基于阶梯轴安装的卡盘夹紧式多规格滚动轴承故障模拟实验台的制作方法

本发明涉及一种滚动轴承实验台，尤其涉及一种基于阶梯轴安装的卡盘夹紧式多规格滚动轴承故障模拟实验台。

背景技术：

滚动轴承是现代机械设备中一种非常重要的标准零件，其支撑着机械设备中的旋转轴，并起着降低旋转运动摩擦系数和保证回转精度的作用。在很多情况下，滚动轴承运行环境为高温、高转速或者变转速、重载荷或者变载荷工况，如高速列车、风力发电机、矿山机械与汽车等；此外，滚动轴承还可能会运行于润滑不良、异物侵入等恶劣工况下。这些因素使得滚动轴承容易出现点蚀、裂纹、磨损或者剥落等损伤，而滚动轴承损伤最终又会引发机械设备故障，其后果轻则使得设备停机，造成经济损失，重则导致安全事故。因此，有必要研究或者探索行之有效的滚动轴承状态监测与故障预测、诊断方法，以提高机械设备的运行效率与生产效益。而为达到研究或者探索的目的，则通常需要构建一套合适的滚动轴承故障模拟实验台。

滚动轴承安装基本上都是外圈固定、内圈可旋转，但滚动轴承一旦安装之后，安装机构就很难改变。由于滚动轴承的规格非常多，宽度与内、外圈直径不尽相同，设计加工出的一个特定安装机构通常只适用于某一规格的滚动轴承。这使得目前大多数的滚动轴承故障模拟实验台通常只能对某一规格的滚动轴承进行实验。而若要在这些实验台上对其它规格的滚动轴承进行实验，则需改变其上滚动轴承安装机构的尺寸，时间与经济成本较高。

技术实现要素：

针对现有的滚动轴承故障模拟实验台难以对多规格滚动轴承进行实验的局限性，本发明的目的在于提供一种基于阶梯轴安装的卡盘夹紧式多规格滚动轴承故障模拟实验台，本发明通过多级阶梯轴和三爪卡盘的组合来对多规格的滚动轴承进行安装，从而对多规格滚动轴承进行故障模拟实验，其结构简单、拆装方便。

本发明采用的技术方案是：

一种基于阶梯轴安装的卡盘夹紧式多规格滚动轴承故障模拟实验台，其特征在于：包括基座台、驱动电机、多级阶梯轴、实验滚动轴承、直套筒、带凸缘套筒、三爪卡盘、转矩转速仪和加载电机。

多级阶梯轴一端贯穿第一带座轴承，通过第一弹性联轴器与驱动电机伸出轴相连，多级阶梯轴另一端贯穿第二带座轴承，通过第二弹性联轴器与转矩转速仪一端伸出轴相连，转矩转速仪另一端伸出轴通过第三弹性联轴器与加载电机伸出轴相连；实验滚动轴承内圈套在多级阶梯轴中间的一段阶梯上，直套筒一端顶住实验滚动轴承内圈的端面，另一端顶住带凸缘套筒的凸缘端面，带凸缘套筒的另一端顶住第二带座轴承的内圈端面；三爪卡盘安装在卡盘架上，三爪卡盘的卡爪夹紧实验滚动轴承的外圈；驱动电机和第一带座轴承安装在驱动端底座上，第二带座轴承、转矩转速仪和加载电机安装在加载端底座上，驱动端底座、卡盘架和加载端底座安装在基座台上。

进一步地，所述基座台上加工有T形槽。

进一步地，所述驱动电机内部安装有光电编码器。

进一步地，所述多级阶梯轴中间加工有3个以上阶梯。

优选地，所述实验台还包括电气控制系统，所述电气控制系统包括整流模块、第一变频器、第二变频器、直流母线、控制单元、可编程逻辑控制器和第一工控机；整流模块与直流母线连接，第一变频器与所述驱动电机连接，第二变频器与所述加载电机连接，第一变频器与第二变频器通过直流母线连接，第一变频器、第二变频器同时连接到控制单元，控制单元经通过以太网与可编程逻辑控制器连接，可编程逻辑控制器通过以太网与第一工控机连接。

优选地，所述实验台还包括测试系统，所述测试系统包括振动传感器、光电隔离器、模拟量输入模块、数字量I/O模块、机箱和第二工控机；振动传感器安装在所述三爪卡盘的卡爪上，并与模拟量输入模块连接；所述转矩转速仪经由光电隔离器与数字量I/O模块连接；模拟量输入模块、数字量I/O模块安装在机箱上，机箱与第二工控机连接。

本发明具有的有益效果是：

1、多级阶梯轴上可以安装多种内径规格的滚动轴承，三爪卡盘则可以夹持多种外径规格的滚动轴承，因而能够对多规格的滚动轴承进行实验。

2、驱动端底座、卡盘架和加载端底座均可以在基座台上沿着T形槽移动，因此能够方便地安装与拆卸实验滚动轴承。

3、为滚动轴承状态监测与故障预测、诊断方法的研究与探索提供了一个良好的实验平台。

4、系统可以长时间地持续运行，自动化程度和检测精度高，能耗低，数据采集完备。

附图说明

图1是本发明的等轴侧视图；

图2是本发明的正视图；

图3是本发明的实验滚动轴承在多级阶梯轴上安装的结构示意图；

图4是本发明的电气控制系统的架构示意图；

图5是本发明的测试系统的架构示意图。

图中：基座台1、驱动电机2、第一弹性联轴器3、第一带座轴承4、多级阶梯轴5、三爪卡盘6、实验滚动轴承7、直套筒8、带凸缘套筒9、第二带座轴承10、第二弹性联轴器11、转矩转速仪12、第三弹性联轴器13、加载电机14、驱动端底座15、卡盘架16、加载端底座17、整流模块18-1、第一变频器18-2、第二变频器18-3、直流母线18-4、控制单元18-5、可编程逻辑控制器18-6、第一工控机18-7、振动传感器19-1、光电隔离器19-2、模拟量输入模块19-3、数字量I/O模块19-4、机箱19-5、第二工控机19-6。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

参照图1~图5，一种基于阶梯轴安装的卡盘夹紧式多规格滚动轴承故障模拟实验台，其特征在于：包括基座台1、驱动电机2、多级阶梯轴5、实验滚动轴承7、直套筒8、带凸缘套筒9、三爪卡盘6、转矩转速仪12和加载电机14。

多级阶梯轴5中间加工有直径依次为20mm、25mm、30mm、35mm、40mm与50mm的阶梯，可以对6种内径规格的滚动轴承进行实验。多级阶梯轴5一端贯穿第一带座轴承4，通过第一弹性联轴器3与驱动电机2伸出轴相连，多级阶梯轴5另一端贯穿第二带座轴承10，通过第二弹性联轴器11与转矩转速仪12一端伸出轴相连，转矩转速仪12另一端伸出轴通过第三弹性联轴器13与加载电机14伸出轴相连。驱动电机2为变频调速三相异步电机，选用安徽皖南的YVF2-100L1-4型号，额定功率为2.2kW，额定转速为3000rpm，额定转矩7.3Nm，驱动电机2内部还安装有100线的测速用光电编码器，以实现驱动电机2的闭环控制。转矩转速仪12选用北京新宇航测控的JN338-A系列直连式转矩转速传感器，转矩量程为20Nm，转速量程为6000rpm。加载电机14的类型与驱动电机2一致，不过工作于发电状态。本实施例中实验滚动轴承7为6006深沟球轴承，内径为30mm，外径为55mm。实验滚动轴承7内圈套在多级阶梯轴5中间30mm直径的阶梯上。直套筒8一端顶住实验滚动轴承7内圈的端面，对实验滚动轴承7进行轴向固定，另一端顶住带凸缘套筒9的凸缘端面，带凸缘套筒9的另一端顶住第二带座轴承10的内圈端面。三爪卡盘6安装在卡盘架16上，其卡爪夹紧实验滚动轴承7的外圈。驱动电机2和第一带座轴承4安装在驱动端底座15上，第二带座轴承10、转矩转速仪12和加载电机14安装在加载端底座17上，驱动端底座15、卡盘架16和加载端底座17通过螺栓安装到基座台1上的T形槽中。

实验台电气控制系统包括整流模块18-1、第一变频器18-2、第二变频器18-3、直流母线18-4、控制单元18-5、可编程逻辑控制器18-6和第一工控机18-7。电气控制系统采用西门子SINAMICS S120 伺服控制系统来实现，其中整流模块18-1选用额定功率为5kW的非调节电源模块，第一变频器18-2、第二变频器18-3均选用额定功率为2.7kW的单轴电机模块，控制单元18-5选用CU 320控制器。整流模块18-1接入工业三相电，并连接到直流母线18-4上。第一变频器18-2通过DRIVE-CLiQ电缆与驱动电机2连接，第二变频器18-3通过DRIVE-CLiQ电缆与加载电机14连接；第一变频器18-2与第二变频器18-3通过直流母线18-4相互连接；第一变频器18-2、第二变频器18-3通过DRIVE-CLiQ电缆连接到控制单元18-5上。控制单元18-5通过以太网与可编程逻辑控制器18-6连接，可编程逻辑控制器18-6通过以太网与第一工控机18-7连接。

实验台测试系统包括振动传感器19-1、光电隔离器19-2、模拟量输入模块19-3、数字量I/O模块19-4、机箱19-5和第二工控机19-6。其中，模拟量输入模块19-3选用NI 9324数据采集卡，数字量I/O模块19-4选用NI 9401数据采集卡，机箱19-5选用NI cDAQ-9132机箱。振动传感器19-1安装在三爪卡盘6的卡爪上，并与模拟量输入模块19-3连接；转矩转速仪12经由光电隔离器19-2与数字量I /O模块19-4连接。模拟量输入模块19-3、数字量I/O模块19-4安装在机箱19-5上，机箱19-5与第二工控机19-6连接。测试系统的数据采集软件部分由第二工控机19-6上的NI LabView编程实现。

本实施例中，实验台电气控制系统与驱动电机2、加载电机14构成电封闭系统。驱动电机2采用转速控制方式，可以使其在额定转速内以任一恒定转速或者按照某一函数变化的转速进行旋转。加载电机14采用转矩控制方式，可以使其在额定转矩内施加任一恒定的载荷，因此，加载电机14工作于发电状态，其产生的电能可以反馈到直流母线18-4中再供驱动电机2使用，整流模块18-1只需从工业三相电中获取少量电能来补偿系统运行损耗的能量以及加载电机14加载所需的能量，从而使实验台达到节能的目的。

本实施例中，实验滚动轴承7的内圈、外圈或者滚动体上可以通过人工的方法设置所要研究的点蚀、裂纹、磨损、剥落或者它们的组合等故障损伤。在实验台的运行过程中，转矩转速仪12测量实验台的转速、转矩数据，对实验台的工况进行监测，振动传感器19-1采集实验滚动轴承7的振动数据。最后利用采集到的振动数据和转速、转矩数据，可以对滚动轴承的状态监测与故障预测、诊断方法进行研究与探索。

进一步地，本实施例中实验滚动轴承7可以更换为6206、6306深沟球轴承，其内径均为30mm，外径分别为62mm、72mm。安装时，仍将实验滚动轴承7内圈套在多级阶梯轴7中间30mm直径的阶梯上，并移动卡盘架16，使三爪卡盘6的卡爪对准实验滚动轴承7的外圈，最后旋转三爪卡盘6将实验滚动轴承7外圈夹紧。

进一步地，本实施例中实验滚动轴承7可以更换为6000、6200或者6300系列中内径为20mm、25mm、35mm、40mm或者50mm的深沟球轴承。安装时，将实验滚动轴承7内圈套在多级阶梯轴5中间20mm、25mm、35mm、40mm或者50mm直径的阶梯上，并移动卡盘架16，使三爪卡盘6的卡爪对准实验滚动轴承7的外圈，最后旋转三爪卡盘6将实验滚动轴承7外圈夹紧。

进一步地，本实施例中实验滚动轴承7可以更换为符合内径要求的其它类型滚动轴承，如角接触轴承、圆柱滚子轴承和圆锥滚子轴承等。

以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变换或变形，因此所有等同的技术方案也应该属于本发明的范畴，应由各权利要求所限定。