外圈旋轉曳引輪軸承專用試驗機

陸水根，常振，李興林，趙麗雅，陳掌娥

(1.杭州軸承試驗研究中心有限公司，杭州 310022； 2.機械工業軸承產品質量檢測中心(杭州)，杭州 310022)

作為電梯裝備的核心部件，曳引輪軸承的質量和性能直接關系著電梯運行的安全，失效嚴重時將直接影響人身安全[1-5]；隨著對電梯行業高質量、高水平以及舒適性的要求，電梯安全性要求不斷加強，年檢標準越來越嚴格，曳引輪軸承的質量安全不斷被推向新的高度，其壽命及可靠性試驗受到越來越多的重視[6-7]。目前，曳引輪軸承專用試驗機少之又少，且試驗機結構復雜，加載不穩定(難以準確有效地實現外圈旋轉軸承的軸向加載)， 亟需研發出曳引輪軸承專用試驗機以滿足行業需求[8-10]。

針對上述問題，依據曳引輪軸承外形尺寸和特定使用工況(轉速、載荷、安裝方式等)，結合軸承壽命試驗機研發經驗開發了外圈旋轉曳引輪軸承專用試驗機。

1 曳引輪軸承試驗要求

當曳引媒介為鋼帶時，曳引輪采用外圈帶齒槽的非標軸承，通常為內徑40～80 mm、外徑80～200 mm的雙列角接觸球軸承或雙列深溝球軸承，結構如圖1所示；當曳引媒介為鋼絲繩時，曳引輪采用外柱面帶繩槽的輪盤與軸承的組件，軸承通常為內徑40～100 mm、外徑80～300 mm的標準型號深溝球軸承、調心滾子軸承或圓柱滾子軸承，典型型號有6317-2RS，22312-2RS，NU312E等，結構如圖2所示。

圖1 曳引輪用外圈帶齒槽的非標軸承

(a)深溝球軸承

曳引輪軸承的作用是承受鋼帶或鋼絲繩施加于外圈徑向的電梯轎廂重量，其正常服役狀態下內圈固定，外圈根據電梯的高頻提升和下降做往復換向轉動。理想狀態下，曳引輪軸承不承受軸向力，考慮到曳引輪可能存在安裝傾斜偏差，以及當乘客快速進出轎廂或人員站位不平衡時，曳引輪軸承會承受一定的軸向載荷。現有大多數軸承試驗機主要針對軸承內圈旋轉研發并配套有成熟的評價標準，而曳引輪軸承的特殊工況對外圈旋轉型試驗機的設計提出了更高的要求。

2 曳引輪軸承專用試驗機

根據曳引輪軸承的結構特點及使用工況，所開發的曳引輪軸承專用試驗機主要由試驗頭、傳動系統、加載系統、計算機控制系統等組成，傳動方式為帶輪傳動，采用液壓比例閥加載，計算機控制系統可設定被試軸承溫度和振動數據的閾值，可自動停機并儲存試驗性能數據，試驗機主要技術指標見表1。

表1 曳引輪軸承專用試驗機技術指標

曳引輪軸承的常見失效形式主要有滾動體疲勞剝落、滾道疲勞剝落、潤滑脂老化、保持架斷裂、漏脂、密封圈失效等。為實現曳引輪軸承典型失效形式的再現，需要試驗設備準確模擬曳引輪軸承工況：

1)加載系統要能夠準確輸入載荷譜，使軸承受力與真實運轉工況的誤差不大于2%；

2)試驗軸承中心與驅動滾輪中心平行且在同一水平面上，防止試驗過程中軸承偏載；

3)驅動系統能夠實現無級調速，轉速誤差不大于2%；

4)左右兩側加載油缸需保持同步，保證驅動滾輪兩側的支承軸承不受力，從而保證試驗裝置的使用壽命；

5)由于驅動滾輪表面與試驗軸承直接接觸，需進行特殊表面處理以提高驅動滾輪使用壽命并防止疲勞剝落，且需向兩者接觸表面定時添加潤滑脂，防止兩者相對運動產生干摩擦。

2.1 試驗機主體

曳引輪軸承專用試驗機的主體結構如圖3所示，試驗機具有2個工位，每個工位可安裝2套試驗軸承，即單次可進行4套軸承的壽命試驗。2個方向互相垂直的振動傳感器可分別檢測試驗軸承的徑向振動和軸向振動；分別使用電阻式溫度傳感器、紅外線溫度傳感器檢測軸承內、外圈溫度；試驗芯軸旁邊安裝的速度傳感器可實時監控試驗機驅動滾輪轉速：所有監測數據/信息由計算機控制程序自動顯示并存儲。

1—徑向加載油缸；2—滑動導軌；3—試驗軸承；4—驅動滾輪；5—帶輪；6—軸向加載油缸； 7—加載臂；8—速度傳感器；9—軸向振動傳感器；10—內外圈溫度傳感器；11—徑向振動傳感器。

2.2 傳動系統

驅動滾輪選用通用件，方便試驗軸承的拆裝，可制作2～3個不同尺寸的滾輪，以滿足不同的試驗軸承類型。電動機與傳動軸之間的皮帶輪可根據試驗轉速需要進行更換，再結合調頻器控制電動機進行無級調速，從而準確、方便地變換試驗軸承的轉速。當電源頻率為50 Hz時，電動機轉速約750 r/min，試驗中電源頻率范圍為30～60 Hz，若試驗軸承扭矩較大，可選擇適當的皮帶輪使電源頻率接近50 Hz，以保證電動機電流不大于額定電流(6.3 A)。

調頻器調整電動機轉速，帶動帶輪并使驅動滾輪按照預設速度轉動，通過速度傳感器準確測定驅動滾輪轉速，根據傳動比計算從動輪(即試驗軸承)的轉速，也可通過調整速度傳感器的位置直接測量試驗軸承外圈轉速，試驗軸承外圈轉速可達50～2 000 r/min。

2.3 加載系統

加載系統采用液壓比例閥加載：指令信號經比例放大器進行功率放大，按比例輸出電流給比例電磁鐵，比例電磁鐵輸出力并按比例移動閥芯位置，即可按比例控制液流流量并改變液流方向，從而實現對執行機構的位置或速度控制。在某些對位置或速度精度要求較高的應用場合，還可通過對執行機構的位移或速度檢測構成閉環控制系統，其工作原理如圖4所示。

圖4 加載系統液壓比例閥工作原理

徑向和軸向的加載力均由力傳感器進行實時檢測，顯示在電腦監控界面并儲存至相應文件夾，其中徑向油缸的最大輸出載荷為300 kN，軸向油缸的最大輸出載荷為20 kN，精度均為±2%，具體加載方案如圖5所示。

圖5 曳引輪軸承試驗機加載原理示意圖

2.3.1 徑向加載

徑向加載油缸推動加載臂在滑動導軌內進行徑向滑動加載，滑動導軌、試驗軸承及加載臂連接為一個整體，安裝時與底座左右側呈5°的傾斜角，以保證徑向加載具有可調心性，并確保徑向力與固定軸系始終保持垂直。

2.3.2 軸向加載

針對曳引輪軸承的使用工況以及軸承外圈形狀(圓柱形或齒槽形)，在試驗前需對外圈進行鑲套預處理，以更好地仿真曳引輪軸承的鋼帶或鋼絲繩包裹工況，并防止軸承在試驗過程中產生不當的變形或承受太大的循環應力。

外圈圓柱形軸承的外圈鑲嵌套由套杯、套蓋組成，如圖6所示。2套試驗軸承通過隔離環、套杯和套蓋軸向定位，軸向加載油缸推動階梯型的試驗芯軸軸向移動，帶動試驗軸承1內圈軸向移動，試驗芯軸另一端的壓環推動試驗軸承2進行反向移動，從而使2套互為基準的試驗軸承內圈互相擠壓并產生軸向載荷。

圖6 外圈圓柱形軸承的整體結構及其軸向加載

外圈齒槽形軸承的外圈鑲嵌套由2個半圓形套杯組成，套杯內圈為齒槽型，以準確嚙合試驗軸承外圈，裝配后作為一個整體進行軸承外圈強化壽命試驗。外圈齒槽型軸承的軸向加載原理與圓柱形一致，由于齒槽具有定位作用，試驗軸承之間無需用隔離環進行定位，預處理后的整體結構如圖7所示。

圖7 外圈齒槽形軸承預處理后的整體結構

2.4 控制系統

試驗機控制系統可按照設定的試驗條件，控制試驗機穩定、可靠地運行，實時顯示、記錄試驗參數，并在試驗過程中出現故障時及時報警、停機。

2.4.1 電氣系統

電氣系統的基本工作原理如圖8所示：閉合空氣開關KZ后整個電路接通電源，按下啟動按鈕Q1，C1吸合使控制電路通電；按下Q2使C2吸合，啟動主軸電動機，2個風機通電為試驗軸承降溫，按下T2，主軸停止，風機停轉；按下Q3，電接點壓力表指針在L點，壓力泵電動機工作，壓力上升使壓力表指針到達H點時壓力泵電動機停止工作，當壓力再次下降到L點時電路閉合，依此循環進行；按下加載按鈕Q4，加載電磁閥線圈CT1通電并實現加載；按下卸載按鈕T4，壓力泵卸載電磁閥通電開始卸載；按下總停按鈕ZT1，整個控制回路停止工作；J為計算機端停機控制，當計算機監控到有數據超標時，將整個控制回路斷電以停止工作。

圖8 曳引輪軸承電氣原理概圖

2.4.2 計算機監控系統

計算機監控系統可自動顯示試驗軸承的溫度、振動、轉速、載荷等信息，并自動累計試驗時間；當試驗過程中出現電動機過載、溫度超限、振動超限等故障時將自動報警停機；試驗完成后可自動打印試驗結果，并能與計算機聯網進行數據的監控、分析、診斷。

計算機監控系統的程序界面如圖9所示：“溫度”“試驗時間”“振動”區域內可顯示2個工位試驗軸承的溫度、運轉時間及振動參數；“驅動軸轉速”區域顯示驅動軸的轉速，也是驅動輪的轉速，試驗軸承的轉速為驅動軸轉速×驅動輪直徑/軸承外徑；“載荷”區域顯示試驗軸承的徑向載荷和軸向載荷。“設置報警上限”區域內的編輯框用來設置各參數的上限報警值，當實測值超過報警上限值時程序將控制試驗機停止試驗；“時間設置”區域中可預置運行時間的顯示，并設置存放測量參數及運行時間的時間間隔；“變頻器”區域用來管理變頻器，實現試驗軸承轉速的變化，并通過“正轉”“反轉”按鈕控制試驗軸承的轉動方向。

圖9 計算機監控系統程序界面

2.5 關鍵技術指標校準

為保證曳引輪軸承專用試驗機的可靠性和適用性，對其轉速、軸向載荷和徑向載荷等關鍵技術指標進行了校準，結果見表2：轉速誤差范圍為0.24%～1.60%，最大誤差出現在50 r/min時；徑向載荷誤差范圍為0.53%～1.50%，最大誤差出現在20 kN時，這是由于徑向油缸較大，進行小載荷加載時本身誤差較大；軸向載荷誤差范圍為0.60%～1.60%，最大誤差出現在10 kN時；試驗及校準結果均符合誤差不大于2%的要求，表明該設計合理且可以安全可靠地應用于工程實際。

表2 曳引輪軸承專用試驗機技術指標校準

3 實際試驗數據

為驗證曳引輪軸承專用試驗機的運行可靠性，以典型的6312-2RS和6317-2RS軸承為例開展試驗，試驗條件見表3。

表3 曳引輪軸承試驗條件

在20 ℃室溫下共進行400 h試驗，每10 min采樣一次，試驗軸承的徑向振動、軸向振動、內圈溫度和外圈溫度如圖11所示：2套軸承的試驗數據均符合壽命試驗的一般規律，軸向振動和徑向振動均有逐漸升高的趨勢，內、外圈溫度均是快速升高后逐漸達到熱平衡。試驗數據總體穩定，表明該曳引輪軸承專用試驗機運行穩定可靠。

(a) 6312-2RS

4 結束語

針對曳引輪軸承的特殊工況要求，設計研發了專用試驗機，從試驗機主體、傳動系統、加載系統、電控系統多個方面進行了介紹，采用特殊工裝和特殊設計理念實現了外圈旋轉軸承試驗的軸向加載；試驗機的轉速、軸向載荷和徑向載荷等核心指標的校準結果均滿足誤差小于2%的要求，且試驗數據符合壽命試驗的一般規律，表明該試驗機設計方案合理可行，能夠安全可靠地應用于工程實際。