高速電主軸軸承性能試驗(yàn)臺的研制

潘奔流，葉軍,，薛玉君，李澤強(qiáng)，王健

(1.河南科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,河南 洛陽 471003；2.洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039)

隨著數(shù)控機(jī)床向著高速度、高精度、高效率及環(huán)保性等方向發(fā)展,對電主軸的轉(zhuǎn)速和可靠性等要求也越來越高。高速軸承是電主軸的關(guān)鍵部件，其直接影響電主軸性能的好壞,進(jìn)而影響到機(jī)床的加工精度、零件表面質(zhì)量、生產(chǎn)效率、振動和噪聲等[1-3]。因此，對高速軸承的性能和壽命等也提出了更高的要求。

為了給設(shè)計(jì)者提供相關(guān)數(shù)據(jù)支持和確保軸承達(dá)到預(yù)期性能，對軸承進(jìn)行試驗(yàn)評估是至關(guān)重要的。目前有關(guān)電主軸軸承試驗(yàn)的研究報道不少，但是針對油霧潤滑電主軸軸承的試驗(yàn)研究主要是在電主軸或僅能軸向加載的高速軸承試驗(yàn)臺上完成，因?yàn)檩S承工作過程中有可能會承受徑向載荷,該方法并不能完全模擬軸承的實(shí)際工況。而目前有關(guān)能實(shí)現(xiàn)油霧潤滑、軸向加載和徑向加載的高速軸承試驗(yàn)臺還未見有報道。鑒于此，針對電主軸軸承的實(shí)際工況、極限工況條件及運(yùn)轉(zhuǎn)特點(diǎn)，研制了一臺電主軸軸承試驗(yàn)裝置，其能夠進(jìn)行軸承的油霧潤滑或脂潤滑試驗(yàn)，同時可以施加軸向載荷和徑向載荷，且實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)運(yùn)行控制的自動化和智能化。

1 主要技術(shù)要求

根據(jù)電主軸軸承的實(shí)際工況、極限工況條件及運(yùn)轉(zhuǎn)特點(diǎn),試驗(yàn)臺應(yīng)滿足以下主要技術(shù)要求：被試軸承內(nèi)徑為15～30 mm；最高轉(zhuǎn)速可達(dá)60 000 r/min，且無級可調(diào)；最大徑向載荷為2 000 N,最大軸向載荷為1 000 N，且連續(xù)可調(diào)；采用油霧潤滑和脂潤滑，同時提供水冷卻；系統(tǒng)可以手動或自動控制，并能夠?qū)崟r監(jiān)測軸承的工作狀態(tài)，顯示、處理和存儲軸承的性能參數(shù)；出現(xiàn)故障時系統(tǒng)可自動采取適當(dāng)?shù)奶幚泶胧?/p>

2 技術(shù)方案

如圖1所示，試驗(yàn)臺由驅(qū)動系統(tǒng)、試驗(yàn)主體、加載系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成。

圖1 試驗(yàn)臺系統(tǒng)框圖

2.1 驅(qū)動方式

通常情況下，采用如交流電動機(jī)或直流電動機(jī)等產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動經(jīng)由皮帶傳動、齒輪傳動或變速機(jī)構(gòu)傳遞給試驗(yàn)軸承，但系統(tǒng)存在可靠性差、噪聲大、振動大和試驗(yàn)轉(zhuǎn)速受限制等缺陷。而電主軸具有質(zhì)量輕、振動小、噪聲低、效應(yīng)快及功率大等優(yōu)點(diǎn)[4-5]，故試驗(yàn)臺采用20 kW的電主軸提供動力，最高轉(zhuǎn)速可達(dá)60 000 r/min，通過變頻器實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速。另外，為了避免試驗(yàn)主軸在高速試驗(yàn)過程中產(chǎn)生的振動傳遞到電主軸上，電主軸和試驗(yàn)主軸之間采用柔性連接[6]，即用尼龍繩將電主軸上的凸緣和試驗(yàn)主軸上對應(yīng)的孔纏繞起來。該連接也減少了由于試驗(yàn)主軸與電主軸同軸度不好而產(chǎn)生的附加彎矩，從而提高了試驗(yàn)主軸的穩(wěn)定性。

2.2 試驗(yàn)臺主體

試驗(yàn)臺主體是試驗(yàn)臺的核心部件，主要由試驗(yàn)主軸、試驗(yàn)軸承、加載軸承、加載組件、軸承襯套、上蓋和底座組成，整個結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊。殼體采用剖分式結(jié)構(gòu)，以便于拆裝；為了使試驗(yàn)主軸具有較高轉(zhuǎn)速和穩(wěn)定性，在試驗(yàn)主軸兩端安裝被試軸承，中間為加載軸承；在軸承襯套上加工環(huán)槽，以實(shí)現(xiàn)水冷卻[7]。另外，該試驗(yàn)臺除了要滿足脂潤滑的方式外，還要實(shí)現(xiàn)油霧潤滑的方式，因而在軸承襯套和底座上設(shè)計(jì)進(jìn)油孔和回油孔，在底座的進(jìn)油孔處安裝噴槍，并設(shè)計(jì)噴嘴與水平方向成15°夾角，以使?jié)櫥挽F直接能噴射到軸承滾動體上。

2.3 加載方式

常用的加載方式有電動加載、機(jī)械加載和液壓加載等[8]。由于軸承運(yùn)行時間長且運(yùn)行過程中載荷經(jīng)常發(fā)生變化，機(jī)械加載很難實(shí)現(xiàn)加載的連續(xù)性和自動性，電動加載裝置體積較大，不宜長時間使用，而且這兩種方式在加載過程中易產(chǎn)生載荷沖擊。液壓加載具有質(zhì)量輕，穩(wěn)定性和可調(diào)性好，控制方便等特點(diǎn)，故本試驗(yàn)臺采用液壓伺服加載。

液壓加載系統(tǒng)原理如圖2所示，電動機(jī)驅(qū)動液壓泵工作，壓力油分兩路進(jìn)入兩個比例減壓閥，比例減壓閥在控制器的作用下輸出給定壓力大小的壓力油。軸向活塞在油壓作用下通過加載套把軸向載荷施加到軸承外圈上；徑向活塞在油壓作用下通過中間加載軸承把徑向載荷施加到被試軸承內(nèi)圈上。在回油路上有冷卻器, 以控制系統(tǒng)油溫, 保證油壓的穩(wěn)定性。載荷的大小可通過計(jì)算機(jī)設(shè)定，由比例減壓閥控制。

圖2 液壓加載系統(tǒng)原理

2.4 數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng)

試驗(yàn)采集數(shù)據(jù)包括：轉(zhuǎn)速、載荷、主機(jī)電流、電壓及軸承的溫度和振動等。這些參數(shù)通過相應(yīng)的傳感器送入計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)軟件處理后顯示于屏幕上，定時寫入數(shù)據(jù)庫文件并存儲。為使傳感器能夠準(zhǔn)確測量軸承的溫度和軸系振動，選擇鉑電阻溫度傳感器和加速度振動傳感器，安裝在與水平成30°夾角的軸承座上，緊貼于軸承外圈上，并將加速度振動傳感器與殼體通過彈簧裝置間接分開。

控制系統(tǒng)由電氣操作控制系統(tǒng)、變頻調(diào)速系統(tǒng)、加載控制系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)測控系統(tǒng)組成。其中，為了精確控制轉(zhuǎn)速和載荷的大小，變頻調(diào)速系統(tǒng)和加載控制系統(tǒng)采用閉環(huán)控制，由計(jì)算機(jī)D/A輸出或者手調(diào)指令電位器給出電壓控制信號，實(shí)際輸出值由相應(yīng)傳感器經(jīng)變送器反饋給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)對轉(zhuǎn)速及載荷的控制量進(jìn)行PID調(diào)節(jié)后D/A輸出形成系統(tǒng)閉環(huán)控制[9]。加載閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 加載閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖

電氣控制方式分為手動和自動兩種。其中自動控制方式由計(jì)算機(jī)輸出開關(guān)量，通過功率驅(qū)動板控制各電氣設(shè)備的啟/停；由A/D板接收并轉(zhuǎn)換檢測溫度、壓力、轉(zhuǎn)速及振動等信號，通過顯示器界面讀出。為確保試驗(yàn)過程中提取關(guān)鍵數(shù)據(jù)的可靠性和準(zhǔn)確性，對試驗(yàn)過程中的重要參數(shù)設(shè)計(jì)了雙重顯示，即數(shù)字表及計(jì)算機(jī)屏顯。另外，配合計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)對現(xiàn)場采集信號進(jìn)行判斷、運(yùn)算、處理及存儲后，由D/A板轉(zhuǎn)換并輸出模擬電壓信號，控制調(diào)節(jié)被控單元，通過I/O板輸出控制系統(tǒng)中電氣設(shè)備的工作狀態(tài)。試驗(yàn)中如果出現(xiàn)水、氣壓欠壓和過載等異常情況，也可通過I/O板檢測并輸出報警信號或自動停車，并存儲故障原因，以便日后查看。

3 性能試驗(yàn)

為考核試驗(yàn)臺的性能，首先對液壓伺服加載系統(tǒng)進(jìn)行階躍響應(yīng)測試。試驗(yàn)條件為：初始載荷為0，軸向加載1 000 N，徑向加載2 000 N，保持時間為40 s。系統(tǒng)階躍響應(yīng)如圖4所示。從圖4可以看出,軸向和徑向載荷響應(yīng)較快且同步，達(dá)到預(yù)定值的過渡時間約為20 s。因而試驗(yàn)時階躍載荷對軸承造成的沖擊將會很小，同時表明了載荷的大小可以滿足試驗(yàn)臺的預(yù)期要求。

圖4 液壓伺服加載系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線

然后，在不同轉(zhuǎn)速下，對軸承進(jìn)行性能試驗(yàn)。軸承型號為B7005C/HQ1，試驗(yàn)條件為：采用循環(huán)水冷卻和油霧潤滑方式，潤滑油為32#汽輪機(jī)油，給油量為80滴/min，冷水溫度20 ℃，軸承轉(zhuǎn)速為5 000～36 000 r/min，分別運(yùn)行10 min，軸向加載(預(yù)緊力)100 N,徑向加載100 N，軸承溫升和主機(jī)振動取試驗(yàn)過程中的最大值。在試驗(yàn)過程中，各部件運(yùn)行正常，整機(jī)工作平穩(wěn)，系統(tǒng)控制穩(wěn)定，試驗(yàn)結(jié)果見表1(表中g(shù)為重力加速度)。從表1可以看出，隨著轉(zhuǎn)速的提高，前、后端試驗(yàn)軸承的溫度逐漸升高。這主要由于隨著轉(zhuǎn)速的提高，軸承的摩擦力矩增大，從而導(dǎo)致發(fā)熱量增加。另外，隨著轉(zhuǎn)速的提高，滾動體所受的離心力增大，使軸承的內(nèi)圈接觸角增大，外圈接觸角減小，產(chǎn)生了陀螺力矩，使?jié)L動體產(chǎn)生滑動，加劇了摩擦磨損[10]。從表1還可以看出主機(jī)的振動逐漸增大，這是因?yàn)楣逃姓駝宇l率不受轉(zhuǎn)速的影響，而轉(zhuǎn)速和強(qiáng)迫振動的頻率和幅值近似成正比關(guān)系[11]。因而表明了試驗(yàn)臺具有良好的可靠性。

表1 不同轉(zhuǎn)速下B7005C/HQ1軸承的試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)束語

經(jīng)驗(yàn)證，該試驗(yàn)臺能滿足預(yù)定的設(shè)計(jì)要求，具有良好的可靠性，能夠?qū)D(zhuǎn)速、軸向及徑向載荷、軸承工作溫度和軸系振動等進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，可以模擬電主軸軸承實(shí)際工況及極限工況，對軸承進(jìn)行高速性能、耐久性能及壽命等試驗(yàn)，能為高性能電主軸軸承的研發(fā)和檢驗(yàn)提供有力的數(shù)據(jù)支持和評估依據(jù)。