一种可分离加载轴向力和弯矩的回转支承疲劳试验机

1.本发明属于回转支承测试技术领域，具体涉及一种可分离加载轴向力和弯矩的回转支承疲劳试验机。


背景技术：

2.回转支承是一种大型特殊滚动回转支承，其结构尺寸较大、转速偏低、制造工艺复杂、工作时需要承受较大的轴向力、径向力和倾覆力矩，被广泛应用于起重机、装卸机、挖掘机等设备中。目前广泛使用的回转支承疲劳试验机大多只能对被测回转支承施加轴向载荷，测量待测回转支承在不同轴向载荷状态下的疲劳寿命。而回转支承受到的径向载荷可通过换算的方式等效转化为轴向载荷来考虑。但是有些回转支承的实际工作状态不是只受轴向载荷和径向载荷的，所以目前的疲劳试验机不能有效地模拟回转支承实际工作状态。现有专利cn105865785b开发了一种可施加轴向力和弯矩的回转支承疲劳试验机。该试验机通过在一块与待测回转支承相连接的侧板两端施加不同大小的作用力，从而在待测回转支承处产生弯矩，通过调整施加的两个力的不同组合值来调节出所需要加载的弯矩值，这样就可以在实验回转支承处同时产生弯矩和轴向力。
3.但是，该装置需要协同控制两个处在不同工作状态的液压缸，才能完成轴向力及偏矩的同时加载。不管是调整轴向力还是弯矩都要同时调整两个液压缸的压力值。如果在被测回转支承运行过程中较大幅度的调整轴向力或者弯矩，处在不同工作状态的两个液压缸易出现较大的瞬态附加冲击，造成设备损伤和检测异常，因此该装置不适应用于回转支承的在线复杂变化载荷的测试。另一方面，由于被测轴承及连接法兰的自身重量较大，该装置在被测回转支承实际安装和拆卸过程中时十分不便，需要多个工人协同才能完成，且劳动强度大。在安装过程中，需要在竖直平面内完成法兰和被测轴承安装孔对心，此时需要工人抬起法兰（或被测轴承），转动法兰（或被测轴承）完成对孔，并保持很长的一段时间，直到多个螺栓全部拧入螺纹孔中。此时，才能依靠螺栓承受法兰或被测轴承的重量，从而避免安装过程中单个螺栓受到的剪切力过大，导致的螺栓变形和螺纹损伤。在拆卸过程中，同样需要防止单个螺栓受到的剪切力过大的问题，增加了拆装的难度。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种可分离加载轴向力和弯矩的回转支承疲劳试验机，以解决背景技术中所提出的缺陷或问题。
5.为实现上述发明目的，本发明的实施例提供一种可分离加载轴向力和弯矩的回转支承疲劳试验机，所述疲劳试验机用于测试被测轴承，所述被测轴承由外圈、滚子、内圈组成；所述被测轴承的外圈加载轴向力和弯矩，所述内圈进行回转运动，所述滚子在被测轴承的内外圈滚道上滚动；其特征在于，所述疲劳试验机包括机架、测试力加载系统、测试轴承回转系统、传感器信号采集系统；所述机架主要包括底座、工作台面、下活动横板、上活动横板、上横板；所述测试力加载系统通过设置在上横板上方的主液压缸、弯矩上液压缸、设置
在工作台面下方的弯矩下液压缸；所述测试力加载系统包括设置在上横板上方的主液压缸、弯矩上液压缸、设置在工作台面下方的弯矩下液压缸；所述主液压缸包括一主液压缸推杆，所述弯矩上液压缸包括一弯矩上液压缸推杆，所述弯矩下液压缸包括一弯矩下液压缸推杆；所述主液压缸推杆带动上活动横板上下移动来加载轴向力，所述弯矩上液压缸推杆、弯矩下液压缸推杆共同作用加载弯矩；所述测试轴承回转系统，通过变频电机带动同步带传动系统带动被测轴承的内圈转动；所述传感器信号采集系统用于测量被测轴承的各位置的振动情况，从而判断被测轴承的疲劳状态。
6.进一步的，所述主液压缸、弯矩上液压缸、弯矩下液压缸由两套独立的液压回路控制；所述主液压缸推杆单独负责加载轴向力，其轴向力的大小可以通过一套电磁溢流阀和换向阀控制；所述弯矩上液压缸与弯矩下液压缸的推力始终保持一致，由另一套电磁溢流阀和换向阀控制。
7.进一步的，所述主液压缸包括一主液压缸推杆，所述主液压缸推杆的另一端通过第一法兰连接上活动横板；所述弯矩上液压缸包括一弯矩上液压缸推杆，所述弯矩上液压缸推杆的另一端穿过上活动横板上的通孔且设置有弯矩上加载块，所述弯矩上加载块在测试状态时与下活动横板的上方接触；所述弯矩下液压缸包括一弯矩下液压缸推杆；所述弯矩下液压缸推杆的另一端设置有弯矩下加载块，所述弯矩下加载块在测试状态时与下活动横板的下方接触；所述下活动横板的下方通过一第二法兰连接被测轴承的外圈；所述下活动横板下方正中央设置有圆柱孔；所述第二法兰上端设置有圆柱轴，所述圆柱孔与圆柱轴形状相适配。
8.进一步的，所述测试轴承回转系统包括设置在底座上的变频电机，所述变频电机的输出轴通过同步带传动系统连接有一中心盘轴，所述中心盘轴转动通过第三法兰连接有一转台轴承和第五法兰；所述中心盘轴通过螺钉固定连接转台轴承的内圈，所述转台轴承的外圈通过第四法兰固定于一工作台面上方；所述第三法兰通过第五法兰连接被测轴承的内圈。
9.具体的，所述传感器信号采集系统包括压力传感器、加速度传感器、信号调理器、plc和上位机，所述plc的输入端通过信号调理器连接加速度传感器与压力传感器，所述plc双向电性连接上位机；所述压力传感器安装在上活动横板的下方；所述加速度传感器安装在被测轴承的外圈，所述加速度传感器与压力传感器将所采集到数据通过信号调理器调理后发送至plc进行处理，plc与上位机进行双向交互。
10.本发明的上述技术方案的有益效果如下：1、本发明实现了回转支承疲劳试验机轴向力加载和弯矩加载的分离，轴向力和弯矩大小的调整互不干扰，便于在测试轴承运转过程中动态的调整轴向力和弯矩的大小，模拟更为真实的回转支承载荷工况或各类极端工况的出现。在加载调整过程中无需停机，这是现有回转支承疲劳试验机难以做到的。
11.2、本发明采用的液压控制方式简单可靠，两套独立的液压回路单独控制轴向力加载和弯矩加载；虽然有三个液压缸需要控制，但主液压缸推杆的行程与两弯矩液压缸推杆行程相互独立，互不干扰，仅需控制液压管路的压力，而无需像现有采用多液压缸的回转支承疲劳试验机那样协同各液压缸的流量大小来使得不同液压推杆保持相同的行程。
12.3、本发明中被测轴承的拆装非常方便，劳动强度低。与测试轴承内外圈连接的法
兰采用了不同的固定方式，测试轴承下面的法兰采用螺栓的机械连接方式，测试轴承上面的法兰采用几何限位与下活动横板配合。通过回缩液压缸推杆，拧下法兰螺栓就可以便捷地取下被测轴承。整个拆装过程回转支承始终在工作台上，无需额外克服轴承和法兰本身的重量，拆改过程不易对被测轴承的螺纹造成损伤。
附图说明
13.图1为本发明的背景技术中的结构示意图。
14.图2为本发明的实施例中被测试轴承的结构示意图。
15.图3为本发明的实施例中疲劳试验机的内部结构示意图1。
16.图4为本发明的实施例中疲劳试验机的外部结构示意图。
17.图5为本发明的实施例中疲劳试验机的内部结构示意图2。
18.附图标记说明：1、外圈；2、滚子；3、内圈；4弯矩上液压缸；5弯矩上液压缸推杆；6、第一法兰；7、弯矩上加载块；8、压力传感器；9、第二法兰；10、第三法兰；11、第四法兰；12、同步带传动系统；13、变频电机；14、弯矩下液压缸；15、工作台面；16、转台轴承；17、第五法兰；18、弯矩下液压缸推杆；19、弯矩下加载块；20、被测轴承；21、下活动横板；22、上活动横板；23、导向柱；24、上横板；25、主液压缸推杆；26、主液压缸；27、操作控制箱；28、上门板；29、立柱；30、底座；31、下门板；32、同步带轮一；33、轴承座；34、同步带轮二；35、同步带轮三；36、同步带轮四；37、中心盘轴；38、转台轴承外圈；39、转台轴承内圈。
具体实施方式
19.为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
20.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
21.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应作为广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
22.如图2-5所示，本发明的实施例提供一种可分离加载轴向力和弯矩的回转支承疲劳试验机。该试验机用于测试如图1所示的回转支承，被测试的回转支承主要由外圈1、滚子2、内圈3组成。
23.该试验机主要包括了机架、测试力加载系统、测试轴承回转系统、传感器信号采集系统，其主要零部件如图2所示。
24.机架主要包括底座30、立柱29、工作台面15、下活动横板21、上活动横板22、上横板24、导向柱23、上门板28、下门板31、操作控制箱27。具体的，所述机架包括了底座30、设置在
底座上方的支撑框架、设置在支撑框架上方的上横板24；支撑框架包括四根立柱29和若干横向支撑柱；所述机架在底座上方的空间通过工作台面15分为下方工作仓和上方工作仓；所述下方工作仓的前方设置有下门板31，所述上方工作仓的前方设置有上门板28，所述机架的前端还设置有操作控制箱27；所述上方工作仓内还设置有下活动横板21与上活动横板22；所述上方工作仓内各顶角的位置纵向设置有导向柱23，所述导向柱的下方固定在工作台面15上，所述导向柱的上方固定设置在上横板24上。
25.被测轴承20的外圈1加载轴向力和弯矩，内圈3进行回转运动，从而使得滚子2能够在被测轴承20的内外圈滚道上滚动。
26.测试力加载系统包括主液压缸26、主液压缸推杆25、弯矩上液压缸4、弯矩上液压缸推杆5、弯矩下液压缸14、弯矩下液压缸推杆18、第一法兰6（主液压缸与上活动横梁连接用法兰）、第二法兰9（活动横梁与被测轴承外圈连接用法兰）、弯矩上加载块7、弯矩下加载块19。具体的，所述测试力加载系统包括设置在上横板上方的主液压缸26、弯矩上液压缸4、设置在工作台面15下方的弯矩下液压缸14；所述主液压缸26包括一主液压缸推杆25，所述主液压缸推杆25的另一端通过第一法兰6连接上活动横板22；所述弯矩上液压缸4包括一弯矩上液压缸推杆5，所述弯矩上液压缸推杆5的另一端穿过上活动横板22上的通孔且连接有一弯矩上加载块7，弯矩上加载块7在测试状态时与下活动横板21的上方接触；所述弯矩下液压缸14包括一弯矩下液压缸推杆18；所述弯矩下液压缸推杆18的另一端连接有一弯矩下加载块19；所述弯矩下加载块19在测试状态时与下活动横板21的下方接触；所述下活动横板21的下方通过一第二法兰9连接被测轴承20的外圈1。所述下活动横板21下方设置有圆柱孔；所述第二法兰9上端设置有圆柱轴，所述圆柱孔与圆柱轴形状相适配。主液压缸推杆带动上活动横板上下移动来加载轴向力，所述弯矩上液压缸推杆、弯矩下液压缸推杆共同作用加载弯矩。
27.该疲劳试验机的三个液压缸（主液压缸26、弯矩上液压缸4、弯矩下液压缸14）由两套独立的液压回路控制。主液压缸推杆25单独负责加载轴向力，其轴向力的大小可以通过一套电磁溢流阀和换向阀控制；弯矩由弯矩上液压缸推杆5和弯矩下液压缸推杆18共同完成,弯矩上液压缸4与弯矩下液压缸14的推力始终保持一致，由另一套电磁溢流阀和换向阀控制。
28.测试轴承回转系统包括变频电机13、同步带传动系统12、转台轴承16、第五法兰17（被测轴承内圈与转台轴承连接上法兰）、第三法兰10（被测轴承内圈与转台轴承连接下法兰）、第四法兰11（转台轴承与工作台连接法兰）组成。具体的，所述测试轴承回转系统包括设置在底座30上的变频电机13，所述变频电机13的输出轴通过同步带传动系统12连接有一中心盘轴37；所述的同步带传动系统12，包含了同步带轮一32，同步带轮二34，同步带轮三35，同步带轮四36，轴承座33 和两条同步带。其中，电机输出轴的转动依次经过同步带轮三35、同步带轮二34、同步带轮一32、同步带轮四36传递给中心盘轴37，并实现了增加中心盘轴37输出转矩的效果。所述轴承座33通过一根转轴来固定同步带轮二34和同步带轮一32的中心位置，并通过键连接传递转矩。所述中心盘轴37连接第三法兰10（被测轴承内圈与转台轴承连接下法兰）；所述第三法兰10通过螺钉分别连接第五法兰17（被测轴承内圈与转台轴承连接上法兰）和转台轴承内圈39。所属转台轴承16外圈38通过螺钉连接第四法兰11（转台轴承与工作台连接法兰）；所示第四法兰11（转台轴承与工作台连接法兰）通过螺钉固定在
工作台15上。所述第五法兰17与被测轴承20的内圈3通过螺钉固定连接。
29.传感器信号采集系统包括压力传感器8、加速度传感器、信号调理器、plc和上位机，所述plc的输入端通过信号调理器连接加速度传感器与压力传感器8，所述plc双向电性连接上位机；所述plc用于控制主液压缸26、弯矩上液压缸4及弯矩下液压缸14；所述压力传感器安装在上活动横板22的下方；所述压力传感器用于检测上活动横板22与下活动横板21之间的压力，从而测量所加载轴向力和弯矩是否达到所需的要求，继而判断弯矩上液压缸4、弯矩下液压缸14是否继续动作；所述加速度传感器安装在被测轴承20的外圈1，所述加速度传感器与压力传感器8将所采集到数据通过信号调理器调理后发送至plc进行处理，plc与上位机进行双向交互。所述上位机可以选择pc机等，通过pc机可以查看控制情况，也可以通过上位机发出指令对plc进行操作，从而达到控制本发明的疲劳试验机。所述上位机为操作控制箱，在其他实施方式中，所述上位机也可以为工控机电脑。
30.本技术的疲劳试验机，使用过程如下：首先，疲劳试验机的三个液压缸的推杆（弯矩上液压缸推杆5、弯矩下液压缸推杆18、主液压缸推杆25）都处在收缩状态，将被测轴承20的内圈3与被测轴承内圈与转台轴承上连接法兰17用螺栓连接固定，再将第二法兰9与被测轴承20的外圈1用螺栓连接，完成被测轴承在疲劳试验机上的安装。
31.接着，让主液压缸推杆25伸长带动第一法兰6、上活动横板22、压力传感器8、下活动横板21下移，使得下活动横板21下方的圆柱孔与第二法兰9的上端的圆柱轴实现几何配合。
32.接着，弯矩上液压缸推杆5和弯矩下液压缸推杆18伸长，对应的弯矩上加载块7、弯矩下加载块19分别与下活动横板21的上、下面接触，完成被测轴承20的装夹。
33.此时，调整与主液压缸26对应的一个电磁溢流阀的开口压力，控制主液压缸推杆25加载的轴向力；调整与弯矩上液压缸4和弯矩下液压缸14对应的另一个电磁溢流阀的开口压力控制弯矩上液压缸推杆5和弯矩下液压缸推杆18共同加载的弯矩大小；在此过程，通过压力传感器8来检测所加载的轴向力。当所加载的轴向力达到所设定的压力值时，开始使得弯矩上液压缸推杆5和弯矩下液压缸推杆18伸长；当弯矩上液压缸推杆5和弯矩下液压缸推杆18同时与下活动横板21接触并稳定后，变频电机13开始转动，通过同步带传动系统12带动被测轴承20的3内圈转动。
34.此时，测试正式开始；靠磁力吸附在被测轴承20的外圈边缘1上的加速度传感器开始采集数据。在测试开始后5-10分钟后，plc采样一段时间（如10s）的振动信号作为初始振动数据，计算初始振动数据的标准差。之后，实时采样振动数据，每三千个振动数据计算一次标准差。当实时振动数据的标准差超过用户设定的初始振动数据标准差限定偏差（如5%）时，可认为被测轴承到达了设定条件下的疲劳寿命时间。
35.在测试过程中还可以根据实际测试工况需要，动态地调整两个电磁溢流阀的开口压力来改变所加载在被测轴承20上的轴向力和弯矩。根据被测轴承在具体使用场景下的所受轴向力和弯矩的变化情况，获取被测轴承在实际多个工况下的载荷大小及其作用时间，通过plc程序周期性的调整两个电磁溢流阀控制器的输入电流，使得两个电磁溢流阀的输入端电压改变，从而使得两个电磁溢流阀的开口压力发生变化，最终实现模拟被测轴承在实际多个工况载荷下的疲劳寿命，更准确的评估和验证被测轴承能否满足具体使用工况的
要求。
36.以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。