潘奔流，叶军,，薛玉君，李泽强，王健

(1.河南科技大学 机电工程学院,河南 洛阳 471003；2.洛阳轴研科技股份有限公司，河南 洛阳 471039)

随着数控机床向着高速度、高精度、高效率及环保性等方向发展,对电主轴的转速和可靠性等要求也越来越高。高速轴承是电主轴的关键部件，其直接影响电主轴性能的好坏,进而影响到机床的加工精度、零件表面质量、生产效率、振动和噪声等[1-3]。因此，对高速轴承的性能和寿命等也提出了更高的要求。

为了给设计者提供相关数据支持和确保轴承达到预期性能，对轴承进行试验评估是至关重要的。目前有关电主轴轴承试验的研究报道不少，但是针对油雾润滑电主轴轴承的试验研究主要是在电主轴或仅能轴向加载的高速轴承试验台上完成，因为轴承工作过程中有可能会承受径向载荷,该方法并不能完全模拟轴承的实际工况。而目前有关能实现油雾润滑、轴向加载和径向加载的高速轴承试验台还未见有报道。鉴于此，针对电主轴轴承的实际工况、极限工况条件及运转特点，研制了一台电主轴轴承试验装置，其能够进行轴承的油雾润滑或脂润滑试验，同时可以施加轴向载荷和径向载荷，且实现了系统运行控制的自动化和智能化。

1 主要技术要求

根据电主轴轴承的实际工况、极限工况条件及运转特点,试验台应满足以下主要技术要求：被试轴承内径为15～30 mm；最高转速可达60 000 r/min，且无级可调；最大径向载荷为2 000 N,最大轴向载荷为1 000 N，且连续可调；采用油雾润滑和脂润滑，同时提供水冷却；系统可以手动或自动控制，并能够实时监测轴承的工作状态，显示、处理和存储轴承的性能参数；出现故障时系统可自动采取适当的处理措施。

2 技术方案

如图1所示，试验台由驱动系统、试验主体、加载系统、冷却系统、润滑系统、控制系统和数据采集系统等组成。

图1 试验台系统框图

2.1 驱动方式

通常情况下，采用如交流电动机或直流电动机等产生的旋转运动经由皮带传动、齿轮传动或变速机构传递给试验轴承，但系统存在可靠性差、噪声大、振动大和试验转速受限制等缺陷。而电主轴具有质量轻、振动小、噪声低、效应快及功率大等优点[4-5]，故试验台采用20 kW的电主轴提供动力，最高转速可达60 000 r/min，通过变频器实现无级调速。另外，为了避免试验主轴在高速试验过程中产生的振动传递到电主轴上，电主轴和试验主轴之间采用柔性连接[6]，即用尼龙绳将电主轴上的凸缘和试验主轴上对应的孔缠绕起来。该连接也减少了由于试验主轴与电主轴同轴度不好而产生的附加弯矩，从而提高了试验主轴的稳定性。

2.2 试验台主体

试验台主体是试验台的核心部件，主要由试验主轴、试验轴承、加载轴承、加载组件、轴承衬套、上盖和底座组成，整个结构设计紧凑。壳体采用剖分式结构，以便于拆装；为了使试验主轴具有较高转速和稳定性，在试验主轴两端安装被试轴承，中间为加载轴承；在轴承衬套上加工环槽，以实现水冷却[7]。另外，该试验台除了要满足脂润滑的方式外，还要实现油雾润滑的方式，因而在轴承衬套和底座上设计进油孔和回油孔，在底座的进油孔处安装喷枪，并设计喷嘴与水平方向成15°夹角，以使润滑油雾直接能喷射到轴承滚动体上。

2.3 加载方式

常用的加载方式有电动加载、机械加载和液压加载等[8]。由于轴承运行时间长且运行过程中载荷经常发生变化，机械加载很难实现加载的连续性和自动性，电动加载装置体积较大，不宜长时间使用，而且这两种方式在加载过程中易产生载荷冲击。液压加载具有质量轻，稳定性和可调性好，控制方便等特点，故本试验台采用液压伺服加载。

液压加载系统原理如图2所示，电动机驱动液压泵工作，压力油分两路进入两个比例减压阀，比例减压阀在控制器的作用下输出给定压力大小的压力油。轴向活塞在油压作用下通过加载套把轴向载荷施加到轴承外圈上；径向活塞在油压作用下通过中间加载轴承把径向载荷施加到被试轴承内圈上。在回油路上有冷却器, 以控制系统油温, 保证油压的稳定性。载荷的大小可通过计算机设定，由比例减压阀控制。

图2 液压加载系统原理

2.4 数据采集及控制系统

试验采集数据包括：转速、载荷、主机电流、电压及轴承的温度和振动等。这些参数通过相应的传感器送入计算机，由计算机软件处理后显示于屏幕上，定时写入数据库文件并存储。为使传感器能够准确测量轴承的温度和轴系振动，选择铂电阻温度传感器和加速度振动传感器，安装在与水平成30°夹角的轴承座上，紧贴于轴承外圈上，并将加速度振动传感器与壳体通过弹簧装置间接分开。

控制系统由电气操作控制系统、变频调速系统、加载控制系统和计算机测控系统组成。其中，为了精确控制转速和载荷的大小，变频调速系统和加载控制系统采用闭环控制，由计算机D/A输出或者手调指令电位器给出电压控制信号，实际输出值由相应传感器经变送器反馈给计算机，计算机对转速及载荷的控制量进行PID调节后D/A输出形成系统闭环控制[9]。加载闭环控制系统框图如图3所示。

图3 加载闭环控制系统框图

电气控制方式分为手动和自动两种。其中自动控制方式由计算机输出开关量，通过功率驱动板控制各电气设备的启/停；由A/D板接收并转换检测温度、压力、转速及振动等信号，通过显示器界面读出。为确保试验过程中提取关键数据的可靠性和准确性，对试验过程中的重要参数设计了双重显示，即数字表及计算机屏显。另外，配合计算机监控系统对现场采集信号进行判断、运算、处理及存储后，由D/A板转换并输出模拟电压信号，控制调节被控单元，通过I/O板输出控制系统中电气设备的工作状态。试验中如果出现水、气压欠压和过载等异常情况，也可通过I/O板检测并输出报警信号或自动停车，并存储故障原因，以便日后查看。

3 性能试验

为考核试验台的性能，首先对液压伺服加载系统进行阶跃响应测试。试验条件为：初始载荷为0，轴向加载1 000 N，径向加载2 000 N，保持时间为40 s。系统阶跃响应如图4所示。从图4可以看出,轴向和径向载荷响应较快且同步，达到预定值的过渡时间约为20 s。因而试验时阶跃载荷对轴承造成的冲击将会很小，同时表明了载荷的大小可以满足试验台的预期要求。

图4 液压伺服加载系统阶跃响应曲线

然后，在不同转速下，对轴承进行性能试验。轴承型号为B7005C/HQ1，试验条件为：采用循环水冷却和油雾润滑方式，润滑油为32#汽轮机油，给油量为80滴/min，冷水温度20 ℃，轴承转速为5 000～36 000 r/min，分别运行10 min，轴向加载(预紧力)100 N,径向加载100 N，轴承温升和主机振动取试验过程中的最大值。在试验过程中，各部件运行正常，整机工作平稳，系统控制稳定，试验结果见表1(表中g为重力加速度)。从表1可以看出，随着转速的提高，前、后端试验轴承的温度逐渐升高。这主要由于随着转速的提高，轴承的摩擦力矩增大，从而导致发热量增加。另外，随着转速的提高，滚动体所受的离心力增大，使轴承的内圈接触角增大，外圈接触角减小，产生了陀螺力矩，使滚动体产生滑动，加剧了摩擦磨损[10]。从表1还可以看出主机的振动逐渐增大，这是因为固有振动频率不受转速的影响，而转速和强迫振动的频率和幅值近似成正比关系[11]。因而表明了试验台具有良好的可靠性。

表1 不同转速下B7005C/HQ1轴承的试验结果

4 结束语

经验证，该试验台能满足预定的设计要求，具有良好的可靠性，能够对转速、轴向及径向载荷、轴承工作温度和轴系振动等进行实时监测，可以模拟电主轴轴承实际工况及极限工况，对轴承进行高速性能、耐久性能及寿命等试验，能为高性能电主轴轴承的研发和检验提供有力的数据支持和评估依据。