轴承试验技术及试验机

马 伟，庄树明，孙 勇，云 峰

(中机试验装备股份有限公司，吉林 长春 130103)

轴承是机械传动机构的重要支撑基础件，直接影响装备的技术水平和质量性能，被誉为“工业的关节”。当前，风力发电机轴承、高铁轴承等高端轴承被国外公司垄断和控制，高端轴承已经成为重要的战略资源，是国防安全、民生保障的重要物资。国内轴承企业的产品研发能力与国外先进企业相比尚有较大差距，尤其是在轴承综合性能试验、检验检测、产品研发、工程技术服务等方面差距更大，这些差距已成为制约国内轴承产品创新升级和技术进步的瓶颈。轴承企业加强新产品试制手段、全面增强轴承试验能力、完善轴承综合检验检测手段，可以提升企业的自主研发创新能力，提升企业的市场竞争能力。

随着高速、高精、高可靠性、低摩擦、低振动、低噪声轴承及特殊工况下使用的专用轴承产品的不断研发，对轴承检测技术、试验等方面都提出了更高的要求，也为大力发展轴承试验设备提供了广阔的市场和机遇。目前，中机试验已经为包括航空、航天、轨道交通、科研院所和大专院校等在内的众多行业提供了各类轴承试验设备，其中包含关节轴承、滚动轴承、汽车和火车轮毂轴承、飞机起落架轴承、直升机主旋翼轴承等疲劳寿命试验设备。

轴承试验机的种类较多，其功能和用途也有所不同，包括轴承性能试验机、疲劳寿命试验机、强化试验机、设计验证试验机等，但这些试验设备的主机结构原理、载荷施加技术、驱动技术、测试技术、控制技术却基本相同。下文对轴承试验机的共性技术进行详细介绍。

试验机的主机框架主要用于承载及轴承专用工装的连接、测控部件的安装布局等。专用工装部分包含承载主轴、陪试轴承及轴承润滑密封等。其中，陪试轴承是试验机的关键零部件，其性能优劣决定了试验机的极限转速和最大承载力，也决定了试验机的旋转精度，进而影响主轴跳动和试验数据的准确度。按主机结构分类，一般分为桥式结构、悬臂结构、组合式结构。

2.1 桥式结构

桥式结构分三点式结构和四点式结构。三点式结构中，中间是一个试验轴承，两端安装两个陪试轴承，起支撑作用。四点式结构中，中间是两个试验轴承，两端安装两个陪试轴承，起支撑作用。其中，陪试轴承也可以采用相同规格的试验轴承，可以同时试验4个轴承。桥式结构试验机多用于疲劳寿命试验。

2.2 悬臂结构

试验轴承安装轴采用悬臂梁结构，一侧支撑，一侧安装试验轴承，每次只能试验一套轴承，拆装、测试方便，扩展功能也很容易，比如增加高低温环境、喷水喷粉环境、泥浆环境等。悬臂结构试验机多用于性能试验及研究。

2.3 组合式结构

采用类似试验轴承使用工况下的安装结构，或直接采用试验轴承使用时的轴箱和主轴的主机结构。此种结构复杂，但试验方法更接近实际工况，对轴承的应用更具指导意义，主要用于工况模拟试验机。

试验载荷是轴承试验机的一个关键指标，其载荷大小决定了测试轴承的大小范围，其加载精度决定了试验结果的准确度。不同功能需求的轴承试验机对精度和速度的要求各不相同，比如轴承强化试验机对加载精度要求较高，一般需达到0.5%FS，但对加载速度要求缓慢加载即可。常用的载荷施加方法有杠杆砝码加载、弹簧加载、电动加载、液压加载等。

3.1 杠杆砝码加载

杠杆砝码加载由加载砝码质量和杠杆比来确定载荷的大小。这种加载方式结构简单，不需要载荷传感器测试，且成本较低，适用于寿命试验，但试验过程中不能改变试验载荷，也不适合高速，因速度过高会引起砝码振动，导致载荷不稳。

3.2 弹簧加载

通过压缩或拉伸弹簧来进行加载。加载前对弹簧的刚度进行标定，试验时通过调整弹簧的压缩量或伸长量来调节试验载荷的大小。弹簧加载的调整范围较小，成本低廉，一般用于恒定载荷疲劳试验。

3.3 电动加载

通过步进电机带动蜗轮蜗杆升降机进行加载，或通过伺服电机带动滚珠丝杠加载，载荷的大小通过负荷传感器进行测量，并形成闭环控制，从而实现载荷的准确加载。电动加载一般加载频率较低，不超过5Hz。为防止加载力过冲，一般会在加载头安装弹性装置，以减少冲击。

3.4 液压加载

通过调节液压缸加载腔的压力来控制载荷的大小。根据调节方式的不同，又分为手动液压加载、比例阀自动加载、电液伺服阀加载。

(1)手动液压加载：通过手动旋钮调节液压缸的压力，达到控制试验载荷的目的。这种加载方式简单、无噪声，但精度低，需要人为调节，而且受加载缸摩擦力和内泄影响较大，一般用于寿命试验。

(2)比例阀自动加载：由液压站、比例阀控制系统和压力传感器或载荷传感器组成闭环系统。由比例阀控制系统的数字调节器或函数发生器来控制比例阀的开度大小和方向，进而控制施加到测试轴承上的载荷。此液压系统较复杂、成本较高，但控制精度良好，通过PID调整可以达到1%控制精度。系统的最大特点是载荷可以按试验需求自定义变化，特别适合进行模拟试验。

(3)电液伺服阀加载：电液伺服阀的响应远高于比例阀，当试验频率高于5Hz或载荷曲线变化比较激烈时，比例阀自动加载就会严重滞后且无法达到试验峰谷值，此时需要采用电液伺服阀加载系统。电液伺服阀加载的原理和比例阀加载相同，只是该系统的加载速度更快，频率响应更高，采用摩擦副作动器可达50Hz，采用中机试验静压作动器可达到300Hz。此类试验设备价格昂贵，常用于军工试验和特殊试验等。

进行轴承试验时，需要试验主轴按一定的转速旋转或按一定的频率及摆角往复摆动。驱动主轴的方式有：变频电机驱动、伺服电机驱动、电主轴驱动、液压驱动等。

4.1 变频电机驱动

变频电机驱动由变频器、变频电机及传动组件组成。通过变频器来调节电机供电电源的频率，就可以自由地控制电机的旋转速度。一般通过皮带或联轴器连接电机与主轴，驱动试验轴承内圈或外圈旋转。

4.2 伺服电机驱动

伺服电机驱动由伺服电机、伺服驱动器、编码器等组成，主要用于试验轴承的调速范围要求很大时，比如试验最低转速为最高转速的2%时，就比较适合使用。其转速控制精度高，可达到0.1%或更高，但试验功率较小，大于30kW的伺服电机就需要特殊定制。

4.3 电主轴驱动

电主轴直接驱动用于轴承试验转速超过8000r/min时，可减少传动组件的转动惯量，提高系统的响应速度。该系统由电主轴、转速传感器、变频器等组成。考虑到高转速轴承发热，需要对电主轴轴承、支撑轴承、试验轴承(若需要)进行润滑冷却，系统一般配有冷却润滑装置。

4.4 液压驱动

液压驱动主要用于关节轴承、轴瓦等摩擦副轴承试验机，其主要由摆动作动器或液压马达来驱动试验主轴，运动形式一般为往复摆动。液压驱动的主要优点是驱动扭矩大，可达10000N·m甚至更高。对于较小扭矩的作动器，摆动频率可以控制到100Hz。液压驱动主要用于航空航天自润滑轴承疲劳试验机。

测试技术是试验机的关键技术。试验机的控制参数和测量反馈参数都需要进行采集、存储和处理，主要是通过单片机、PLC、数据采集卡等进行测试，并通过工控机或工业显示器来显示和操作，主要测试参数有载荷、转速、温度、振动、磨损量等。

5.1 载荷测试

试验载荷是轴承试验机的一个关键指标，载荷大小决定了测试轴承的大小范围，其加载精度决定了试验结果的准确度。一般要求静态精度不超过示值的1%，动态精度不超过示值的3%。可以采用负荷传感器直接测量，也可以通过用压力传感器测量加载腔的油压来换算。精度要求较高时，多用负荷传感器直接测量。

5.2 转速测试

试验轴承的转速是试验机的主要控制参数，开环转速控制误差会超过2%，在轴承试验机上不建议使用。当前试验机多采用光电编码器或其他形式的转速测量传感器与电机变频器或控制器形成转速闭环控制，转速控制精度可达0.5%。

试验轴承的温升是轴承质量的综合反映，新产品研制时需要测试轴承的温升情况。测试时应尽量贴近轴承内圈或外圈，试验运转时，哪个圈固定，就测量哪个圈。特殊情况需要同时测量内外圈，旋转侧的温度信号需要通过电滑环把测控信号导出，但电滑环可靠性偏差、寿命较短，也不建议使用。对于使用时需要通润滑油的试验，试验轴承的供油温度、回油温度也需要进行测量。对于比较苛刻的试验，还必须严格控制润滑油供油的温度。温度传感器可以采用K型、J型热电偶，温度范围-60℃～350℃，精度±1℃。

5.3 振动测试

振动参数通常用于判定轴承是否失效。对于不同的试验轴承、不同的试验机，轴承疲劳失效时的振动值并不是一个定值，这需要试验人员根据经验来确定。为了对振动信号进行分析，需要对信号进行高速采集，采样频率一般要求大于10kHz。但为了避免由于控制系统或加载系统的干扰造成振动超限而产生误停机，需要对超限值进行数据处理，可采用多次触发或一段时间触发才认为振动超限有效。

5.4 磨损量测试

磨损量测试主要用于关节轴承、轴瓦等摩擦副轴承在长时间试验过程中磨损厚度测量，分在线测量和线下测量。在线测量可采用光栅尺、差动变压器、激光位移传感器等，传感器自身精度较高，但由于运行时干扰因素较多，仅能作为参考。具体磨损量的数值需要进行线下测量。

当前，轴承试验机控制技术的核心为控制器，主要有专用动静态控制器、工业计算机、NI或PLC等，基本都可以实现长时试验无人看守，试验机可以按设置好的程序自动运行，所有试验参数、反馈测量参数均可以设置上下限报警值。当所测试的参数超过报警值时，系统会自动停机。配置上位机软件，可以方便地操作，灵活地编译试验流程。

本文主要结合中机试验运用上述技术研制的轴承试验机，来介绍不同种类的试验机功能、结构、原理、性能参数等。

7.1 圆锥滚子轴承试验机

专用于测试圆锥滚子轴承的疲劳寿命，为轴承性能评估提供了试验条件。该试验机的主要功能：对成对的圆锥滚子轴承进行轴向加载，并进行高速旋转，通过温度、振动、摩擦扭矩等参数判定轴承是否失效，检测轴承的使用寿命。

主要技术参数：最大轴向载荷400kN；
静态测量精度±1%FS(4%～100%范围内)；
最高转速1600r/min；
轴承外圈尺寸70mm～200mm；
轴承内圈尺寸60mm～130mm。圆锥滚子轴承试验机如图1所示。

图1 圆锥滚子轴承试验机

7.2 汽车轮毂轴承试验机

专用于测试轮毂轴承的疲劳寿命，可实现同时对两组轮毂轴承进行径向加载，模拟车负重对轮毂轴承的载荷。径向加载位置与轮毂轴承边缘间距A可横向调整，保证轮胎接地点与轴承边缘之间的距离。对两组轮毂轴承同时进行轴向加载，模拟车在转弯过程中地面通过轮胎给轮毂轴承施加的轴向载荷。轴向加载轴线与轮毂轴承轴线间距B可调，模拟不同半径轮胎的受力情况。通过变频电机驱动轮毂轴承的外圈，实现模拟轴承的转动。该试验机可全方位模拟轮毂轴承的受载及运动状态，并通过温度、振动、转速等传感器采集实时数据，进行数据分析，判定轴承是否失效。

设备主要技术参数：最大径向试验力150kN；
最大轴向试验力±60kN；
最高转速1500r/min，变频调速；
径向加载轴线与轮毂轴承边缘间距A在0～150mm可以调整；
轴向加载轴线与轮毂轴承轴线间距B在350mm～700mm可调。汽车轮毂轴承试验机如图2所示。

图2 汽车轮毂轴承试验机

7.3 关节轴承压摆疲劳摩擦磨损试验机

主要用于测定各种关节轴承衬垫在承受径向加载和轴向摆动时的摩擦磨损寿命。配置各种环境装置，如高温环境、低温环境、喷水环境和喷粉环境等，可对轴承进行实际工况的模拟和测试。

目前，中机试验生产的该设备已经形成从10kN/500N·m～1000kN/16000N·m的系列化，能覆盖从0.1Hz到100Hz之间的所有频率段试验，其产品性能指标满足法军标、美军标中对航空用关节轴承的要求。

主要技术参数：径向作动器10kN～1000kN；
轴向摆动作动器500N·m～16000N·m；
温度范围-60℃～350℃；
最高频响可达100Hz。关节轴承压摆疲劳摩擦磨损试验机如图3所示。

图3 关节轴承压摆疲劳摩擦磨损试验机

7.4 关节轴承工况模拟试验机

主要用于关节轴承实际使用工况再现的试验技术研究，可模拟关节轴承承受的径向、轴向动静载荷，实现耦合周向回转摆动、倾斜运动及其多自由度的组合运动。在实现载荷和运动耦合的同时，可以增加环境模拟装置，如高低温环境箱、粉尘箱、盐雾箱、温湿度环境箱等。设置合理试验载荷谱，可摸拟实际使用工况。

主要技术参数：实现径向、轴向加载，轴向摆动和倾斜；
直线作动器5kN～1000kN；
摆动作动器500N·m～16000N·m；
温度范围：-60℃～350℃；
最高频响可达30Hz。关节轴承工况模拟试验机如图4所示。

图4 关节轴承工况模拟试验机

7.5 飞机起落架轴承试验机

专用于测试飞机起落架中关节轴承的疲劳寿命，主要功能有：往复模拟飞机在降落时起落架中关节轴承所承受的冲击载荷及高速滑动，检测起落架轴承的使用寿命。

主要技术参数：最大径向试验力1000kN(冲击力)；
最大轴向试验力300kN(摩擦力)；
静态测量精度±1%(4%～100%范围内)；
往复运动行程500mm；
间歇性往复运动，最大运动速度5m/s；
试验轴承温度不超过设定温度(一般为100℃)。飞机起落架轴承试验机如图5所示。

图5 飞机起落架轴承试验机

7.6 直升机主旋翼轴承试验机

专用于测试直升机主旋翼轴承的疲劳寿命。直升机主旋翼轴承在运行时可绕着垂直轴线进行往复运动和各个方向的倾斜，并且在运动过程中还要承受径向的动载荷。针对这种情况，该试验机采用多轴协调加载伺服控制模式来对关节轴承的工况进行模拟。在控制上需要对各个伺服缸进行同步协调加载控制，按照平台的运动学控制方程将平台的控制信号解耦，然后分别进行协调加载控制，从而控制平台按照试验要求进行各个方向和各种倾斜角的控制和上下运动。为了保证动态性能，对几个伺服缸的幅值和相位进行补偿，从而实现稳定的动静态力控制和位移控制，充分地模拟和再现主旋翼轴承的实际工况。

主要技术参数：轴向、径向载荷±50kN；
运动形式为高速摆动、滑动、摆动加滑动；
倾覆摆角范围为，最大倾斜角度±15°，最大倾斜频率5Hz；
总距往复行程为，最大行程±100mm，最高往复频率5Hz。直升机主旋翼轴承试验机如图6所示。

图6 直升机主旋翼轴承试验机

7.7 自润滑衬垫三维球面摆动摩擦性能试验机

该试验机对推力关节轴承施加轴向力，在模拟高低温环境的同时，实现球面摩擦副的三维摆动，测试推力关节轴承中自润滑衬垫的摩擦性能和使用寿命。通过控制系统载荷、温度和摆动模式，近似模拟材料使用的实际工况条件，实时测量材料的摆动摩擦性能、动态力学等参数，真实反映材料在使用工况下的综合性能。轴向加载装置为试样提供轴向(Z向)载荷，由摆动油缸部件和摆动部装实现试样球面翻转(Y向)摆动和球面倾斜(X向)摆动。轴向(Z向)加载、球面翻转(Y向)和倾斜(X向)可以分别独立运行，也可以同步、异步协调运行，可实现三维球面运动。试验环境为-60℃～+150℃。自润滑衬垫三维球面摆动摩擦性能试验机如图7所示。

图7 自润滑衬垫三维球面摆动摩擦性能试验机

轴承试验技术的发展是与轴承新产品的研发紧密相连的。随着轴承新产品的不断研发，对与轴承相关的各种试验方法、试验设备、数学仿真模型的建立、失效数据的处理、试验机的测控技术、自动测量技术等，都提出了更高的要求。

8.1 轴承寿命试验方法及试验机标准化

影响轴承寿命及可靠性的因素较多，也非常复杂，轴承疲劳寿命理论还有待进一步完善。我国对轴承寿命试验的研究起步较晚，对轴承失效机理的理论研究还不足，目前还处于试验数据积累阶段，需要通过理论与实际相结合，摸索经验。在此阶段需要通过标准化、系列化的轴承试验机来探讨一种有效的试验方法，形成行业公认的试验标准，包括试验规范、试验装置、试验数据的处理方法和评定方法、试验数据库的建立等。

8.2 轴承试验技术的智能化和个性化

随着各种高、精、专轴承的不断研发，对轴承寿命及可靠性试验提出了更多智能化和个性化的需求，以满足轴承使用条件渐趋苛刻的要求：精密、高寿命、高可靠性、低噪声、节能、绿色(免维护)、组合化与系统化等。根据特定的试验条件(类比实际工况参数)设定载荷谱、转速谱以满足试验要求，同时运用人工智能、传感器神经网络和专家系统等知识库技术进行智能化处理，促进轴承试验机及试验技术多元化、个性化发展。

8.3 理论与实际相结合进行寿命预估

目前，轴承故障检测与诊断技术已经初步形成了一门跨学科、跨领域的综合信息处理技术，科学而准确地预估轴承的疲劳寿命是最实用、最复杂的工程应用课题。在不久的将来，采用轴承试验机及试验轴承的尺寸、功能、性能等参数，通过运动仿真建立网络虚拟试验机模型，实现在虚拟试验机上进行疲劳寿命试验，并结合较少或较短的实际试验数据进行对比和修正，预估轴承的疲劳寿命。互联网大数据+轴承试验机技术，必将促进轴承学术理论的快速发展。