本实用新型涉及机械技术领域，尤其是涉及一种高速精密轧辊磨头的测试实验装置。
背景技术：
通常，磨削按砂轮线速度v的高低分为普通磨削(v＜45m/s)、高速磨削(45m/s≤v<150m/s)和超高速磨削(v≥150m/s)。众所周知，高速磨削、超高速磨削不仅能大幅度提高磨削效率，而且能显著改善磨削加工质量。德国、日本和美国等发达国家尤其重视高速、超高速磨削技术，砂轮线速度为80m/s以上的轧辊磨床已广泛应用于这些国家的工业生产中，有的甚至达到200m/s；相较于发达国家的高速磨削技术，国内在高速磨削方面的研究起步晚，其技术还不是很成熟，且尚未完全解决工程实际应用。目前，国内轧辊磨床与国外轧辊磨床最突出的差别表现在：国产轧辊磨床的砂轮线速度目前大多数还只停留在45m/s左右，其磨削效率和磨削质量与国外已广泛用于工业生产的砂轮线速度为80m/s以上的轧辊磨床不能相提并论。近几年，随着国外80m/s及以上的高速轧辊磨床不断涌入我国市场，国产45m/s的普通轧辊磨床正面临着严峻的挑战，与此同时，对国产80m/s的高速轧辊磨床需求的呼声日益高涨。
将目前国产轧辊磨床的砂轮线速度由45m/s提高到80m/s，并不是一个简单的线速度提高的问题，它所要解决的技术问题很多，我国目前之所以还没有研制出国产高速精密轧辊磨头，就是因为还没有解决砂轮线速度升高后所带来的一系列核心技术问题。为了将砂轮线速度从45m/s的普通轧辊磨削级别上升到80m/s的高速轧辊磨削级别，摸索出轧辊磨头的结构性能、热特性以及动态性能等究竟发生了何种变化，需要测试80m/s高速轧辊磨头的各种性能参数，为此，需要专门研发一套高速精密轧辊磨头的测试实验装置。
技术实现要素：
本实用新型的目的在于提供一种高速精密轧辊磨头的测试实验装置，以克服现有技术存在的问题。
本实用新型是这样实现的：
本实用新型是这样一种高速精密轧辊磨头的测试实验装置，该测试平台至少包括以下部分：高速精密轧辊磨头基础部分，加载部分、液压系统以及控制系统；其中磨头基础部分在磨头前端安装了圆柱滚子轴承，加载部分在液压杆末端安装了拨叉件，加载部分的加载力来源于液压加载系统，液压加载系统通过拨叉件与圆柱滚子轴承外圈接触实现对测试平台的加载。
进一步地，所述液压加载系统包括接油箱的过滤器，该过滤器顶部连接液压泵和电机，该液压泵输出的油液经三位四通电磁换向阀后通过并联设置的单向阀和调速阀最后达到液压缸，所述拨叉件与液压缸连接；在液压泵与换向阀之间还设有接油箱的溢流阀和比例溢流阀；在该液压加载系统中还设有用于吸收压力脉动的蓄能器。
进一步地，高速精密轧辊磨头基础部分包括主轴，在主轴的后端周向设有卸荷机构和皮带轮，在主轴的两端安装有后动静压轴承和前动静压轴承，此两轴承支撑主轴的高速旋转，两轴承属于油膜轴承；在主轴的中部设有止推轴承，在主轴的前端周向设有圆柱滚子轴承，该圆柱滚子轴承通过安装架进行安装和定位；该圆柱滚子轴承与液压加载系统中的拨叉件相配合，拨叉件传递过来的液压加载力通过该圆柱滚子轴承作用到主轴上；在该高速精密轧辊磨头基础部分外部设有箱体和箱盖。
进一步地，所述拨叉件推杆的中心线与圆柱滚子轴承的中心线存在一定的偏心，使拨叉件在传递加载力的同时还在传递加载转矩，在液压加载系统的控制下，通过此拨叉件和圆柱滚子轴承实现对磨头基础平台的连续、无级的力和力矩的加载，从而实现该磨头基础平台在不同负载下的轧辊磨削实验。
进一步地，所述控制系统的硬件电路由变频器调速电路与PLC控制电路组成。
进一步地，所述变频器调速电路包括变频器的主电路、变频调速电机M、断路器QF和接触器KM；变频调速电机M1驱动高速精密轧辊磨头的基础部分，通过带传动驱动主轴；电机M2驱动冷却系统的电机，对高速精密轧辊磨头的润滑油液进行冷却，控制油温在允许范围内；电机M3驱动加载部分的液压泵，为加载部分提供动力；电机M4驱动供油系统的液压泵，为高速精密轧辊磨头性能测试平台供油系统提供油液。
进一步地，PLC输出的变频器控制信号及交流接触器KM1控制信号控制变频器驱动轧辊磨头主轴电机M1实现调速及冷却系统的电机起停；交流接触器KM3信号控制液压供油泵电机M3，交流接触器KM4信号控制液压加载泵电机M4；控制电源辅助输入端子R0、T0连接于断路器的输出侧。
进一步地，PLC控制电路中，PLC与变频器采用控制端子连接的方式；PLC的输入端子连接控制按钮、警报和电源，输出端子连接中间继电器线圈、指示灯和电源；
中间继电器线圈KM1、KA3分别通过其常开触点与主电路接触器的线圈连接，进而控制变频器主电源的通断、磨头主轴电机M1和冷却系统电机M2的起停；中间继电器线圈KA2、KA4分别通过其常开触点与主电路接触器的线圈连接，进而控制液压供油泵电机M3和液压加载泵电机M4的起停；
PLC输入端子X002、X003分别接控制按钮SB1和SB2，用于控制液压供油泵电机M3的起停；输入端子X007、X010分别接控制按钮SB5和SB6，用于液压加载泵电机M4的起停；输入端子X012、X013分别接控制按钮SB8和SB9，用于三位四通换向电磁阀左位和右位的换向控制；
FX3U-4DA-ADP的通道输出比例溢流阀的流量控制信号，通过调节模拟量电流大小来调节溢流阀的力大小，实现压力调节；FX3U-4AD-ADP采集现场各传感器信号，传感器对主轴液体动静压轴承现场信号进行采集，经PLC运算后送至上位机，对磨头的运行状态进行实时监控；断路器辅助触点QF2为流量、压力、油温传感器电源提供开关量信息。
进一步地，变频器的模拟输入信号与PLC的模拟量输出模块用双绞线屏蔽电缆连接；模拟量输入模块将轧辊磨头运行现场各传感器信号及电机输出转速反馈信号进行A/D转换并送至上位机，实现轧辊磨头主轴电机运行速度的闭环控制和运行环境的实时监控。
本实用新型的高速精密轧辊磨头性能测试平台是专门用于实验测试的，有助于研究影响高速轧辊磨削的各种限制因素，对实现高速精度轧辊磨床的国产化有着积极的推动作用。
本实用新型具有以下技术效果：
(1)高速精密轧辊磨头性能测试平台用液压加载装置来代替轧辊工件进给系统，无须对工件进行磨削，可缩短试验周期、降低实验成本。
(2)能实现在不同转速、不同负载下轧辊磨削实验测试。
(3)能实现连续的、无级的、自动的速度和负载的调节和控制，大大提高了高速轧辊磨削实验的操作性和便利性。
附图说明
图1为本实用新型的高速精密轧辊磨头性能测试平台的工作原理图；
图2为本实用新型的高速精密轧辊磨头性能测试平台的液压加载系统原理图；
图3为本实用新型的磨头基础部分的装配图；
图4为本实用新型的拨叉件与圆柱滚子轴承配合图；
图5为本实用新型的变频器调速电路示意图；
图6为本实用新型的PLC与变频器接线示意图；
图7为本实用新型的高速精密轧辊磨头基础部分的三维图；
图8为本实用新型的高速精密轧辊磨头基础部分的内部剖视图。
附图中的标记为：1-过滤器，2-液压泵，3-电机，4-溢流阀，5-三位四通电磁换向阀，6-单向阀，7-调速阀，8-液压缸，9-拨叉件，10-蓄能器，11-比例溢流阀，12-卸荷机构，13-皮带轮，14-主轴，15-后动静压轴承，16-止推轴承，17-箱盖，18-前动静压轴承，19-圆柱滚子轴承，20-安装架，21-箱体。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
本实用新型的高速精密轧辊磨头性能测试平台的工作原理如图1所示。该高速精密轧辊磨头性能测试平台主要由高速精密轧辊磨头基础部分，加载部分、液压系统以及控制系统等部分组成。
本实用新型的目的是为高速精密轧辊磨头的国产化提供一套测试实验装置，通过此装置可以测试高速精密轧辊磨头在不同速度、不同负载下轧辊磨头的结构性能、热特性以及动态性能等，以便高速精密轧辊磨头的国产化提供实验数据支撑。
下面对本实用新型的测试平台各部分的结构和功能进行介绍和说明。
1.加载部分：
磨头基础部分在磨头前端安装了圆柱滚子轴承(如图3中的圆柱滚子轴承19)，加载部分在液压杆末端安装了拨叉件9。液压加载系统通过拨叉件9与圆柱滚子轴承19外圈接触实现对测试平台的加载。
加载部分的加载力来源于一套专用的液压加载系统，该液压加载系统的液压原理图如图2所示，该系统主要由液压泵2、溢流阀4、换向阀5、单向阀6、调速阀7、液压缸8、拨叉件9、蓄能器10以及比例溢流阀11等元件组成。其中，溢流阀4可防止系统过载，起安全保护作用，当系统压力小于溢流阀调定值时，液压泵2输出的油液全部供给系统，溢流阀4处于常闭状态；当系统超载时，系统的压力超过溢流阀4调定值，溢流阀4迅速打开，油液流回油箱，防止系统过载。蓄能器10起吸收压力脉动的作用，使加载到磨头基础部分的液压力尽可能平稳，另外，当突然停电或者液压系统发生其它故障时，该蓄能器10可作为短时能源使用，使加载装置脱离如图1所示的磨头基础部分，从而保护磨头基础部分。该液压系统的输出压力亦即施加给磨头基础部分的加载力由比例溢流阀11来调节和控制，调节输入比例溢流阀11的控制电流，即可改变系统的压力，从而实现对磨头基础部分的连续、无级加载。
三位四通的换向阀5起改变油液流向的作用，当其处于图示位置，即处于中位“M”功能时，泵卸荷。当三位四通换向阀5右边的电磁阀得电时，该阀工作于右位，此时，泵输出的高压油液从换向阀5的右位通过单向阀6流向液压缸8的无杆腔，从而推动活塞杆并带动拨叉件9向如图1所示的磨头基础部分加载，其加载压力由比例溢流阀11控制，液压缸8有杆腔的回油经换向阀5右位回油箱。当三位四通换向阀5左边的电磁阀得电时，该阀工作于左位，此时，泵输出的高压油液从换向阀5的左位进入液压缸8的有杆腔，使该液压加载装置脱离磨头基础部分，从而卸掉加载压力，液压缸8的无杆腔的回油经调速阀7回油箱，由于回油要经过此调速阀7，使回油有一个背压，从而使得回油过程平稳，其回油速度由此调速阀7调节和控制。
2.高速精密轧辊磨头的基础部分：
磨头基础部分的结构如图3所示，其三维图和剖视图如图7、8所示。它主要由卸荷机构12、皮带轮13、主轴14、后动静压轴承15、止推轴承16、箱盖17、前动静压轴承18、圆柱滚子轴承19、安装架20以及箱体21等组成。该磨头基础部分的工作原理如下：电机带动皮带轮13旋转，进而驱动主轴14旋转，其转速由电机决定，而电机的转速由图1所示的控制系统控制，在控制系统的控制下，该主轴14能实现不同转速的旋转，从而可实现在不同转速下的轧辊磨削实验。主轴14的两端安装有后动静压轴承15和前动静压轴承18，此两轴承支撑主轴14的高速旋转，两轴承属于油膜轴承，其运行所需的润滑油液由一套专用的供油系统提供，此两轴承的结构等具体内容参见申请号为201310555200.9的专利申请文件公开的内容。
如图3所示，卸荷机构12主要起卸掉皮带拉力的作用，避免主轴14产生径向变形(特别说明：卸荷机构12是通用的机械部件，早已属于现有技术，因而，本实用新型在此不进行详细说明，在这里，本实用新型提到它，主要是为了说明和介绍此磨头基础部分的结构和工作原理)；止推轴承16主要起防止主轴14左右轴向窜动的作用。
在如图3所示，为了模拟砂轮磨削轧辊工件产生的磨削力和磨削力矩，特设计了圆柱滚子轴承19，该轴承通过安装架20进行安装和定位。该圆柱滚子轴承19与如图2所示的液压加载系统中的拨叉件9相配合，拨叉件9传递过来的液压加载力通过此圆柱滚子轴承19作用到主轴14上。需要特别说明的是：拨叉件9推杆的中心线与圆柱滚子轴承19的中心线存在一定的偏心(如图4所示)，导致拨叉件9在传递加载力的同时还在传递加载转矩，在液压加载系统的控制下，通过此拨叉件9和圆柱滚子轴承19可实现对图3所示的磨头基础平台的连续、无级的力和力矩的加载，从而可实现该磨头基础平台在不同负载下的轧辊磨削实验。
3.液压系统：
图1中所示的液压系统主要是给图3中的后动静压轴承15、止推轴承16和前动静压轴承18提供润滑油液。注意，此处提到的液压系统与前面图2所示的液压加载系统是不同的两个系统。此处提到的液压系统是专门提供油膜润滑油的供油系统，图2所示的液压系统是实现加载的液压系统，是完全不同的两个系统。
4.控制系统：
根据高速精密轧辊磨头性能测试平台运行时的控制要求及电气控制系统的特点，该系统的硬件电路由变频器调速电路与PLC控制电路组成。
变频器调速电路：
变频器调速电路主要由变频器的主电路、变频调速电机M、断路器QF、接触器KM等构成，如图5所示。电机M1驱动高速精密轧辊磨头的基础部分，通过带传动驱动主轴；电机M2驱动冷却系统的电机，对高速精密轧辊磨头的润滑油液进行冷却，控制油温在允许范围内；电机M3驱动加载部分的液压泵，为加载部分提供动力；电机M4驱动供油系统的液压泵，为高速精密轧辊磨头性能测试平台供油系统提供油液。
PLC输出的变频器控制信号及交流接触器KM1控制信号控制变频器驱动轧辊磨头主轴电机M1实现调速及冷却系统的电机起停。交流接触器KM3信号控制液压供油泵电机M3，交流接触器KM4信号控制液压加载泵电机M4。控制电源辅助输入端子R0、T0连接于断路器的输出侧，以防止变频器保护功能动作时变频器开关断开使变频器的控制电路失电。
通过图5的控制系统，高速精密轧辊磨头性能测试平台可以实现主轴无级调速功能。
PLC控制电路：PLC与变频器采用控制端子连接的方式。PLC的输入端子连接控制按钮、警报和电源，输出端子连接中间继电器线圈、指示灯和电源，如图6所示。
中间继电器线圈KM1、KA3分别通过其常开触点与主电路接触器的线圈连接，进而控制变频器主电源的通断、磨头主轴电机M1和冷却系统电机M2的起停。中间继电器线圈KA2、KA4分别通过其常开触点与主电路接触器的线圈连接，进而控制液压供油泵电机M3和液压加载泵电机M4的起停。
PLC输入端子X002、X003分别接控制按钮SB1和SB2，用于控制液压供油泵电机M3的起停；输入端子X007、X010分别接控制按钮SB5和SB6，用于液压加载泵电机M4的起停；输入端子X012、X013分别接控制按钮SB8和SB9，用于三位四通换向电磁阀左位和右位的换向控制。
FX3U-4DA-ADP的通道输出比例溢流阀11的流量控制信号，可通过调节模拟量电流大小来调节溢流阀4的力大小，实现压力调节。FX3U-4AD-ADP采集现场各传感器信号，传感器对主轴液体动静压轴承油温，油路压力、流量，电机转速等现场信号进行采集，经PLC运算后送至上位机，对磨头的运行状态进行实时监控。模拟量输入模块的输入阻抗较高且信号传输电路与PLC距离较远，需使传感器的采集信号经变送器转变为标准信号DC4～20mA，由模拟量输入模块的各通道进行A/D转换并经过PLC程序的模拟量运算后在触摸屏上显示。断路器辅助触点QF2为流量、压力、油温传感器电源提供开关量信息。
变频器的模拟输入信号与PLC的模拟量输出模块用双绞线屏蔽电缆连接。模拟量输入模块将轧辊磨头运行现场各传感器信号及电机输出转速反馈信号进行A/D转换并送至上位机，实现轧辊磨头主轴电机运行速度的闭环控制和运行环境的实时监控。
通过图5和图6的控制系统，高速精密轧辊磨头性能测试平台可以满足磨头基础部分和加载部分的控制要求，实现高速精密轧辊磨头性能测试平台变速、变载的要求。
用途：本实用新型为高速精密轧辊磨头国产化过程中提供一套测试实验装置，通过此装置可以测试高速精密轧辊磨头在不同速度、不同负载下轧辊磨头的结构性能、热特性以及动态性能等，以便高速精密轧辊磨头的国产化提供实验数据支撑。
当然，以上只是本实用新型的具体应用范例，本实用新型还有其他的实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本实用新型所要求的保护范围之内。