差值大小自動控制加載、卸載或保壓。

2.1.2 傳動系統

將原傳動機構所采用的普通電動機、三角帶傳動和增速器的驅動結構改為由120MD36Y8.5型電主軸直接驅動。電主軸由計算機通過串行口與變頻器通信來控制其試驗轉速，不但可以實現無級調速，而且可以在試驗中任意改變轉速。

2.1.3 電主軸冷卻系統

采用YSB三相機床冷卻電泵(流量50 L/min、揚程 4 m)、不銹鋼過濾器及冷卻水箱組成的循環供水系統對電主軸進行冷卻。

2.2 電氣系統硬件設計

2.2.1 主電路設計

改造后的控制系統主電路由斷路器、熔斷器、接觸器、中間繼電器、熱繼電器、變頻器和電動機等構成。圖3為壽命試驗機的控制系統主電路原理圖。

圖3 ZS-15/30型軸承壽命試驗機改造主電路

潤滑電動機M1對開式試驗軸承提供潤滑；冷卻電動機M2對電主軸進行冷卻；主軸電動機M3用于120MD36Y8.5型電主軸，由變頻器驅動試驗主軸組件；單相微型電動機M4和M5分別進行徑向和軸向加載、卸載或保壓。

2.2.2 測控系統的硬件設計

2.2.2.1 測控系統構成

測控系統主要由工控機、PCL-1202L型多功能數據采集卡(具有AD，DA，DI，DO功能)、DB-16P型16路光電隔離開關量輸入板、DB-16R型16路繼電器輸出板、DB-1825型模擬量輸入/輸出端子連接板及RS-232/RS-485接口轉換器等構成，如圖4所示。

圖4 ZS-15/30型軸承壽命試驗機改造測控原理圖

2.2.2.2 開關量輸入

DB-16P型16路光電隔離開關量輸入板用于輸入壽命試驗機的旋鈕開關、多位開關、接近開關及熱繼電器觸點等開關信號。

2.2.2.3 開關量輸出

DB-16R型16路繼電器輸出板用于控制壽命試驗機的中間繼電器，以實現對潤滑電動機、冷卻電動機、變頻器以及加/卸載電動機的控制。

2.2.2.4 模擬量輸入

DB-1825型模擬量輸入端子連接板用于分別輸入壽命試驗機的載荷、軸承溫度和振動。

載荷監測采用DG1300-BZ-A-2-10型壓力傳感器/變送器(量程0～10 MPa)，將壓力值轉換為相應的直流電壓值，經A/D轉換后輸入計算機，計算機根據監測的載荷值來控制相應的加/卸載電動機，以實現載荷穩定在設定的范圍內。

溫度監測采用Pt100型溫度傳感器、DZ-4131型熱電阻溫度隔離變送器(量程-20～130 ℃)，將溫度值轉換為相應的直流電壓值，經A/D轉換后輸入計算機，計算機根據監測的溫度值判定試驗軸承運轉是否正常。

振動監測采用YD-3-G型加速度傳感器和DHF-2型電荷放大器，將振動信號轉換為相應的交流電壓值，經A/D轉換后輸入計算機，計算機通過監測振動的變化判定試驗軸承運轉是否正常。

2.2.2.5 變頻器通信

通過計算機串行口COM1，RS-232/RS-485接口轉換器與變頻器RS-485接口的雙向通信，對變頻器進行啟/停控制、參數設置和運行數據讀取等，以實現對電主軸的運轉控制與監測。

2.2.2.6 防干擾接地

測控系統的干擾與系統的接地方式有很大關系，接地技術是抑制噪聲的重要手段。在測控系統中不僅要進行人身和設備安全的保護接地，而且要進行使系統安全正常工作和防電磁干擾的接地。若接地處理不好，就會產生共模干擾。產生共模干擾的原因是計算機、變頻器和電動機采用了共同的地線，為了減小共模干擾，應將它們各自單獨接地。另外，所有的電源地線、信號地線和屏蔽地線都要接到各自的總地線上，最后把3類地線匯總到公共的地線上。

串行通信的RS232/485轉換接口與變頻器之間通信采用雙芯屏蔽線，一點接地；模擬量輸入采用雙芯屏蔽電纜，在信號電纜對地分布電纜數量多的一側接地。

另外，將信號線與動力線分開布線，以減小干擾。

2.3 測控系統軟件設計

在LabVIEW平臺下開發了模塊化的測控系統軟件，可實現如下功能：(1)監測功能。分別監測、顯示壽命試驗機的4路溫度、徑向載荷、軸向載荷和整機振動；(2)控制功能。調整狀態下控制各電動機按輸入指令運行，自動狀態下控制各電動機按設定的順序運行，并控制徑向和軸向載荷在設定值的范圍內以及電主軸按設定的轉速和時間運行；(3)軸承異常識別功能。溫度超過設定值會報警、停機，根據整機振動識別軸承失效并停機；(4)運行故障診斷功能。能診斷出電動機、變頻器故障和試驗組件的聯軸片損壞等，報警并停機；(5)管理功能。累計總運行時間，設定試驗參數，自動保存試驗過程參數和停機原因。

測控系統主VI的程序框圖如圖5所示，采用多任務、多線程模式。定時循環(TimedLoop)結構模仿PLC的工作原理，首先輸入掃描數據，再對數據進行分析、處理與保存等，最后進行控制輸出。While循環結構采用事件結構(Event Structure),實現對試驗參數的設置并對試驗參數采用Excel格式保存。

圖5 主程序框圖

采用LabVIEW的狀態圖工具包進行編程，以實現數據的分析、處理與保存等功能，如圖6所示。

圖6 自動運行狀態圖

3 結束語

經使用證明，改造后的ZS-15/30型軸承壽命試驗機的各項試驗技術指標均符合JB/T 50013—2000《滾動軸承 壽命及可靠性試驗規程》的規定，并實現了全自動化和初步智能化。下一步改造應在此基礎上，采用交流伺服技術對載荷進行控制，以實現各類載荷譜的壽命試驗；采用新的信號分析與處理技術，進一步研究軸承故障診斷技術，以求更準確地識別軸承故障；采用數據庫技術，實現軸承壽命試驗報告的自動生成。