【技术前沿】滚动轴承寿命及可靠性强化试验机新进展

风云激荡卅八载,众望所归开新天;

砥砺前行同舟济,不忘初心铸辉煌!

杭州轴承试验研究中心(HBRC)是1980年联合国援助中国(机械工业部)轴承行业创建的唯一的质检及研究机构,主要从事轴承动态性能和疲劳寿命及可靠性等高新技术应用基础研究以及轴承相关产品应用研究、开发、检测和试验等技术研究工作。拥有国际上比较先进的检测试验仪器和设备,技术力量雄厚,38年来,有多项科研成果在全国乃至世界轴承相关企业成功推广应用,已形成了较为完善的研究、开发、制造、检测、试验和服务体系。2002年根据政府要求在全中国质量检验机构中率先成功整体改制为科技型股份制公司。2003年经中国实验室国家认可委员会(CNAL)和中国机械工业联合会(CMIF)评审,成为中国轴承行业首家通过ISO/IEC 17025的国家级第三方检测实验室(CNAS L 0309),且具有独立法人资格,检测和试验数据能国际互认。2006年创建杭州市下城区第一个企业博士后科研工作站,已成功招收15名博士后从事轴承相关科学、技术、工程、应用基础研究。

滚动轴承寿命及可靠性强化试验机新进展

/ 李兴林常振陈掌娥吴加锹李祖培李斌陈炳顺

要:随着滚动轴承疲劳寿命及可靠性理论的完善及其使用性能的提高,轴承寿命及其可靠性的研究不断被推向新的高度,进而刺激了轴承寿命及可靠性试验机的快速发展与不断满足各种苛刻的试验要求。杭州轴承试验研究中心一直致力于滚动轴承动态性能和疲劳寿命及可靠性等高新技术应用基础研究以及轴承相关产品应用研究、开发、检测和试验等技术研究工作,且专注于滚动轴承寿命及可靠性强化试验机的设计及研发三十余载,具有雄厚的理论体系与技术力量支撑。本文对国内滚动轴承寿命及可靠性强化试验机的发展历程进行了总结,并结合目前行业现状给出了进一步展望,以期望推进滚动轴承疲劳寿命及可靠性快速试验机相关技术的广泛推广应用。

关键词滚动轴承,寿命,可靠性,试验技术,强化试验,快速试验,试验机

1. 引言

我国轴承寿命试验研究,主要以机械工业部洛阳轴承研究所和杭州轴承试验研究中心(联合国援助)两个科研单位带头,其他相关企业的寿命及可靠性试验基地为辅,共同承担我国轴承行业的轴承寿命、可靠性和性能试验研究工作。寿命及可靠性强化试验务必保证与轴承内在的接触疲劳失效机理保持一致的前提下,再考虑大大地缩短试验时间;此项技术降低了试验成本,缩短了产品开发周期,加快了性能指标改进步伐,因此轴承寿命强化试验受到越来越多的关注、研究和应用。轴承快速寿命及可靠性试验包含了比轴承寿命及可靠性强化试验更为广泛的内涵,它不仅在寿命及可靠性试验方面,而且在寿命及可靠性试验的设计,寿命及可靠性数据的处理、分析,寿命及可靠性的预测评估,轴承失效状况的快速诊断、评定、处理等系统技术方面具有更新更广的内容。

目前我国轴承寿命试验机的设计、研发、生产等已完全实现自主化,甚至某些技术理念(点)已达到国际领先水平,但相对于斯凯浮、舍弗勒、铁姆肯、恩斯克、恩梯恩等多个国外轴承大公司起步甚晚。在 20世纪早期,我国轴承行业的发展主要依靠苏联老大哥的技术支撑,轴承的寿命试验主要在ZS型轴承寿命试验机基础上进行,而这种试验机的评估质量早已淘汰于轴承服役性能发展的要求。杭州轴承试验研究中心依据联合国援助项目,从美国引进的F&M5”新型滚动轴承疲劳寿命试验机非但价格昂贵、技术垄断,还采用气动高压动力源和60Hz的电频率,不适合中国的国情。因此,轴承寿命强化试验机实现自主化生产已势在必行,在20世纪90年代,杭州轴承试验研究中心在吸取国外先进试验机的基础上,研制出了新一代自动控制滚动轴承疲劳寿命及可靠性强化试验机B10-60R及其改进的ABLT系列寿命及可靠性强化试验机,大大地推进了中国轴承行业轴承寿命及可靠性试验系统相关技术的进步。

杭州轴承试验研究中心(HBRC)发展至今,不断地技术革新、快速适应客户响应、紧随轴承各项性能变化需求,将国内滚动轴承疲劳寿命及可靠性强化试验机推陈出新,并见证了中国轴承行业寿命及可靠性试验的发展历程。HBRC1980年联合国援助中国(机械工业部)轴承行业创建的唯一的质检及研究机构,主要从事轴承动态性能和疲劳寿命及可靠性等高新技术应用基础研究以及轴承相关产品应用研究、开发、检测和试验等技术研究工作。拥有国际上比较先进的检测试验仪器和设备,技术力量雄厚,38年来,有多项科研成果在全国乃至世界轴承相关企业成功推广应用,已形成了较为完善的研究、开发、制造、检测、试验和服务体系。现根据HBRC多年来在轴承寿命及可靠性试验机研发、生产等方面的经验和实践,并总结国内寿命及可靠性试验机的发展历程,针对实际面临的异常现象及技术难点提出相关性意见,然后对未来发展方向给出了几点展望,希望对中国轴承行业相关科研单位和工程应用单位提供良好的指导意见。

2. 国内轴承寿命及可靠性强化试验机的发展史

2.1  ABLT-1型滚动轴承寿命及可靠性强化试验机

20世纪90年代,杭州轴承试验研究中心(HBRC)在国外先进寿命试验机的基础上,自主研制出ABLT-1型自动控制滚动轴承疲劳寿命及可靠性强化试验机,为国内寿命试验机开辟了新市场和新前景,在当时已具有国际先进水平。随着ABLT-1型滚动轴承疲劳寿命及可靠性强化试验机的诞生,国内轴承寿命及可靠性试验机的发展如雨后春笋,但大都是在ABLT-1的基础上衍生或改进而来,与ZS型和“FM5”型滚动轴承疲劳寿命试验机相比,ABLT-1型试验机主要作了如下改进:

1)在“FM 5”型试验机的试验头基础上,设计一套在径向和轴向都装有薄膜油缸的试验头座组合件,加载油缸传递推力时有调整件和补偿件,从而保证了精度。设置手动辅助返回动作机构,以利于试验头的顺利装拆等。

2)传动轴由两套深沟球轴承悬臂支承,传动轴一端固定,一端游动,用弹簧消隙,电机座部件支承倒悬,结构紧凑,增加减振措施,增强了系统稳定性。

3)加载系统采用薄膜式液压缸,占用空间小,成本低,同时液压缸进出油口安装电磁换向阀便于自动控制。

4)温度记录装置和振动信号处理装置等附属装置挂于机架上。

该型号试验机的外观形状如图1所示,自动监控系统框架如图2所示,主要性能参数如表1所示。

1  ABLT- 1型滚动轴承疲劳寿命及可靠性强化试验机


2  ABLT- 1型滚动轴承疲劳寿命及可靠性强化试验机监控系统框图

1  ABLT-1型滚动轴承疲劳寿命及可靠性强化试验机的主要性能参数

随着轴承生产厂家与轴承使用厂商对其寿命试验及可靠性工程试验的重视,待测试轴承型号逐渐多元化,ABLT-1型试验机已不能满足诸多不同参数的轴承试验的要求。在持续消化吸收和改进ABLT-1型轴承寿命及可靠性强化试验机的基础上,我中心又自行设计研制了2型、3型、4型等ABLT其他系列滚动轴承疲劳寿命及可靠性强化试验机,具有完全自主产权的新型轴承试验技术和方法,且ABLT系列疲劳寿命及可靠性强化试验机吸收了以前试验技术的优点,进一步加强和完善了自动化控制水平。通过个性化的设计,已基本能够满足大多数滚动轴承疲劳寿命及可靠性强化试验的需要,其主要性能参数如表2所示。

2.2  ABLT-1基础上补充型寿命及可靠性强化试验机

ABLT-2ABLT-5型滚动轴承疲劳寿命及可靠性强化试验机可认为是ABLT-1型的增大或缩小版,主要只是在测量参数上有所不同,结构框架大致相同。其中ABLT-3型机适用于小型号轴承的测试分析,且实验条件中载荷较小,其载荷的施加方式与其他型号有所不同,不再采用液压加载,而是更加简捷轻便的弹簧加载,外观实物图如图3所示。

3   ABLT- 3型滚动轴承疲劳寿命及可靠性强化试验机

2.3  ABLT-6型外圈旋转轴承寿命及可靠性强化试验机

叉车门架轴承及汽车发电机轴承使用的工况均为外圈旋转,因其使用工况特殊,对轴承的寿命及可靠性的要求相当苛刻。目前,随着外圈旋转轴承的需求及应用范围不断扩大,其产品性能质量及可靠性的要求也愈来愈严格。为此,我中心专门设计了外圈旋转轴承寿命及可靠性强化试验机ABLT- 6型,以研究实际使用过程中外圈旋转轴承的寿命及可靠性,该型号试验机如图4所示。

4   ABLT- 6型外圈旋转轴承寿命及可靠性强化试验机

由图4可知,加载油缸安装在油缸安装板上,通过滑动导轨中的滑体向试验轴承传递加载力。在试验中加载力为恒定力,具体大小根据试验要求而定,载荷误差可以控制在±2%以内。并根据外圈旋转轴承的实际使用工况,确定试验机参数设计,如表3所示。

3  ABLT-6型外圈旋转轴承寿命及可靠性强化试验机主要性能参数

试验轴承类型

叉车门、汽车等外圈旋转轴承

试验轴承尺寸范围

内径25-60mm,外径50-160mm

试验轴承数量

2-4

试验轴承转速

50-300r/min

最大径向加载

60kN

功率消耗

2.5kW

环境温度

10-40°C

总质量

1000kg

整机尺寸

1100×720×1200

该型号试验机的监控系统可对试验轴承的振动、温度进行监控并实现越界停机的功能。即传感器将测得的轴承振动和温度信号传递给信号放大器,经过工控机处理后显示在显示器上,当轴承发生失效或试验机发生异常时,监控器将失效信息传递给电脑,电脑自动关闭运转的试验机并保存之前的监测数据,ABLT-6型试验机监控系统原理如图5所示。

5   ABLT- 6型外圈旋转轴承寿命及可靠性强化试验机监控系统框图

为不断完善外圈旋转轴承寿命及可靠性强化试验机,在ABLT-6型的基础上,我中心又开发了ABLT-8型,但外形结构与6型基本一致,只是主要性能参数有所改变:试验轴承内径60-120mm,外径100-260mm,试验轴承数量为2套,轴承转速50-200r/min,最大径向载荷为200kN;即ABLT-8型机是ABLT-6型机的放大版或是加强版。

2.4  ABLT-7型带座外球面轴承寿命及可靠性强化试验机

带座外球面轴承是将滚动轴承与轴承座结合一起的一种轴承单元,大部分外球面轴承都是将外径做成球面,与带有球面内孔的轴承座安装在一起,结构形式多样,通用性和互换性好。同时,这类轴承在设计上也具有一定的调心性能,易于安装,具有双重结构的密封装置,可以在较为恶劣的环境下工作。该类轴承广泛应用于设备或零部件简单的场合,如农业机械、运输系统以及建筑机械、工程机械上,对此进行寿命及可靠性方面的研究已显得越来越重要,本中心在多年来轴承寿命及可靠性试验机的设计与研发经验基础上,开发出ABLT-7型带座外球面轴承寿命及可靠性强化试验机,主体结构如图6所示。

1—试验轴;2—螺母;3—试验轴承;4—中垫板;5—振动传感器;6—端垫板;

7—温度传感器;8—联轴节;9—传动装置;10—电动机;11—液压缸

6   ABLT- 7型带座外球面轴承寿命及可靠性强化试验机主体结构

如图6所示,ABLT-7型带座外球面轴承寿命及可靠性强化试验机可以同时为4套轴承进行试验(中间2套,两端2),在轴承座上安装有振动传感器和温度传感器,试验过程中可以分别测量出4套轴承的振动和温度变化信息。两个中垫板下方分别设有径向加载油缸,可对试验轴承施加径向载荷。试验轴承转速由变频器、电动机、多楔带、传动轴、联轴节、连接轴(小方轴)及试验轴共同组合来实现,性能参数如表4所示。该试验机还可以同时兼顾做极限转速和漏脂、温升、防尘试验,更加丰富和完善了ABLT寿命及可靠性强化试验机产品系列的测试功能。同时,还可以单独增加加热或冷却装置等,积木式拓展ABLT- 7型试验机来模拟更加真实的试验环境,提高外球面轴承强化模拟试验的有效性与可行性。

4  ABLT-7型带座外球面轴承寿命及可靠性强化试验机主要性能参数

试验轴承类型

带座外球面轴承

试验轴承尺寸范围

内径20-60mm

试验轴承数量

4

试验轴承转速

500-5000r/min

最大径向加载

25kN

功率消耗

2kW

环境温度

10-40°C

总质量

800kg

整机尺寸

880×600×960

2.5  ABLT系列衍生型的轴承寿命及可靠性强化试验机

驱动系统不再使用皮带轮,直接由内装式电主轴驱动,从而把驱动系统主传动链的长度大大缩短。电主轴连接变频器,使得主轴转速更加容易控制,整个试验机兼容性更加良好,无需更换皮带轮大小就可实现转速的变化。这种主轴电动机与试验机主轴"合二为一"的传动结构形式,使主轴部件的传动系统从整体结构中相对独立出来,简化了试验机设计,易于实现主轴定位,是高速主轴单元中的一种理想结构;同时具有结构紧凑、重量轻、惯性小、噪声低、响应快等优点,大大降低了试验机本身的振动干扰。此外,电主轴轴承采用高速轴承技术,耐磨、耐热,寿命是传统轴承的几倍,延长了试验机驱动系统的服役周期,ABLT型寿命及可靠性试验机电主轴驱动系统如图7所示。

7  ABLT型寿命及可靠性强化试验机电主轴驱动系统

当下,诸多企业都在向工业4.0、智能制造、互联网

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等大方向努力靠近,那么寿命及可靠性试验机也逐渐向智能化、自动化的趋势发展更新。滚动轴承寿命及可靠性强化试验机最为核心的革新点为驱动系统与加载系统,因为影响轴承寿命及可靠性试验最为主要的人为控制因素为试验转速与载荷。对于不同行业或不同企业来说,市场需求模式不同、产品生产加工工艺不同、客户要求侧重点不同,个性化与智能化的需求越来越大,伺服电机与电液伺服阀的加入使得轴承寿命及可靠性强化试验更容易满足客户个性化、自动化的要求。

加载系统运用电液伺服阀,在接受电气模拟信号后,可相应地输出调制的流量和压力,进而将小功率的微弱电气输入信号转换为大功率的液压能(流量和压力)输出。在伺服系统中,它将电气部分与液压部分连接起来,实现电液信号的转换与液压放大,ABLT型寿命及可靠性强化试验机电液伺服阀加载系统如图8所示

8  ABLT型寿命及可靠性强化试验机电液伺服阀加载系统

驱动装置采用伺服电机,能够将电压信号转化为电机转速以驱动控制对象。伺服电机转子转速受输入信号控制,并响应快捷灵敏,在自动控制系统中,用作执行元件,且具有机电时间常数小、线性度高、始动电压低等特性,可把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。进而,试验机的驱动系统可人为地控制主轴转速,且位置精度非常准确,ABLT型寿命及可靠性强化试验机伺服电机驱动系统如图9所示

9   ABLT型寿命及可靠性强化试验机伺服电机驱动系统

本中心一直致力于滚动轴承寿命及可靠性强化试验机的研发与生产,实现了国内从无到有,从有到优,从优到强(国际先进水平)的飞速发展。纵使市场存在有多个所谓的高新技术企业(公司),在生产并销售轴承疲劳寿命及可靠性强化试验机,但它们的核心技术与相关经验大都是从杭州轴承试验研究中心复制或衍化而来,有的甚至是抄袭或者剽窃的,并没有实现真正的自主化。所以,可以说本中心寿命及可靠性试验机的更新过程就是国内整个轴承行业寿命及可靠性强化试验机的发展历程。

3. 展望

国内滚动轴承寿命及可靠性强化试验机的发展已历经大约30年了,基本已具备了熟练的研发技术、丰富的测试经验、并积累了大量的试验数据,现应当建立关于轴承疲劳机理研究、失效因素分析、材料冶炼加工工艺、试验数据分析等相关技术的数据库,并尽快提出国产轴承寿命计算各修正系数的推荐值,以便适用于飞速革新的各类轴承服役信息。

一批同结构、同材料、同热处理、同加工方法的轴承在相同的工况下,其最高寿命和最低寿命相差几十倍甚至更多,虽然疲劳寿命试验数据近似符合威布尔分布或者对数正态分布,但在实际工况中仍旧难以预判。未来发展过程中,非但从设计、研发、制造中降低轴承使用性能的离散性,还要不断修正或改进疲劳寿命及可靠性实验数据的理论分布模型。

学术界及工程界十分注重滚动轴承状态监测和故障诊断工作,众多高校与科研单位都在积极开展轴承故障机理、故障监测、故障诊断技术等方面的研究。鉴于此,如何快速着力于将故障监测、诊断技术与滚动轴承试验技术进行有效的结合是未来发展的方向之一,力图在进行轴承性能试验的同时对其使用性能的劣化和潜在缺陷进行监测和诊断,并在健康诊断的同时指导试验的快速、有效地开展,以期望真正地实现滚动轴承寿命及可靠性工程技术攻关,并准确高效地解决工程实际问题。

4.结束语

纵使目前市场上存在有多个公司,有的还是所谓的高新技术企业,在生产并销售ABLT型滚动轴承疲劳寿命及可靠性强化试验机,但它们的核心技术与相关经验大都是从杭州轴承试验研究中心承继、复制或衍化而来,有的甚至是抄袭或者剽窃的,并没有实现真正的自主化。所以,可以说本中心寿命及可靠性强化试验机的不断更新过程就是国内整个轴承行业寿命及可靠性强化试验机的发展历程。

工业4.0、智能制造、互联网

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等概念满天飞的环境下,智能化和个性化无疑是轴承寿命及可靠性强化试验技术的发展方向。如何快速响应客户复杂而多变的试验要求,来准确无误地设定出转速、载荷、温度、润滑等参数指标以满足个性化的需求,同时应用人工智能和专家系统等知识库技术来进行智能化处理,最后实现从试验方案的拟定、陪试轴承的选型、实验轴承的安装和拆卸、试验过程的追踪和性能信号的处理等过程,最后到实验结论、建议的给出,完全一体化、数字化和信息化,将是我们未来奋斗的目标与期望。

本文的写作因多位轴承行业资深专家建议,旨在抛砖引玉,加强交流,代表轴承行业利益、凝聚轴承行业智慧、形成轴承行业共识,以免某一些人(基本上都不是轴承行业的所谓的轴承专家)误导甚至欺骗轴承寿命及可靠性强化试验机及其试验技术服务的新用户,共同为我国轴承行业转型升级,从轴承制造到轴承智造,贡献出力!本文的不足之处,敬请批评指正!谢谢!

作者简介:李兴林,杭州轴承试验研究中心(UNDP/UNIDO联合国援助)有限公司创始人,第一任董事长兼总经理,国家检测实验室(第三方)及机械工业轴承产品质量检测中心(杭州)(CNAS No. L 0309,ISO/IEC 17025国际互认)主任,教授级高级工程师,博士后工作站主任。常振、陈掌娥、吴加锹、李祖培、李斌,杭州轴承试验研究中心有限公司、机械工业轴承产品质量检测中心(杭州)。陈炳顺,杭州诚信汽车轴承有限公司。

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