CN111487058B - 一种滚动轴承打滑试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种滚动轴承打滑试验方法，试验方法包括以下步骤：1）摘除试验轴承的部分滚动体，保留至少三个滚动体并使剩余的各滚动体沿试验轴承的周向均布；2）驱动试验轴承的内圈和外圈以可控的相对转速进行相对转动，内、外圈相对转动时对试验轴承施加轴向和/或径向载荷，同时测量保持架的转速；3）控制内圈和外圈相对加、减速，和/或改变载荷的大小，使滚动体与滚道之间发生滚滑复合运动，同时通过热像仪获取滚动体与滚道接触区域内的温升变化。在保证内、外圈以及保持架转动稳定的前提下，可以增大相邻滚动体之间的间距，热像仪拍出的图像中热区域重叠较少，减小数据处理的噪声，方便后续的数据处理。

Description

一种滚动轴承打滑试验方法

技术领域

本发明涉及一种滚动轴承打滑试验方法。

背景技术

角接触球轴承是一种十分重要的通用零部件，尤其是以其显著的优势广泛应用于各类机械设备中，其运动精度决定了机械装备的精度性能，但轴承也是机械设备中最容易失效的部件之一。轴承有很多种失效形式，其中由于轴承内部的摩擦磨损和滚动疲劳导致的打滑蹭伤占据了很大一部分。打滑蹭伤的主要原因是轴承内部滚子和滚刀接触的滚滑复合运动形成所造成的，因此了解滚动轴承在运转过程中滚动体与滚道的动态接触行为，对于改进轴承性能，提高轴承使用寿命具有非常大的积极作用。

实际上，不仅是角接触球轴承，对于其他的滚动轴承来说，了解在运转过程中滚动体与滚道的动态接触行为，对于改进轴承性能均有非常大的积极作用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种滚动轴承打滑试验方法，以对滚动轴承中滚动体和滚道接触的滚滑复合运动进行测试。

为实现上述目的，本发明滚动轴承打滑试验方法的技术方案是：一种滚动轴承打滑试验方法，包括以下步骤：

1)摘除试验轴承的部分滚动体，保留至少三个滚动体并使剩余的各滚动体沿试验轴承的周向均布；

2)驱动试验轴承的内圈和外圈以可控的相对转速进行相对转动，内、外圈相对转动时对试验轴承施加轴向和/或径向载荷，同时测量保持架的转速；

3)控制内圈和外圈相对加、减速，和/或改变载荷的大小，使滚动体与滚道之间发生滚滑复合运动，同时通过热像仪获取滚动体与滚道接触区域内的温升变化。

本发明的有益效果是：通过内圈和外圈之间相对加、减速，和/或改变载荷的大小，可以是滚动体与滚道之间发生滚滑复合运动，此时的滚滑比可以通过内圈和外圈的相对转速以及保持架的转速求出。而热像仪能够获取滚动体与滚道接触区域的温升变化，能够获得试验轴承在不同滚滑比状态下滚动体与滚道之间接触区域的温度变化趋势，能够了解滚滑复合运动下滚动体与滚道之间摩擦的变化趋势，对于后续改进轴承有积极的作用。本发明中，通过摘除滚动轴承的部分滚动体，并使剩余的滚动体均布，在保证内、外圈以及保持架转动稳定的前提下，可以增大相邻滚动体之间的间距，相邻滚动体与滚道之间接触时所产生的热量相互影响较小，热像仪拍出的图像中热区域重叠较少，减小数据处理的噪声，方便后续的数据处理。而且，当施加轴向载荷时，在减少滚动体数量后，在保证每一个滚动体载荷不变的情况下，可以减小轴向总载荷的大小，方便进行施力。

进一步地，采用非接触式光电测量装置对保持架的转速进行非接触式测量。采用非接触式测量的方式，能够尽可能地减小对保持架转动的影响，提高测量的精准度。

进一步地，将非接触式光电测量装置以及热像仪在试验轴承的周向上依次间隔排布。两者周向上间隔排布，能够防止两者测量区域的重叠，同时方便进行布置。

进一步地，试验时，将试验轴承内圈和外圈中的其中一个进行固定，并驱动另一个进行转动，以实现内、外圈的相对转动；

通过测量试验轴承内圈和外圈中转动一个的转速，并结合保持架的转速，从而得到不同工况下试验轴承的滚滑比。通过固定内圈和外圈中的其中一个，并转动另一个的方式实现内、外圈之间的相对转动，方便进行试验，而且数据也更容易控制和测量。

进一步地，试验时，轴向载荷施加在内圈和外圈中固定布置的其中一个的轴向端面上。通过在固定布置的内圈或外圈上施力，避免对转动的外圈或内圈产生影响。

进一步地，试验时，通过轴向加载结构对轴承施加轴向载荷，轴向加载结构沿周向均布有至少三个，或者轴向加载结构包括均匀施加在试验轴承上的至少三个施力点，三个施力点沿试验轴承的周向均布。采用至少三点施力的方式，使得试验轴承所承受的轴向载荷更加均匀，在试验轴承上形成均匀的承载区域。

进一步地，在对试验轴承施加轴向载荷时，按照以下公式等比例减小轴向载荷值：

其中，F为试验时施加的轴向载荷，n为摘除后剩余的滚动体数量，N为摘除前滚动体的数量；F₁为摘除前试验时所要模拟工况下的轴向载荷值。试验时，等比例地缩小轴向载荷，保证摘除前后每个滚动体上所承受的轴向载荷不变，更贴近于实际的试验工况。

附图说明

图1为本发明滚动轴承打滑试验方法实施例1中所采用的试验装置的示意图；

附图标记说明：1-驱动电机；2-联轴器；3-第一支承轴承；4-线性致动器；5-第二支承轴承；6-拉杆；7-试验轴承；8-内圈驱动轴；9-非接触式光电测量装置；10-红外热像仪；11-基座；12-第一轴承座；13-第二轴承座。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

本发明的滚动轴承打滑试验方法的具体实施例1：

如图1所示，滚动轴承打滑试验方法的主要目的是获得在不同的工况条件下(转速和载荷条件)，滚子与滚道在不同的接触条件下的滚滑状态，通过测量与计算得到滚滑状态下滚子打滑时接触区域的温度变化，获得的数据可用于研究引起轴承高速轻载打滑的具体工况。

图1为滚动轴承打滑试验方法所采用的试验装置，试验装置包括基座11，驱动电机1安装在基座11上。驱动电机1的电机轴上通过联轴器2连接有内圈驱动轴8，内圈驱动轴8采用两点支承的方式，具体地，在基座11上固定安装有第一轴承座12和第二轴承座13，第一轴承座12上安装有第一支承轴承3，第二轴承座13上安装有第二支承轴承5，第一支承轴承3和第二支承轴承5均为圆柱滚子轴承，采用脂润滑。试验轴承7安装在内圈驱动轴8的末端，第一支承轴承3、第二支承轴承5和试验轴承7均是内圈转动、外圈固定，内圈均固定在内圈驱动轴8上，支承轴承的外圈均固定在相应的轴承座上。通过线性致动器4、拉杆5对试验轴承7的外圈施加轴承载荷，具体地，线性致动器4固定在第二轴承座13上，拉杆6穿过第二轴承座13，拉杆6的一端与线性致动器4相连，另一端固定在试验轴承7的外圈上，通过线性致动器4、拉杆6对试验轴承7的外圈施加拉力。其中拉杆6与试验轴承7外圈之间采用粘接的方式进行固定。

为了对保持架的转速进行测量，在基座11上还安装有非接触式光电测量装置9，非接触式光电测量装置9对应试验轴承7的下半部分。其中，非接触式光电测量装置9为市场上课外购的转速测量结构，在此不再赘述。试验装置还包括红外热像仪10，红外热像仪10为高速红外热像仪，由图1可以看出，红外热像仪10正对试验轴承的上半部分，能够对试验轴承中滚子与内外滚道接触区域进行拍摄，记录下接触区温度变化历程。非接触式光电测量装置9和红外热像仪10对应试验轴承的周向不同位置，避免两者的测量区域发生重叠。

驱动电机1采用变频驱动方法控制，通过驱动电机1内置的编码器形成控制闭环，变频器通过通讯总线与控制计算通讯，通过控制软件可以实时记录转速，利用公式：n＝60f/p，根据电机极对数p和变频器驱动频率f计算得到实际的转速n，通过控制软件设定的速度和加速度过程利用通讯总线下传至变频器，完成转速谱的设置。通过改变变频器驱动频率实现驱动电机1的无极调速。

线性致动器4安装在第二轴承座13上，沿第二轴承座13的周向等间距安装有三个，这样可以保证对试验轴承7均匀施加轴向载荷，在试验轴承7上形成均布的承载区域，线性致动器4通过拉杆6施加拉力到试验轴承7的外圈上。线性致动器4反馈的位移电压通过连接电缆输出至控制***，控制软件利用公式：

u_i为各个致动器的位移电压值，a为致动器增益，b为偏移量，k为拉杆刚度，计算得到轴向载荷。控制***计算控制量并通过电缆输出至线性致动器，从而实现轴向载荷的闭环控制，完成预定载荷谱的实施。

非接触式光电测量装置9用来测量保持架的转速，实际使用时可以在保持架上喷涂深色标记区域以提高光检测能力，测量中当光线照射到标记区域时能够形成上升沿信号，通过采集单位时间里的上升沿信号能够计算得到保持架的实际旋转频率，对频率取倒数就得到保持架的实际转速。

红外热像仪10用来测量滚子和滚道接触的摩擦生热过程，即采集接触区的温度，红外热像仪10在具体使用时利用三角支架固定，调整焦距后固定拍摄试验轴承7上的某个固定区域，记录下该区域的温度变化历程，利用图像处理程序能够获得该区域内的温度变化数据。在实际使用时，为了保证红外热像仪10的记录区域内一定会有滚动体，可以扩大红外热像仪10的记录区域，比如红外热像仪10可以覆盖试验轴承7的其中一半，由于滚动体的数量为至少三个，可以保证红外热像仪10的记录区域内一定会有滚动体。在实际试验时，红外热像仪10可以拍摄某一滚子从进入记录区域一直到转离记录区域的时间段内的热成像，通过后续的处理，可以得到该时间段内的温度变化。

试验装置还包括测控***，测控***具有采集驱动转速、保持架转速、轴向载荷和接触区温度的功能，测控***安装有控制软件，通过控制软件能够设置试验的速度谱和载荷谱，并记录试验数据。通过控制软件的数据处理能够得到接触区温度变化值，通过测量的保持架转速和试验轴承内圈转速计算试验轴承的滚滑比。

本实施例中的试验轴承采用机床主轴用的H7006C型轴承，为了更方便地测量滚动体与滚道具体的打滑状态，方便后续的温升数据处理，将试验用的H7006C型轴承钢球取出一部分，在等距位置安装3个钢球，即3个钢球在试验轴承的周向上均布。将试验轴承的内圈采用热装的方式固定在轴系上，三个致动器分别安装在第二轴承座13上，拉杆6贯穿第二轴承座13，一端与H7006C轴承的外圈连接，另一端安装在线性致动器4上。由于在工作时对试验轴承7所施加的轴向载荷分别作用在每个滚子上，在取出一定滚子之后，为了保证剩余滚子的受力不变，可以利用公式

根据试验轴承所模拟工况时的滚子个数N及施加载荷F₁与剩余的滚子个数n，即可算得所模拟工况下试验轴承7在适当取出一定滚子后所需施加得轴向载荷。当然，在其他实施例中，轴向载荷的大小可以根据实际情况进行调整，但是优选地，采用等比例减小的方式施加，这样能够更好地模拟实际工况。具体到本实施例中所采用的H7006C型轴承，由于仅安装有三个钢球，那么每个线性致动器4所要施加的预紧力范围为10-12N。

具体的试验方法包括以下步骤：

1)取出部分滚子，仅保留三个滚子并使三个滚子沿周向均布在试验轴承内。

2)根据试验的转速、轴向载荷需求，在控制软件操作界面上设定转速谱、载荷谱和试验时间这三个控制参数。试验过程为内圈旋转，通过线性致动器输出的拉力为试验轴承施加轴向载荷，采集电机转速、试验轴承保持架转速、轴向载荷和试验轴承滚子与滚道接触区温度。

3)为保证试验轴承的正常试验，要先校验各测试部分是否正常，然后先通过线性致动器4对试验轴承7施加轴向载荷，再启动变频器进而驱动电机旋转。试验开始时，驱动电机1带动内圈驱动轴8驱动H7006C型轴承内圈转动，驱动电机1自带编码器实时监测电机输出转速，并将其反馈至变频器，达到转速闭环控制及显示主轴实时转速，准确控制H7006C型轴承急加、减速运动。

4)试验过程中通过驱动转速和轴向载荷的匹配能够实现试验轴承不同的滚滑比，具体为：

第一种，固定轴向载荷不变，通过改变驱动电机的加速和减速时间输出不同的内圈加速、减速过程从而实现试验轴承的滚滑比改变；

第二种，固定转速不变，通过改变轴向载荷来观察滚滑比的改变情况，该种方法必须要保证试验轴承始终承受最小轴向预紧力；

第三种，采用转速、轴向载荷复合调整的方法，通过设定不同的加减速过程和轴向载荷来实现试验轴承的滚滑比改变，同样的在该方法下始终要满足试验轴承的最小轴向预负荷。

5)试验中，非接触式光电测量装置9通过采集光线周期变化测量保持架转速，与内圈转速、滚子直径等参数相结合，通过经验公式计算出试验轴承的实际滚滑比。同时，红外热像仪10记录下轴承处于不同滚滑比状态下滚子与滚道接触区域的温升历程。

6)试验结束，通过后期图像数据处理得到H7006C型轴承试验过程中接触区的温度变化值，利用采集的试验数据绘制出实际滚滑比和温度变化曲线。

本实施例中，线性致动器4和拉杆6一起形成了对试验轴承7施加轴向载荷的轴向加载结构，其中，轴向加载结构设置有三个，其他实施例中，轴向加载结构的数量可以进行增加，且各轴向加载结构沿试验轴承的周向均匀布置。

上述实施例中，通过设置至少三个轴向加载结构，能够对试验轴承施加均布的轴向载荷，在试验轴承内形成均匀的承载区。其他实施例中，轴向加载结构可以仅有一个，比如，轴向加载结构包括固定在试验轴承外圈上的固定环，在支承轴承座上固定安装至少三个线性致动器，三个线性致动器均与固定环相连。其中，固定环可以完全贴合在外圈上，也可以与固定环进行三点固定连接，或者更多均布点固定连接。

其中，本实施例中，试验轴承中内圈和外圈之间的相对转速可控，此处的可控指的是两者的相对转速变化可以进行定量控制，通过定量控制，可以得到保持架与内外圈相对转速之间的对比值，从而能够得到滚滑比。

本发明滚动轴承打滑试验方法的具体实施例2：

实施例1中，滚子的数量为均布的三个，本实施例中，滚子的数量可以为四个或者更多个，但是均需要由标准轴承上摘除部分滚子，这样能够加大相邻滚子之间的周向间距，减小轴向载荷，另外，在进行后续处理时，相邻滚子与滚道之间的温度梯度图之间的交叉较小，方便后续的数据处理。

本发明滚动轴承打滑试验方法的具体实施例3：

实施例1中，对保持架的测速采用非接触式光电测量装置，本实施例中，可以在外圈的内壁上贴设应变片，并对应设置一个应变采集模块，每当滚子通过一次应变片，应变采集模块采集到的应变会产生一个突变而形成一个峰值，通过采集设定时间内的峰值数，就可以计算保持架的转速。具体地可以参考申请公布号为CN110108488A的中国发明专利所公开的方式。

本发明滚动轴承打滑试验方法的具体实施例4：

实施例1中，对试验轴承施加的为轴向载荷，本实施例中，可以对试验轴承施加径向载荷，具体地，可以在外圈上施加径向载荷，也可以通过对内圈驱动轴施加径向载荷。或者其他实施例中，可以既施加轴向载荷又施加径向载荷。

本发明滚动轴承打滑试验方法的具体实施例5：

实施例1中，通过固定外圈、转动内圈的方式实现内、外圈之间的相对转动，本实施例中，通过固定内圈、转动外圈的方式实现内、外圈的相对转动。或者可以同时转动内圈和外圈。具体地，通过在外圈外部套装固定套，并驱动固定套转动，来驱动外圈转动。

本发明滚动轴承打滑试验方法的具体实施例6：

实施例1中，驱动电机内部可以自行测量转速，本实施例中，可以在电机输出轴处设置测量装置，对驱动电机的转速(即内圈的转速)进行测量。

本发明滚动轴承打滑试验方法的具体实施例7：

上述各实施例中均以角接触球轴承为例进行阐述，其中的滚动体为滚子，本实施例中，滚动轴承可以为其他类型的轴承，比如深沟球轴承等，滚动体可以为滚子或滚针等。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，本发明的专利保护范围以权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种滚动轴承打滑试验方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)摘除试验轴承的部分滚动体，保留至少三个滚动体并使剩余的各滚动体沿试验轴承的周向均布；

2)驱动试验轴承的内圈和外圈以可控的相对转速进行相对转动，内、外圈相对转动时对试验轴承施加轴向载荷，同时测量保持架的转速；

3)控制内圈和外圈相对加、减速，和/或改变载荷的大小，使滚动体与滚道之间发生滚滑复合运动，同时通过热像仪获取滚动体与滚道接触区域内的温升变化；试验时，将试验轴承内圈和外圈中的其中一个进行固定，并驱动另一个进行转动，以实现内、外圈的相对转动；

通过测量试验轴承内圈和外圈中转动一个的转速，并结合保持架的转速，从而得到不同工况下试验轴承的滚滑比；试验时，轴向载荷施加在内圈和外圈中固定布置的其中一个的轴向端面上；在对试验轴承施加轴向载荷时，按照以下公式等比例减小轴向载荷值：

其中，F为试验时施加的轴向载荷，n为摘除后剩余的滚动体数量，N为摘除前滚动体的数量；F₁为摘除前试验时所要模拟工况下的轴向载荷值；试验结束后，通过后期图像数据处理得到轴承试验过程中接触区域的温度变化值，利用采集的试验数据绘制出实际滚滑比和温度变化曲线。

2.根据权利要求1所述的滚动轴承打滑试验方法，其特征在于：采用非接触式光电测量装置对保持架的转速进行非接触式测量。

3.根据权利要求2所述的滚动轴承打滑试验方法，其特征在于：将非接触式光电测量装置以及热像仪在试验轴承的周向上依次间隔排布。

4.根据权利要求1或2或3所述的滚动轴承打滑试验方法，其特征在于：试验时，通过轴向加载结构对轴承施加轴向载荷，轴向加载结构沿周向均布有至少三个，或者轴向加载结构包括均匀施加在试验轴承上的至少三个施力点，三个施力点沿试验轴承的周向均布。

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