軸承試驗機及試驗技術

劉蘇亞

(洛陽軸研科技股份有限公司 試驗技術開發部，河南 洛陽 471039)

隨著對軸承試驗重要性的逐步認識，生產廠家對軸承試驗的要求也越來越高。在產品開發階段要做結構試驗，檢驗軸承能否滿足其使用工況的要求，主要是對軸承結構的考核。產品定型后，試驗主要是對軸承質量的考核，鑒別其質量等級，找到軸承在結構、材料、制造工藝等方面的薄弱環節，并加以控制，促進質量的提高。試驗是軸承設計、制造過程中一個不可缺少的重要的驗證過程，能把質量風險有效地控制在生產企業內部。

目前，軸承試驗的種類大致有壽命試驗、模擬試驗、性能試驗、零部件試驗、材料試驗、設計驗證試驗、強化試驗等。壽命試驗即確定軸承疲勞壽命的試驗。模擬試驗是在試驗機上按照軸承的實際工況，如轉速、軸向載荷、徑向載荷、環境溫度、潤滑狀態等進行運轉，達到預定壽命或直到軸承失效，常見的有輪轂軸承模擬試驗、汽車離合器分離軸承模擬試驗、汽車水泵軸連軸承模擬試驗等。性能試驗考核軸承的某種特殊性能，如極限轉速試驗、大載荷試驗、潤滑性能試驗、防塵試驗、脂漏試驗、溫升試驗、高溫試驗、低溫試驗、噴水試驗、軸承打滑試驗等。零部件試驗主要是針對鋼球、滾子、密封圈的試驗。強化試驗是壽命試驗的一種，即給定試驗載荷為軸承額定載荷的0.5倍，用以縮短試驗時間。設計驗證試驗是根據軸承試驗的數據，如溫升、振動及噪聲等提出設計改進意見。

與上述試驗所對應的軸承試驗機有壽命試驗機、模擬試驗機、性能試驗機、零部件試驗機等。雖然這些試驗機的功能不同，但其主體結構、測試技術、加載技術、控制技術、驅動技術卻基本相同。下文就試驗機常用技術及軸承試驗方法逐一介紹。

1 試驗主體

試驗機主體結構包括試驗軸承、軸系及支承部分，是試驗機的核心，決定試驗機的最高轉速和承受的最大載荷。軸系的精度決定了試驗機的精度，進而決定試驗數據的準確度。任何一種試驗機所試驗的軸承尺寸均有一定范圍，結構設計的主要目的就是要解決轉速、載荷和軸承尺寸范圍的矛盾。

(1)橋式結構：主要用于壽命機，1次可試驗深溝球軸承或圓柱滾子軸承4套、角接觸球軸承或圓錐滾子軸承2套。其特點是加工精度高，適用于高轉速試驗。

(2)懸臂結構：每次只能試驗1套軸承，拆裝和測試方便，可用于潤滑狀態測試、油膜厚度測試、內圓溫度測試以及軸心運動軌跡測試等，適用于性能試驗及研究。

(3) 組合式結構：實際也是一種橋式結構，有3個活動的方塊在方箱內，試驗軸承跨距在一定范圍內可調，結構緊湊，試驗軸承的范圍較大。由于支承試驗軸承的襯套沒有固定，轉速較低，當轉速超過一定值后，整機振動較大，影響試驗效果。

2 測試技術

測試技術是試驗機的關鍵技術，直接影響數據的準確性。隨著計算機技術的發展，測試技術發展很快，常用的測試方式均采用不同類型計算機測試，在計算機和傳感器之間安裝接口電路(濾波等信號處理系統)，測試頻率、測試精度由計算機和傳感器確定。

2.1 單片機測試

測試方法簡單、成本低，但內存較小，對數據要求高的試驗機一般不采用。

2.2 計算機直接測試

測試結構如圖1所示，由傳感器、濾波器、A/D轉換和計算機組成。能存儲大量信息，可記錄軸承的全部試驗數據，記錄間隔按秒、分、時可以任意設置，真正做到無人看守、無人記錄。但由于受CPU的限制，采樣頻率較低，每秒鐘采樣低于100次，若需要更高的采樣頻率，則CPU只能停止其他工作，在某一段時間內采樣頻率每秒可達幾千次。采樣精度則根據A/D采集卡的位數確定，一般高于0.1%。

圖1 試驗機測試控制原理圖

2.3 計算機網絡測試

網絡測試即計算機上、下位機測試，上位機只管理系統，讀取數據進行處理；而下位機采用單片機或PLC單獨測試數據并存入下位機存儲器，當存儲器即將存滿后，將數據傳送到上位機。下位機和上位機還可采取無線通信協議。這種測試系統復雜、造價高，但抗干擾性好、測試速度快，一般用于振動信號的采集和分析，以及測試參數較多、采樣頻率要求較高的場合。

2.4 測試參數

2.4.1 溫度

一般測試軸承的外圈溫度，特殊場合測試軸承的供油、回油溫度。軸承溫度是軸承試驗機必測參數，軸承溫升的高低是確定軸承質量的特征參數之一。由于溫度參數變化緩慢，因而測試頻率要求不高，測試精度一般為1%，要求較高的場合可達0.5%或更高，普通軸承的外圈溫度傳感器測試范圍在0～200 ℃。

2.4.2 載荷

試驗軸承的載荷也是試驗機測試的重要參數，其準確度的高低直接影響軸承的試驗結果，對于壽命試驗機，采用壓力傳感器測出加載系統油壓，根據加載油缸面積，計算出載荷。由于油缸的邊沿效應，實際測試中存在誤差，最高達10%。因此，要用力傳感器進行校正。在載荷恒定不變的情況下，采樣速度和響應速度一般傳感器均滿足要求。汽車輪轂軸承試驗機的載荷，采用力傳感器直接測試。由于輪轂軸承試驗機為變載荷系統，因此測試頻率、響應速度均要高于載荷的變化速度，否則測試誤差可達30%以上。由于變載荷加載系統是閉環控制系統，因而測試精度及響應速度對加載精度有著非常重要的作用。

2.4.3 振動

振動參數是判定軸承是否失效的重要參數之一。GB/T 24607—2009《滾動軸承壽命及可靠性試驗與評定》中規定：疲勞失效是軸承的主要失效形式，指軸承樣品的套圈或滾動體工作表面基體金屬出現的疲勞剝落。剝落深度≥0.05 mm；剝落面積：球軸承零件>0.5 mm2，滾子軸承零件≥1.0 mm2。這就要求測試振動信號精度高，靈敏度高，以便在軸承試驗過程中準確判斷軸承失效的最佳時機，有效地保留疲勞失效樣本，為進一步的軸承失效分析奠定良好的基礎。當然，軸承疲勞失效時的振動值并不是定值，對不同的試驗軸承，不同的試驗機的失效振動信號是不同的，這需要試驗人員根據經驗來確定，不同的試驗機采用振動信號的單位也不太一樣。一般采用振動信號的均方根值來確定失效，當需要對振動信號分析時則采用瞬時振動信號，采樣頻率則要求大于每秒一萬次。

另外，主電動機電流也是測試的主要參數，其大小可以直接反映試驗機是否正常工作。某些有特殊要求的試驗，則要測試摩擦力矩、啟動力矩、軸心運動軌跡等，保持架轉速、軸承轉速、潤滑油流量及環境溫度等參數。

不管什么樣的傳感器，隨時間的推移，測試精度、變送器放大倍數都會發生漂移。為保證測試精度，需要在測試軟件中對每個測試參數設置校正系數，以便定期校正。

3 加載技術

載荷是試驗機的主要指標，其加載精度和加載速度決定了試驗結果的準確度，加載精度和速度的不同可能導致加載系統的價格相差幾倍或更高。

3.1 杠桿砝碼加載

優點是結構簡單，不需要載荷傳感器測試，由加載砝碼可以確定出載荷的大小，但不適合高速，若速度過高會引起砝碼振動，導致載荷不穩，變載荷也不方便，僅適用于壽命試驗，成本低。

3.2 彈簧加載

載荷的大小取決于彈簧的大小和彈簧的壓縮量，加載范圍較小，所占空間比較大，成本比較低，一般用于特殊試驗。

3.3 液靜壓加載

即手動螺旋液壓加載，通過手動調節小液壓缸的壓力達到控制試驗機油缸壓力的目的，加載方式簡單、無噪聲，但受溫度影響大，精度低，一般用于壽命試驗，在環境溫度變化時需人工調節。特別是開機第1小時內需注意試驗機溫度變化情況及壓力變化情況，隨時調節壓力。

3.4 液壓比例自動加載

由液壓系統、工控機和壓力傳感器組成閉環系統，如圖2所示，由工控機數字調節器控制液壓比例閥，進而控制載荷。該結構復雜、成本高，但控制精度高，可達1%。系統的最大特點是載荷可控，可按照預先編制的程序變化，特別適合做模擬試驗，如汽車發電機軸承試驗機即采用此種加載結構。

圖2 試驗機液壓加載結構圖

對于汽車輪轂軸承，試驗機加載結構比較復雜，軸向載荷為交變載荷，控制比較困難，如系統調整不好，超調量可達60%,將導致試驗數據嚴重失真。為解決這一問題，需要選用響應速度快的油缸，在控制軟件中除采用PID算法外，還要增加智能控制技術軟件。圖3為模擬試驗機的加載圖。這種系統在程序模擬試驗機中的響應時間一般為1 s，超調量7%。另外還需注意的是，液壓油要采用標準的液壓油，絕對不能采用再生油，否則將使整個系統報廢。

圖3 模擬試驗機的加載圖

3.5 液壓伺服加載

當比例加載系統的加載頻率不能滿足試驗要求時，就要選擇液壓伺服系統，其原理和比例加載相同，采用液壓伺服閥來控制載荷，這種系統的加載頻率可達每秒20次，但成本更高，對油的清潔度要求也高，一般用于軍工試驗和特殊試驗等。

除上述加載方式外，有砝碼加載和液靜壓加載組成的加載系統；還有液靜壓加載和伺服電動機組成的自動加載系統；彈簧加載和伺服電動機組成的彈簧自動加載系統。

4 驅動技術

4.1 三相異步電動機驅動

由電動機、變頻器、同步帶和傳動組件組成，電動機采用變頻調速電動機，轉速一般在10 000 r/min以內，開環系統調速精度在2%以內，調速范圍為1∶10。由于電動機調速為恒轉矩調速，而試驗機工作時的調速方式為恒功率調速，要使電動機適用于試驗機的調速方式，還需采用其他措施，提高電動機功率或更換皮帶輪。

4.2 電主軸直接驅動

當軸承試驗機的轉速要求超過10 000 r/min時采用電主軸直接驅動。該系統由電主軸、變頻器、轉速傳感器、潤滑冷卻器組成,轉速一般為10 000～70 000 r/min，考慮到轉速的穩定性，采用閉環調速系統，調速精度0.5%，調速范圍達到1∶20。

4.3 伺服電動機驅動

當試驗軸承的調速范圍要求超過1∶50時采用伺服電動機驅動，驅動系統由伺服電動機、驅動器、編碼器組成。特點是調速范圍寬，最高轉速為10 000 r/min，轉速控制精度高，達到0.05%，成本也較高，一般用于特殊場合。

5 控制技術

目前的試驗機絕大部分為工業計算機控制，可以完全按照預先編制好的程序運行，做到無人值守和一鍵式操作。轉速、載荷及環境溫度均采用計算機閉環控制，可以在允許的范圍內任意變化。轉速穩態控制精度為0.5%，載荷穩態控制精度為2%，溫度穩態控制精度為1%。若不計成本，控制精度還可提高。且每個測試參數均設有上限報警值，當所測試的參數超過報警值時，計算機控制自動停機，并記錄當前參數。

6 試驗機簡介

6.1 壽命試驗機

普通壽命試驗機主體采用橋式結構，液壓自動加載，計算機自動控制。試驗軸承的內徑為2～240 mm，分6個型號(尺寸段)覆蓋；轉速50～30 000 r/min；載荷0.01～800 kN；試驗軸承的環境溫度和潤滑油溫度均為常溫～200 ℃。根據GB/T 24607—2009編制了可靠度的計算方法軟件，用戶可根據試驗數據直接得到軸承的可靠度。

6.2 模擬試驗機

汽車輪轂模擬試驗機模擬汽車的運行方式及安裝結構進行運轉，按試驗軸承內徑尺寸分為15～45和30～70，可試驗1～3代汽車輪轂軸承、SUV轎車輪轂軸承和大客車輪轂軸承等；最高轉速2 500 r/min和1 500 r/min，最大載荷20 kN和50 kN，溫度測量范圍0～200 ℃，精度±2 ℃，環境溫度 150 ℃±5 ℃；試驗機主軸的徑跳和端跳不超過0.015 mm，可以實現內圈或外圈旋轉；采用液壓加載方式，提供拉力和壓力交變載荷，按徑向水平加載(拉力)、軸向水平加載(拉壓力)的結構布局，進行輪轂單元性能試驗(一般耐久性試驗)時軸向力通過車輪半徑加載，軸向和徑向加載裝置分布在試驗體兩側，軸向加載油缸行程±30 mm，加載位置即力臂的調節范圍(車輪半徑)300 mm或400 mm，徑向加載油缸行程±20 mm，加載位置可根據不同型號軸承力線調整；控制系統采用計算機控制，加載采用閉環控制，可在計算機參數設定窗口任意設置系統的參數(轉速、載荷、循環步數)、循環時間數據自動存盤時間等，系統可監控試驗的振動、電動機電流、轉速、載荷、試驗時間和循環次數等；具有電動機電流、試驗機的振動及試驗軸承溫度超限自動報警停機功能等。

除此之外，還有汽車離合器軸承試驗機、汽車水泵軸連軸承試驗機、汽車張緊輪試驗機、風電變槳軸承試驗機(試驗軸承外徑達4 m，傾覆力矩為8 000 kN·m)、風電偏航軸承試驗機、變速箱軸承試驗機及發電機軸承試驗機等。

6.3 航空、航天軸承試驗機

航空、航天專用軸承的技術性能要求較高，工作條件惡劣，可靠性要求也很高。在試驗時不僅要滿足載荷、轉速及環境溫度變化等要求，軸承的安裝方式、供油方式也要求與實際工況相同，還要模擬航空發動機的飛行包線，進行變載荷、變轉速運行。航空、航天軸承試驗機均采用電主軸直接驅動，最高轉速可達15×104r/min。某型航空軸承試驗機的轉速為17 000 r/min，電主軸最大驅動功率達100 kW，可同時試驗航空發動機主軸的全部5～7套軸承，模擬各套軸承在發動機中的工作狀態。該試驗機結構復雜、驅動功率大、噪聲低、效率高，為國內首創，并于2009年獲機械工業科技進步二等獎。

7 試驗方法

7.1 壽命試驗方法

GB/T 24607—2009規定壽命試驗方法有3種，即完全試驗方法、截尾試驗方法和序貫試驗方法，根據用戶要求選取。試驗時，要采用鑒定合格的軸承壽命試驗機，按要求選取軸承與軸及外襯套的配合尺寸，選用合適的潤滑方式，取8～20套軸承進行編碼，確定試驗軸承的載荷、轉速，一般選取額定動載荷的20%～30%，極限轉速的20%～60%。在試驗過程中監控試驗機的載荷、轉速、油壓、振動、噪聲和溫升，當試驗軸承發生故障，不能正常試驗或疲勞剝落大于規定值時，判定軸承失效。根據失效的時間及樣品容量，由Weibull分布參數進行分析處理，即可得出該試驗軸承的可靠度。

7.2 模擬試驗方法

根據用戶的試驗要求或試驗任務書，編制試驗大綱，確定試驗軸承的載荷譜、轉速曲線及試驗軸承環境溫度。根據用戶提供的軸承安裝方式設計試驗工裝，確定軸承受力點、加載半徑、供油方式及配合公差，對試驗軸承編號，檢查加工工裝的精度，安裝試驗軸承，并在試驗機上檢查安裝位置、供油狀態是否符合任務書要求，然后運轉并記錄試驗參數。試驗軸承不能正常運轉或疲勞剝落超過規定值即為失效，根據試驗記錄，整理撰寫試驗報告。

8 軸承試驗技術展望

軸承試驗技術的發展，是和軸承新產品的研發緊密相連的。隨著我國軸承新產品的大量開發，對軸承的各種試驗方法、試驗裝置、數學模型的建立、失效數據和非失效數據的處理和變換、試驗機的控制技術、各種試驗信號等物理量的拾取精度和反映速度、自動控制技術等等，都將提出越來越高的要求，這是未來軸承試驗技術的難點所在。

在軸承試驗機發展的同時，試驗軟件技術的發展也是相輔相成的，其包括：試驗規程(或規范)、試驗數據的處理方法和評定方法、試驗數據庫的建立和對今后如何加以利用、試驗信號的積累和軸承壽命的預測推論、老化篩選試驗技術、軸承的性能壽命試驗技術和軸承的精度壽命試驗技術，這些都是以后要解決的軟件問題。

由于軸承壽命試驗機是個性化、專用性較強的設備。隨著軸承產品的多樣化和個性化，軸承試驗機的發展必然呈現出多品種、小批量、高精度、多控制和群控化、模擬工況化及專用性的格局。

軸承品種多樣性和廣泛的應用領域，決定了軸承試驗機試驗技術、試驗方法和試驗結果處理方法的研究和發展方向，是一門將數學、力學、材料學、機械學及控制學等綜合學科交織在一起的應用學科。在軸承行業廣大技術人員的共同努力下，軸承試驗技術必定迅速向前發展。