馬 偉，莊樹明，孫 勇，云 峰

(中機試驗裝備股份有限公司，吉林 長春 130103)

1 引 言

軸承是機械傳動機構的重要支撐基礎件，直接影響裝備的技術水平和質量性能，被譽為“工業(yè)的關節(jié)”。當前，風力發(fā)電機軸承、高鐵軸承等高端軸承被國外公司壟斷和控制，高端軸承已經成為重要的戰(zhàn)略資源，是國防安全、民生保障的重要物資。國內軸承企業(yè)的產品研發(fā)能力與國外先進企業(yè)相比尚有較大差距，尤其是在軸承綜合性能試驗、檢驗檢測、產品研發(fā)、工程技術服務等方面差距更大，這些差距已成為制約國內軸承產品創(chuàng)新升級和技術進步的瓶頸。軸承企業(yè)加強新產品試制手段、全面增強軸承試驗能力、完善軸承綜合檢驗檢測手段，可以提升企業(yè)的自主研發(fā)創(chuàng)新能力，提升企業(yè)的市場競爭能力。

隨著高速、高精、高可靠性、低摩擦、低振動、低噪聲軸承及特殊工況下使用的專用軸承產品的不斷研發(fā)，對軸承檢測技術、試驗等方面都提出了更高的要求，也為大力發(fā)展軸承試驗設備提供了廣闊的市場和機遇。目前，中機試驗已經為包括航空、航天、軌道交通、科研院所和大專院校等在內的眾多行業(yè)提供了各類軸承試驗設備，其中包含關節(jié)軸承、滾動軸承、汽車和火車輪轂軸承、飛機起落架軸承、直升機主旋翼軸承等疲勞壽命試驗設備。

軸承試驗機的種類較多，其功能和用途也有所不同，包括軸承性能試驗機、疲勞壽命試驗機、強化試驗機、設計驗證試驗機等，但這些試驗設備的主機結構原理、載荷施加技術、驅動技術、測試技術、控制技術卻基本相同。下文對軸承試驗機的共性技術進行詳細介紹。

2 主機結構原理

試驗機的主機框架主要用于承載及軸承專用工裝的連接、測控部件的安裝布局等。專用工裝部分包含承載主軸、陪試軸承及軸承潤滑密封等。其中，陪試軸承是試驗機的關鍵零部件，其性能優(yōu)劣決定了試驗機的極限轉速和最大承載力，也決定了試驗機的旋轉精度，進而影響主軸跳動和試驗數(shù)據(jù)的準確度。按主機結構分類，一般分為橋式結構、懸臂結構、組合式結構。

2.1 橋式結構

橋式結構分三點式結構和四點式結構。三點式結構中，中間是一個試驗軸承，兩端安裝兩個陪試軸承，起支撐作用。四點式結構中，中間是兩個試驗軸承，兩端安裝兩個陪試軸承，起支撐作用。其中，陪試軸承也可以采用相同規(guī)格的試驗軸承，可以同時試驗4個軸承。橋式結構試驗機多用于疲勞壽命試驗。

2.2 懸臂結構

試驗軸承安裝軸采用懸臂梁結構，一側支撐，一側安裝試驗軸承，每次只能試驗一套軸承，拆裝、測試方便，擴展功能也很容易，比如增加高低溫環(huán)境、噴水噴粉環(huán)境、泥漿環(huán)境等。懸臂結構試驗機多用于性能試驗及研究。

2.3 組合式結構

采用類似試驗軸承使用工況下的安裝結構，或直接采用試驗軸承使用時的軸箱和主軸的主機結構。此種結構復雜，但試驗方法更接近實際工況，對軸承的應用更具指導意義，主要用于工況模擬試驗機。

3 載荷施加技術

試驗載荷是軸承試驗機的一個關鍵指標，其載荷大小決定了測試軸承的大小范圍，其加載精度決定了試驗結果的準確度。不同功能需求的軸承試驗機對精度和速度的要求各不相同，比如軸承強化試驗機對加載精度要求較高，一般需達到0.5%FS，但對加載速度要求緩慢加載即可。常用的載荷施加方法有杠桿砝碼加載、彈簧加載、電動加載、液壓加載等。

3.1 杠桿砝碼加載

杠桿砝碼加載由加載砝碼質量和杠桿比來確定載荷的大小。這種加載方式結構簡單，不需要載荷傳感器測試，且成本較低，適用于壽命試驗，但試驗過程中不能改變試驗載荷，也不適合高速，因速度過高會引起砝碼振動，導致載荷不穩(wěn)。

3.2 彈簧加載

通過壓縮或拉伸彈簧來進行加載。加載前對彈簧的剛度進行標定，試驗時通過調整彈簧的壓縮量或伸長量來調節(jié)試驗載荷的大小。彈簧加載的調整范圍較小，成本低廉，一般用于恒定載荷疲勞試驗。

3.3 電動加載

通過步進電機帶動蝸輪蝸桿升降機進行加載，或通過伺服電機帶動滾珠絲杠加載，載荷的大小通過負荷傳感器進行測量，并形成閉環(huán)控制，從而實現(xiàn)載荷的準確加載。電動加載一般加載頻率較低，不超過5Hz。為防止加載力過沖，一般會在加載頭安裝彈性裝置，以減少沖擊。

3.4 液壓加載

通過調節(jié)液壓缸加載腔的壓力來控制載荷的大小。根據(jù)調節(jié)方式的不同，又分為手動液壓加載、比例閥自動加載、電液伺服閥加載。

(1)手動液壓加載：通過手動旋鈕調節(jié)液壓缸的壓力，達到控制試驗載荷的目的。這種加載方式簡單、無噪聲，但精度低，需要人為調節(jié)，而且受加載缸摩擦力和內泄影響較大，一般用于壽命試驗。

(2)比例閥自動加載：由液壓站、比例閥控制系統(tǒng)和壓力傳感器或載荷傳感器組成閉環(huán)系統(tǒng)。由比例閥控制系統(tǒng)的數(shù)字調節(jié)器或函數(shù)發(fā)生器來控制比例閥的開度大小和方向，進而控制施加到測試軸承上的載荷。此液壓系統(tǒng)較復雜、成本較高，但控制精度良好，通過PID調整可以達到1%控制精度。系統(tǒng)的最大特點是載荷可以按試驗需求自定義變化，特別適合進行模擬試驗。

(3)電液伺服閥加載：電液伺服閥的響應遠高于比例閥，當試驗頻率高于5Hz或載荷曲線變化比較激烈時，比例閥自動加載就會嚴重滯后且無法達到試驗峰谷值，此時需要采用電液伺服閥加載系統(tǒng)。電液伺服閥加載的原理和比例閥加載相同，只是該系統(tǒng)的加載速度更快，頻率響應更高，采用摩擦副作動器可達50Hz，采用中機試驗靜壓作動器可達到300Hz。此類試驗設備價格昂貴，常用于軍工試驗和特殊試驗等。

4 驅動技術

進行軸承試驗時，需要試驗主軸按一定的轉速旋轉或按一定的頻率及擺角往復擺動。驅動主軸的方式有：變頻電機驅動、伺服電機驅動、電主軸驅動、液壓驅動等。

4.1 變頻電機驅動

變頻電機驅動由變頻器、變頻電機及傳動組件組成。通過變頻器來調節(jié)電機供電電源的頻率，就可以自由地控制電機的旋轉速度。一般通過皮帶或聯(lián)軸器連接電機與主軸，驅動試驗軸承內圈或外圈旋轉。

4.2 伺服電機驅動

伺服電機驅動由伺服電機、伺服驅動器、編碼器等組成，主要用于試驗軸承的調速范圍要求很大時，比如試驗最低轉速為最高轉速的2%時，就比較適合使用。其轉速控制精度高，可達到0.1%或更高，但試驗功率較小，大于30kW的伺服電機就需要特殊定制。

4.3 電主軸驅動

電主軸直接驅動用于軸承試驗轉速超過8000r/min時，可減少傳動組件的轉動慣量，提高系統(tǒng)的響應速度。該系統(tǒng)由電主軸、轉速傳感器、變頻器等組成?？紤]到高轉速軸承發(fā)熱，需要對電主軸軸承、支撐軸承、試驗軸承(若需要)進行潤滑冷卻，系統(tǒng)一般配有冷卻潤滑裝置。

4.4 液壓驅動

液壓驅動主要用于關節(jié)軸承、軸瓦等摩擦副軸承試驗機，其主要由擺動作動器或液壓馬達來驅動試驗主軸，運動形式一般為往復擺動。液壓驅動的主要優(yōu)點是驅動扭矩大，可達10000N·m甚至更高。對于較小扭矩的作動器，擺動頻率可以控制到100Hz。液壓驅動主要用于航空航天自潤滑軸承疲勞試驗機。

5 測試技術

測試技術是試驗機的關鍵技術。試驗機的控制參數(shù)和測量反饋參數(shù)都需要進行采集、存儲和處理，主要是通過單片機、PLC、數(shù)據(jù)采集卡等進行測試，并通過工控機或工業(yè)顯示器來顯示和操作，主要測試參數(shù)有載荷、轉速、溫度、振動、磨損量等。

5.1 載荷測試

試驗載荷是軸承試驗機的一個關鍵指標，載荷大小決定了測試軸承的大小范圍，其加載精度決定了試驗結果的準確度。一般要求靜態(tài)精度不超過示值的1%，動態(tài)精度不超過示值的3%?？梢圆捎秘摵蓚鞲衅髦苯訙y量，也可以通過用壓力傳感器測量加載腔的油壓來換算。精度要求較高時，多用負荷傳感器直接測量。

5.2 轉速測試

試驗軸承的轉速是試驗機的主要控制參數(shù)，開環(huán)轉速控制誤差會超過2%，在軸承試驗機上不建議使用。當前試驗機多采用光電編碼器或其他形式的轉速測量傳感器與電機變頻器或控制器形成轉速閉環(huán)控制，轉速控制精度可達0.5%。

試驗軸承的溫升是軸承質量的綜合反映，新產品研制時需要測試軸承的溫升情況。測試時應盡量貼近軸承內圈或外圈，試驗運轉時，哪個圈固定，就測量哪個圈。特殊情況需要同時測量內外圈，旋轉側的溫度信號需要通過電滑環(huán)把測控信號導出，但電滑環(huán)可靠性偏差、壽命較短，也不建議使用。對于使用時需要通潤滑油的試驗，試驗軸承的供油溫度、回油溫度也需要進行測量。對于比較苛刻的試驗，還必須嚴格控制潤滑油供油的溫度。溫度傳感器可以采用K型、J型熱電偶，溫度范圍-60℃～350℃，精度±1℃。

5.3 振動測試

振動參數(shù)通常用于判定軸承是否失效。對于不同的試驗軸承、不同的試驗機，軸承疲勞失效時的振動值并不是一個定值，這需要試驗人員根據(jù)經驗來確定。為了對振動信號進行分析，需要對信號進行高速采集，采樣頻率一般要求大于10kHz。但為了避免由于控制系統(tǒng)或加載系統(tǒng)的干擾造成振動超限而產生誤停機，需要對超限值進行數(shù)據(jù)處理，可采用多次觸發(fā)或一段時間觸發(fā)才認為振動超限有效。

5.4 磨損量測試

磨損量測試主要用于關節(jié)軸承、軸瓦等摩擦副軸承在長時間試驗過程中磨損厚度測量，分在線測量和線下測量。在線測量可采用光柵尺、差動變壓器、激光位移傳感器等，傳感器自身精度較高，但由于運行時干擾因素較多，僅能作為參考。具體磨損量的數(shù)值需要進行線下測量。

6 控制技術

當前，軸承試驗機控制技術的核心為控制器，主要有專用動靜態(tài)控制器、工業(yè)計算機、NI或PLC等，基本都可以實現(xiàn)長時試驗無人看守，試驗機可以按設置好的程序自動運行，所有試驗參數(shù)、反饋測量參數(shù)均可以設置上下限報警值。當所測試的參數(shù)超過報警值時，系統(tǒng)會自動停機。配置上位機軟件，可以方便地操作，靈活地編譯試驗流程。

7 試驗機簡介

本文主要結合中機試驗運用上述技術研制的軸承試驗機，來介紹不同種類的試驗機功能、結構、原理、性能參數(shù)等。

7.1 圓錐滾子軸承試驗機

專用于測試圓錐滾子軸承的疲勞壽命，為軸承性能評估提供了試驗條件。該試驗機的主要功能：對成對的圓錐滾子軸承進行軸向加載，并進行高速旋轉，通過溫度、振動、摩擦扭矩等參數(shù)判定軸承是否失效，檢測軸承的使用壽命。

主要技術參數(shù)：最大軸向載荷400kN；靜態(tài)測量精度±1%FS(4%～100%范圍內)；最高轉速1600r/min；軸承外圈尺寸70mm～200mm；軸承內圈尺寸60mm～130mm。圓錐滾子軸承試驗機如圖1所示。

圖1 圓錐滾子軸承試驗機

7.2 汽車輪轂軸承試驗機

專用于測試輪轂軸承的疲勞壽命，可實現(xiàn)同時對兩組輪轂軸承進行徑向加載，模擬車負重對輪轂軸承的載荷。徑向加載位置與輪轂軸承邊緣間距A可橫向調整，保證輪胎接地點與軸承邊緣之間的距離。對兩組輪轂軸承同時進行軸向加載，模擬車在轉彎過程中地面通過輪胎給輪轂軸承施加的軸向載荷。軸向加載軸線與輪轂軸承軸線間距B可調，模擬不同半徑輪胎的受力情況。通過變頻電機驅動輪轂軸承的外圈，實現(xiàn)模擬軸承的轉動。該試驗機可全方位模擬輪轂軸承的受載及運動狀態(tài)，并通過溫度、振動、轉速等傳感器采集實時數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)分析，判定軸承是否失效。

設備主要技術參數(shù)：最大徑向試驗力150kN；最大軸向試驗力±60kN；最高轉速1500r/min，變頻調速；徑向加載軸線與輪轂軸承邊緣間距A在0～150mm可以調整；軸向加載軸線與輪轂軸承軸線間距B在350mm～700mm可調。汽車輪轂軸承試驗機如圖2所示。

圖2 汽車輪轂軸承試驗機

7.3 關節(jié)軸承壓擺疲勞摩擦磨損試驗機

主要用于測定各種關節(jié)軸承襯墊在承受徑向加載和軸向擺動時的摩擦磨損壽命。配置各種環(huán)境裝置，如高溫環(huán)境、低溫環(huán)境、噴水環(huán)境和噴粉環(huán)境等，可對軸承進行實際工況的模擬和測試。

目前，中機試驗生產的該設備已經形成從10kN/500N·m～1000kN/16000N·m的系列化，能覆蓋從0.1Hz到100Hz之間的所有頻率段試驗，其產品性能指標滿足法軍標、美軍標中對航空用關節(jié)軸承的要求。

主要技術參數(shù)：徑向作動器10kN～1000kN；軸向擺動作動器500N·m～16000N·m；溫度范圍-60℃～350℃；最高頻響可達100Hz。關節(jié)軸承壓擺疲勞摩擦磨損試驗機如圖3所示。

圖3 關節(jié)軸承壓擺疲勞摩擦磨損試驗機

7.4 關節(jié)軸承工況模擬試驗機

主要用于關節(jié)軸承實際使用工況再現(xiàn)的試驗技術研究，可模擬關節(jié)軸承承受的徑向、軸向動靜載荷，實現(xiàn)耦合周向回轉擺動、傾斜運動及其多自由度的組合運動。在實現(xiàn)載荷和運動耦合的同時，可以增加環(huán)境模擬裝置，如高低溫環(huán)境箱、粉塵箱、鹽霧箱、溫濕度環(huán)境箱等。設置合理試驗載荷譜，可摸擬實際使用工況。

主要技術參數(shù)：實現(xiàn)徑向、軸向加載，軸向擺動和傾斜；直線作動器5kN～1000kN；擺動作動器500N·m～16000N·m；溫度范圍：-60℃～350℃；最高頻響可達30Hz。關節(jié)軸承工況模擬試驗機如圖4所示。

圖4 關節(jié)軸承工況模擬試驗機

7.5 飛機起落架軸承試驗機

專用于測試飛機起落架中關節(jié)軸承的疲勞壽命，主要功能有：往復模擬飛機在降落時起落架中關節(jié)軸承所承受的沖擊載荷及高速滑動，檢測起落架軸承的使用壽命。

主要技術參數(shù)：最大徑向試驗力1000kN(沖擊力)；最大軸向試驗力300kN(摩擦力)；靜態(tài)測量精度±1%(4%～100%范圍內)；往復運動行程500mm；間歇性往復運動，最大運動速度5m/s；試驗軸承溫度不超過設定溫度(一般為100℃)。飛機起落架軸承試驗機如圖5所示。

圖5 飛機起落架軸承試驗機

7.6 直升機主旋翼軸承試驗機

專用于測試直升機主旋翼軸承的疲勞壽命。直升機主旋翼軸承在運行時可繞著垂直軸線進行往復運動和各個方向的傾斜，并且在運動過程中還要承受徑向的動載荷。針對這種情況，該試驗機采用多軸協(xié)調加載伺服控制模式來對關節(jié)軸承的工況進行模擬。在控制上需要對各個伺服缸進行同步協(xié)調加載控制，按照平臺的運動學控制方程將平臺的控制信號解耦，然后分別進行協(xié)調加載控制，從而控制平臺按照試驗要求進行各個方向和各種傾斜角的控制和上下運動。為了保證動態(tài)性能，對幾個伺服缸的幅值和相位進行補償，從而實現(xiàn)穩(wěn)定的動靜態(tài)力控制和位移控制，充分地模擬和再現(xiàn)主旋翼軸承的實際工況。

主要技術參數(shù)：軸向、徑向載荷±50kN；運動形式為高速擺動、滑動、擺動加滑動；傾覆擺角范圍為，最大傾斜角度±15°，最大傾斜頻率5Hz；總距往復行程為，最大行程±100mm，最高往復頻率5Hz。直升機主旋翼軸承試驗機如圖6所示。

圖6 直升機主旋翼軸承試驗機

7.7 自潤滑襯墊三維球面擺動摩擦性能試驗機

該試驗機對推力關節(jié)軸承施加軸向力，在模擬高低溫環(huán)境的同時，實現(xiàn)球面摩擦副的三維擺動，測試推力關節(jié)軸承中自潤滑襯墊的摩擦性能和使用壽命。通過控制系統(tǒng)載荷、溫度和擺動模式，近似模擬材料使用的實際工況條件，實時測量材料的擺動摩擦性能、動態(tài)力學等參數(shù)，真實反映材料在使用工況下的綜合性能。軸向加載裝置為試樣提供軸向(Z向)載荷，由擺動油缸部件和擺動部裝實現(xiàn)試樣球面翻轉(Y向)擺動和球面傾斜(X向)擺動。軸向(Z向)加載、球面翻轉(Y向)和傾斜(X向)可以分別獨立運行，也可以同步、異步協(xié)調運行，可實現(xiàn)三維球面運動。試驗環(huán)境為-60℃～+150℃。自潤滑襯墊三維球面擺動摩擦性能試驗機如圖7所示。

圖7 自潤滑襯墊三維球面擺動摩擦性能試驗機

8 軸承試驗機及技術展望

軸承試驗技術的發(fā)展是與軸承新產品的研發(fā)緊密相連的。隨著軸承新產品的不斷研發(fā)，對與軸承相關的各種試驗方法、試驗設備、數(shù)學仿真模型的建立、失效數(shù)據(jù)的處理、試驗機的測控技術、自動測量技術等，都提出了更高的要求。

8.1 軸承壽命試驗方法及試驗機標準化

影響軸承壽命及可靠性的因素較多，也非常復雜，軸承疲勞壽命理論還有待進一步完善。我國對軸承壽命試驗的研究起步較晚，對軸承失效機理的理論研究還不足，目前還處于試驗數(shù)據(jù)積累階段，需要通過理論與實際相結合，摸索經驗。在此階段需要通過標準化、系列化的軸承試驗機來探討一種有效的試驗方法，形成行業(yè)公認的試驗標準，包括試驗規(guī)范、試驗裝置、試驗數(shù)據(jù)的處理方法和評定方法、試驗數(shù)據(jù)庫的建立等。

8.2 軸承試驗技術的智能化和個性化

隨著各種高、精、專軸承的不斷研發(fā)，對軸承壽命及可靠性試驗提出了更多智能化和個性化的需求，以滿足軸承使用條件漸趨苛刻的要求：精密、高壽命、高可靠性、低噪聲、節(jié)能、綠色(免維護)、組合化與系統(tǒng)化等。根據(jù)特定的試驗條件(類比實際工況參數(shù))設定載荷譜、轉速譜以滿足試驗要求，同時運用人工智能、傳感器神經網絡和專家系統(tǒng)等知識庫技術進行智能化處理，促進軸承試驗機及試驗技術多元化、個性化發(fā)展。

8.3 理論與實際相結合進行壽命預估

目前，軸承故障檢測與診斷技術已經初步形成了一門跨學科、跨領域的綜合信息處理技術，科學而準確地預估軸承的疲勞壽命是最實用、最復雜的工程應用課題。在不久的將來，采用軸承試驗機及試驗軸承的尺寸、功能、性能等參數(shù)，通過運動仿真建立網絡虛擬試驗機模型，實現(xiàn)在虛擬試驗機上進行疲勞壽命試驗，并結合較少或較短的實際試驗數(shù)據(jù)進行對比和修正，預估軸承的疲勞壽命?；ヂ?lián)網大數(shù)據(jù)+軸承試驗機技術，必將促進軸承學術理論的快速發(fā)展。