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滚动轴承多功能疲劳寿命试验台
    技术领域 本发明涉及一种对滚动轴承进行疲劳寿命试验的装置， 尤其是一种可对单套或多 套滚动轴承进行疲劳寿命试验， 并且可对各套滚动轴承分别施加恒定应力、 步进应力、 序进 应力、 序降应力、 伪随机应力和循环应力等不同加速退化方式的多功能疲劳寿命试验的装 置。
     背景技术
     滚动轴承是机械产品中重要的零部件， 是旋转机械中的关键部件之一， 具有传递 运动和承受载荷等功能。 但是， 滚动轴承也是机械产品中主要故障源之一， 有统计资料分析 结果表明 ： 旋转机械 30％的故障与轴承失效有关， 轴承可靠性的高低和寿命的长短直接影 响机械系统的整体性能。因此针对滚动轴承的加速寿命试验和加速退化试验， 对于探寻滚 动轴承的失效机理和故障演化规律具有非常重要的意义。 20 世纪 30 年代到 40 年代， Lundberg 和 Palmgren 针对材料为 52100 轴承钢的滚 动轴承做了大量的试验， 根据 1500 多套球轴承、 滚子轴承的寿命试验结果， 在 Weibull 分布 理论的基础上， 通过统计分析获得了负载与寿命的关系式， 俗称 L-P 公式。随着轴承制造技 术不断发展， 轴承的制造精度和几何结构得到了不断的提高和改进。 目前， 有近百种不同类 型的滚动轴承。另外随着材料科学的发展， 当代的 52100 轴承钢与以前相比， 其纯度和材料 一致性都较 L-P 做实验时的 52100 轴承钢为好， 而且现在轴承材料的选择已经不仅仅局限 于轴承钢。目前制备轴承的材料有轴承钢、 合金钢、 陶瓷甚至塑料等。因此， 为了评估新材 料、 新的材料处理工艺和新几何结构滚动轴承的疲劳寿命， 还需要对滚动轴承进行疲劳寿 命试验。随着材料科学的发展， 加工工艺水平的提高， 使用过程中润滑条件的改进， 轴承的 寿命越来越长。另外来自武器、 工业等方面的需求也推动轴承向长寿命方向发展。如自来 水设备、 矿山排水设备、 发电设备等要求轴承 24 小时连续无故障运转 100000 ～ 200000 小 时， 相当于连续无故障运转 11 ～ 22 年， 即使是如家用电器、 电动工具、 一般机械等对寿命要 求相对较低的使用场合也要求轴承在间断或不间 断运转下无故障工作 4000 ～ 8000 小时。 因此， 在绝大多数情况下， 若分析轴承的寿命， 必须采用加速疲劳寿命试验来获取轴承在高 应力水平下的疲劳寿命， 并通过加速模型估计不同应力水平下的疲劳寿命， 以缩短试验时 间和节约试验成本。
     目前， 针对滚动轴承的强化试验机有很多， 如 SKF 公司的 R2、 R3 滚动轴承疲劳寿命 强化试验机、 杭州轴承试验研究中心有限公司的 ABLT-1A、 ABLT-2A 滚动轴承疲劳寿命强化 试验机， 但这些强化试验机均不能对单个轴承进行疲劳寿命试验， 并且只能进行恒定应力 和步进应力两种加载方式进行试验。如 ABLT-1A、 R2 和 R3 的试验部分由试验主轴、 试验轴 承和三块外圈套板组成， 试验主轴的直径与试验轴承的内径相同， 外圈套板为方形钢板， 中 间开有圆形通孔， 通孔直径与试验轴承外径相同， 其中两块外圈套板厚度相同， 比试验轴承 高度略大， 另外一块外圈套板的厚度比试验轴承高度两倍略大。试验主轴上等间距安装试 验轴承， 将最厚的外圈套板套住中间两套试验轴承， 将另外两块外圈套板分别套在两侧试
     验轴承上， 对中间外圈套板进行加载， 两侧外圈套板进行支撑。这种试验机只能对 4 套滚动 轴承进行疲劳寿命试验。 ABLT-1A 加载部分由砝码、 液压装置组成， 其中液压装置包括油泵、 液压油和液压推力器组成。 砝码的重量通过油泵作用于液压油上， 增大液压油的压强， 液压 油通过液压推力器产生相应的径向加载力和轴向加载力分别作用在试验部分的中间外圈 套板和两侧外圈套板上。 砝码质量的配置呈级数变化， 不可能实现载荷连续可变， 故这种试 验装置只能进行恒定应力和步进应力两种加载方式的滚动轴承疲劳寿命试验。 但是随着统 计理论的发展， 涌现一些序进应力、 伪随机应力、 循环应力等加载方式的处理方法， 使得针 对这些加载方式的滚动轴承疲劳寿命强化试验的基础理论基本成熟， 可惜目前尚未有公开 资料及产品涉及对滚动轴承采用这些加载方式的疲劳寿命试验装置。 发明内容 本发明要解决的技术问题是提供一种可对单套或多套滚动轴承进行疲劳寿命试 验， 并且可对各套滚动轴承分别施加恒定应力、 步进应力、 序进应力、 序降应力、 伪随机应力 和循环应力等不同加载方式的多功能疲劳寿命试 验的装置。
     本发明的技术方案是 ： 本发明由驱动部分、 试验部分、 加载部分、 控制部分、 数据采 集部分组成。驱动部分的电动机主轴通过多楔带驱动试验部分的试验主轴。控制部分的电 流控制器通过导线与驱动部分的电动机相连， 根据试验方案的要求控制驱动部分的电动机 转速对试验部分进行驱动 ； 控制部分的程控电源与加载部分电磁铁绕线圈通过导线相连， 根据试验方案中试验轴承的加载方式和加载应力大小控制加载部分对试验部分的试验轴 承进行加载， 加载部分根据控制部分发出的指令对试验轴承施加相应的加载方式和加载应 力。 数据采集部分采集试验部分试验轴承实际所受的加载应力以及试验部分试验轴承的振 动、 温度信号并反馈到控制部分， 控制部分根据数据采集部分返回的加载应力的信息修正
     向加载部分发出的加载方式和加载应力大小的指令， 形成闭环控制回路。
     驱动部分由电动机、 多楔带轮、 多楔带、 特制多楔带轮组成。多楔带轮通过螺钉固 定在电动机的转子上， 与电动机转子主轴保持同步运动。特制多楔带轮通过螺钉固定在试 验部分的试验主轴的端面上。多楔带轮通过多楔带带动特制多楔带轮运转。电动机采用伺 服电机， 转速要求在 0 ～ 2000 转 / 分范围内程控可调， 电动机固定在地面上， 位于试验部分 试验主轴驱动端的斜下方 ； 多楔带轮直径不得超过电动机尾部鼠笼的直径， 厚度略大于电 动机转子留出的长度。多楔带选用与多楔带轮和特制多楔带轮相匹配的多楔带， 用于连接 多楔带轮和特制多楔带轮。特制多楔带轮的外形与多楔带轮相同， 不同的是特制多楔带轮 中心不是一个带有键槽的通孔， 而是以特制多楔带轮中心为圆心呈圆周均匀分布的 L 个通 孔， 通孔直径大于螺钉螺杆的直径。特制多楔带轮的直径为多楔带轮的 1/5 ～ 1/4， 使得多 楔带轮驱动的特制多楔带轮的转速约为多楔带轮转速的 4 ～ 5 倍， 通过调整多楔带轮直径 和特制多楔带轮直径之间的比例控制电动机的转速与试验部分的试验主轴的转速之间的 关系。L 为 4 ～ 6。
     试验部分由试验主轴、 4 套支撑轴承、 2 套支撑轴承座、 2 个支撑轴承止推环、 2N-4 套试验轴承、 2N-4 套试验轴承箱、 2N-4 套试验轴承箱架、 2N-4 套试验轴承箱架桁架、 2N-4 个 试验轴承止推环、 4N-8 套油封圈组成。N 为正 整数， 一般为 3 ～ 5。
     试验主轴是采用合金钢制备的形如多个直径不同的圆柱体连接而成的整体， 从中间到两端， 轴直径对称地跳跃式减小， 过试验主轴中心线的剖视图形如阶梯， 因此叫阶梯 轴， 中间直径最大的圆柱体为第一阶梯， 以第一阶梯为起点， 向试验主轴两侧延伸的直径不 同的圆柱体依次为第 2、 3…… N 阶梯。位于试验主轴中心的轴直径最大的第一阶梯为支撑 轴承内侧的挡肩， 位于第一阶梯两侧的两个第二阶梯的直径相同， 其上分别套有 2 套支撑 轴承， 第二阶梯的直径大小与支撑轴承的内径为过盈配合， 过盈量参照相关轴承使用标准。 试验主轴上直径比第二阶梯轴直径更小的第 3 至第 N 阶梯上套有内径与其直径为过盈配合 的试验轴承， 过盈量参照相关轴承使用标准。 除第一阶梯外， 其余阶梯在靠近轴两端的轴颈 处均开有凹槽， 凹槽宽度和深度满足能安装对应尺寸的试验轴承止推环。试验主轴的两端 面分别开有和特制多楔带轮通孔对应的螺纹盲孔， 螺纹盲孔均匀分布在以试验主轴中心线 为中心的圆周上， 螺纹盲孔直径比特制多楔带轮通孔的直径小， 螺纹盲孔的深度为其直径 大小的 2.5 ～ 3 倍。为了避免应力集中和绕度过大， 同一根试验主轴上的阶梯直径之间相 差不大。
     支撑轴承选用角接触轴承或圆锥滚子轴承， 均用标准件。 4 套支撑轴承以两两相对 的方式分别从试验主轴两端套在第二阶梯上， 4 套支撑轴承的支撑能力要求为所有试验轴 承最大动载荷之和的 3 倍以上。
     支撑轴承座为生铁铸造的四螺柱滚动轴承座， 支撑轴承座轴瓦的直径与支撑轴承 的外径相等， 单个支撑轴承座轴瓦宽度满足可同时并排安装 2 套支撑轴承。支撑轴承座底 座固定在高约 1m 的平台上， 支撑轴承座底座的间隔距离与试验主轴两侧支撑轴承的距离 相对应。将套有支撑轴承的试验主轴安装在支撑轴承座底座上， 使得试验主轴每一侧的 2 套支撑轴承安装在同一个支撑轴承座底座的轴瓦内， 盖上支撑轴承座上盖， 通过螺栓连接 支撑轴承座底座和上盖， 并旋紧， 使得试验主轴固定在支撑轴承座上。
     试验轴承箱由轴承箱上盖、 轴承箱底座、 密封垫片组成。轴承箱上盖和轴承箱底 座外形相同， 结构对称， 都是一面开口的长方体壳体， 以垂直于试验主轴中心线并经过长方 体壳体中心的垂直截面为中截面， 在中截面位置凹 陷出一个半圆环， 轴承箱上盖和轴承箱 底座的半圆环相对于中截面对称， 轴承箱上盖和轴承箱底座上的半圆环一起形成能够固定 试验轴承的轴瓦。与中截面平行的长方体的两个侧面在长方体开口一侧， 以开口边中心为 圆心， 挖出一个半圆缺口， 半圆缺口的直径与其所固定的试验轴承在试验主轴上的安装位 置有关， 假若该轴承箱固定的试验轴承安装在第 i 个阶梯处， 要求轴承箱远离主轴中截面 一侧的半圆缺口的直径比第 i 阶梯的直径略大， 大小差距以能安装对应尺寸的油封圈为 宜； 轴承箱上盖和轴承箱底座上的半圆缺口合起来为完整圆形缺口用于试验主轴的通过， 圆形缺口与试验主轴之间的间隙通过油封圈密封。轴承箱上盖和轴承箱底座外侧留有箱 耳， 箱耳上开有竖直的圆形通孔， 螺栓通过圆形通孔将轴承箱上盖和轴承箱底座固定在一 起， 轴承箱上盖和轴承箱底座中间垫有密封垫片， 密封垫片采用常规密封垫片材料， 厚度为 0.5mm。 轴承箱上盖壳体外侧对应于轴瓦的正上方位置不是圆弧形而是一段平直的平板， 平 板上开有凹槽， 压力传感器安装于凹槽中， 凹槽尺寸满足压力传感器安装要求。 试验轴承箱 上盖中截面两侧开有两个螺纹通孔， 一个螺纹通孔为注油孔， 用来注入润滑油 ； 另一个螺纹 通孔用于安装温度传感器， 其大小满足温度传感器安装要求。轴承箱底座中截面相对于轴 承箱上盖注油孔的位置开有一个螺纹通孔作为放油孔， 其尺寸与注油孔尺寸相同， 用于润 滑油流出。试验轴承箱架由试验轴承箱架上板和试验轴承箱架底板组成。 试验轴承箱架上板 和试验轴承箱架底板均为铝合金平板， 比试验轴承箱上下面尺寸略大。试验轴承箱架上板 和试验轴承箱架底板两侧各有一个竖直板耳和两个水平板耳， 竖直板耳位于试验轴承箱架 上板和试验轴承箱架底板的侧面的正中， 水平板耳分居竖直板耳的两侧， 与竖直板耳的距 离相同， 板耳上开有通孔。试验轴承箱架上板对应于试验轴承箱注油孔和安装温度传感器 处开有 2 个圆形通孔， 圆形通孔比试验轴承箱上对应的孔略大， 以不阻碍注入润滑油和安 装温度传感器为宜。试验轴承箱架上板正中开有螺纹盲孔， 孔深为试验轴承箱架上板厚度 的 2/3， 振动传感器安装在该螺纹盲孔内。 试验轴承箱架上板对应于试验轴承箱上盖安装压 力传感器之处开有通孔， 便于压力传感器的导线引出。试验轴承箱架底板对应于试验轴承 箱底座放油孔的位置开有圆 形通孔并较放油孔略大， 圆形通孔大小以不阻碍放润滑油为 宜。试验轴承箱架底板相对于试验轴承箱正中间的下方焊接一个圆环， 圆环垂直于试验轴 承箱架底板， 用来悬挂加载部分的拉杆。试验轴承箱架上板和底板夹住试验轴承箱并通过 两侧的板耳用螺栓固定在一起。试验轴承箱和试验轴承箱架之间在对角位置开有限位孔， 通过限位销预先固定位置， 防止偏移。
     试验轴承箱架桁架由桁架底座、 滑竿、 金属架、 轴承箱架上板直线运动轴承和轴承 箱架底板直线运动轴承组成。 桁架底座是长方体实体， 在与试验主轴第 3 ～ N 阶梯对应的位 置两侧并排开有可以安装滑竿的圆孔。滑竿是光滑的金属圆杆， 其粗细要求与直线运动轴 承相匹配， 要求直线运动轴承在滑竿上能够自由滑动。 金属架由 3 ～ N 条平行于轴承箱垂直 中截面的方形空心金属杆和 2 条平行于试验主轴中心线的方形空心金属杆组成， 要求在试 验主轴第 3 ～ N 阶梯对应的试验轴承箱垂直中截面位置分布一根与中截面平行的金属杆， 这些金属杆两端焊接在 2 条与试验主轴中心线平行的金属杆上， 金属架在对应滑竿顶端处 开有圆孔， 用于固定滑竿， 防止单根滑竿由于载荷过大发生弯曲。桁架底座固定在地面上， 其上固定有竖直向上的滑竿， 每个滑竿均安装轴承箱架上板直线运动轴承和轴承箱架底板 直线运动轴承， 轴承箱架上板直线运动轴承位于上侧， 采用油脂润滑。 滑竿顶端固定在金属 架上。 轴承箱架底板直线运动轴承和轴承箱架上板直线运动轴承外圈中心上焊接有与轴承 箱架中间的竖直板耳相对应的上板竖直板耳和底板竖直板耳， 上板竖直板耳和底板竖直板 耳上开有圆形通孔， 轴承箱架中间的竖直板耳通过螺栓固定在底板直线运动轴承上的底板 竖直板耳和轴承箱架上板直线运动轴承上的上板竖直板耳上。 轴承箱架上板直线运动轴承 上的上板竖直板耳与试验轴承箱架上板中间的竖直板耳通过螺栓固定在一起 ； 轴承箱架底 板直线运动轴承上的底板竖直板耳与试验轴承箱架底板中间的竖直板耳通过螺栓固定在 一起。
     轴承止推环为标准件， 分为支撑轴承止推环和试验轴承止推环。 2 个支撑轴承止推 环安装在试验主轴第二阶梯的凹槽中， 2N-2 个试验轴承止推环安装在试验主轴第 2 ～ N 阶 梯外端的凹槽中。
     加载部分由拉杆、 衔铁、 电磁铁阵、 电磁铁阵底座、 螺母、 若干砝码组 成。 将衔铁旋 进拉杆的螺纹部分， 然后将螺母旋入螺纹部分并压住衔铁， 防止衔铁的串动。 电磁铁阵底座 固定在地面上， 电磁铁阵嵌入到电磁铁阵底座内并采用螺栓固定。调整衔铁与电磁铁阵铁 芯端面的距离为 2mm。
     拉杆为铝合金材料制成的长条形杆。 拉杆的上端为叉， 叉的两耳对称开有圆孔， 圆孔的直径与试验轴承箱架底板中心焊接的圆环内径相同， 用螺栓将其固定在试验轴承箱架 底板中心的圆环上。拉杆的一端为光滑圆杆， 另一端为螺纹， 用于衔铁和螺母的旋入。拉杆 的长度满足竖直悬挂在试验轴承箱架底板上的圆环内时， 螺杆端距地面的距离大于电磁铁 阵中心距地面的距离， 使得拉杆能够伸入到电磁铁阵中而又不会触碰到电磁铁阵底部。
     衔铁的材料与普通马蹄形电磁铁衔铁的材料相同， 外形为圆形薄板， 衔铁直径比 电磁铁阵的直径略大。 衔铁的中心开有螺纹通孔， 衔铁通过螺纹通孔旋在拉杆的螺纹部分。
     电磁铁阵为 M 个 U 形电磁铁在 360°圆周内均匀分布而成。每个 U 形电磁铁为由 长方体铁芯弯成的 U 形， 长方体铁芯材料与普通马蹄形电磁铁的铁芯相同。 长方体铁芯 U 形 底部的中间开有通孔， U 形底部用表面有绝缘膜的铜导线缠绕， 线圈的匝数根据电磁铁需产 生的电磁强度确定， 绕制过程中避开 U 形底部的通孔。各长方体铁芯的底部长度相同， 但臂 长不一。以 U 形底部通孔为中心， 将绕好线圈的 U 形电磁铁按臂长从长至短叠在一起， 各个 U 形电磁铁底部的夹角相等， 使得各个 U 形电磁铁在 360°内均匀分布且臂的端面刚好在同 一个平面内， 相邻 U 型电磁铁铁芯上的导线的绕线方向相反， 构成电磁铁阵。用螺栓穿过 U 形电磁铁底部通孔将电磁铁阵固定在电磁铁阵底座上。M 为大于 3 的整数。
     电磁铁阵底座是圆形塑料板， 中间均匀分布扇形凸台， 凸台之间的空隙刚好能卡 住一个 U 形电磁铁， 凸台高度比 U 形电磁铁臂的端面高度矮， 其分布刚好将 360°内均匀分 布的电磁铁阵各个铁芯嵌入。电磁铁阵底座的中间开有通孔， 通过螺栓将电磁铁阵固定。 砝码为标定有固定质量的塑料圆形质量块， 其为标准件， 砝码的最大直径不超过 衔铁直径的两倍， 砝码套上拉杆并压在衔铁上。
     控制部分由计算机、 电流控制器、 程控电源组成。 计算机与电流控制器、程控电源 均通过数据线相连 ； 电流控制器是电动机伺服控制系统， 与电动机、 外部普通交流电源、 计 算机相连 ； 程控电源为直流电源， 与计算机、 电磁铁阵线圈相连。计算机上安装有商用可编 程控制软件， 如 Labview 等， 可编程控制软件要求包含如下功能 ： 可以选择不同工位的试验 轴承 ； 针对试验轴承可以设置诸如恒定应力、 步进应力、 步降应力、 序进应力、 序降应力、 伪 随机应力和循环应力这些加载方式 ； 可以设定不同时间对应的不同应力大小。可编程控制 软件将不同加载方式转化为电流控制器或程控电源可识别的指令， 通过计算机的通信接口 向电流控制器或程控电源发出。电流控制器接收到计算机指令后， 将对应电流大小的交流 电输出给电动机， 控制电动机的转速。 程控电源从计算机接收到指令后， 将对应电流大小的 直流电输出给电磁铁阵， 以控制电磁铁阵加载力的大小。
     数据采集部分由振动传感器、 温度传感器、 压力传感器和振动、 温度、 压力数据采 集系统组成。 振动传感器、 温度传感器安装在试验轴承箱上， 压力传感器安装在试验轴承箱 架上板与试验轴承箱上盖之间。通过数据线将振动传感器、 温度传感器和压力传感器分别 与振动、 温度和压力数据采集系统相连， 通过数据线将振动、 温度和压力数据采集系统与计 算机输入接口连接， 获取振动信号和温度温度， 同时通过压力传感器传回的信号校正计算 机发出的加载力大小的指令。
     振动传感器采用加速度振动传感器， 要求最大采样频率达到 20kHz， 典型频率响应 敏感度变化小于 6％， 64kHz 附近的高频响应低于 10dB。 温度传感器采用测量液体或蒸汽的 传感器， 测量范围为 0 ～ 140℃。压力传感器选用压电式压力传感器， 测量范围的最大值要 求大于试验轴承的动载荷， 测量精度为 0.1N， 即 0.1 牛顿， 测量误差小于 0.5N(0.5 牛顿 )。
     振动、 温度、 压力数据采集系统均采用对应的常规数据采集装置， 如振动数据采集系统可选 用 B&K 公司的多通道振动信号采集系统 ； 温度数据采集系统可选用常规的信号放大器 ； 压 力数据采集系统可采用常规压力传感器检测系统。
     采用本发明对轴承进行疲劳寿命试验的过程如下 ：
     1. 根据试验目的和相关要求确定试验轴承的型号、 试验轴承的润滑方式和试验 应力大小及对应的加载方式、 选择振动信号的均方根 值等特征量为停机阈值并确定其大 小；
     2. 根据试验轴承选择与试验轴承内径匹配的试验主轴和与试验轴承外径匹配的 试验轴承箱， 将试验轴承套到试验主轴上， 根据所需的润滑方式确定是否进行密封， 安装对 应的试验轴承箱并通过试验轴承箱架和试验轴承箱架桁架进行固定 ；
     3. 正确连接控制部分和数据采集部分的导线和数据线， 接入外接电源和程控电 源， 搭建好试验台 ；
     4. 根据加载方式和加载应力大小在计算机中设定所要施加的载荷谱， 然后通过计 算机向加载部分发出指令， 在对应的时间内施加对应试验应力 ；
     4.1. 恒定应力加载时， 断开程控电源与加载部分的连接， 使得加载部分电磁铁不 再施加任何载荷， 只采用对加载部分配置匹配的砝码， 得到相应的应力大小 ； 4.2. 步进应力加载时， 断开程控电源与加载部分的连接， 使得加载部分电磁铁不 再施加任何载荷， 加载对应的砝码， 提高应力时追加砝码， 得到相应的应力大小 ；
     4.3. 序进应力和序降应力加载时， 接通程控电源与加载部分的连接， 采用加载部 分的电磁铁对试验轴承进行加载， 随着应力的提高或降低连续的增大或减小程控电源的电 流使得电磁铁的磁力连续增大或减小。序进应力增大到一定程度时， 采用砝码和电磁铁联 合加载的方式进行加载 ： 首先加载序进应力曲线上某点所需应力对应的砝码， 然后采用控 制程控电源电流的方式控制电磁铁以此为基数对试验轴承进行加载 ； 序降应力在初始应力 较大时采用砝码和电磁铁联合加载的方式进行加载 ： 首先加载应力曲线上最大应力减去电 磁铁所能加载变化范围得到的应力点对应的砝码， 程控电源的初始电流满足电磁铁的加载 应力和砝码作用的应力之和等于序降应力加载曲线上最大的应力值， 然后通过减小程控电 源的电流使得电磁铁加载应力连续减少直至为零， 此时去掉砝码并增大电 磁铁通过的电 流使得电磁铁产生的力等于砝码作用的力， 然后继续减少程控电源的电流使得电磁铁产生 的力连续减少 ；
     4.4. 伪随机应力和循环应力加载时， 接通程控电源与加载部分的连接， 采用加载 部分的电磁铁对试验轴承进行伪随机和循环加载， 通过加载谱设定程控电源电流的变化形 式以便驱动电磁铁获得相应的加载应力值。
     5. 通过数据采集部分采集相应的振动、 温度和压力等信号并进行存储， 通过数据 采集部分的计算机记录试验持续时间， 计算出振动信号的实时均方根值等特征量并将其与 设定的停机阈值进行对比， 计算机确定是否停机 ；
     6. 拆下试验轴承进行检查， 从计算机中导出采集和监控的数据 ；
     7. 试验结束。
     采用本发明可以达到以下技术效果 ：
     1. 可对单套至多套轴承进行试验， 而不会如现有试验台那样， 必须同时针对 2、 4
     套等偶数个滚动轴承进行试验 ；
     2. 可通过计算机控制程控电源向加载部分输出的电流的大小， 可控制加载部分对 试验轴承施加任意的加载方式。每个试验轴承工位对应独立的电流控制器， 故可通过计算 机向不同工位对应的电流控制器发出不同的指令以施加不同的加载方式和不同的加载力 大小， 扩大了试验台的使用范围， 满足工业和试验研究机构对滚动轴承疲劳寿命试验常规 和特殊加载方式的需求 ；
     3. 电磁铁衔铁固定在拉杆上， 可以作为放置砝码的底座， 因此可以通过砝码与电 磁铁施加拉力组合的方式， 相对于完全使用电磁铁阵达到所需加载的应力所需要的电流强 度， 组合方式减少了电磁铁阵所需电流强度， 节约了电磁铁阵的能耗 ；
     4. 通过振动传感器、 压力传感器和温度传感器采集试验轴承的振动、 负载和温度 信息并反馈到计算机终端进行处理和存储， 并可根据压力传感器反馈的信息实时调整计算 机对加载部分发出的指令， 使得加载力大小和加载方式完全符合试验设计的载荷谱。 附图说明 图 1 是背景技术杭州轴承试验研究中心公布的 ABLT-1A 型自动控制滚动轴承疲劳 寿命及可靠性强化试验机结构示意图 ；
     图 2 是本发明结构示意图 ；
     图 3 是本发明试验部分结构示意图 ；
     图 4 是本发明试验部分试验主轴外形图 ；
     图 5 是本发明试验部分试验轴承箱结构图 ；
     图 6 是本发明试验部分试验轴承箱架结构图 ；
     图 7 是本发明试验部分试验轴承箱架桁架结构图 ；
     图 8 是本发明加载部分结构示意图 ；
     图 9 是本发明加载部分拉杆结构图 ；
     图 10 是本发明加载部分衔铁结构图 ；
     图 11 是本发明加载部分电磁铁结构图 ；
     图 12 是本发明加载部分电磁铁阵底座结构图。
     具体实施方式
     图 1 是 ABLT-1A 型自动控制滚动轴承疲劳寿命及可靠性强化试验机结构图。 ABLT-1A 由试验部分、 加载部分、 控制部分、 驱动部分和润滑部分组成， 包括的部件有径向加 载阀 1、 压力阀 2、 压力表 3、 径向加载液压缸 4、 联轴器 5、 电磁换向阀 6、 润滑系统油路 7、 压 力表 8、 压力阀 9、 高压泵站 10、 轴向加载力 11、 轴向加载油缸 12、 端载荷体 13、 试验轴承 14、 中载荷体 15、 试验主轴 16、 电动机 17、 多楔带轮 18、 多楔带 19、 支撑轴承 20。试验部分由试 验轴承 14 和中载荷体 15 组成 ； 加载部分由径向加载液压缸 4 和轴向加载液压缸 12 组成。 通过径向加载液压缸 4 和轴向加载液压缸 12 对试验轴承 14 和中载荷体 15 施加径向载荷 和轴向载荷， 同时装载 4 套试验轴承 14 或装载 2 套试验轴承 14 和 2 套用于陪试的中载体 15 进行试验， 即必须对 4 套轴承进行试验， 对于单个试验轴承无法进行试验。 且由于砝码质 量的配置呈级数变化， 不可能实现载荷连续可变， 故这种试验装置只能进行恒定应力和步进应力两种加载方式的滚动轴承疲劳寿命试验。 不能进行序进应力、 伪随机应力、 循环应力 等加载方式的试验。
     图 2 是本发明结构示意图。本发明由驱动部分、 试验部分、 加载部分、 控制部分、 数据采集部分组成。
     驱动部分由电动机 17、 多楔带轮 18、 多楔带 19、 特制多楔带轮 22 组成。多楔带轮 18 通过螺钉固定在电动机 17 的转子上， 与电动机 17 转子主轴保持同步运动。电动机 17 安 装在地面上， 位于试验部分试验主轴 16 驱动端的斜下方 ； 多楔带轮 18 直径不得超过电动机 17 尾部鼠笼的直径， 厚度略大于电动机 17 转子留出的长度。多楔带 19 选用与多楔带轮 18 和特制多楔带轮 22 相匹配的多楔带 19， 用于连接多楔带轮 18 和特制多楔带轮 22， 其长度 满足多楔带轮 18 与特制多楔带轮 22 之间的相对位置关系。特制多楔带轮 22 通过螺钉固 定在试验主轴 16 驱动端的端面上， 多楔带轮 18 通过多楔带 19 带动特制多楔带轮 22 驱动 试验部分运转。特制多楔带轮 22 的外形与多楔带轮 18 相同， 不同的是特制多楔带轮 22 中 心不是一个带有键槽的通孔， 而是以特制多楔带轮 22 中心为圆心呈圆周均匀分布的 4 ～ 6 个通孔。特制多楔带轮 22 的直径为多楔带轮 18 的 1/5 ～ 1/4， 使得多楔带轮 18 驱动的特 制多楔带轮 22 的转速约为多楔带轮 18 转速的 4 ～ 5 倍。
     结合图 3， 试验部分由试验主轴 16、 4 套支撑轴承 31、 2 套支撑轴承座 30、 2 个支撑 轴承止推环 29、 2N-4 套试验轴承 14、 2N-4 套试验轴承箱 25、 2N-4 套试验轴承箱架 26、 2N-4 套试验轴承箱架桁架 37、 2N-4 个试验轴承止推环 24、 4N-8 个油封圈 23 组成。 两套轴承座底 座固定在高约 1m 的平台上， 要求两套支撑轴承座 30 的轴心在同一个中心线上， 间隔与试验 主轴 16 第一阶梯两侧的第二阶梯的间隔相同， 平台的长度和宽度与支撑轴承座 30 的分布 相对应， 长度比两套支撑轴承座 30 外侧距离略长， 宽度比单个支撑轴承座 30 的宽度略宽。 4 套支撑轴承 31 分为两组， 以两两相对的方式从试验主轴 16 的两端套入， 通过支撑轴承止 推环 29 固定在试验主轴 16 第一阶梯两侧的第二阶梯上。套有支撑轴承 31 的试验主轴 16 固定在支撑轴承座 30 上， 试验主轴上套入内径与第二阶梯直径相同的油封圈 23， 2N-4 套试 验轴承 14 以内径从大到小的顺序从试验主轴 16 两侧套入到试验主轴 16 上剖面直径与该 试验轴承 14 内径相配合的阶梯上， 通过试验轴承止推环 24 进行固定， 防止试验轴承 14 相 对试验主轴 16 向外窜动， 套入试验轴承 14 并固定之后， 在试验轴承 14 之间套入相应的两 个油封圈 23， 在最后套入的试验轴承 14 外侧套入单个油封圈 23。 试验轴承箱 25 根据被测 试验轴承 14 外径选择， 试验轴承箱 25 轴瓦卡住试验轴承 14， 试验轴承箱 25 的上盖和底座 中间垫有垫片， 上盖和底座半圆形缺口卡住油封圈 23， 试验轴承箱 25 的上盖和底座通过螺 栓固定在一起。 试验轴承箱架 26 的上板和底板通过限位孔卡住试验轴承箱 25， 试验轴承箱 架 26 通过螺栓固定在一起。试验轴承箱架桁架 37 固定在地面上， 试验轴承箱架 26 通过螺 栓固定在试验轴承箱架桁架 37 的直线运动轴承 371 和 372 上。
     图 4 是本发明试验主轴 16 外形图。试验主轴 16 为一整体， 材料为合金钢， 形如 多个直径不同的圆柱体连接而成， 从中间到两端， 轴直径对称地跳跃式减小， 过试验主轴 16 中心线的剖视图形如阶梯， 因此叫阶梯轴， 其中试验主轴 16 中间直径最大的圆柱体为第一 阶梯， 以第一阶梯为起点， 向试验主轴 16 两侧延伸的直径不同的圆柱体依次为第 2、 3……N 阶梯。 位于试验主轴 16 中心的轴直径最大的第一阶梯为支撑轴承 31 内侧的挡肩， 位于第一 阶梯两侧的两个第二阶梯的直径相同， 其上分别套有 2 套支撑轴承 31， 第二阶梯的直径大小与支撑轴承 31 的内径为过盈配合。试验主轴 16 上直径比第二阶梯轴直径更小的第 3 至 第 N 阶梯上套有内径与其直径为过盈配合的试验轴承 14。除第一阶梯圆柱体所处位置外， 其余阶梯圆柱体在靠近轴两端的轴颈处均开有凹槽， 凹槽宽度和深度满足能安装对应尺寸 的试验轴承止推环 24。 试验主轴 16 的两端面分别开有和特制多楔带轮 22 对应的螺纹盲孔 161， 螺纹盲孔 161 均匀分布在以试验主轴 16 中心线为中心的圆周上， 所处位置与多楔带轮 中间均分分布的通孔相对应， 螺纹盲孔 161 直径比特制多楔带轮 22 中间均匀分布的通孔略 小， 螺纹盲孔 161 的深度为其直径大小的 2.5 ～ 3 倍。
     图 5 是本发明试验轴承箱 25 的结构图。试验轴承箱 25 由轴承箱上盖 251、 轴承箱 底座 253、 密封垫片 252 组成。轴承箱上盖 251 和轴承箱底座 253 外形相同， 结构对称， 都 是一面开口的长方体壳体， 以垂直于试验主轴 16 中心线并经过长方体壳体中心的截面为 中截面， 长方体壳体在中截面位置凹陷出一个半圆环 259， 半圆环 259 相对于中截面对称， 轴承箱上盖 251 和轴承箱底座 253 上的半圆环 259 一起形成能够固定试验轴承 14 的轴瓦。 与 中截面平行的长方体壳体的两个侧面在长方体开口一侧， 以开口边中心为圆心， 挖出一 个半圆缺口 2510， 半圆缺口 2510 的直径与其所固定的试验轴承 14 在试验主轴 16 上的安 装位置有关， 假若该轴承箱 25 固定的试验轴承 14 安装在试验主轴 16 第 i 个阶梯处， 要求 轴承箱 25 远离试验主轴 16 中截面一侧的半圆缺口 2510 的直径比第 i 个阶梯处试验主轴 16 阶梯的直径略大， 大小差距满足能安装对应尺寸的油封圈 23 ； 轴承箱上盖 251 和轴承箱 底座 253 上的半圆缺口 2510 合起来为完整圆形缺口用于试验主轴 16 的通过。轴承箱上盖 251 和轴承箱底座 253 外形相同。轴承箱上盖 251 和轴承箱底座 253 外侧留有箱耳 254， 箱 耳 254 上开有竖直的圆形通孔， 用于通过螺栓将轴承箱上盖 251 和轴承箱底座 253 固定在 一起。轴承箱上盖 251 壳体外侧对应于轴瓦的正上方位置不是圆弧形而是一段平直的平 板， 平板上开有凹槽 255， 凹槽 255 用于安装压力传感器 27， 凹槽 255 尺寸满足压力传感器 27 安装要求。试验轴承箱上盖 251 半圆环中截面两侧开有两个螺纹通孔， 一个螺纹通孔为 注油孔 256， 用来注入润滑油 ； 另一个螺纹通孔为温度传感器 21 的安装孔 257， 其大小满足 温度传感器 21 安装要求。轴承箱底座 253 中截面相对于轴承箱上盖 251 注油孔 256 的位 置开有一个螺纹通孔作为放油孔 258， 其尺寸与注油孔 256 尺寸相同， 用于润滑油流出。轴 承箱上盖 251 和轴承箱底座 253 用螺栓通过其两侧箱耳 254 固定在一起， 中间垫有密封垫 片 252， 密封垫片 252 采用常规密封垫片材料， 厚度约为 0.5mm。
     图 6 是本发明试验轴承箱架 26 的结构图。试验轴承箱架 26 由试验轴承箱架上板 261 和试验轴承箱架底板 262 组成。 试验轴承箱架上板 261 和试验轴承箱架底板 262 材料为 铝合金的平板， 比试验轴承箱 25 上下面尺寸略大。用于试验轴承箱架上板 261 和试验轴承 箱架底板 262 的铝合金平板两侧各有一个竖直板耳 269 和两个水平板耳 268， 竖直板耳 269 位于铝合金平板的侧面的正中， 水平板耳 268 分居竖直板耳 269 的两侧， 与竖直板耳 269 的 距离相同， 竖直板耳 269 和两个水平板耳 268 上开有通孔。 试验轴承箱架上板 261 对应于试 验轴承箱 25 注油孔 256 和温度传感器 21 的安装孔 257 处开有 2 个圆形通孔， 圆形通孔比 试验轴承箱 25 上对应的孔略大， 以不阻碍注入润滑油和安装温度传感器 21 为宜。试验轴 承箱架上板 261 正中开有螺纹盲孔 264，孔深为试验轴承箱架上板 261 厚度的 2/3， 用于安 装振动传感器 28。 试验轴承箱架上板 261 对应于试验轴承箱上盖 251 用于安装压力传感器 27 之处开有通孔 265， 便于压力传感器 27 的导线引出。试验轴承箱架底板 262 对应于试验轴承箱底座 253 放油孔 258 的位置开有圆形通孔并较放油孔略大， 以不阻碍放润滑油为宜。 试验轴承箱架底板 262 相对于试验轴承箱 262 正中间的下方焊接一个圆环 2610， 圆环 2610 垂直于试验轴承箱架底板 262， 用来悬挂加载部分的拉杆 41。试验轴承箱架上板 261 和底 板 262 夹住试验轴承箱 25 并通过两侧的水平板耳 268 用螺栓固定在一起。试验轴承箱 25 和试验轴承箱架 26 之间在对角位置开有限位孔， 通过限位销预先固定位置， 防止偏移。
     图 7 是本发明试验轴承箱架桁架 37 的结构图。试验轴承箱架桁架 37 由桁架底座 371、 滑竿 372、 轴承箱架底板直线运动轴承 373、 轴承箱架上板直线运动轴承 374 和金属架 375 组成。桁架底座 371 是长方体实体， 在与试验主轴 16 第 3-N 阶梯对应的位置两侧并排 开有可以安装滑竿 372 的圆孔。滑竿 372 是光滑的金属实体圆杆， 其粗细要求与轴承箱架 底板直线运动轴承 373 和轴承箱架上板直线运动轴承 374 相匹配， 要求这些直线运动轴承 在滑竿 372 上能够自由滑动。金属架 375 由 3 ～ N 条平行于试验轴承箱垂直中截面的方形 空心金属杆 3751 和 2 条平行于试验主轴中心线的方形金属杆 3752 组成， 要求在试验主轴 16 第 3-N 阶梯对应的试验轴承箱 25 中截面位置分布 1 条与中截面平行的金属杆 3751， 这 些金属杆两端焊接在 2 条与试验主轴 16 中心线平行的金属杆 3752 上， 金属架 375 在对应 滑竿 372 顶端处开有圆孔， 用于固定滑竿 372， 防止单根滑竿 372 由于载荷过大发生弯曲。 桁架底座 371 固定在地面上， 其上固定有竖直向上的滑竿 372， 每个滑竿 372 均安装轴承箱 架底板直线运动轴承 373 和轴承箱架上板直线运动轴承 374， 轴承箱架上板直线运动轴承 374 位于上侧， 采用油脂润滑。滑竿 372 顶端固定在金属架 375 上。轴承箱架底板直线运 动轴承 373 和轴承箱架上板直线运动轴承 374 外圈中心上焊接有与轴承箱架中间的竖直板 耳 269 相对应的上板竖直板耳 3741 和底板竖直板耳 3731， 上板竖直板耳 3741 和底板竖直 板耳 3731 上开有圆形通孔， 轴承箱架中间的竖直板耳 269 通过螺栓固定在底板直线运动轴 承 373 上的底板竖直板耳 3731 和轴承箱架上板直线运动轴承 374 上的上板竖直板耳 3741 上。轴承箱架上板直线运动轴承 374 上的上板竖直板耳 3741 与试验轴承箱架上板 261 中 间的竖直板耳 269 通过螺栓固定在一起 ； 轴承箱架底板直线运动轴承 373 上的底板竖直板 耳 3731 与试验轴承箱架底板中间的竖直板耳 269 通过螺栓固定在一起。
     结合图 8， 加载部分由拉杆 41、 若干砝码 42、 衔铁 43、 电磁铁阵 44、 电磁铁阵底座 45、 螺母 46 组成。将衔铁 43 旋进拉杆 41 的螺纹部分， 然后将螺母 46 旋入拉杆 41 螺纹部 分并压住衔铁 43， 通过螺母 46 压紧衔铁 43， 防止衔铁 43 在拉杆 41 上窜动。电磁铁阵底座 45 固定在地面上， 电磁铁阵 44 嵌入到电磁铁阵底座 45 内并采用塑料螺栓固定。调整衔铁 43 与电磁铁阵 44 铁芯端面的距离。
     控制部分由计算机 33、 电流控制器 36、 程控电源 35 组成。 计算机 33 与电流控制器 36、 程控电源 35 均通过数据线相连 ； 电流控制器 36 是电动机伺服控制系统， 与电动机 17、 外部普通交流电源、 计算机 33 相连 ； 程控电源 35 为直流电源， 与计算机 33、 电磁铁阵 44 线 圈相连。计算机 33 通过数据线与程控电源 35 控制接口相连。计算机 33 上安装有商用可 编程控制软件， 可编程控制软件将不同加载方式转化为电流控制器 36 或程控电源 35 可识 别的指令， 通过计算机 33 的数据采集系统 32 的输出接口向电流控制器 36 或程控电源 35 发出。 电流控制器 36 接收到计算机 33 指令后， 将对应电流大小的交流电输出给电动机 17， 控制电动机 17 的转速。程控电源 35 从计算机 33 接收到指令后， 将对应电流大小的直流电 输出给电磁铁阵 44， 以控制电磁铁阵 44 加载力的大小。数据采集部分由振动传感器 28、 温度传感器 21、 压力传感器 27 和振动、 温度、 压力 数据采集系统 32 组成。振动传感器 28、 温度传感器 21 安装在试验轴承箱 25 上， 压力传感 器 27 安装在试验轴承箱架 26 上板与试验轴承箱 25 上盖之间。通过数据线将振动传感器 28、 温度传感器 21 和压力传感器 27 分别与振动、 温度和压力数据采集系统 32 相连， 通过数 据线将振动、 温度和压力数据采集系统 32 与计算机 33 的输入接口连接。计算机 33 记录振 动信号和温度， 同时通过压力传感器 27 传回的信号校正计算机 33 发出的加载 力大小的指 令。
     图 9 是本发明加载部分拉杆结构图。拉杆 41 为铝合金材料制成的长条形杆， 要求 在试验轴承最大载荷范围内变形小且不易弯曲。拉杆 41 的上端为叉 412， 叉 412 的两耳对 称开有圆孔， 圆孔的直径与试验轴承箱架底板 262 中心焊接的圆环 2610 内径相同， 用螺栓 将其固定在试验轴承箱架底板 262 中心的圆环 2610 上。拉杆 41 的一端为光滑圆杆， 另一 端有一段长度的螺纹 411， 用于衔铁 43 和螺母 46 的旋入。拉杆 41 的长度满足竖直安装在 试验轴承箱架底板 262 上的圆环 2610 内时， 螺杆 411 端距地面的距离大于电磁铁阵 44 中心 距地面的距离， 使得拉杆 41 能够伸入到电磁铁阵 44 中而又不会触碰到电磁铁阵 44 底部。
     图 10 是本发明加载部分衔铁结构图。衔铁 43 的材料与普通马蹄形电磁铁衔铁的 材料相同， 外形为圆形薄板， 衔铁 43 直径比电磁铁阵 44 的直径大。衔铁 43 的中心开有螺 纹通孔 431， 衔铁 43 通过螺纹通孔 431 套在拉杆 41 上。
     图 11 是本发明加载部分电磁铁结构图。电磁铁阵 44 为若干 U 形电磁铁在 360° 圆周内均匀分布而成。每个电磁铁为由长方体铁芯弯成的 U 形， 材料与普通马蹄形电磁铁 的铁芯相同。U 形长方体铁芯的底部长度相同， 各个长方体铁芯的臂长不一， 使得长方体铁 芯臂从短到长叠在一起时， 臂的端面在同一个平面内。电磁铁 U 型底部的中间开有通孔， U 形底部用表面有绝缘膜的铜导线缠绕， 线圈的匝数根据电磁铁需产生的电磁强度确定， 绕 制过程中避开 U 形底部的通孔。将长方形铁芯按长度的递增以中间圆形通孔为轴从上到下 叠加在一起并使 U 形在 360°内均匀分布， 中间用螺栓固定在电磁铁阵底座 45 上， 相邻 U 型 电磁铁铁芯上的导线的绕线方向相反。
     电磁铁阵 44 为若干 U 形电磁铁在 360°圆周内均匀分布而成。 每个电磁铁为由长 方体铁芯弯成的 U 形， 材料与普通马蹄形电磁铁的铁芯相同。电磁铁 U 形底部 443 的中间 沿臂 441 方向开有通孔 442， U 形底部 443 用表面有绝缘膜的铜导线缠绕， 线圈的匝数根据 电磁铁需产生的电磁强度确定， 绕制过程中避开 U 形底部 443 上的通孔 442。U 形长方体铁 芯的底部 443 长度相同， 各个长方体铁芯的臂 441 长短不一。以 U 形电磁铁底部通孔 442 为中心， 将绕好线圈的 U 形长方体铁芯按臂 441 从长至短叠在一起， 各个电磁铁底部 443 的夹角相等， 使得各个铁芯在 360°内均匀分布和臂 441 的端面刚好在同一个平面内。 用螺 栓穿过 U 形电磁铁底部 443 通孔 442 将叠加在一起的电磁铁阵 44 固定在电磁铁阵底座 45 上， 相邻 U 型电磁铁铁芯上的导线的绕线方向相反。电磁铁铁芯个数一般多于 3 个。
     图 12 是本发明加载部分电磁铁阵底座 45 结构图。电磁铁阵底座 45 是圆形塑板， 中间均匀分布扇形凸台 452， 扇形凸台 452 之间的空隙刚好能卡住一个绕好线圈的 U 形长 方体电磁铁铁芯， 扇形凸台 452 高度比 U 形电磁铁臂 441 的端面高度略矮， 其分布以刚好能 将 360°内均匀分布的电磁铁阵 44 各个铁芯嵌入为宜。底座的中间开有通孔 454， 通过螺 栓将绕有线圈的铁芯固定在底座 45 上。电磁铁阵底座 45 在嵌入电磁铁铁芯的长方形空隙453 的外端开有通孔 451， 通过螺栓将电磁铁阵 44 固定。
     砝码 42 为标定有固定质量的塑料圆形质量块， 其为标准件， 选用的砝码 42 的最大 直径不超过衔铁 43 直径的两倍， 将砝码 42 套上拉杆 41 并压在衔铁 43 上。