（控制理论与控制工程专业论文）轴承变载变速模拟试验系统研发.pdf

中文摘要 摘要 随着轴承产品在社会各行各业应用领域的扩大及应用档次的提高，对开发新 的轴承品种和提高轴承质量的要求同益增加，这使得各轴承企业对轴承试验越来 越重视。国外的轴承企业大都制定了轴承模拟试验标准，通过轴承模拟试验，测 量并计算出轴承的更加准确的性能参数，缩短了新产品开发的周期，有利于快速 改进产品的质量。而我国的轴承企业在轴承试验水平方面，还停留在简单的轴承 寿命试验的层次上，试验结果难以得到国外用户的认可，大大限制了我国轴承产 品的市场竞争力。为改变这种状态，迫切需要建立与国际先进水平接轨的轴承模 拟试验的规则并研发与之配套的轴承模拟试验系统。 本文针对轴承变载变速模拟试验进行研究，结合计算机技术、自动监测控制 技术，详细阐述了轴承在变转速、变载荷下的监测控制模拟试验系统的研究方法 和设计思想。本系统包括轴承试验检测控制系统和轴承生产过程管理系统两部分， 能够对试验轴承进行实时监测控制，使轴承按照系统设定的转速谱和载荷谱进行 试验，技术人员可以通过试验过程中的参数变化来对试验轴承运行情况进行分析 研究，总结出轴承转速和载荷的变化方式对试验轴承的影响。模拟试验数据实时 保存在管理系统中，同时系统管理员也可通过管理系统对模拟试验过程进行监测。 管理系统的设计使企业的管理模式发生了根本性的改变，历史数据的保存为同后 的技术分析提供了有利的支撑，友好、方便的客户端操作界面方便管理者对试验 过程实施全程跟踪。 轴承模拟试验系统开辟了我国轴承行业的新天地，为轴承研究丌拓了思路， 更为轴承生产提供了更多的研究数据。轴承变载变速试验系统是我国轴承模拟试 验研究的一个很好的开端，使企业在轴承试验研究方面提高了一个层面，为企业 今后在广阔的模拟试验研究领域上取得更多的成果打下坚实的基础。 关键词：变转速；变载荷；轴承模拟试验；轴承变载变速试验系统 英文摘要 r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fv a r i a b l el o a da n dv a r i a b l es p e e d s i m u a l t i o nt e s ts y s t e mf o rb e a r i n g a b s t r a c t t h eb r e a r i n g si n d u s t r i e se m p h a s i so nb e a r i n gt e s tm o r ea n dm o r ea l o n gw i t h e x p a n d i n ga n di m p r o v e m e n t i o na p p l i c a t i o no fb e a r i n gp r o d u c t si nv a r i o u ss e c t o r so f t h e c o m m u n i t ya n di n c r e a s i n gd e m a n d o nt h e d e v e l o p m e n to fn e wv a r i e t i e sa n d i m p r o v e m e n to f t h eq u a l i t yo fb e a r i n g s m o s to ft h ef o r e i g nb e a r i n g si n d u s t r i e sd e v e l o p b e a r i n gs i m u l a t i o nt e s ts t a n d a r d s i tg e t sm o r ea c c u r a t ep e r f o r m a n c ep a r a m e t e b o f b e a r i n gb ym e a s u r i n ga n dc a l c u l a t i n gf r o mb e a t i n gs i m u a l t i o nt e s tw h i c hs h o r t e nt h e d e v e l o p m e n tc y c l eo fn e wp r o d u c t sa n di m p r o v et h eq u a l i t yo ft h ep r o d u c t h o w e r v e r , m a n yb r e a r i n g si n d u s t r i e so fo u rc o m m u n i t yr e m a i nf o c u so nt h es i m p l el i f e t e s t i t g r e a t l yl i m i t st h ec o m p e t i t i v e n e s so fo u rp r o d u c t si nt h em a r k e tt h a to u r t e s tr e s u l t sc a n h a r d l yb er e c o g n i z e db yf o r e i g nu s e r s i tu r g e n t l yn e e d s t oe s t a b l i s hac o n v e r g e n c ew i t h t h ei n t e r n a t i o n a la d v a n c e dl e v e lo nt h eb e a r i n gs i m u l a t i o nt e s tr u l e sf o rc h a n g ew h i c hi s s u p p o r t e db yt h eb e a r i n gs i m u l a t i o nt e s ts y s t e mt or e s e a r c ha n dd e v e l o p t h ep a p e re l a b o r a t e st h ed e s i g nm e t h o d sa n di t si d e o l o g yo ft h es i m u l a t i o nt e s t s y s t e mw h i c hc a nb em o n i t o r e da n dc o n t r o l l e du n d e rl o a d a n ds p e e dc o n t r o l l i n g c o m b i n e dw i t hc o m p u t e ra n da u t o m a t i cc o n t r o lm o n i t o rt e c h n o l o g y t h es y s t e mh a st w o p a r t s ，i n c l u d i n gt e s ta n dc o n t r o ls y s t e m sa n db e a r i n g sp r o d u c t i o np r o c e s sm a n a g e m e n t s y s t e m i tc a np r o v i d et h er e a l t i m em o n i t o r i n ga n dc o n t r o l l i n go ft h et e s tb e a r i n gs o t h a tt h eb e a r i n gc a nt e s ti na c c o r d a n c ew i t ht h es y s t e mc o n f i g u r a t i o no ft h es p e e da n d l o a ds p e c t r u m t e c h n i c a ls t a f fc a na n a l y s i st h ec h a n g e so ft h et e s tb e a r i n gp a r a m e t e r s f r o mt h et e s t i n gp r o c e s sa n ds u mu pt h et h ei m p a c to ft h ec h a n g i n gp a t t e r no ft h es p e e d a n d1 0 a dt ot h et e s tb e a r i n g s i m u l a t i o nt e s td a t as t o r e d i nr e a l - t i m em a n a g e m e n t s y s t e ma n dt h es y s t e ma d m i n i s t r a t o rc a n a l s om o n i t o rt h em a n a g e m e n ts y s t e mt h r o u g h t h es i m u l a t e dt e s t i n gp r o c e s s m a n a g e m e n ts y s t e mm a k e st h em a n a g e m e n tm o d e lo ft h e 英文摘要 i n d u s t r i e st oc h a n g ef u n d a m e n t a l t h ep r e s e r v a t i o no fh i s t o r i c a ld a t ap r o v i d e sa f a v o u r a b l ee n v i r o n m e n tf o rf u t u r et e c h n i c a la n a l y s i s f r i e n d l ya n dc o n v e n i e n tc l i e n t i n t e r f a c ec a l lm a k et h em a n a g e r sf a c i l i t a t et ot r a c k t h ep r o c e s so ft e s t t h es y s t e mo ft h eb e a r i n gs i m u l a t i o nt e s to p e n su pn e wf i e l do fb e a r i n gt e s ta n di t p r o v i d e sap i o n e e r i n gi d e aa n dm o r er e s e a r c hd a t af o rb e a r i n gi n d u s t r i e s v a r i a b l el o a d a n dv a r i a b l es p e e ds i m u a l t i o nt e s ts y s t e mi sa g o o ds t a r to fo u rb e a r i n g ss i m u l a t i o nt e s t i tm a k e st h ei n d u s t r yt oi m p r o v eo nt h er e s e a r c ho ft h eb e a r i n gt e s ta n dl a y sas o l i d f o u n d a t i o no nt h eb r o a d e rs i m u l a t i o nt e s tf o rt h ei n d u s t r yi nt h ef u t u r e k e y w o r d s ：v a r i a b l es p e e d ；v a r i a b l el o a d ；s i m u l a t i o nt e s tf o rb e a r i n g ；v a r i a b l e l o a da n dv a r i a b l es p e e ds i m u a l t i o nt e s ts y s t e mf o rb e a r i n g 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成博士硕士学位论文：毡丞变夔变速槿型这验丕统受筮：。除论文中已经注 明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其它个人或集体已经公丌发表或 未公丌发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：冢啬乳枷穆年3 月刀同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、版 权使用管理办法”，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文 的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编学位论文。 保密e l ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于：保密口 不保密也磊在以上方框内打叫，) 论文作者签名：孑、乏区导师签名：l 司易斟 同期：沁扩年歹月矽同 轴承变载变速模拟试验系统研发 第1 章绪论 轴承是广泛应用的关乎国际民生的重要机械基础部件，轴承制造企业一般都 具有专有的关键技术，且企业之间相互封闭。因此，轴承制造水平直接反映出一 个企业装备制造业的水平和一个国家的工业水平。轴承质量的好坏直接影响到设 备的性能的优劣，而轴承试验是提高轴承产品质量和加速研发轴承新产品映的重 要辅助手段。 轴承生产包括产品研发、制造技术、检测试验技术三方面，而检测试验技术作 为轴承生产的最后一道工序，对轴承产品的性能进行测试评估，向科研、生产、 管理部门以及终端用户提供直接的书面资料和参考标准，在轴承生产中起到了不 可或缺的作用。t i l t 2 1 1 1 课题的来源及研究背景 1 1 1 课题来源 本课题是与瓦房店轴承集团有限公司检测试验中心合作开发的轴承变载变速 模拟试验系统。瓦轴集团轴承检测试验中心是国内轴承行业规模最大、功能水平 一流的轴承产品检测试验中心，已通过中国实验室国家认可委员会的检测能力认 可，在产品检测试验能力方面处于国内先进水平。2 0 0 6 年初，美国阿文美驰 ( a r v i n m e r i t o r ) 汽车工业公司在参观瓦轴集团有限公司检测中心时，提出了对轴承 变载变速试验数据的要求。目前，国内的试验机产品只有少数专用项目的特种试 验机具备此项功能，但不能满足外方所需的轴承模拟试验的要求。为适应轴承工 业技术的发展要求，实现与国内外先进制造技术和理念的接轨，采用先进的测量与 控制技术，结合同益增长的轴承生产及使用要求，研制开发可进行自动变载、变 速的新型通用轴承试验机势在必行。因此，对这类轴承试验的研究和探索的意义 是很深远的。 目前，瓦房店轴承集团有限公司检测试验中心引进了洛阳轴研科技股份有限 公司的t a 8 3 0 n t 汽车发电机轴承试验机、t a u h l 5 4 5 t f 汽车轮毂轴承单元高温耐 久性试验机、t 3 0 9 0 n 轴承极限转速试验机、t 3 0 9 0 n t 轴承高速高温性能试验机 第1 章绪论 都可以实现变载变速，通过设定转速谱载荷谱来控制调节试验轴承的试验转速和 载荷，但它们所试验的对象都是一些低载荷下的小轴承。t a 8 3 0 n t 汽车发电机轴 承试验机试验轴承的内径为8 m m 3 0 m m ，最大径向载荷为2 k n ，最大轴向载荷 为1 k n ；t a u h l 5 4 5 t f 汽车轮毂轴承单元高温耐久性试验机试验轴承的内径为 1 5 m m - - - 4 5 m m ，径向载荷和轴向载荷范围都在一1 5 k n - - - 1 5 k n ；t 3 0 9 0 n 轴承极限 转速试验机和t 3 0 9 0 n t 轴承高速高温性能试验机试验轴承的内径都为3 0 m m , - 一 9 0 m m ，最大径向载荷都为5 k n 。在工业上，应用较多的大都为工作在大载荷、高 转速下的内径较大轴承。以瓦房店轴承集团有限公司为例，公司每年的产品重点 都在机床、汽车、火车及一些军用领域中，大多数的轴承都是内径在6 0 m m 以上 的轴承。另外，对这些轴承的模拟状况也必须保证在大载荷、高转速下，才能准 确反映轴承的一些运行特性。而我国与之对应的轴承试验研究还远远不够，技术 还不是很成熟。本课题就是以此为突破口来进行研究的。 1 1 2 轴承试验发展过程 1 轴承寿命试验 轴承寿命试验是使用时间最长，研究最多的试验方法。由于影响轴承寿命的 因素太多太复杂，而轴承疲劳寿命理论仍需进一步完善，因此进行寿命试验成为 评定轴承寿命的主要手段。相对于s k f 、i n a f a g 、t i m b e m 、n s k 等国外公司， 我国轴承寿命试验起步较晚，经过几十年的努力和发展，我国的轴承寿命试验技 术已经取得了较大的发展并相对成熟。 1 ) 传统轴承寿命试验【3 】【4 】 2 0 世纪9 0 年代以前，我国的轴承行业一直沿用前苏联的z s 型试验机和试验 规范进行轴承的寿命试验，z s 型试验机因结构刚性所限，不能i - - , 加大试验载荷，常 常是在低载荷下进行疲劳寿命试验。其主要缺点是试验载荷的加载系统稳定性差， 测试手段落后，没有自动监控装置，试验过程中各数据的测试均靠人工完成，通 常是“四班三运转”值班，这样既影响试验结果的准确性、可靠性，同时又增加工作 人员的劳动强度，时间和人力的消耗大。因此，该试验技术试验精度低、加载系 统不稳定、没有自动控制系统，这些缺陷远远不能满足大量试验工作的要求，并 轴承变载变速模拟试验系统研发 且这种寿命试验方法周期长，费用高，试验结果的可靠性差。这种试验已明显落 后于轴承试验发展，已不能满足当前生产和科研发展的要求。 2 ) 轴承寿命强化试验 轴承寿命强化试验在保持接触疲劳失效机理一致的前提下，大大地缩短试验 时间，降低了试验成本，从而加快了产品的开发周期和改进步伐。2 0 世纪的9 0 年 代，在吸取国外先进试验机的基础上，杭州轴承试验研究中心研制了新一代自动 控制滚动轴承疲劳寿命强化试验机b l o 6 0 r 及其改进的a b l t 系列滚动轴承疲劳 寿命强化试验机，该系列试验机在一定程度上采用了自动化控制技术，而且操作 方便，精度大大地提高了，使用可靠，减少了劳动强度。【5 】 目前轴承寿命强化试验技术在国内己广泛应用于大型的轴承生产试验中心， 并被瓦房店轴承集团有限公司检测试验中心、宁波摩士轴承研究所、重庆长江轴 承工业有限公司、中国石化润滑油公司天津分公司、杭州诚信轴承有限公司等国 内外众多用户广泛认可并应用1 6 j 。 目前大部分的轴承寿命强化试验在试验内容和结果上仍有局限性，对轴承寿 命的各种影响因素及轴承失效机理等基础性理论研究尚显不足，与世界先进水平 仍有较大差距。随着我国加快建设轴承强国的步伐，用户提高对轴承寿命和性能 的要求，轴承试验设备和试验方法将不断推陈出新。 2 轴承激发试验 激发试验( s t i m u l a t i o nt e s t ) 又称环境应力激发试验，与模拟试验( s i m u l a t i o nt e s t ) 的思路相反，它是用人为施加环境应力的方法，加速激出并清除产品的潜在缺陷 来达到提高可靠性的目的，因此试验时不仅不要求获得通过，反而要求激出的潜 在缺陷越多越好，这种思路虽早为人知，但发展却相当慢。 激发试验从早期的高温、温度循环、温度冲击等试验形式，发展为现在公认 的高温变率的温度循环和带宽随机振动，试验所施加的应力不必模拟真实环境， 只需要不断地提高激发的效率。 随着激发试验技术的蓬勃发展，有人试图用标准的形式来加速这一技术的发 展，但这种思路容易将试验方法重新拉回到传统的试验轨道上去，况且不同的缺 第1 章绪论 陷类型和不同失效机理必须使用不同的应力筛选方案来进行，因此这种以标准试 验方法来规范试验的方法是不可取的。 激发试验技术虽然在国外有一定的研究，但是国内轴承行业目前很少做过该 类试验，同时这种试验方法目前都是在设计没有缺陷的前提下，针对生产过程的 缺陷，对于设计缺陷还不能很好地排除。 我国轴承行业还很少听说轴承寿命激发试验，更少有做过轴承寿命激发试验 的。我们在与美国世界级国际大公司交流时，了解了他们用激发试验技术测试中 国轴承寿命指标的情况。随着中国加入w t o ，对外开放的不断深入，轴承寿命激 发试验技术将大白于中国轴承行业。 3 轴承模拟试验 模拟试验技术是在模拟试验机上模拟轴承的主要工作参数，对轴承的性能进行 考核，从而对轴承产品质量进行全面的评估。模拟试验技术是轴承试验技术发展 的方向，它不仅为诸如轴承的性能、结构、工艺、材料、润滑和失效提供最佳的 试验验证，还可为轴承的改进设计提供依据。 模拟试验技术近年来得到广泛的重视，尤其是在模拟试验中加入更多智能化 和人性化因素，使模拟试验得到了很好的发展。目前，根据特点的试验条件，设 定转速谱和载荷谱等以满足试验的要求，同时用人工智能和专家系统等知识库技 术来进行智能处理的方法更是为国内外的轴承制造商所青睐。在国外，这种智能 化的模拟试验已经取得了初步成功，德国慕尼黑技术大学的汽车模拟实验室、 i n a f a g 轴承公司和k l u b e r 润滑脂公司的测试中心都已经采取了这种试验方 法，而且都取得了很好的效果。 早在2 0 世纪4 0 年代，美国就对产品的设计开始采用单因素环境模拟的研制 试验与鉴定试验检验设计的质量和可靠性。2 0 世纪7 0 年代，则发展到采用综合环 境模拟可靠性试验( c e r t ) 、任务剖面试验和验收模拟试验，为检验工艺则采用不 带设计裕度的验收模拟试验。在此后的很长时问内这些试验方法成为保障产品可 靠性的主要手段。 随着环境模拟试验技术的发展与成熟，各国政府部门及军兵种相继颁布了一 轴承变载变速模拟试验系统研发 系列的国标、军标，以严格的法规形式来保证产品的质量和可靠性，其中最有代 表性的如美国的环境迷你试验军标m i l s t d 一8 1 0 ，可靠性试验军标m i l - - s t d - - 7 8 1 和空间飞行器试验军标m i l s t d 一1 5 4 0 及其修订版，具体产品型号则根 据这些标准与型号的特点制定详细的试验大纲。长期以来环境模拟试验便成为保 障产品可靠性的主要手段1 7 1 。 我国汽车离合器分离轴承目前已经开发了离合器分离轴承模拟试验机进行了 大量的研究工作。试验研究证明通过模拟试验可真地模拟分离轴承的工况，能够 比较准确地了解轴承失效的原因，找出主要影响因素，综合评估轴承的寿命，并 为分离轴承的产品开发提供可靠的设计依据，对提高分离轴承的寿命起到了重要 的作用。汽车离合器分离轴承模拟试验机的研制，不仅为我国汽车离合器轴承提 供重要的试验方法和装备，还为离合器分离轴承技术的发展诸如轴承性能、材料、 结构、工艺、润滑、失效形式和寿命等方面的研究提供切实可行的试验手段，彻 底改变我国汽车工业分离轴承试验技术滞后，影响汽车工业快速发展的局面【8 】o 洛阳轴承研究所研制的l g m 1 5 p 4 5 汽车轮毂轴承模拟试验机采用微机自动控 制、自动测试，可模拟载荷谱、速度谱和温度谱试验。试验借助于在试验中再现 某一或某些应用场合紧密相关的参数值，使其与某一特定的应用场合或某一类应 用场合紧密地相联系。为了检验轴承的使用性能，选择相关某一工作参数或某些 工作参数的定值或通过路谱的测量值来进行试验。利用l g m 1 5 p 4 5 汽车轮毂轴承 模拟试验机进行了富康轿车前轮毂轴承f k f w b 0 1 0 0 模拟试验、桑塔纳轿车后轮毂 轴承l m l1 7 4 9 1 0 l 4 5 4 4 9 1 0 模拟试验、桑塔纳轿车前轮毂轴承j r m 3 9 3 9 6 8 微动磨 损性能试验、桑塔纳轿车前轮毂轴承j r m 3 9 3 9 6 8 密封性能试验( 泥砂试验) 1 9 】。 1 2 本论文主要研究内容 1 2 1 目前国内轴承变载变速模拟试验存在的问题 在国内，轴承变载变速模拟试验技术应用比较少，普及程度还不够，所以在 一些国内轴承研发部门中，一些研究者也在研制推广轴承变载变速模拟试验系统， 其中有一部分也投入了使用，但是纵观诸多优化控制系统，其对系统控制上还存 在一些明显的缺陷，而且有的难以长期投入使用，可靠性和稳定性仍有欠缺，使 第1 章绪论 用范围局限性比较大，没有从根本上解决问题。造成这种现状的主要原因之一， 是没有很好地解决对系统测控部分的优化。 我国在轴承变载变速模拟试验系统方面主要研究方向是对轴承内径小于 1 0 0 r a m 的小轴承的试验，而这些试验系统受到本身设备和测控方法等因素的干扰， 致使系统运行常常不能达到最佳工况，达不到用户所提出的控制要求，从而影响 整个试验的准确性，很难得到满意的试验结果。 1 2 2 本论文的主要研究内容与完成的工作 ( 1 ) 以轴承模拟试验过程和轴承载荷谱、转速谱分析为理论依据，探求轴承变 载变速模拟试验系统在试验过程中的参数实时变化情况，进一步从理论上论证了 该模拟试验的可行性。 ( 2 ) 利用轴承变载变速模拟系统，在瓦房店轴承集团有限公司检测试验中心进 行了多次跟踪工程试验，包括了常规的高转速低载荷下的轴承模拟试验和低转速 高载荷下的轴承模拟试验。试验过程同时完成了对试验对象滚动轴承的振动 数据的采集。 ( 3 ) 结合试验数据，对轴承变载变速模拟试验的振动数据进行了多方面的分析 比较，并分析判断了系统的非正常工况。 ( 4 ) 采用现代信号处理方法，对不同试验工况下获得的试验轴承振动信号数据 进行了频谱分析，从实践上论证了频谱分析用于轴承模拟试验的准确实时性。 ( 5 ) 试验系统运行中测量的实时数据，利用多数据融合完成对系统的工程监 测，实现了从试验测量信号到实时参数数据的转换显示。以载荷谱、转速谱为试 验依据，采用改进的p i d 控制方法，为试验载荷和试验转速控制提供调控参数， 提出了试验载荷和试验转速的控制框架。 ( 6 ) 采用液压系统对试验轴承加载，在载荷控制上更加实时、准确，对较大载 荷控制的实现起到了重要的作用；采用变频调速系统对轴承转速进行控制，控制 精度可以保证在l 的误差范围内，完全可以满足试验转速的控制要求。 1 2 3 本论文研究的成果 ( 1 ) 轴承变载变速模拟试验系统针对目前的内径不超过4 5 m m 的小型轴承的 轴承变载变速模拟试验系统研发 专有变载变速试验，以内径在6 0 m m - - - 1 2 0 m m 的中大型轴承为研究对象，填补了 我国轴承模拟试验在该领域的空白。 ( 2 ) 本系统在测控方面实现了试验轴承变转速变载荷控制、试验设备自动启停 控制和轴承故障自动诊断，满足了用户对系统功能的要求。 ( 3 ) 本系统在载荷控制方面解决了传统模拟试验控制范围较小的问题，系统轴 向载荷最大值可达1 2 5 k n ，径向载荷的最大值可达2 5 0 k n ，而且保证在较大载荷 下仍能安全、准确地试验。系统在测控参控参数也保证了较高的精度，测量温度 为主o 5 ，载荷、转速控制精度为士1 ，电流测量精度为士1 ，振动测量精度为 士l 。 ( 4 ) 系统设计了与试验过程相适应的管理系统，试验过程中管理系统将试验数 据保存到系统数据库中，为用户提供了大量的实时数据，对于产品的研发提供了 参考依据。 第2 章系统总体设计 第2 章系统总体设计 轴承变载变速模拟试验系统由a b l t - 2 型试验机和一套测控系统组成，可对生 产的轴承做各种性能考核和试验。该试验机具有四个工位，可同时对四套轴承进 1 行模拟试验。系统可以根据用户设定的载荷谱和转速谱对试验轴承的载荷和转速 进行控制。系统可对每一次试验的轴承的种类、批次、试验轴承数量、试验条件、 试验时问等进行记录，同时在试验过程中对所试验的轴承转速、载荷、温度、振 动等进行实时的检测，可以自动对各种运行参数进行实时分析和处理，在试验过 程中对故障进行自动诊断，发生故障时自动报警。同时试验数据可自动保存到数据 库供技术人员分析处理。 2 1 系统结构分析 系统包括振动数据采集通道，载荷信号测量通道，转速信号测量通道，载荷 控制通道，转速控制通道，温度数据采集通道，试验机启停控制通道，主电机电 流测量通道，显示、打印以及主控计算机等部分，系统总体框图如图2 1 所示。 葡网 爿变频调速控生 百薇司 塑壅墼塑l 主 一 爿 显示、打印 控 l 转速数据 卜计 算 商黼黼斯 试验机启l卜 机 停数据 l 主电机电l卜 斟负载调节控制 亟邀塑 图2 1 轴承变载变速模拟试验系统总体框图 f i g 2 1t h em a i nf r a m e o f v a r i a b l el o a da n dv a r i a b l es p e e ds i m u l a t i o nt e s ts y s t e mf o rb e a r i n g 轴承变载变速模拟试验系统研发 2 1 1 系统e r 图 该系统所研究的对象为轴承，而试验机作为轴承试验的载体，必须在试验过 程中控制其状态，才能保证试验连续完整地进行下去。因此，轴承、试验机、轴 承试验三者之间有着密不可分的关系。下面就图2 2 的系统e r 图来进行系统分析。 毓函确) 再n( 出厂日勘( 生产日蜘( 名称) 图2 2 轴承变载变速模拟试验系统e r 图 f i g 2 2t h ee rd i a g r a mo f v a r i a b l el o a da n dv a r i a b l es p e e ds i m u l a t i o nt e s ts y s t e mf o rb e a r i n g 1 轴承信息f l o 】 轴承名称：系统试验的轴承类型包括深沟球轴承、角接触球轴承、四点接触 第2 章系统总体设计 球轴承、调心球轴承、圆柱滚子轴承、滚针轴承、圆锥滚子轴承、调心滚子轴承、 推力球轴承、推力圆柱滚子轴承、推力圆锥滚子轴承。 轴承型号：每种名称的轴承都有不同的型号，轴承按照轴承制造标准来一一 对应其本身的型号。 轴承编号：轴承编号由开始试验时的年、月和目前轴承的标号组成。轴承的 标号为本年本月所进行轴承试验的序号，在开始试验时可以根据系统时间自动生 成轴承编号。如：轴承编号为2 0 0 2 1 0 1 ，表示在2 0 0 2 年1 月进行的第一次试验。 2 轴承寿命 在本系统进行轴承模拟试验的同时，也对其寿命进行处理。在试验开始的试 验方案设定时，可以根据模拟试验下的寿命计算公式计算出轴承的计算寿命。同 时，系统还可根据试验结束后的终止试验原因来判断轴承的实际寿命。 3 轴承参数 轴承载荷：轴承载荷分为轴向载荷和径向载荷，分别为加载到试验轴承的轴 向和径向的两个方向的负荷压力，轴承载荷单位为k n 。 振动参数：振动参数指以振动传感器测量的原始振动数据为依据计算的轴承 振动均方根值、峰值、峰值因子、峭度。振动参数的计算可以用来作为轴承故障 的标准。另外，将轴承振动信号从时域转换到频域上的频谱分析是轴承故障诊断 的频域分析基础。 温度参数：温度参数包括轴承温度和环境温度。对于轴承温度，在采用脂润 滑时，其温度不允许超过8 0 ；油润滑时，不允许超过9 5 。c 。 轴承转速：试验过程中，轴承内圈转速一般不超过轴承极限转速的6 0 。另 外，轴承的试验转速还要受试验机的限制，转速的具体数值按试验机本身的转速 表数据选用，本系统采用的a b l t - 2 型试验机的极限转速为5 0 0 0 r m i n 。 电机电流：电机电流是对试验轴承扭矩大小的反映，在试验中对电流信号的 跟踪结果可以用于反映变载变速过程中对试验轴承扭矩的影响。 4 试验机型号 本系统试验机采用a b l t - 2 型试验机。以后可扩展使用b 15 3 0 r 、b 3 0 6 0 r 、 轴承变载变速模拟试验系统研发 b 6 0 1 2 0 r 、a b l t - i 、a b l t - i i 、a b l t - i 、a b l t - 1 v 、w 8 9 1 、t l p 、b 6 0 1 2 0 r ( 5 9 ) 等一系列试验机，但由于各种型号试验机的接口端有差异，因此系统设备接口的 接线方式也略有不同。 5 人机界面 登录：系统设置了管理员、技术员、普通用户权限，以便于系统管理。 显示：系统实时显示界面中包括：实时数据显示、实时曲线显示、工位显示 表显示。 查询：系统可以进行实时参数查询、历史参数查询、报警查询、用户操作记 录查询、试验方案查询、试验记录查询。 设置：系统设置包括：用户信息设置、试验方案设置、试验记录设置、方案 管理设置。 报警：报警分为试验参数报警和试验设备报警。 打印：系统可执行曲线打印、试验方案打印、试验记录打印、数据库表格打 印、登录记录打印。 6 数据库 系统可自动存储试验实时参数、试验报警信息、用户操作记录、试验系统设 置，而且能够保证数据足够丰富，可最大限度地反映出系统设置的载荷谱和转速 谱；系统可保存所有的报警信息，以备用户查询；系统保存用户所有操作记录， 利于系统管理。 7 试验过程控制 用户在整个试验过程中，需要操作的部分有：试验方案设置、启动试验、暂 停试验、再启动试验、结束试验、生成试验记录、试验记录的导入导出，试验记 录的删除等操作。 2 1 2 系统参数 系统主要是对试验轴承的温度、载荷、转速、振动以及主电机电流进行处理， 通过对参数的测量和控制，以准确地模拟轴承的实际运行状况，由计算机记录试 验全过程。 第2 章系统总体设计 1 温度参数 温度参数包括轴承温度和环境温度，轴承温度参数在试验中可以很好地反映 出轴承目前的工作状况。轴承如果产生了某种损伤，其温度就会随着轴承的损伤 程度的变化而变化。因此，在轴承检测中，及时地检测轴承温度的变化可以很好 的跟踪试验轴承的工作情况。 本系统对四个工位的轴承温度、环境温度进行记录和显示，对轴承温度实现 了上限报警，同时将报警信息、报警停机时间、轴承编号、运行时间等进行记录， 显示停机时的轴承温度值，打印相关数据。并且系统能够对温度传感器等j 下常与 否进行自检测。 2 轴承载荷 轴承试验机试验时通过独立的液压系统对试验轴承施加轴向载荷和径向载荷， 轴承的轴向和径向载荷分别通过“外力”施加到轴承试验机的轴向和径向的活塞上， 再通过活塞将载荷力施加到试验轴承上，通过调整“外力”的大小来满足轴承试验的 要求。 本系统产生载荷的“外力”的设备为一套独立液压系统。该系统可对试验机的径 向载荷和轴向载荷进行测量和控制，通过对液压回路的压力检测来控制试验轴承 的径向和轴向载荷的大小。而且系统压力波动时能够通过主控计算机来进行调整 和控制。检测的载荷数据可以实时显示大小、曲线，并及时地记录下来，为以后 分析轴承试验结果提供参考。 本系统主要研究的对象就是对试验轴承提供变化的载荷，在设定好轴承载荷谱 的前提下，根据载荷测量值和载荷谱的给定值，利用改进的p i d 算法实时地控制 试验轴承的轴向载荷和径向载荷，使实际轴承载荷运行曲线更加接近设定的载荷 潍 豳0 3 轴承转速 轴承转速是轴承试验的另一个重要的参数，是轴承试验结果的一个重要参考 数据。轴承的转速主要受到内部的摩擦发热引起的温升的限制，当转速超过某一 界限后轴承会因烧伤而不能继续旋转，这极限值就称为极限转速，即不产生导 轴承变载变速模拟试验系统研发 致烧伤的摩擦发热并可连续旋转的界限值。因此，在试验时对轴承极限转速的设 定是很重要的。 本系统通过脉冲式速度传感器检测轴承的实际转速，为实现转速的闭环控制提 供依据。轴承转速按照设定好的转速谱，采用变频器控制。系统能对轴承的转速 数据进行记录，显示实时转速的大小，并能显示轴承转速曲线和打印。 与轴承载荷控制相同，系统根据轴承转速测量值和轴承转速谱的给定值，采 用改进的p i d 算法对控制值进行校正，使轴承实际转速曲线更加接近于轴承转速 二壹皂 1 , 1 ：10 4 轴承的振动参数 轴承的振动是非常复杂的随机的机械现象。它既是一种质量评判标准，依据它 可以为轴承质量划分等级，又是轴承制造过程中的一种质量控制手段。随着轴承 制造技术水平不断提高，反映轴承动态性性能之一的振动参数也越来越被人们所 重视。用户对轴承振动参数的技术特性的认识也越来越敏感，要求也越来越高。 轴承的振动就是指轴承零件几何中心瞬时位置偏离理想位置的运动、轴承零件 随时间而变化的弹性变形、以及其它轴承旋转运动所必要的一切运动，通称为轴 承的振动。【1 1 】 引起滚动轴承振动的原因很复杂，大量理论研究和试验研究表明，滚动轴承的 基本振源是：滚道和滚动体的圆形偏差及波纹度；破坏接触区润滑油膜的滚道和 滚动体粗糙表面相互作用的微观凸起；污染杂质颗粒；轴承旋转时刚度的变化； 保持架旋转时的摆动。 本系统实现了对试验轴承进行振动参数检测、分析、处理和报警，当轴承振 动引起轴承故障报警时，系统发出报警信号。同时将报警原因、报警时间、轴承 编号、运行时间等进行记录和打印。系统能对振动传感器、放大器、a d 转换等 回路进行自检，系统元件发生故障时，可显示故障原因。 5 主电机电流 主电机电流与轴承载荷和轴承损坏程度有关。在试验过程中，轴承载荷变化 的同时，引起主轴转矩变化，进而导致电机电流发生变化。轴承在没有出现损坏 第2 章系统总体设计 的现象时，轴承载荷按照一定的载荷谱进行试验时，主电机电流也按照一定规律 变化。如果轴承损坏，会一定程度地影响主电机电流的变化规律。因此可以通过 检测主电机电流的变化来分析轴承状态的变化规律。 本系统通过检测主电机电流，来实时监视主电机的负载大小，为试验数据的 分析提供参考依据。系统可对主电机电流数据进行记录，显示实时电流的大小， 并能显示和打印主电机电流曲线。 2 2 系统功能模块设计 轴承变载变速模拟试验系统的信息流作为系统的基本功能之一，是系统各模 块间的重要连接元素。下面就本系统的系统信息流进行分析，如图2 3 所示。 ，- 、 ，一一一一、 f 人机交互 转速测最、， 一 一 一 屹 一 驾 一ij引瞄 一 一 郦| 薹 一 w t一门 一 赢 l 瓴 鹇厂 量一 轴承变载变速模拟试验系统研发 度参数的变化特性。试验轴承温度测量范围为1 0 1 5 0 ，环境温度测量范围为 0 * c , - - , 5 0 。c ，用户对温度的测量精度要求为1 ，8 3 6 0 a 型a d 转换接口板从采样 频率和输入精度方面都完全可以满足系统的要求。 3 1 3 载荷测量 轴承载荷是在轴承试验过程中不断地向轴承加的压力，从而模拟实际中轴承 所承受的各种载荷。载荷参数分为径向载荷和轴向载荷。系统中的载荷执行机构 是一套液压系统，从液压系统中的载荷传感器可读出实际测量的轴向和径向载荷 参数值。测量的载荷值经过信号调理电路和a d 转换接口板转换为数字量值，经 过软件标度变换换算出实际的工程量，向管理系统提供实时的温度参数。 ( 1 ) 载荷调理电路 载荷调理电路如图3 6 所示，利用二极管的钳制电压技术，d 1 、d 2 对运算放 大器起到保护作用；跟随器u 1 在电路中提高输入阻抗；r c 滤波电路滤掉一些干 扰信号，保证输入信号不受其他频段信号的干扰。经过载荷调理电路的处理之后 载荷信号可以稳定地调整到1 v - - 一5 v 范围之内。 + 1 2 v 图3 6 载荷调理电路 f i g 3 6t h e l o a dc o n d i t i o n i n gc i r c u i t ( 2 ) a d 转换 载荷参数a d 转换部分采用的是8 3 6 0 a 型a d 转换接i z ：l 板的模拟输入通道， 第3 章系统硬件设计 轴向载荷和径向载荷各占一路模拟通道。 系统振动参数采用单端输入的方式，有效的输入信号范围为5 v + 5 v 。试验 轴承轴向载荷测量范围为0 1 2 5 k n ，轴承径向载荷范围为0 - 2 5 0 k n ，用户对温度 的测量精度要求为- 4 - 0 5 ，8 3 6 0 a 型a d 转换接口板从采样频率和输入精度方面可 以满足系统的要求。 3 1 4 转速测量 轴承转速的测量主要通过磁电式转速传感器来进行测量的，转速传感器安装 在轴承主轴端的主动齿轮下，这样可以通过主轴的转动情况来反映轴承的转速。 测量的转速值经过脉冲调理电路和a d 转换接口板就得到计算机能够处理的数字 量，经过软件标度变换换算出实际的工程量，向管理系统提供实时的温度参数。 ( 1 ) 转速传感器【1 7 】 系统的转速采用c s c c t - 0 1 型磁电式转速传感器，该类型传感器可用于检测 齿轮、曲轴、轮辐等转动且有缝隙的表面。当主轴齿轮旋转时，通过传感器线圈 的磁力线发生变化，在传感器线圈中产生周期性的电压，通过对该电压处理计数 测出齿轮的转速。该传感器具有输出信号强，抗干扰能力强，无需供电，无需控 制装置提供激励电路，安装使用方便等特点，适合本系统中转速测量环节的需要。 图3 7 所示为磁电式转速传感器的工作原理图。其中图( a ) 中的转速传感器内部 线圈产生磁场，当轴承转动时，主轴端的金属齿也会随之转动，金属齿的气隙因 切割磁力线而产生感应电动势。图( b ) 是其经过整形之后的输出信号波形。输出频 率( f ) 由齿轮数( m ) 与齿轮转速( v ) 决定，如式( 3 一1 ) 所示。 f t m v ( 3 一1 ) o u 、7 由式3 - 1 所示，本系统在选择齿轮时选用6 0 齿的齿轮，这样测量的输出频率 与实际测量的转速相等。 轴承变载变速模拟试验系统研发 5 2 店弋。2 催。 r n 厂。 uuu 7 图3 7 转速传感器的】：作原理 l 一转速传感器2 齿轮气隙 f i g 3 7t h ep