【技術前沿】滾動軸承壽命及可靠性強化試驗機新進展

滾動軸承壽命及可靠性強化試驗機新進展

文 / 李興林常振陳掌娥吳加鍬李祖培李斌陳炳順

摘要：隨著滾動軸承疲勞壽命及可靠性理論的完善及其使用性能的提高，軸承壽命及其可靠性的研究不斷被推向新的高度，進而刺激了軸承壽命及可靠性試驗機的快速發展與不斷滿足各種苛刻的試驗要求。杭州軸承試驗研究中心一直致力于滾動軸承動態性能和疲勞壽命及可靠性等高新技術應用基礎研究以及軸承相關產品應用研究、開發、檢測和試驗等技術研究工作，且專注于滾動軸承壽命及可靠性強化試驗機的設計及研發三十余載，具有雄厚的理論體系與技術力量支撐。本文對國內滾動軸承壽命及可靠性強化試驗機的發展歷程進行了總結，并結合目前行業現狀給出了進一步展望，以期望推進滾動軸承疲勞壽命及可靠性快速試驗機相關技術的廣泛推廣應用。

關鍵詞：滾動軸承，壽命，可靠性，試驗技術，強化試驗，快速試驗，試驗機

1. 引言

我國軸承壽命試驗研究，主要以機械工業部洛陽軸承研究所和杭州軸承試驗研究中心（聯合國援助）兩個科研單位帶頭，其他相關企業的壽命及可靠性試驗基地為輔，共同承擔我國軸承行業的軸承壽命、可靠性和性能試驗研究工作。壽命及可靠性強化試驗務必保證與軸承內在的接觸疲勞失效機理保持一致的前提下，再考慮大大地縮短試驗時間；此項技術降低了試驗成本，縮短了產品開發周期，加快了性能指標改進步伐，因此軸承壽命強化試驗受到越來越多的關注、研究和應用。軸承快速壽命及可靠性試驗包含了比軸承壽命及可靠性強化試驗更為廣泛的內涵，它不僅在壽命及可靠性試驗方面，而且在壽命及可靠性試驗的設計，壽命及可靠性數據的處理、分析，壽命及可靠性的預測評估，軸承失效狀況的快速診斷、評定、處理等系統技術方面具有更新更廣的內容。

目前我國軸承壽命試驗機的設計、研發、生產等已完全實現自主化，甚至某些技術理念（點）已達到國際領先水平，但相對于斯凱浮、舍弗勒、鐵姆肯、恩斯克、恩梯恩等多個國外軸承大公司起步甚晚。在 20世紀早期，我國軸承行業的發展主要依靠蘇聯老大哥的技術支撐，軸承的壽命試驗主要在ZS型軸承壽命試驗機基礎上進行，而這種試驗機的評估質量早已淘汰于軸承服役性能發展的要求。杭州軸承試驗研究中心依據聯合國援助項目，從美國引進的“F＆M5”新型滾動軸承疲勞壽命試驗機非但價格昂貴、技術壟斷，還采用氣動高壓動力源和60Hz的電頻率，不適合中國的國情。因此，軸承壽命強化試驗機實現自主化生產已勢在必行，在20世紀90年代，杭州軸承試驗研究中心在吸取國外先進試驗機的基礎上，研制出了新一代自動控制滾動軸承疲勞壽命及可靠性強化試驗機B10-60R及其改進的ABLT系列壽命及可靠性強化試驗機，大大地推進了中國軸承行業軸承壽命及可靠性試驗系統相關技術的進步。

杭州軸承試驗研究中心（HBRC）發展至今，不斷地技術革新、快速適應客戶響應、緊隨軸承各項性能變化需求，將國內滾動軸承疲勞壽命及可靠性強化試驗機推陳出新，并見證了中國軸承行業壽命及可靠性試驗的發展歷程。HBRC是1980年聯合國援助中國（機械工業部）軸承行業創建的唯一的質檢及研究機構，主要從事軸承動態性能和疲勞壽命及可靠性等高新技術應用基礎研究以及軸承相關產品應用研究、開發、檢測和試驗等技術研究工作。擁有國際上比較先進的檢測試驗儀器和設備，技術力量雄厚，38年來，有多項科研成果在全國乃至世界軸承相關企業成功推廣應用，已形成了較為完善的研究、開發、制造、檢測、試驗和服務體系?，F根據HBRC多年來在軸承壽命及可靠性試驗機研發、生產等方面的經驗和實踐，并總結國內壽命及可靠性試驗機的發展歷程，針對實際面臨的異?，F象及技術難點提出相關性意見，然后對未來發展方向給出了幾點展望，希望對中國軸承行業相關科研單位和工程應用單位提供良好的指導意見。

2. 國內軸承壽命及可靠性強化試驗機的發展史

2.1? ABLT-1型滾動軸承壽命及可靠性強化試驗機

20世紀90年代，杭州軸承試驗研究中心（HBRC）在國外先進壽命試驗機的基礎上，自主研制出ABLT-1型自動控制滾動軸承疲勞壽命及可靠性強化試驗機，為國內壽命試驗機開辟了新市場和新前景，在當時已具有國際先進水平。隨著ABLT-1型滾動軸承疲勞壽命及可靠性強化試驗機的誕生，國內軸承壽命及可靠性試驗機的發展如雨后春筍，但大都是在ABLT-1的基礎上衍生或改進而來，與ZS型和“F＆M5”型滾動軸承疲勞壽命試驗機相比，ABLT-1型試驗機主要作了如下改進：

（1）在“F＆M 5”型試驗機的試驗頭基礎上，設計一套在徑向和軸向都裝有薄膜油缸的試驗頭座組合件，加載油缸傳遞推力時有調整件和補償件，從而保證了精度。設置手動輔助返回動作機構，以利于試驗頭的順利裝拆等。

（2）傳動軸由兩套深溝球軸承懸臂支承，傳動軸一端固定，一端游動，用彈簧消隙，電機座部件支承倒懸，結構緊湊，增加減振措施，增強了系統穩定性。

（3）加載系統采用薄膜式液壓缸，占用空間小，成本低，同時液壓缸進出油口安裝電磁換向閥便于自動控制。

（4）溫度記錄裝置和振動信號處理裝置等附屬裝置掛于機架上。

該型號試驗機的外觀形狀如圖1所示，自動監控系統框架如圖2所示，主要性能參數如表1所示。

圖1 ?ABLT- 1型滾動軸承疲勞壽命及可靠性強化試驗機

圖2 ?ABLT- 1型滾動軸承疲勞壽命及可靠性強化試驗機監控系統框圖

表1 ?ABLT-1型滾動軸承疲勞壽命及可靠性強化試驗機的主要性能參數

隨著軸承生產廠家與軸承使用廠商對其壽命試驗及可靠性工程試驗的重視，待測試軸承型號逐漸多元化，ABLT-1型試驗機已不能滿足諸多不同參數的軸承試驗的要求。在持續消化吸收和改進ABLT-1型軸承壽命及可靠性強化試驗機的基礎上，我中心又自行設計研制了2型、3型、4型等ABLT其他系列滾動軸承疲勞壽命及可靠性強化試驗機，具有完全自主產權的新型軸承試驗技術和方法，且ABLT系列疲勞壽命及可靠性強化試驗機吸收了以前試驗技術的優點，進一步加強和完善了自動化控制水平。通過個性化的設計，已基本能夠滿足大多數滾動軸承疲勞壽命及可靠性強化試驗的需要，其主要性能參數如表2所示。

2.2? ABLT-1基礎上補充型壽命及可靠性強化試驗機

ABLT-2至ABLT-5型滾動軸承疲勞壽命及可靠性強化試驗機可認為是ABLT-1型的增大或縮小版，主要只是在測量參數上有所不同，結構框架大致相同。其中ABLT-3型機適用于小型號軸承的測試分析，且實驗條件中載荷較小，其載荷的施加方式與其他型號有所不同，不再采用液壓加載，而是更加簡捷輕便的彈簧加載，外觀實物圖如圖3所示。

圖3 ? ABLT- 3型滾動軸承疲勞壽命及可靠性強化試驗機

2.3? ABLT-6型外圈旋轉軸承壽命及可靠性強化試驗機

叉車門架軸承及汽車發電機軸承使用的工況均為外圈旋轉，因其使用工況特殊，對軸承的壽命及可靠性的要求相當苛刻。目前，隨著外圈旋轉軸承的需求及應用范圍不斷擴大，其產品性能質量及可靠性的要求也愈來愈嚴格。為此，我中心專門設計了外圈旋轉軸承壽命及可靠性強化試驗機ABLT- 6型，以研究實際使用過程中外圈旋轉軸承的壽命及可靠性，該型號試驗機如圖4所示。

圖4 ? ABLT- 6型外圈旋轉軸承壽命及可靠性強化試驗機

由圖4可知，加載油缸安裝在油缸安裝板上，通過滑動導軌中的滑體向試驗軸承傳遞加載力。在試驗中加載力為恒定力，具體大小根據試驗要求而定，載荷誤差可以控制在±2%以內。并根據外圈旋轉軸承的實際使用工況，確定試驗機參數設計，如表3所示。

表3 ?ABLT-6型外圈旋轉軸承壽命及可靠性強化試驗機主要性能參數

該型號試驗機的監控系統可對試驗軸承的振動、溫度進行監控并實現越界停機的功能。即傳感器將測得的軸承振動和溫度信號傳遞給信號放大器，經過工控機處理后顯示在顯示器上，當軸承發生失效或試驗機發生異常時，監控器將失效信息傳遞給電腦，電腦自動關閉運轉的試驗機并保存之前的監測數據，ABLT-6型試驗機監控系統原理如圖5所示。

圖5 ? ABLT- 6型外圈旋轉軸承壽命及可靠性強化試驗機監控系統框圖

為不斷完善外圈旋轉軸承壽命及可靠性強化試驗機，在ABLT-6型的基礎上，我中心又開發了ABLT-8型，但外形結構與6型基本一致，只是主要性能參數有所改變：試驗軸承內徑60-120mm，外徑100-260mm，試驗軸承數量為2套，軸承轉速50-200r/min，最大徑向載荷為200kN；即ABLT-8型機是ABLT-6型機的放大版或是加強版。

2.4? ABLT-7型帶座外球面軸承壽命及可靠性強化試驗機

帶座外球面軸承是將滾動軸承與軸承座結合一起的一種軸承單元，大部分外球面軸承都是將外徑做成球面，與帶有球面內孔的軸承座安裝在一起，結構形式多樣，通用性和互換性好。同時，這類軸承在設計上也具有一定的調心性能，易于安裝，具有雙重結構的密封裝置，可以在較為惡劣的環境下工作。該類軸承廣泛應用于設備或零部件簡單的場合，如農業機械、運輸系統以及建筑機械、工程機械上，對此進行壽命及可靠性方面的研究已顯得越來越重要，本中心在多年來軸承壽命及可靠性試驗機的設計與研發經驗基礎上，開發出ABLT-7型帶座外球面軸承壽命及可靠性強化試驗機，主體結構如圖6所示。

1—試驗軸；2—螺母；3—試驗軸承；4—中墊板；5—振動傳感器；6—端墊板；

7—溫度傳感器；8—聯軸節；9—傳動裝置；10—電動機；11—液壓缸

圖6 ? ABLT- 7型帶座外球面軸承壽命及可靠性強化試驗機主體結構

如圖6所示，ABLT-7型帶座外球面軸承壽命及可靠性強化試驗機可以同時為4套軸承進行試驗(中間2套，兩端2套)，在軸承座上安裝有振動傳感器和溫度傳感器，試驗過程中可以分別測量出4套軸承的振動和溫度變化信息。兩個中墊板下方分別設有徑向加載油缸，可對試驗軸承施加徑向載荷。試驗軸承轉速由變頻器、電動機、多楔帶、傳動軸、聯軸節、連接軸(小方軸)及試驗軸共同組合來實現，性能參數如表4所示。該試驗機還可以同時兼顧做極限轉速和漏脂、溫升、防塵試驗，更加豐富和完善了ABLT壽命及可靠性強化試驗機產品系列的測試功能。同時，還可以單獨增加加熱或冷卻裝置等，積木式拓展ABLT- 7型試驗機來模擬更加真實的試驗環境，提高外球面軸承強化模擬試驗的有效性與可行性。

表4 ?ABLT-7型帶座外球面軸承壽命及可靠性強化試驗機主要性能參數

2.5? ABLT系列衍生型的軸承壽命及可靠性強化試驗機

驅動系統不再使用皮帶輪，直接由內裝式電主軸驅動，從而把驅動系統主傳動鏈的長度大大縮短。電主軸連接變頻器，使得主軸轉速更加容易控制，整個試驗機兼容性更加良好，無需更換皮帶輪大小就可實現轉速的變化。這種主軸電動機與試驗機主軸"合二為一"的傳動結構形式，使主軸部件的傳動系統從整體結構中相對獨立出來，簡化了試驗機設計，易于實現主軸定位，是高速主軸單元中的一種理想結構；同時具有結構緊湊、重量輕、慣性小、噪聲低、響應快等優點，大大降低了試驗機本身的振動干擾。此外，電主軸軸承采用高速軸承技術，耐磨、耐熱，壽命是傳統軸承的幾倍，延長了試驗機驅動系統的服役周期，ABLT型壽命及可靠性試驗機電主軸驅動系統如圖7所示。

圖7 ?ABLT型壽命及可靠性強化試驗機電主軸驅動系統

當下，諸多企業都在向“工業4.0、智能制造、互聯網

加載系統運用電液伺服閥，在接受電氣模擬信號后，可相應地輸出調制的流量和壓力，進而將小功率的微弱電氣輸入信號轉換為大功率的液壓能(流量和壓力)輸出。在伺服系統中，它將電氣部分與液壓部分連接起來，實現電液信號的轉換與液壓放大，ABLT型壽命及可靠性強化試驗機電液伺服閥加載系統如圖8所示。

圖8 ?ABLT型壽命及可靠性強化試驗機電液伺服閥加載系統

驅動裝置采用伺服電機，能夠將電壓信號轉化為電機轉速以驅動控制對象。伺服電機轉子轉速受輸入信號控制，并響應快捷靈敏，在自動控制系統中，用作執行元件，且具有機電時間常數小、線性度高、始動電壓低等特性，可把所收到的電信號轉換成電動機軸上的角位移或角速度輸出。進而，試驗機的驅動系統可人為地控制主軸轉速，且位置精度非常準確，ABLT型壽命及可靠性強化試驗機伺服電機驅動系統如圖9所示。

圖9 ? ABLT型壽命及可靠性強化試驗機伺服電機驅動系統

本中心一直致力于滾動軸承壽命及可靠性強化試驗機的研發與生產，實現了國內從無到有，從有到優，從優到強（國際先進水平）的飛速發展?？v使市場存在有多個所謂的高新技術企業（公司），在生產并銷售軸承疲勞壽命及可靠性強化試驗機，但它們的核心技術與相關經驗大都是從杭州軸承試驗研究中心復制或衍化而來，有的甚至是抄襲或者剽竊的，并沒有實現真正的自主化。所以，可以說本中心壽命及可靠性試驗機的更新過程就是國內整個軸承行業壽命及可靠性強化試驗機的發展歷程。

3. 展望

國內滾動軸承壽命及可靠性強化試驗機的發展已歷經大約30年了，基本已具備了熟練的研發技術、豐富的測試經驗、并積累了大量的試驗數據，現應當建立關于軸承疲勞機理研究、失效因素分析、材料冶煉加工工藝、試驗數據分析等相關技術的數據庫，并盡快提出國產軸承壽命計算各修正系數的推薦值，以便適用于飛速革新的各類軸承服役信息。

一批同結構、同材料、同熱處理、同加工方法的軸承在相同的工況下，其最高壽命和最低壽命相差幾十倍甚至更多，雖然疲勞壽命試驗數據近似符合威布爾分布或者對數正態分布，但在實際工況中仍舊難以預判。未來發展過程中，非但從設計、研發、制造中降低軸承使用性能的離散性，還要不斷修正或改進疲勞壽命及可靠性實驗數據的理論分布模型。

學術界及工程界十分注重滾動軸承狀態監測和故障診斷工作，眾多高校與科研單位都在積極開展軸承故障機理、故障監測、故障診斷技術等方面的研究。鑒于此，如何快速著力于將故障監測、診斷技術與滾動軸承試驗技術進行有效的結合是未來發展的方向之一，力圖在進行軸承性能試驗的同時對其使用性能的劣化和潛在缺陷進行監測和診斷，并在健康診斷的同時指導試驗的快速、有效地開展，以期望真正地實現滾動軸承壽命及可靠性工程技術攻關，并準確高效地解決工程實際問題。

4.結束語

縱使目前市場上存在有多個公司，有的還是所謂的高新技術企業，在生產并銷售ABLT型滾動軸承疲勞壽命及可靠性強化試驗機，但它們的核心技術與相關經驗大都是從杭州軸承試驗研究中心承繼、復制或衍化而來，有的甚至是抄襲或者剽竊的，并沒有實現真正的自主化。所以，可以說本中心壽命及可靠性強化試驗機的不斷更新過程就是國內整個軸承行業壽命及可靠性強化試驗機的發展歷程。

在“工業4.0、智能制造、互聯網

本文的寫作因多位軸承行業資深專家建議，旨在拋磚引玉，加強交流，代表軸承行業利益、凝聚軸承行業智慧、形成軸承行業共識，以免某一些人（基本上都不是軸承行業的所謂的軸承專家）誤導甚至欺騙軸承壽命及可靠性強化試驗機及其試驗技術服務的新用戶，共同為我國軸承行業轉型升級，從軸承制造到軸承智造，貢獻出力！本文的不足之處，敬請批評指正！謝謝！

【作者簡介：李興林，杭州軸承試驗研究中心（UNDP/UNIDO聯合國援助）有限公司創始人，第一任董事長兼總經理，國家檢測實驗室（第三方）及機械工業軸承產品質量檢測中心（杭州）（CNAS No. L 0309，ISO/IEC 17025國際互認）主任，教授級高級工程師，博士后工作站主任。常振、陳掌娥、吳加鍬、李祖培、李斌，杭州軸承試驗研究中心有限公司、機械工業軸承產品質量檢測中心（杭州）。陳炳順，杭州誠信汽車軸承有限公司。】

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