一种具有多维激振载荷的滚动轴承寿命试验台的制作方法

本发明属于滚动轴承寿命试验技术领域，尤其涉及一种具有多维激振载荷的滚动轴承寿命试验台。

背景技术：

作为我国被卡脖子的核心零件和技术之一─滚动轴承无论在飞机、汽车、高铁，还是在高精密机床、仪器仪表等领域都是不可缺少的核心零部件，而且对滚动轴承的精度、性能、寿命提出了越来越高的要求。现今高端滚动轴承的设计制造与销售市场基本上被世界轴承巨头美国timken、瑞典skf等所垄断。

试验研究在滚动轴承的寿命与可靠性工程之中起着非常重要的作用，寿命与可靠性试验可以有计划地激发暴露产品的缺陷，并且分析缺陷导致失效的原因和有针对性地改进设计。另外，在机械设备运行过程之中，振动现象不可避免，而且振动严重影响机械设备的工作精度、运行可靠性和服役寿命，因此滚动轴承的振动试验研究是提升滚动轴承性能和可靠性的必不可少的环节。但是现阶段滚动轴承试验台都无法进行滚动轴承的振动试验研究，因此导致滚动轴承的寿命试验结果与滚动轴承的实际运行工况不相符合。而且截止目前对于受振动影响的滚动轴承的性能特性的试验研究均无法实现，即使可以简单地使用振动试验台和滚动轴承试验台叠加起来进行滚动轴承的振动试验研究，但是能够激振起来滚动轴承的振动试验台不仅体量大和费用高，而且如此的振动试验的影响因素众多和设备间底座等的干扰将无法准确地获得滚动轴承受振动影响的寿命与可靠性信息。

技术实现要素：

为了解决上述已有技术存在的不足，本发明提出一种具有多维激振载荷的滚动轴承寿命试验台，能够形成滚动轴承多维激振载荷，本发明的具体技术方案如下：

一种具有多维激振载荷的滚动轴承寿命试验台，所述寿命试验台包括驱动模块、试验模块、加载模块、控制模块和数据采集模块，其中，

所述控制模块，包括设置在电脑桌上的计算机和控制器，所述计算机将控制信息传送给所述控制器，所述控制器通过信号传输线缆与所述驱动模块连接，进而控制驱动模块；

所述驱动模块，包括设置于减震台上的同轴的联轴器和伺服电机，通过控制所述伺服电机内高性能矢量控制型变频器能够实现对伺服电机主轴转速的连续调节，所述驱动模块通过所述联轴器与所述试验模块连接，进而驱动所述试验模块中的试验主轴；

所述加载模块，包括径向加载铜套、径向加载活塞，所述径向加载活塞由液压驱动，所述径向加载活塞通过与试验轴承套上相应的凹槽抵接实现对试验轴承的径向加载；

所述试验模块，固定在所述减振台上，包括前支承轴承、后支承轴承、激振偏心质量环、套筒；其中，所述前支承轴承和所述后支承轴承均通过在轴承套内两侧安装轴承固定卡环固定，试验主轴穿过所述前支承轴承和所述后支承轴承；至少两个所述激振偏心质量环通过螺栓螺母对称固定在试验主轴上，试验主轴通过带动所述激振偏心质量环实现对试验轴承的多维激振载荷加载；在试验轴承的两侧分别与对应的所述激振偏心质量环之间设置套筒，使试验轴承的轴向固定；所述加载模块固定于试验轴承套的正上方，所述径向加载活塞通过对试验轴承套施加压力，进而实现对试验轴承施加径向加载；

所述数据采集模块，包括温度传感器、振动传感器和压力传感器，三个传感器经由试验轴承套上的通孔固定并抵接试验轴承外圈，三个传感器采集的数据通过专用数据线传输到所述控制模块，所述控制模块对采集的信号进行处理并实现对试验加载的闭环控制，以及数据保存；

工作过程中，所述控制模块控制所述驱动模块的所述伺服电机的转速来驱动所述试验模块，带动所述试验模块的所述激振偏心质量环，实现试验轴承的多类型加载；数据采集模块通过三个传感器采集试验轴承实际承受的加载应力及试验轴承的振动、温度信号，在所述计算机上实时显示，同时三个传感器的信号反馈到所述控制模块，所述控制模块根据反馈的加载信息对所述驱动模块发出的信号指令进行修正，形成闭环控制回路。

进一步地，所述激振偏心质量环的圆周面上按角度设置均匀分布的螺纹孔，至少一个质量块通过螺纹连接固定在所述激振偏心质量环上，所述激振偏心质量环和至少一个所述质量块构成激振加载装置，能够根据试验要求形成夹角以实现多维激振载荷。

进一步地，所述加载模块还包括设置于所述径向加载铜套顶部的径向加载端盖，设置于径向加载端盖与所述径向加载铜套之间的径向加载上密封垫片，固定于所述径向加载活塞上端的弹簧，设置于所述径向加载铜套底部的径向加载下密封垫片；

其中，所述径向加载端盖用于与所述径向加载铜套形成封闭油腔，并承载反向的液压力，所述径向加载上密封垫片与所述径向加载下密封垫片实现对液压缸的密封，所述弹簧能够使所述径向加载活塞实现卸载时自动缩回。

进一步地，所述试验模块的所有轴承的内圈和外圈之间均设置轴承密封垫片，用于对采用脂润滑方式的轴承进行密封。

进一步地，所述联轴器为梅花型挠性联轴器，所述伺服电机为可调速主轴交流伺服电机。

进一步地，所述轴承固定卡环为弹性卡环。

进一步地，所述激振偏心质量环的圆周面上相邻螺纹孔之间的夹角为36°。

一种具有多维激振载荷的滚动轴承寿命试验台进行振动疲劳寿命试验的方法，其特征在于，包括以下步骤：

s1：根据试验轴承的型号，查询轴承额定径向动载荷，确定所需的径向载荷；根据试验要求确定试验激振加载类型；根据试验轴承的材料性能参数，确定激励载荷幅值f(t)和m(t)，其中，f(t)为单向振动载荷幅值，m(t)为弯曲振动载荷幅值；再确定试验台的共振频率偏量值作为试验停机的判断阈值；

s2：根据步骤s1的试验轴承型号，选择与试验轴承内径匹配的试验主轴和试验轴承外径匹配的轴承套，选择脂润滑方式并使用密封垫片对试验轴承进行相应的密封，将试验轴承安装在试验轴承套中；

s3：根据步骤s1确定的激振加载类型和激励载荷幅值，根据所述激振偏心质量环上所需的所述质量块的质量以及其与x轴的夹角值，选择质量块按照试验角度安装在所述激振偏心质量环上，并将所述激振偏心质量环固定在试验主轴上；其中，x轴指沿垂直于地面方向，y轴指沿平行地面方向，z轴指沿试验主轴轴向方向，坐标系满足右手螺旋法则；

s4：根据步骤s1确定的径向载荷，通过所述加载模块对试验轴承施加径向载荷；

s5：根据步骤s1确定的激振加载类型和激励载荷幅值，在所述计算机中形成振动载荷谱，并向所述驱动模块发出指令，控制所述伺服电机的转速，带动所述试验模块的激振偏心质量环形成试验所需的加载要求；

s6：通过数据采集模块采集相应的振动、温度和压力信号并存储在计算机中，利用计算机对数据实时计算处理，通过计算的实时振动信号的相关特征量得到共振频率偏量值与步骤s1设定的试验停机阈值对比，当达到阈值后试验停止；

s7：拆下试验轴承进行观察记录失效样貌，从计算机(1)中导出试验数据。

进一步地，所述步骤s3中，一个所述激振偏心质量环与其对应安装的一个所述质量块构成一个激振加载装置，其中，每个所述质量块的质量及其与x轴的夹角值的计算方法如下：

激振加载类型为单向振动载荷，则令每个加载装置中的质量块与x轴的夹角相等，m1＝m2＝m，将在方向产生振动，则激励f(t)为：

f(t)＝2mrω²sinωt(1)

其中，α─第一个激振加载装置的质量块与x轴的夹角，β─第二个激振加载装置的质量块与x轴的夹角，r─转动轴的半径或质量块至圆心的距离，i─第一个激振加载装置的质量块的振动方向，j─第二个激振加载装置的质量块的振动方向；m1-第一个激振加载装置的质量块的质量，m2-第二个激振加载装置的质量块的质量，m-第一个或第二个激振加载装置的质量块的质量，为驱动轴即试验主轴转动的角速度，n为电机转速，t为时间；根据所述步骤s1确定的激励载荷幅值f(t)，求得所述质量块的质量；

激振加载类型为弯曲振动载荷，则令m1＝m2＝m，α＝β+180°，即形成方向相反幅值相同的激振载荷，即形成一对力偶，在与构成的平面内产生弯曲振动，则激励m(t)为：

m(t)＝(mrω²sinωt)s(2)

式中，s为两质量块之间的距离；根据所述步骤s1确定的激励载荷幅值m(t)，求得所述质量块的质量；

激振加载类型为复杂振动载荷，则令α≠β，m1≠m2，将在与多方向产生振动，并且产生弯曲振动，激励分别为：

其中，是坐标矢量，×代表矢量叉乘积，根据所述步骤s1确定的激励载荷幅值即和已知，通过夹角α，β，确定所述质量块的质量。

本发明的有益效果在于：

1.本发明的试验台能够对滚动轴承进行振动试验研究，包括滚动轴承各方向的振动激励，滚动轴承弯曲振动激励。

2.本发明的试验台能够形成滚动轴承多维激振载荷，可以为后续滚动轴承的寿命试验等提供激振载荷输入依据。

3.本发明的试验台能够实时采集、记录和分析由传感器获得的试验加载力、轴承工位温度以及振动数据，便于直观地分析和处理试验数据。

4.本发明所述的试验台具有加载稳定，拆卸方便，测量精度高，数据实时传输和处理，可实现多维激振载荷的特点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据这些附图获得其他的附图。其中：

图1为试验台系统整体结构图；

图2为本发明的试验台机体结构正视图；

图3为本发明的试验台机体结构正视图剖视图；

图4为本发明的试验台偏心环激振装置结构图。

图5为本发明的具有多维激振载荷的滚动轴承寿命试验台原理图；

图6为本发明的激振加载装置原理图；

图7为本发明的激振加载装置形成力偶的特殊情形原理图；

附图标号说明：

1-计算机，2-电脑桌，3-控制器，4-径向加载铜套，5-梅花型挠性联轴器，6-伺服电机，7-减震台，8-轴承固定卡环，9-轴承密封垫片，10-前支承轴承，11-试验主轴，12-激振偏心质量环，13-套筒，14-试验轴承，15-试验轴承套，16-质量块，17-后支承轴承，18-径向加载活塞，19-径向加载端盖，20-径向加载上密封垫片，21-弹簧，22-径向加载下密封垫片，23-温度传感器，24-振动传感器，25-压力传感器；

a─试验轴承，b─承载轴承，p─径向载荷，t─轴向载荷，n─驱动轴转速，s─激振加载装置的间距；

α─第一个激振加载装置的质量块与x轴的夹角，β─第二个激振加载装置的质量块与x轴的夹角，r─转动轴的半径或质量块至圆心的距离，i─第一个激振加载装置的质量块的振动方向，j─第二个激振加载装置的质量块的振动方向；m1─第一个激振加载装置的质量块的质量；m2─第二个激振加载装置的质量块的质量；

f1(t)─第一个激振加载装置引起的激励，f2(t)─第二个激振加载装置引起的激励。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

一种具有多维激振载荷的滚动轴承寿命试验台是在滚动轴承的寿命试验台上增加了两个激振加载装置，即增加两个套在转轴上的偏心质量，借助于驱动轴的旋转，形成多维激振载荷谱，激励滚动轴承产生多方向的振动和弯曲振动模式，达到激振多维振动的试验目的，还能进行加速寿命试验研究。结合试验台原有的寿命试验功能，构成具有多维激振载荷的滚动轴承寿命试验台。

如图1-图3所示，一种具有多维激振载荷的滚动轴承寿命试验台，包括驱动模块、试验模块、加载模块、控制模块和数据采集模块，其中，

控制模块，包括设置在电脑桌2上的计算机1和控制器3，计算机1将控制信息传送给控制器3，控制器3通过信号传输线缆与驱动模块连接，进而控制驱动模块；控制模块有对应的数据接口，分别与三个传感器和伺服电机6连接，并配备显示屏，实现可视化控制。

驱动模块，包括设置于减震台7上的同轴的联轴器5和伺服电机6，通过控制伺服电机6内高性能矢量控制型变频器能够实现对伺服电机主轴转速的连续调节，驱动模块通过联轴器5与试验模块连接，进而驱动试验模块中的试验主轴11；

加载模块，包括径向加载铜套4、径向加载活塞18，径向加载活塞18由液压驱动，径向加载活塞18通过与试验轴承套15上相应的凹槽抵接实现对试验轴承14的径向加载；

试验模块，通过螺纹连接固定在减振台7上，确保试验稳定进行；包括前支承轴承10、后支承轴承17、激振偏心质量环12、套筒13；其中，前支承轴承10和后支承轴承17均通过在轴承套内两侧安装轴承固定卡环8固定，试验主轴11穿过前支承轴承10和后支承轴承17；至少两个激振偏心质量环12通过螺栓螺母对称固定在试验主轴11上，试验主轴11通过带动激振偏心质量环12实现对试验轴承14的多维激振载荷加载；在试验轴承14的两侧分别与对应的激振偏心质量环12之间设置套筒13，使试验轴承14的轴向固定；加载模块固定于试验轴承套15的正上方，径向加载活塞18通过对试验轴承套15施加压力，进而实现对试验轴承14施加径向加载；

数据采集模块，包括温度传感器23、振动传感器24和压力传感器25，三个传感器经由试验轴承套15上的通孔固定并抵接试验轴承14外圈，三个传感器采集的数据通过专用数据线传输到控制模块，控制模块对采集的信号进行处理并实现对试验加载的闭环控制，以及数据保存；

工作过程中，控制模块控制驱动模块的伺服电机6的转速来驱动试验模块，带动试验模块的激振偏心质量环12，实现试验轴承14的多类型加载；数据采集模块通过三个传感器采集试验轴承14实际承受的加载应力及试验轴承14的振动、温度信号，在计算机1上实时显示，同时三个传感器的信号反馈到控制模块，控制模块根据反馈的加载信息对驱动模块发出的信号指令进行修正，形成闭环控制回路。

如图4所示，激振偏心质量环12的圆周面上按角度设置均匀分布的螺纹孔，至少一个根据试验所需重量的质量块16通过螺纹连接固定在激振偏心质量环12上，激振偏心质量环12和至少一个质量块16构成激振加载装置，能够根据试验要求形成夹角以实现多维激振载荷。

加载模块还包括设置于径向加载铜套4顶部的径向加载端盖19，设置于径向加载端盖19与径向加载铜套4之间的径向加载上密封垫片20，固定于径向加载活塞18上端的弹簧21，设置于径向加载铜套4底部的径向加载下密封垫片22；

其中，径向加载端盖19用于与径向加载铜套4形成封闭油腔，并承载反向的液压力，径向加载上密封垫片20与径向加载下密封垫片22实现对液压缸的密封，弹簧21能够使径向加载活塞18实现卸载时自动缩回。

试验模块的所有轴承的内圈和外圈之间均设置轴承密封垫片9，用于对脂润滑方式的轴承进行密封，使轴承内部与外界处于隔离状态，减少轴承内部润滑脂的流失量，保持润滑效果。

试验轴承14通过在试验轴承套15上加装轴承固定卡环8进行固定，有利于试验轴承14的拆卸和安装，便于试验的实施进行。

联轴器5为梅花型挠性联轴器，伺服电机6为可调速主轴交流伺服电机。联轴器5采用梅花型挠性联轴器，可以吸收伺服电机6产生的轴向的振动，一定程度上可以补偿被联两轴轴线的相对偏移。

轴承固定卡环8为弹性卡环。

激振偏心质量环12的圆周面上相邻螺纹孔之间的夹角为36°。

一种具有多维激振载荷的滚动轴承寿命试验台进行振动疲劳寿命试验的方法，包括以下步骤：

s1：根据试验轴承的型号，查询轴承额定径向动载荷，确定所需的径向载荷；根据试验要求确定试验激振加载类型；根据试验轴承的材料性能参数，确定激励载荷幅值f(t)和m(t)，其中，f(t)为单向振动载荷幅值，m(t)为弯曲振动载荷幅值；再确定试验台的共振频率偏量值作为试验停机的判断阈值；

s2：根据步骤s1的试验轴承14型号，选择与试验轴承14内径匹配的试验主轴11和试验轴承14外径匹配的轴承套，选择脂润滑方式并使用密封垫片对试验轴承14进行相应的密封，将试验轴承14安装在试验轴承套15中；

s3：根据步骤s1确定的激振加载类型和激励载荷幅值，根据公式(3)和公式(4)计算出激振偏心质量环12中所需的质量块16的质量及其与x轴的夹角值，选择相应的质量块16按照试验角度安装在激振偏心质量环12上，并将激振偏心质量环12固定在试验主轴11上；其中，x轴指沿垂直于地面方向，y轴指沿平行地面方向，z轴指沿试验主轴轴向方向，坐标系满足右手螺旋法则；

s4：根据步骤s1确定的径向载荷，通过加载模块对试验轴承14施加径向载荷；

s5：根据步骤s1确定的激振加载类型和激励载荷幅值，在计算机1中形成振动载荷谱，并向驱动模块发出指令，控制伺服电机6的转速，带动试验模块的激振偏心质量环12形成试验所需的加载要求；

s6：通过数据采集模块采集相应的振动、温度和压力信号并存储在计算机1中，利用计算机1对数据实时计算处理，通过计算的实时振动信号的相关特征量得到共振频率偏量值与步骤s1设定的试验停机阈值对比，当达到阈值后试验停止；

s7：拆下试验轴承14进行观察记录失效样貌，从计算机(1)中导出试验数据。

本发明的一种具有多维激振载荷的滚动轴承寿命试验台是采用伺服电机6驱动的闭环控制系统，通过增加两个跟随试验主轴11转动的激振偏心质量环12以实现不同类型的多维激振载荷；在试验轴承套15上加装弹性卡环8固定试验轴承14，方便了试验轴承14安装和拆卸；实时采集、记录和分析由传感器获得的试验加载力、轴承工位温度以及振动数据，便于直观地分析和处理试验数据。

如图5-7所示，根据试验的滚动轴承的尺寸和需要测量振动的情况等，设计激振偏心质量环并安装在准确位置，以形成需要的振动激励；一个激振偏心质量环12与其对应安装的一个质量块16构成一个激振加载装置，其中，每个质量块16的质量及其与x轴的夹角值的计算方法如下：

如图6所示，激振加载类型为单向振动载荷，激振加载装置中的质量块(16)与x轴的夹角α＝β，m1＝m2＝m，将在方向产生振动，其激励f(t)为：

f(t)＝2mrω²sinωt(1)

其中，α─第一个激振加载装置的质量块与x轴的夹角，β─第二个激振加载装置的质量块与x轴的夹角，r─转动轴的半径或质量块至圆心的距离，i─第一个激振加载装置的质量块的振动方向，j─第二个激振加载装置的质量块的振动方向；m1-第一个激振加载装置的质量块的质量，m2-第二个激振加载装置的质量块的质量，m-第一个或第二个激振加载装置的质量块的质量，为驱动轴即试验主轴转动的角速度，n为电机转速，t为时间；根据步骤s1确定的激励载荷幅值f(t)，求得所述质量块(16)的质量。

如图7所示，激振加载类型为弯曲振动载荷，激振加载装置中的质量块(16)与x轴的夹角α＝β+180°，m1＝m2＝m，也就是形成方向相反幅值相同的激振载荷，即形成一对力偶，在与构成的平面内产生弯曲振动，其激励m(t)为：

m(t)＝(mrω²sinωt)s(2)

其中，s为两激振加载装置之间的距离；根据所述步骤s1确定的激励载荷幅值m(t)，求得所述质量块(16)的质量。

激振加载类型为复杂振动载荷，激振加载装置中的质量块(16)与x轴的夹角α≠β，质量m1≠m2，将在与多方向产生振动，并且还要产生弯曲振动，其激励分别为：

式中，是坐标矢量，×代表矢量叉乘积。根据步骤s1确定的激励载荷幅值即和已知，通过夹角α，β，确定所述质量块(16)的质量。显然，这样的多维载荷将引起滚动轴承的复杂振动现象，据此可以进行滚动轴承的复杂振动分析。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。