CN107024353A - 一种密封轴承综合性能模拟试验机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种密封轴承综合性能模拟试验机，它属于轴承性能测试领域。本发明包括轴承试验单元、驱动单元、加载单元、环境模拟系统和控制系统，轴承试验单元设置在环境模拟系统的环境箱内，与驱动单元设置在同一平板上，并与加载单元相连；驱动单元设置在环境箱左侧；加载单元包括径向加载机构和轴向加载机构；环境模拟系统包括环境箱、高温模拟单元、低温模拟单元、湿度模拟单元和灰尘模拟单元；控制系统与驱动单元、加载单元、环境模拟系统相连，控制试验转速、试验载荷、试验环境温度、试验环境湿度和试验环境灰尘浓度。本发明结构合理，模拟工况齐全，试验效果好，操作方便，满足密封轴承综合性能评价需求。

Description

一种密封轴承综合性能模拟试验机

技术领域

本发明涉及轴承性能测试领域，尤其是涉及一种用于密封轴承综合性能评估的模拟试验系统，包括轴承的高速性能、耐高低温性能、抗湿热性能和防尘性能等与轴承使用寿命密切相关的动态性能。

背景技术

目前，有80%的滚动轴承采用脂润滑，而脂润滑轴承中有超过80%的轴承为密封轴承。由于轴承应用工况和应用环境的多样性，导致其性能要求的多样性，如重载应用工况的抗疲劳性能、高速应用工况的高速性能等，但这些性能与应用环境密切相关，以高速密封轴承的高速性能为例，虽然通过高速设计在正常环境应用下实现了高速性能，但某些应用环境下，如在高温环境、低温环境，甚至高低温交变环境，有时还会伴有湿热环境或尘埃环境等，即便是高速设计的密封轴承也会很快失效，达不到长寿命的要求，人们在采取高速设计的同时，会根据轴承的应用环境，通过零件热处理工艺、密封结构设计等方面的改变，以使轴承的使用寿命满足设备全寿命的要求。

人们迫切希望有一种轴承综合性能模拟试验机，通过轴承在模拟环境、模拟工况下的强化运行，评估出轴承的使用寿命；或通过单一环境、单项工况的模拟，查找使用寿命不能满足使用要求的主要原因，为轴承在该环境、该工况下使用寿命的提升，以及该环境、该工况使用轴承供应商的选择提供技术支持。

公开日为2016年11月09日，公开号为106092576A的中国专利中，公开了一种名称为“多功能轴承试验系统”的发明专利。该专利解决了轴承给定转速、润滑、温度、载荷等不同工况下的轴承寿命和可靠性综合试验问题，所采取的措施是：一种多功能轴承试验系统，包括旋转驱动系统单元、加载系统单元、高低温环境箱、润滑冷却系统单元及测量控制系统单元，其特征在于驱动电机通过一传动机构与输出轴连接，加载系统通过液压缸加载，高低温箱通过送风管与轴承座密封腔连通，相较于目前市面较为普通的参数分解试验设备，该专利能满足多种工况的多功能轴承试验。但其所述的旋转驱动系统增加了一级齿轮传动机构，无法满足高速应用工况的需求；其所述的加载系统采用比例阀和液压油缸加载，载荷精度不高，且无法模拟急变载的应用工况；其所述结构无法模拟湿热、湿热交变、干湿交变、灰尘等应用环境。

现有轴承试验机均无法满足诸如新能源汽车驱动电机轴承类高速密封轴承的性能评价需求。因为新能源汽车不可避免地工作于高低温、湿热、干湿交变、灰尘等环境，其驱动电机轴承还工作于高速、急变载、频繁启动等工况下。因此，有必要设计一种能模拟高转速、急变载、温湿环境、灰尘环境等应用工况的密封轴承综合性能模拟试验机，以满足高速密封轴承的综合性能评价要求。

发明内容

本发明的目的是能在较真实工况、环境下准确评估密封轴承的使用寿命，提供一种可根据试验条件，在不同应用工况、不同应用环境下评价密封轴承使用寿命和可靠性的综合性能模拟试验机。

本发明解决上述问题所采用的技术方案是：该密封轴承综合性能模拟试验机，其特征在于：包括轴承试验单元、驱动单元、加载单元、环境模拟系统和控制系统，轴承试验单元设置在环境模拟系统的环境箱内，与驱动单元设置在同一平板上，并与加载单元相连；驱动单元设置在环境箱左侧；加载单元包括径向加载机构和轴向加载机构，径向加载机构设置在环境箱上侧，轴向加载机构设置在环境箱右侧；环境模拟系统包括环境箱、高温模拟单元、低温模拟单元、湿度模拟单元和灰尘模拟单元；控制系统与驱动单元、加载单元、环境模拟系统相连，控制试验转速、试验载荷、试验环境温度、试验环境湿度和试验环境灰尘浓度；通过控制系统试验条件（载荷、转速）的设置，可以实现轴承的强化寿命试验，缩短评价周期，大幅降低产品质量评估成本；同时，通过控制系统环境条件（温度、湿度、灰尘浓度及其交变速度）的设置，可以实现轴承运行的强化模拟。

作为优选，本发明所述轴承试验单元包括试验支座、衬套、中负荷体、试验轴、拆卸环、被试轴承、隔环、锁紧螺母和端盖，该被试轴承、拆卸环和隔环套装在试验轴上，锁紧螺母通过正反螺纹紧固在试验轴两端，被试轴承内圈通过隔环和拆卸环隔开，以使被试轴承密封面充分暴露在试验环境中，被试轴承外圈套装在衬套和中负荷体内，衬套和端盖套装在试验支座内；被试轴承外圈均设置有温度传感器，以监测轴承运行温度；衬套和中负荷体上设置有振动传感器，以监测轴承运行状况。

作为优选，本发明所述驱动单元包括调整滑台、主轴座、电主轴、法兰盘、扭矩传感器、传动套、转速传感器和传动轴，该电主轴套装在主轴座中，主轴座、扭矩传感器和转速传感器固定在调整滑台上，电主轴通过法兰盘与扭矩传感器相连，扭矩传感器通过传动套与传动轴相连，传动轴与轴承试验单元的试验轴相连；采用电主轴作为驱动源，以使试验轴承的高速旋转得以实现。

作为优选，本发明所述径向加载机构包括径向伺服电动缸、径向力传感器和径向加载球头，轴向加载机构包括轴向伺服电动缸、轴向力传感器和轴向加载球头；径向加载球头与轴承试验单元的中负荷体相连，将径向载荷作用在被试轴承上，且大幅减小因平头加载而引起的偏载；轴向加载球头与轴承试验单元的端盖相连，将轴向载荷通过衬套作用在被试轴承上。采用伺服电动缸作为载荷源，以使试验精准加载得以实现。

作为优选，本发明所述环境模拟系统包括环境箱、高温模拟单元、低温模拟单元、湿度模拟单元和灰尘模拟单元，环境箱内设置有温度传感器、湿度传感器和灰尘浓度测量装置，高温模拟单元包括加热机构和加热机构连接管路，低温模拟单元包括制冷机构和制冷机构连接管路，湿度模拟单元包括湿热发生机构和湿热发生机构连接管路，灰尘模拟单元包括风机、扬尘管路、灰尘补偿装置、灰尘加热装置和匀尘装置，风机、灰尘补偿装置与扬尘管路相连，扬尘管路经灰尘加热装置与匀灰装置相连，匀灰装置设置在环境箱内，高温模拟单元、低温模拟单元、湿度模拟单元和灰尘模拟单元均通过各自的连接管路与环境箱相连。

作为优选，本发明所述控制系统包括电气控制单元和信号采集分析单元，该电气控制单元与驱动单元、加载单元和环境模拟系统相接，用于控制各单元的动作和参数，包括驱动单元的启停和转速，加载单元的动作和载荷，环境模拟系统各单元的启停及环境箱内的环境温度、环境湿度和灰尘浓度；信号采集分析单元与各单元中的传感器相连，包括温度传感器、振动传感器，转速传感器、扭矩传感器、力传感器、湿度传感器和灰尘浓度测量装置；用于记录被试轴承的试验条件和环境条件，并分析被试轴承的运行状态；各种环境（如高温、低温、湿热、灰尘等）可单独实施，也可综合实施，或交变实施。

作为优选，本发明所述驱动单元的主轴座与调整滑台装配后，与轴承试验单元的试验支座采用内孔等高加工制作，以提高驱动主轴与试验轴的同心度，保障高速试验的实现。

作为优选，本发明所述轴承试验单元的衬套采用外圆柱面结构，外圈柱面采用间隙配合套装在试验支座的内孔中，以利于轴向载荷能被完全施加在被试轴承上；试验支座与衬套间设置有防转装置，以防止因间隙配合而导致衬套打滑。

作为优选，本发明所述传动套通过弹性元件与传动轴相连，以消除驱动单元与轴承试验单元的偏心量，以保障高速试验的实现。

作为优选，本发明所述信号采集分析单元包括温度采集模块、振动采集模块、转速采集模块、扭矩采集模块、载荷力采集模块、湿度采集模块和灰尘浓度采集模块。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：该模拟试验机的驱动单元采用电主轴，能模拟轴承的高速运转工况；加载单元采用伺服电动缸，加载精度高，响应速度快，能较真实模拟轴承急变载应用工况；采用球头加载能有效避免偏载对试验寿命的影响；环境模拟系统集成了高温模拟单元、低温模拟单元、湿度模拟单元和灰尘模拟单元，有利于建立一体化、多因子的试验环境条件。该模拟试验机通过控制系统设定驱动单元、加载单元、环境模拟系统的试验参数，可较真实模拟高速密封轴承的高温、低温、湿热、灰尘等应用环境，实现给定转速谱、载荷谱、温度谱、湿度谱、灰尘浓度等条件下被试轴承的寿命测试，同时可通过试验过程中采集的扭矩、振动、温升等数据，分析上述各因素对轴承寿命的影响，使被试轴承的性能与寿命可靠性评估更加真实、可靠和科学。

附图说明

图1是本发明实施例的主视结构示意图。

图2是本发明实施例的俯视结构示意图。

图3是本发明实施例中轴承试验单元的剖视结构示意图。

图4是本发明实施例中加载球头的结构示意图。

图中：轴承试验单元1，驱动单元2，加载单元3，环境模拟系统4，试验台机架5，试验支座11，衬套12，中负荷体13，试验轴14，拆卸环15，被试轴承16，隔环17，锁紧螺母18，端盖19，调整滑台21，主轴座22，电主轴23，法兰盘24，扭矩传感器25，传动套26，转速传感器27，传动轴28，径向加载机构31，轴向加载机构32，环境箱41，高温模拟单元42，低温模拟单元43，湿度模拟单元44，灰尘模拟单元45，径向伺服电动缸311，径向力传感器312，径向加载球头313，轴向伺服电动缸321，轴向力传感器322，轴向加载球头323，加热机构421，加热机构连接管路422，制冷机构431，制冷机构连接管路432，湿热发生机构441，湿热发生机构连接管路442，风机451，扬尘管路452，灰尘补偿装置453，灰尘加热装置454，匀尘装置455。

具体实施方式

下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。

实施例。

参见图1至图4，本实施例主要包括轴承试验单元1、驱动单元2、加载单元3、环境模拟系统4和控制系统五个部分。轴承试验单元1设置在环境模拟系统4的环境箱41内，与驱动单元2设置在同一平板上，并与加载单元3相连；驱动单元2设置在环境箱41左侧；加载单元3包括径向加载机构31和轴向加载机构32两部分，径向加载机构31设置在环境箱41上侧，轴向加载机构32设置在环境箱41右侧；环境模拟系统4包括环境箱41、高温模拟单元42、低温模拟单元43、湿度模拟单元44和灰尘模拟单元45；控制系统与驱动单元2、加载单元3、环境模拟系统4相连，控制试验转速、试验载荷、试验环境温度、试验环境湿度和试验环境灰尘浓度。

参见图1至图3，本实施例中的轴承试验单元1包括试验支座11、衬套12、中负荷体13、试验轴14、拆卸环15、被试轴承16、隔环17、锁紧螺母18、端盖19。被试轴承16被与之一起套装在试验轴14上的拆卸环15和隔环17套隔开，被试轴承16与试验轴14采用过盈配合，拆卸环15和隔环17与试验轴14采用间隙配合；锁紧螺母18采用正反螺纹紧固在试验轴14两端，用以限制被试轴承16在试验轴14上的轴向松动；被试轴承16外圈通过小间隙或过渡配合分别套装在衬套12和中负荷体13内；衬套12采用外圆柱面结构，外圈柱面采用较大间隙配合套装在试验支座11的内孔中，并设置有防转装置，端盖19通过螺钉以较大间隙配合套装在试验支座11内，用以限制轴承试验单元1的轴向移动（无轴向载荷试验时）或传递轴向载荷（有轴向载荷试验时），试验支座11通过螺钉与试验台机架5相连固定。被试轴承16外圈上均设置有温度传感器，以监测轴承运行温度；衬套12和中负荷体13上设置有振动传感器，以监测轴承运行状况。

参见图1，本实施例中的驱动单元2包括调整滑台21、主轴座22、电主轴23、法兰盘24、扭矩传感器25、传动套26、转速传感器27和传动轴28。电主轴23套装在主轴座22中，主轴座22设置有夹紧机构，电主轴23轴向调整到位后被夹紧定位；主轴座22、扭矩传感器25和转速传感器27固定在调整滑台21上；电主轴23与法兰盘24相连，法兰盘24与扭矩传感器25相连；扭矩传感器25通过传动套26与传动轴28相连；传动套26通过弹性元件与传动轴28连接，用以消除驱动单元2与轴承试验单元1的偏心量，以保障高速试验的实现；传动轴28与试验轴14相连，通过调整滑台21的轴向移动来实现传动轴28与试验轴14的对接与分离；转速传感器27安装在调整滑台21上，通过霍尔感应测量转速。

本实例中，主轴座22在与调整滑台21装配后，与轴承试验单元1的试验支座11采用内孔等高加工工艺制作，以提高电主轴23的驱动主轴与试验轴14的同心度，以保障高速试验的实现。

参见图1，本实施例中，加载单元3包括径向加载机构31和轴向加载机构32。径向加载机构31由径向伺服电动缸311、径向力传感器312和径向加载球头313组成；轴向加载机构32由轴向伺服电动缸321、轴向力传感器322和轴向加载球头323组成；径向伺服电动缸311固定在环境箱41上侧；径向力传感器312设置于径向伺服电动缸311内，与径向加载球头313相连；径向加载球头313与中负荷体13相连，将径向载荷作用在被试轴承16上；轴向伺服电动缸321固定在环境箱41右侧；轴向力传感器322设置于轴向伺服电动缸321内，与轴向加载球头323相连；轴向加载球头323作用在端盖19上，将轴向载荷通过衬套12作用在被试轴承16上。

参见图1和图2，本实例中的环境模拟系统4包括环境箱41、高温模拟单元42、低温模拟单元43、湿度模拟单元44和灰尘模拟单元45；环境箱41内设置有温度传感器、湿度传感器和灰尘浓度测量装置；高温模拟单元42包括加热机构421和加热机构连接管路422；低温模拟单元43包括制冷机构431和制冷机构连接管路432；湿度模拟单元44包括湿热发生机构441和湿热发生机构连接管路442；灰尘模拟单元45包括风机451、扬尘管路452、灰尘补偿装置453、灰尘加热装置454、匀尘装置455；风机451、灰尘补偿装置453与扬尘管路452相连；扬尘管路452经灰尘加热装置454与匀灰装置455相连；匀灰装置455设置在环境箱41内；灰尘经风机451经扬尘管路452进入灰尘加热装置454，加热后的灰尘经过匀尘装置455均匀散布到环境箱41中；灰尘补偿装置453根据环境灰尘浓度的在线测量反馈，对进入环境箱41中的灰尘量进行实时补偿；高温模拟单元42、低温模拟单元43、湿热模拟单元44和灰尘模拟单元45通过各自连接管路与环境箱41相连；环境箱41直接包裹在轴承试验单元1的周围，使环境箱41的使用效率高、损耗小，能精准控制轴承试验的环境状况，包括温度、湿度、灰尘浓度等。

本实施例的控制系统，用于对被试轴承16的运行状况和运行环境状况进行监测和控制，包括电气控制单元和信号采集分析单元。电气控制单元与驱动单元2、加载单元3和环境模拟系统4相接，用于控制各单元的动作和参数，包括驱动单元2的启停和转速，加载单元3的动作和载荷，环境模拟系统4各单元的启停及环境箱41内的环境温度、环境湿度和灰尘浓度，各种环境（如高温、低温、湿热、灰尘等）可单独实施，也可综合实施，或交变实施；信号采集分析单元与各单元及环境箱41内的传感器相连，主要包括转速、扭矩、振动、载荷、温度、湿度及灰尘浓度等测量模块，用于记录被试轴承16的试验条件和环境条件，并分析被试轴承16的运行状态。

1)转速测量模块，采用霍尔传感器，用于检测传动轴28的转速。

2)扭矩监测模块，选用扭矩传感器25测量电主轴23输出的扭矩。

3)振动测量模块，主要用于对被试轴承16在试验过程中产生的振动情况进行监测，采用加速度传感器，安装在试验支座11和中负荷体13上，可同时监控各工位被试轴承16的失效情况。

4)载荷测量模块，测量的载荷为动态载荷，通过力传感器感应，系统有径向和轴向两路力传感器，力传感器经过力变送器，将力信号变为4-20mA电流信号，再经过采集卡采集，数据处理后进行显示和存储。

5)温度测量模块，主要包括被试轴承16外圈温度测量传感器和环境箱41环境温度测量传感器。

6）湿度测量模块，通过干湿球法对环境箱41的环境湿度进行测量。

7）灰尘浓度测量模块，通过光散射法对环境箱41中悬浮灰尘颗粒的光散射进行在线测量，经控制系统计算分析确定灰尘颗粒浓度。

该测量控制系统采用的电气控制单元主要包括主控计算机、下位机、变频器和伺服控制器。主控计算机与下位机、变频器、伺服控制器连接；下位机上设有数据采集卡，用于采集各监测模块的反馈信号；变频器与电主轴23连接，控制电主轴23工作；伺服控制器用于驱动伺服电动缸（311和/或312）工作。

通过上述阐述，本领域的技术人员已能实施。

此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同，本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例说明。凡依据本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效变化或者简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种密封轴承综合性能模拟试验机，其特征在于：包括轴承试验单元、驱动单元、加载单元、环境模拟系统和控制系统，轴承试验单元设置在环境模拟系统的环境箱内，与驱动单元设置在同一平板上，并与加载单元相连；驱动单元设置在环境箱左侧；加载单元包括径向加载机构和轴向加载机构，径向加载机构设置在环境箱上侧，轴向加载机构设置在环境箱右侧；环境模拟系统包括环境箱、高温模拟单元、低温模拟单元、湿度模拟单元和灰尘模拟单元；控制系统与驱动单元、加载单元、环境模拟系统相连，控制试验转速、试验载荷、试验环境温度、试验环境湿度和试验环境灰尘浓度。

2.根据权利要求1所述的密封轴承综合性能模拟试验机，其特征在于：所述轴承试验单元包括试验支座、衬套、中负荷体、试验轴、拆卸环、被试轴承、隔环、锁紧螺母和端盖，该被试轴承、拆卸环和隔环套装在试验轴上，锁紧螺母通过正反螺纹紧固在试验轴两端，被试轴承内圈通过隔环和拆卸环隔开，被试轴承外圈套装在衬套和中负荷体内，衬套和端盖套装在试验支座内，被试轴承外圈上设置有温度传感器，衬套和中负荷体上设置有振动传感器。

3.根据权利要求1所述的密封轴承综合性能模拟试验机，其特征在于：所述驱动单元包括调整滑台、主轴座、电主轴、法兰盘、扭矩传感器、传动套、转速传感器和传动轴，该电主轴套装在主轴座中，主轴座、扭矩传感器和转速传感器固定在调整滑台上，电主轴通过法兰盘与扭矩传感器相连，扭矩传感器通过传动套与传动轴相连，传动轴与轴承试验单元的试验轴相连。

4.根据权利要求1所述的密封轴承综合性能模拟试验机，其特征在于：所述径向加载机构包括径向伺服电动缸、径向力传感器和径向加载球头，轴向加载机构包括轴向伺服电动缸、轴向力传感器和轴向加载球头，径向加载球头与轴承试验单元的中负荷体相连，轴向加载球头与轴承试验单元的端盖相连。

5.根据权利要求1所述的密封轴承综合性能模拟试验机，其特征在于：所述环境模拟系统包括环境箱、高温模拟单元、低温模拟单元、湿度模拟单元和灰尘模拟单元，环境箱内设置有温度传感器、湿度传感器和灰尘浓度测量装置，高温模拟单元包括加热机构和加热机构连接管路，低温模拟单元包括制冷机构和制冷机构连接管路，湿度模拟单元包括湿热发生机构和湿热发生机构连接管路，灰尘模拟单元包括风机、扬尘管路、灰尘补偿装置、灰尘加热装置和匀尘装置，风机、灰尘补偿装置与扬尘管路相连，扬尘管路经灰尘加热装置与匀灰装置相连，匀灰装置设置在环境箱内，高温模拟单元、低温模拟单元、湿度模拟单元和灰尘模拟单元均通过各自的连接管路与环境箱相连。

6.根据权利要求1所述的密封轴承综合性能模拟试验机，其特征在于：所述控制系统包括电气控制单元和信号采集分析单元，该电气控制单元与驱动单元、加载单元和环境模拟系统相接，用于控制各单元的动作和参数，包括驱动单元的启停和转速，加载单元的动作和载荷，环境模拟系统各单元的启停及环境箱内的环境温度、环境湿度和灰尘浓度；信号采集分析单元与各单元中的传感器相连，包括温度传感器、振动传感器，转速传感器、扭矩传感器、力传感器、湿度传感器和灰尘浓度测量装置。

7.根据权利要求3所述的密封轴承综合性能模拟试验机，其特征在于：所述驱动单元的主轴座与调整滑台装配后，与轴承试验单元的试验支座采用内孔等高加工制作。

8.根据权利要求2所述的密封轴承综合性能模拟试验机，其特征在于：所述轴承试验单元的衬套采用外圆柱面结构，外圈柱面采用间隙配合套装在试验支座的内孔中，试验支座与衬套间设置有防转装置。

9.根据权利要求3所述的密封轴承综合性能模拟试验机，其特征在于：所述传动套通过弹性元件与传动轴相连。

10.根据权利要求6所述的密封轴承综合性能模拟试验机，其特征在于：所述信号采集分析单元包括温度采集模块、振动采集模块、转速采集模块、扭矩采集模块、载荷力采集模块、湿度采集模块和灰尘浓度采集模块。