許冬冬，王昆平，溫朝杰，王健，黎建濤

(1.洛陽軸承研究所有限公司，河南 洛陽 471039；2.河南省高性能軸承技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽 471039;3.空軍裝備部駐洛陽地區(qū)第二軍事代表室, 河南 洛陽 471009)

軸承試驗(yàn)指在試驗(yàn)設(shè)備上模擬軸承工況對軸承進(jìn)行測試、考核、驗(yàn)證及分析。試驗(yàn)是軸承研發(fā)過程中的重要環(huán)節(jié)，對于提升軸承質(zhì)量水平，把控質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)意義重大，國內(nèi)外軸承企業(yè)都對軸承試驗(yàn)的研究極為重視。

軸承試驗(yàn)包括壽命試驗(yàn)和性能試驗(yàn)，二者并無嚴(yán)格意義上的區(qū)分和界定，主要區(qū)別在于試驗(yàn)?zāi)康?、試?yàn)方法和試驗(yàn)?zāi)M程度，性能試驗(yàn)通常更強(qiáng)調(diào)模擬性。軸承試驗(yàn)技術(shù)是機(jī)、電、液領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)的集成和綜合應(yīng)用，決定著試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。軸承試驗(yàn)技術(shù)主要包含模擬技術(shù)、驅(qū)動技術(shù)、加載技術(shù)、測控技術(shù)以及試驗(yàn)方法等內(nèi)容，其中模擬技術(shù)是試驗(yàn)研究的核心，指在試驗(yàn)機(jī)上模擬軸承的裝配、運(yùn)轉(zhuǎn)、承載、潤滑、環(huán)境等主要工況。

1 國內(nèi)軸承試驗(yàn)技術(shù)發(fā)展歷史及現(xiàn)狀

20世紀(jì)60年代初期，隨著軸承行業(yè)一所三廠的恢復(fù)和組建，軸承相關(guān)試驗(yàn)研究工作逐漸展開，國內(nèi)以洛陽軸承研究所(以下簡稱軸研所)為代表開始進(jìn)行系統(tǒng)化的軸承試驗(yàn)研究。

國內(nèi)軸承試驗(yàn)技術(shù)(試驗(yàn)設(shè)備和試驗(yàn)方法)主要來源于蘇聯(lián)，試驗(yàn)設(shè)備初期按照蘇制ЦКБ系列軸承試驗(yàn)機(jī)圖紙仿制，后期在消化吸收的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改造升級，并逐步開始自主研發(fā)，但試驗(yàn)機(jī)主體方案上仍沿用原設(shè)計(jì)思路。

軸承試驗(yàn)最早以常規(guī)壽命試驗(yàn)為主，試驗(yàn)方法為完全試驗(yàn)，即多套軸承(通常不小于8套)同時(shí)裝機(jī)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)至軸承全部疲勞失效。數(shù)據(jù)處理取算術(shù)平均值而非統(tǒng)計(jì)意義上的平均。早期的接觸疲勞試驗(yàn)機(jī)如圖1所示。

20世紀(jì)70年代，韋布爾分布方法被引入試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，軸研所于20世紀(jì)80年代開始系統(tǒng)化的可靠性和壽命估算方法研究，并進(jìn)行了滾動軸承序貫試驗(yàn)方法研究[1]，推進(jìn)了軸承壽命與可靠性的考核工作。壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理采用定數(shù)截尾的極大似然法和最佳線性不變估計(jì)等多種處理方法。

早期軸承試驗(yàn)?zāi)康闹饕禽S承結(jié)構(gòu)驗(yàn)證試驗(yàn)和壽命考核，偏重于軸承的結(jié)構(gòu)定型。隨著軸承設(shè)計(jì)主參數(shù)的確定以及軸承的標(biāo)準(zhǔn)化，軸承試驗(yàn)逐步圍繞產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計(jì)展開，普通壽命試驗(yàn)的比重也逐步下降，而軸承工況模擬試驗(yàn)以及壽命加速試驗(yàn)等開始成為試驗(yàn)研究的主要內(nèi)容。

20世紀(jì)80年代中后期，出于科研和生產(chǎn)需要，國內(nèi)相關(guān)單位先后自主研發(fā)、購置了一系列新型軸承試驗(yàn)設(shè)備。例如軸研所開發(fā)了防塵防汽性能試驗(yàn)機(jī)，漏脂性能試驗(yàn)機(jī)，密封圈試驗(yàn)機(jī)等密封軸承性能試驗(yàn)機(jī)，同時(shí)從國外引進(jìn)了斯太爾汽車軸承專用試驗(yàn)機(jī)等；上海微型軸承廠自行研制了微型電機(jī)軸承試驗(yàn)機(jī)；杭州軸承試驗(yàn)研究中心引進(jìn)了美國F&M5型滾動軸承試驗(yàn)機(jī)，同時(shí)自行研制了B10-60R系列滾動軸承疲勞壽命試驗(yàn)機(jī)：這些試驗(yàn)設(shè)備為國內(nèi)軸承的優(yōu)化設(shè)計(jì)和質(zhì)量考核提供了試驗(yàn)手段，促進(jìn)了國內(nèi)軸承試驗(yàn)技術(shù)的進(jìn)步。

進(jìn)入21世紀(jì)，軸承試驗(yàn)的研究范圍、類型、功能進(jìn)一步擴(kuò)大和豐富，技術(shù)指標(biāo)也得到長足進(jìn)步，常規(guī)壽命試驗(yàn)機(jī)可覆蓋內(nèi)徑8～180 mm的軸承產(chǎn)品，試驗(yàn)最大徑向載荷可達(dá)500 kN，最大軸向載荷可達(dá)300 kN，高速性能試驗(yàn)轉(zhuǎn)速可達(dá)60 000 r/min以上。計(jì)算機(jī)自動控制、高速電主軸及變頻驅(qū)動、電液比例加載等新技術(shù)的應(yīng)用使軸承試驗(yàn)進(jìn)入了一個(gè)全新的發(fā)展階段。

同時(shí)，隨著軸承行業(yè)規(guī)模的迅速擴(kuò)張以及眾多民營企業(yè)的發(fā)展，各軸承生產(chǎn)企業(yè)基于軸承質(zhì)量控制要求以及市場競爭的需要，相繼建立軸承實(shí)驗(yàn)室，軸承試驗(yàn)研究得到空前重視。軸研所先后開發(fā)了汽車軸承試驗(yàn)機(jī)、鐵路機(jī)車車輛軸承試驗(yàn)機(jī)、精密機(jī)床主軸軸承試驗(yàn)機(jī)、風(fēng)電軸承試驗(yàn)機(jī)等一系列性能模擬試驗(yàn)機(jī)，并開展了相關(guān)軸承的性能試驗(yàn)研究，如汽車軸承系列試驗(yàn)機(jī)可分別模擬汽車離合器、發(fā)電機(jī)、輪轂軸承的工況進(jìn)行試驗(yàn)，而汽車輪轂軸承試驗(yàn)機(jī)可以進(jìn)行耐久性、泥漿、高溫等多種性能試驗(yàn)。軸研所、杭州軸承試驗(yàn)研究中心等還分別開展了軸承疲勞壽命強(qiáng)化試驗(yàn)研究，探索加速試驗(yàn)理論，試驗(yàn)研究的廣度和深度不斷拓展。

除常規(guī)試驗(yàn)設(shè)備外，為滿足一些高端軸承的試驗(yàn)需求，一批專用高性能試驗(yàn)機(jī)得以研制，并陸續(xù)開展了高溫高速、低溫高速等極端工況模擬試驗(yàn)研究，如航空軸承試驗(yàn)機(jī)專用于航空發(fā)動機(jī)主軸及附件軸承試驗(yàn)，航天軸承試驗(yàn)機(jī)專用于航天器或火箭發(fā)動機(jī)軸承試驗(yàn)。由于該類軸承工作條件惡劣，性能要求特殊，可靠性要求高，所以其試驗(yàn)研究具有轉(zhuǎn)速高、載荷大、超高(低)溫環(huán)境、試驗(yàn)參數(shù)多和參數(shù)測試精度高等技術(shù)特點(diǎn)，從整體上促進(jìn)了國內(nèi)軸承試驗(yàn)研究水平的進(jìn)一步提高。

2 國外軸承試驗(yàn)技術(shù)

國外對軸承試驗(yàn)研究極為重視,試驗(yàn)研究開展較早，技術(shù)能力強(qiáng)大，試驗(yàn)數(shù)據(jù)積累充分，為軸承產(chǎn)品性能驗(yàn)證和優(yōu)化，以及軸承壽命理論體系研究提供了有力支撐。

國外開展軸承試驗(yàn)研究的單位主要有三類：一是大型軸承生產(chǎn)企業(yè)，如瑞典SKF、德國FAG、日本NSK和NTN、美國TIMKEN等；二是大型國際零配件供應(yīng)商，如美國DELPHI和F-M公司；三是主機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域的巨頭企業(yè)或研究機(jī)構(gòu)，如美國NASA、英國R.R公司、德國大眾等。除此之外，一些傳統(tǒng)的試驗(yàn)設(shè)備供應(yīng)商，如美國MTS和Instron也涉足軸承試驗(yàn)設(shè)備研發(fā)。

國外大型公司都有專門的實(shí)驗(yàn)室長期開展試驗(yàn)研究，如SKF最早在行業(yè)內(nèi)開展了系統(tǒng)化的軸承壽命試驗(yàn)研究，其實(shí)驗(yàn)室有RZ，R4和RS等多種型號的疲勞壽命試驗(yàn)機(jī)。在試驗(yàn)研究早期，SKF一直用6309軸承進(jìn)行壽命試驗(yàn),用50套6309 軸承得到了壽命質(zhì)量的連續(xù)記錄，得到了軸承壽命可靠性的數(shù)據(jù)。著名的Palmgren理論中，許多參數(shù)均來自于6309軸承試驗(yàn)[2]。

除壽命試驗(yàn)機(jī)，SKF還擁有大量性能試驗(yàn)機(jī)。SKF最早研制了A字形輪轂軸承試驗(yàn)機(jī)，可周期性施加動態(tài)載荷并進(jìn)行力矩加載，并在后期通過升級改造不斷提升其性能和模擬度。SKF位于Sven Wingquist測試中心的大型軸承試驗(yàn)平臺如圖2所示，其能夠準(zhǔn)確模擬軸承承載形式并動態(tài)施加載荷，可對風(fēng)電軸承等大型軸承進(jìn)行性能測試。

圖2 SKF大型軸承試驗(yàn)臺

除SKF外，其他企業(yè)也具備很強(qiáng)的試驗(yàn)?zāi)芰?，開展了多種前沿性和創(chuàng)新性的試驗(yàn)研究。如NSK對電機(jī)軸承進(jìn)行高頻電蝕再現(xiàn)試驗(yàn)；豐田研發(fā)中心實(shí)驗(yàn)室以高精度流體仿真技術(shù)進(jìn)行油氣潤滑狀態(tài)下軸承內(nèi)部氣流的特性分析；JTKET采用高敏熱成像技術(shù)測量軸承內(nèi)部溫度等。

以美國NASA為代表的研究機(jī)構(gòu)是航空航天特種軸承試驗(yàn)領(lǐng)域的領(lǐng)跑者，其具備軸承試驗(yàn)的尖端技術(shù)。軸承作為飛機(jī)與航天器的核心部件，工況極其惡劣，大部分軸承在極限溫度條件下工作，轉(zhuǎn)速高，載荷大，研制難度極大，能否對軸承進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)M成為軸承研制成敗的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。美國NASA、英國R.R公司先后研制了高溫高速試驗(yàn)設(shè)備，專用于航空發(fā)動機(jī)主軸軸承的考核。而美國和俄羅斯等國最早在航天低溫軸承及試驗(yàn)領(lǐng)域開展研究，技術(shù)水平處于領(lǐng)先地位，其中美國NASA于1982年建造了首臺航天軸承及密封試驗(yàn)機(jī)，1996年完成了其改進(jìn)型LH2試驗(yàn)機(jī)(圖3)。

圖3 LH2型低溫軸承試驗(yàn)機(jī)

借助于一流的試驗(yàn)設(shè)備，NASA開展了大量航空、航天軸承模擬試驗(yàn)，如斷油試驗(yàn)、超載超轉(zhuǎn)試驗(yàn)等，試驗(yàn)軸承dn值達(dá)到3.5×106mm·r/min以上，試驗(yàn)溫度在300 ℃以上，幾十年來，其性能試驗(yàn)累積時(shí)數(shù)超過30×104h，為其在航空航天領(lǐng)域保持技術(shù)領(lǐng)先發(fā)揮了基礎(chǔ)性作用。

除軸承成品試驗(yàn)外，軸承零件、材料、潤滑劑等相關(guān)試驗(yàn)研究更為廣泛，如NASA開展了不同材料的鋼球疲勞試驗(yàn)并與全尺寸軸承試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對比分析[3]。這些試驗(yàn)研究實(shí)際上已延伸到其他基礎(chǔ)學(xué)科并與之形成交叉和支撐。

3 軸承試驗(yàn)技術(shù)主要內(nèi)容

軸承試驗(yàn)技術(shù)主要包含以試驗(yàn)設(shè)備為核心的硬件技術(shù)和以試驗(yàn)方法為核心的軟件技術(shù)。硬件技術(shù)包含模擬技術(shù)、驅(qū)動技術(shù)、加載技術(shù)、測控技術(shù)等，模擬技術(shù)是軸承試驗(yàn)技術(shù)的核心，驅(qū)動技術(shù)、加載技術(shù)、測控技術(shù)是開展試驗(yàn)研究必不可少的組成部分。軟件技術(shù)包含試驗(yàn)方法和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析處理，是試驗(yàn)過程的科學(xué)性、有效性以及試驗(yàn)結(jié)果的參考性、可靠性的基本保證。

3.1 模擬技術(shù)

模擬技術(shù)主要包含結(jié)構(gòu)模擬和環(huán)境模擬，結(jié)構(gòu)模擬主要指模擬軸承的安裝、定位形式、配合關(guān)系、旋轉(zhuǎn)方式、受力形式、潤滑形式和結(jié)構(gòu)等，環(huán)境模擬主要是指模擬環(huán)境溫度、介質(zhì)、壓力、真空度、振動等。

模擬技術(shù)是試驗(yàn)研究的核心內(nèi)容，主導(dǎo)整體試驗(yàn)方案并貫穿試驗(yàn)研究的全過程，影響試驗(yàn)分析和最終結(jié)果。模擬技術(shù)在軸承試驗(yàn)機(jī)的主體設(shè)計(jì)中體現(xiàn)，其要求則可延伸到驅(qū)動、加載、潤滑等試驗(yàn)子系統(tǒng)。

普通的壽命試驗(yàn)只需模擬軸承的轉(zhuǎn)速、載荷以及基本的安裝、潤滑即可達(dá)到目的，性能試驗(yàn)則需要對軸承實(shí)際應(yīng)用中的裝配結(jié)構(gòu)、潤滑條件及環(huán)境條件等進(jìn)行準(zhǔn)確模擬，模擬度越高，試驗(yàn)結(jié)果越真實(shí)。通常，對軸承轉(zhuǎn)速和載荷(包括力矩)譜線進(jìn)行動態(tài)模擬是性能試驗(yàn)最基本的要求；另外，需要盡可能模擬軸承的工作溫度、壓力、振動條件以及塵霧、泥漿、真空、液氮等外部環(huán)境進(jìn)行試驗(yàn)；對于某些特殊應(yīng)用場合，還需考慮軸承貧油、打滑、沖擊等工況的模擬。

某高鐵牽引電動機(jī)軸承綜合模擬試驗(yàn)臺如圖4所示，其是一個(gè)典型的軸承模擬技術(shù)應(yīng)用實(shí)例，實(shí)現(xiàn)了該類軸承安裝結(jié)構(gòu)、載荷、溫度、濕度、風(fēng)速及三維振動等全要素模擬。

圖4 牽引電動機(jī)軸承綜合模擬試驗(yàn)臺

相對來說，軸承壽命試驗(yàn)以產(chǎn)品壽命和可靠性為考核目標(biāo)，對模擬性要求略低，而性能試驗(yàn)可能僅以軸承某項(xiàng)性能指標(biāo)為驗(yàn)證目的，希望短時(shí)間內(nèi)得到試驗(yàn)結(jié)果，其模擬程度通常高于壽命試驗(yàn)。

3.2 驅(qū)動技術(shù)

軸承的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動依靠驅(qū)動和傳動機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，其設(shè)計(jì)選型涉及轉(zhuǎn)速和功率2個(gè)主參數(shù)，可由軸承試驗(yàn)工況直接確定。

對于常規(guī)壽命試驗(yàn)，普通三相電動機(jī)即可滿足要求，而對于要求各異的性能試驗(yàn)以及特殊應(yīng)用工況下的模擬試驗(yàn)，則需要開發(fā)各類高性能驅(qū)動電動機(jī)，如超高速電動機(jī)、大功率高速電動機(jī)等，這也是目前高精尖軸承試驗(yàn)研究中的制約因素和急需突破的關(guān)鍵技術(shù)。

3.2.1 三相異步電動機(jī)驅(qū)動

對于通用型軸承的壽命試驗(yàn)，轉(zhuǎn)速低、載荷大，一般采用三相異步電動機(jī)驅(qū)動，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)采用變頻器開環(huán)控制，調(diào)速精度約2%，配以皮帶傳動(三角帶、同步帶等)或傳動軸，輸出轉(zhuǎn)速一般不超過8 000 r/min。

3.2.2 電主軸直接驅(qū)動

當(dāng)軸承試驗(yàn)轉(zhuǎn)速較高時(shí)，通常采用電主軸直驅(qū)形式。驅(qū)動系統(tǒng)由電主軸、變頻器、轉(zhuǎn)速傳感器、潤滑冷卻器組成，轉(zhuǎn)速適用區(qū)間一般為10 000～100 000 r/min，采用閉環(huán)調(diào)速，控制精度0.5%以內(nèi)，調(diào)速范圍可達(dá)1∶20[4]。電主軸直驅(qū)形式的優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)速高、結(jié)構(gòu)簡單、噪聲小、易控制，但輸出功率較小，適用于高速輕載工況。

3.2.3 伺服電動機(jī)驅(qū)動

當(dāng)對軸承轉(zhuǎn)速的控制精度要求很高或?qū)S承旋轉(zhuǎn)形式有特殊要求時(shí)，可采用伺服電動機(jī)驅(qū)動，驅(qū)動系統(tǒng)由伺服電動機(jī)、驅(qū)動器、編碼器組成，具有響應(yīng)時(shí)間快，轉(zhuǎn)速控制精度高，調(diào)速范圍寬的優(yōu)點(diǎn)，精度達(dá)到0.05%，調(diào)速范圍可達(dá)1∶50[4]；但該系統(tǒng)成本較高，速度和功率不宜過大，一般用于轉(zhuǎn)速的高精度控制和快速頻繁啟停以及擺動、雙向旋轉(zhuǎn)等工況模擬。

3.2.4 其他驅(qū)動形式

電動機(jī)加高速齒輪箱傳動等其他驅(qū)動形式也較為常見，可在保持較大功率的前提下實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)速輸出，但系統(tǒng)較為復(fù)雜，維護(hù)性和可靠性欠佳。隨著相關(guān)技術(shù)的成熟和進(jìn)步，一些新型驅(qū)動形式，如磁懸浮電主軸以及渦輪驅(qū)動等已在軸承試驗(yàn)機(jī)上應(yīng)用，目前主要應(yīng)用于超高速大功率場合。

3.3 加載技術(shù)

對軸承加載是試驗(yàn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，如何可靠、準(zhǔn)確、便利地實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)載荷的施加和控制是加載技術(shù)需要研究和解決的問題。

3.3.1 固定載荷加載

早期壽命試驗(yàn)一般采用固定載荷試驗(yàn)，對加載性能要求較低，試驗(yàn)中載荷保持恒定。載荷的具體施加形式有杠桿砝碼加載、彈簧加載、手動螺旋液壓加載等，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，加載準(zhǔn)確，成本低廉，噪聲??；缺點(diǎn)是無法實(shí)現(xiàn)自動變載，載荷范圍受結(jié)構(gòu)限制。砝碼加載不適合高速工況，手動螺旋液壓加載受溫度影響大，彈簧載荷的大小取決于彈簧的大小和彈簧的壓縮量。固定載荷加載目前在軸承壽命試驗(yàn)中仍有應(yīng)用。

3.3.2 電液比例加載

電液比例加載由液壓加載系統(tǒng)、工控機(jī)以及壓力傳感器組成一套閉環(huán)系統(tǒng)，通過液壓比例閥調(diào)控載荷，具有較高的控制精度和響應(yīng)速度，實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)載荷的自動、準(zhǔn)確調(diào)節(jié)，可預(yù)設(shè)載荷譜線進(jìn)行試驗(yàn)，配合工控機(jī)實(shí)現(xiàn)全自動化試驗(yàn)。

電液比例加載兼顧了技術(shù)先進(jìn)性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性，是目前試驗(yàn)加載技術(shù)的主流，在當(dāng)前軸承性能模擬試驗(yàn)機(jī)上普遍采用。以汽車輪轂軸承為例，其受載復(fù)雜多變，軸向載荷為拉壓交變載荷且有較高的響應(yīng)頻率要求，采用電液比例加載可較好地模擬其受載工況，試驗(yàn)中需配合快速響應(yīng)油缸和智能控制軟件，通過PID算法和軟硬件協(xié)調(diào)達(dá)到載荷的快速響應(yīng)輸出，有效控制超調(diào)量，避免試驗(yàn)數(shù)據(jù)失真，該系統(tǒng)在模擬試驗(yàn)中的響應(yīng)時(shí)間可達(dá)1 s，控制精度可達(dá)1%。

3.3.3 液壓伺服加載

液壓伺服加載依托于液壓伺服系統(tǒng)，液壓伺服系統(tǒng)是一種復(fù)雜的高精度閉環(huán)控制系統(tǒng)，相對于電液比例加載，可以實(shí)現(xiàn)更高的控制精度和更快的響應(yīng)時(shí)間，適用于高頻加載以及加載精度要求高的試驗(yàn)場合，其原理與比例加載相似，采用液壓伺服閥閉環(huán)控制載荷輸出，加載頻率最高可達(dá)每秒20次以上。液壓伺服系統(tǒng)成本高，對油源的清潔度等指標(biāo)要求很高，一般用于特殊軸承產(chǎn)品。

3.3.4 電動加載

隨著電動缸技術(shù)的成熟和成本逐步降低，電動加載逐步應(yīng)用于軸承試驗(yàn)，電動缸是伺服電動機(jī)與絲杠一體化設(shè)計(jì)的模塊化產(chǎn)品，通過將電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動實(shí)現(xiàn)電動載荷施加。相對于液壓與氣動加載，電動加載無需液壓油源、氣源等輔助系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)緊湊，節(jié)約空間，整體可靠性高，無油污污染，噪聲小，同時(shí)能達(dá)到很高的精度和響應(yīng)速度，控制和維護(hù)更為方便。

3.4 測控技術(shù)

對試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行測試并進(jìn)行有效監(jiān)控是試驗(yàn)過程控制的重要內(nèi)容，測控技術(shù)是軸承試驗(yàn)技術(shù)先進(jìn)性的重要體現(xiàn)，測控技術(shù)包含測試和控制兩部分。

軸承試驗(yàn)中基本的測試參數(shù)包括轉(zhuǎn)速、載荷、軸承溫度、供油溫度、環(huán)境溫度、振動、電流、電壓等。常規(guī)監(jiān)測參數(shù)主要是軸承溫度、振動以及主機(jī)電流。軸承溫度一般直接測量軸承非旋轉(zhuǎn)套圈，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠但信號滯后且不敏感，不能在軸承故障早期給予反映。軸承試驗(yàn)中最敏感的監(jiān)控信號是振動，在位移傳感器、速度傳感器和加速度傳感器中，采用加速度傳感器可以有效感知故障產(chǎn)生的沖擊，所測量信號的包絡(luò)譜可以直觀反映沖擊規(guī)律。

在壽命試驗(yàn)中，上述參數(shù)已經(jīng)可以滿足試驗(yàn)監(jiān)控需求，但在各類形式、內(nèi)容、目的各異的軸承性能試驗(yàn)中，上述監(jiān)控參數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足任務(wù)要求，套圈振動、旋轉(zhuǎn)套圈溫度、保持架轉(zhuǎn)速、摩擦力矩、沖擊力、加速度、油膜厚度、滑油屑末及元素等參數(shù)的監(jiān)控已逐漸在試驗(yàn)中應(yīng)用和研究，但也存在難點(diǎn)多，研究面廣的問題，是當(dāng)前軸承試驗(yàn)技術(shù)的重點(diǎn)研究方向。以套圈振動為例，其測試分析涉及到傳感器的選型、安裝定位，抗干擾和解耦技術(shù)以及信號頻譜分析，傳感器選型需根據(jù)振動信號的采樣頻率、采樣精度確定合適的量程和靈敏度，要求傳感器量程能覆蓋所有可能發(fā)生的故障特征頻率(與軸承尺寸和旋轉(zhuǎn)角速度有關(guān))，以便于后期通過包絡(luò)分析提取故障頻率并降低干擾影響。

目前，軸承試驗(yàn)過程基本達(dá)到計(jì)算機(jī)全自動控制，可實(shí)現(xiàn)無人值守和一鍵式操作。試驗(yàn)按預(yù)先設(shè)置的程序自動運(yùn)行，試驗(yàn)參數(shù)可設(shè)上下限報(bào)警值，信號超限自動停機(jī)；轉(zhuǎn)速、載荷及環(huán)境溫度等主參數(shù)均為計(jì)算機(jī)閉環(huán)控制，可任意設(shè)置或混合編譜。

3.5 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)方法的研究內(nèi)容主要包含確定試驗(yàn)步驟和試驗(yàn)參數(shù)(如樣本數(shù)、轉(zhuǎn)速、載荷、供油溫度和流量等)，明確失效判定準(zhǔn)則，制定數(shù)據(jù)處理方法等。

根據(jù)試驗(yàn)類型，軸承試驗(yàn)方法可分為壽命試驗(yàn)方法和性能試驗(yàn)方法。軸承壽命試驗(yàn)方法相對簡單、成熟，目前已有國家標(biāo)準(zhǔn)，如針對普通民用軸承的GB/T 24607—2009《滾動軸承 壽命與可靠性試驗(yàn)及評定》，針對航空發(fā)動機(jī)軸承的GJB 8530—2015《航空發(fā)動機(jī)主軸軸承耐久性試驗(yàn)方法》，針對軸承材料的JB/T 10510—2005《滾動軸承材料接觸疲勞試驗(yàn)方法》等；性能試驗(yàn)因軸承試驗(yàn)工況、條件各異，無統(tǒng)一方法，具體試驗(yàn)方法需根據(jù)軸承基本工況和研究目的制定。

3.5.1 壽命試驗(yàn)方法

軸承壽命最早采用完全試驗(yàn)，后期采用截尾試驗(yàn)和序貫試驗(yàn)等方式。截尾試驗(yàn)是隨機(jī)抽樣N個(gè)樣品，試驗(yàn)到部分樣品失效為止，又分為定數(shù)截尾、定時(shí)截尾和分組淘汰等；截尾試驗(yàn)一般失效套數(shù)不應(yīng)小于軸承樣品容量的2/3(最少應(yīng)保證6套)，以減小數(shù)據(jù)離散性，有利于數(shù)據(jù)處理。序貫試驗(yàn)對一組軸承樣品逐次試驗(yàn)并對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析判定，失效數(shù)量達(dá)到要求即停止試驗(yàn)；采用序貫試驗(yàn)方法對小子樣失效或無失效數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可以較快得出評定結(jié)果，試驗(yàn)效率較高。

1984年，軸研所作為行業(yè)歸口單位首次制定了關(guān)于軸承壽命試驗(yàn)的首個(gè)內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)ZQ12—1984《滾動軸承疲勞壽命試驗(yàn)規(guī)程》，經(jīng)多次修訂和完善后成為國標(biāo)，即GB/T 24607—2009。GB/T 24607明確了試驗(yàn)類型、試驗(yàn)樣本、試驗(yàn)設(shè)備、試驗(yàn)參數(shù)、試驗(yàn)程序、失效判斷準(zhǔn)則以及數(shù)據(jù)處理方法等關(guān)鍵內(nèi)容[5]，形成了一套科學(xué)、系統(tǒng)、合理可行的壽命試驗(yàn)方法，大大提升了滾動軸承試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)化程度。

軸承壽命試驗(yàn)周期長，成本高，為較快取得試驗(yàn)數(shù)據(jù)，壽命強(qiáng)化試驗(yàn)和加速試驗(yàn)逐漸得到重視和研究，其基本原理仍是軸承L10壽命計(jì)算公式，在不改變軸承失效機(jī)理的前提下，通過增大軸承試驗(yàn)載荷或轉(zhuǎn)速縮短試驗(yàn)時(shí)間，快速給出試驗(yàn)結(jié)果。由于軸承性能、工況、失效模式各異，且加速壽命試驗(yàn)涉及軸承失效原理等深層次理論，試驗(yàn)方法短期內(nèi)尚難以形成一個(gè)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，部分軸承是否適合進(jìn)行加速試驗(yàn)也存在一定爭議。

3.5.2 性能試驗(yàn)方法

軸承性能試驗(yàn)要求高，試驗(yàn)機(jī)研制難度大，部分性能試驗(yàn)由于缺乏完備、可靠的試驗(yàn)設(shè)備，尚不具備開展條件。同時(shí)，軸承性能試驗(yàn)方法也需要更多基礎(chǔ)理論和試驗(yàn)數(shù)據(jù)作支撐，這也是國內(nèi)試驗(yàn)研究的薄弱環(huán)節(jié)。

與軸承壽命試驗(yàn)的系統(tǒng)化、規(guī)范化相比，軸承性能試驗(yàn)方法研究整體滯后，近二十年來，雖然陸續(xù)制訂了一些國家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，如GB/T 32321—2015《滾動軸承 密封深溝球軸承 防塵、漏脂及溫升性能試驗(yàn)規(guī)程》，TB/T 3017.1—2016《機(jī)車車輛軸承臺架試驗(yàn)方法 第1部分：軸箱滾動軸承》，JB/T 13353—2017《滾動軸承 汽車輪轂軸承單元試驗(yàn)及評定方法》等，但試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)總體上仍不夠全面和完善，不能很好匹配當(dāng)前多樣化、個(gè)性化軸承產(chǎn)品的試驗(yàn)需求。僅以汽車輪轂軸承為例，其性能試驗(yàn)方法目前仍按照各主機(jī)客戶的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，尚未形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)[6]。

隨著軸承生產(chǎn)與科研的需要，一些專用和特種軸承也逐步開始進(jìn)行試驗(yàn)考核，此類軸承往往性能要求高，使用壽命長，加工工藝復(fù)雜，成本昂貴，如航空航天專用軸承以及風(fēng)電等重大型軸承等，不具備多子樣和長時(shí)間試驗(yàn)的現(xiàn)實(shí)條件，只能采取小子樣、短時(shí)數(shù)的無失效試驗(yàn)并采取一定的強(qiáng)化和加速方案，這就涉及到軸承小子樣無失效數(shù)據(jù)的可靠性統(tǒng)計(jì)處理問題，小子樣與強(qiáng)化加速試驗(yàn)相疊加，更增加了試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理和分析的復(fù)雜度，是當(dāng)前試驗(yàn)方法研究中的難點(diǎn)之一。

在軸承性能試驗(yàn)中，由于軸承失效模式的差異和相互關(guān)聯(lián)，加之試驗(yàn)數(shù)據(jù)積累不夠，一些失效準(zhǔn)則無法明確界定，如軸承磨損失效，目前尚無統(tǒng)一的失效概念和判定標(biāo)準(zhǔn)，特別是在特種軸承和非標(biāo)軸承試驗(yàn)中，并沒有以出廠精度標(biāo)準(zhǔn)作為磨損失效的判定依據(jù)，一般是結(jié)合試驗(yàn)運(yùn)轉(zhuǎn)情況給出參考意見。由于軸承類別、應(yīng)用場合及可靠性要求各異，軸承磨損等失效標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)分類起草制訂，并隨著試驗(yàn)數(shù)據(jù)的積累逐步完善。

4 軸承試驗(yàn)技術(shù)展望

隨著軸承產(chǎn)品在精度、轉(zhuǎn)速、承載能力、壽命和可靠性指標(biāo)上的不斷提升，對模擬技術(shù)、驅(qū)動技術(shù)、加載技術(shù)、控制技術(shù)等軸承試驗(yàn)技術(shù)會有更高的要求，對試驗(yàn)方法、試驗(yàn)分析、試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理也將提出新的挑戰(zhàn)，這也是軸承試驗(yàn)技術(shù)發(fā)展的驅(qū)動力和前進(jìn)方向。

隨著軸承產(chǎn)品的多樣化和個(gè)性化，軸承試驗(yàn)技術(shù)將更多地體現(xiàn)出高模擬度和精準(zhǔn)化，試驗(yàn)設(shè)備也將向精、特、專方向發(fā)展。

可以預(yù)見，隨著軸承試驗(yàn)技術(shù)的不斷提高以及相關(guān)技術(shù)的飛速發(fā)展，軸承試驗(yàn)智能化將成為最終目標(biāo)。智能試驗(yàn)將基于智能監(jiān)控及大數(shù)據(jù)技術(shù)，具備全方位信號監(jiān)測手段、龐大的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)和智能化處理能力，能夠?qū)崟r(shí)分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，預(yù)判試驗(yàn)結(jié)果，及時(shí)、精準(zhǔn)預(yù)警軸承故障，提前評估軸承壽命或其他性能指標(biāo)，智能化最終將為軸承試驗(yàn)研究帶來根本性改觀。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，在軸承設(shè)計(jì)和應(yīng)用方面的仿真分析已經(jīng)非常廣泛；在軸承試驗(yàn)領(lǐng)域，基于計(jì)算機(jī)的仿真研究以及虛擬儀器技術(shù)等同樣已得到關(guān)注，可大大縮短軸承試驗(yàn)周期，節(jié)省試驗(yàn)成本。據(jù)相關(guān)材料介紹，對于精度要求高的試驗(yàn)以及難以實(shí)施評價(jià)的試驗(yàn)，日本NSK已開始借助計(jì)算機(jī)進(jìn)行虛擬性試驗(yàn)。計(jì)算機(jī)仿真短期內(nèi)尚不能完全替代真實(shí)試驗(yàn)，二者互相促進(jìn)和融合也是未來軸承試驗(yàn)研究領(lǐng)域的發(fā)展方向。

軸承試驗(yàn)技術(shù)是多技術(shù)領(lǐng)域的綜合和集成化應(yīng)用，涵蓋了試驗(yàn)機(jī)等硬件技術(shù)開發(fā)和試驗(yàn)方法等理論研究，發(fā)展到今天已取得相當(dāng)大的技術(shù)進(jìn)步，研究范圍和深度日益擴(kuò)大。軸承品種多樣性和應(yīng)用領(lǐng)域廣泛性及其個(gè)性化要求，決定了軸承試驗(yàn)技術(shù)的研究發(fā)展內(nèi)容和方向，隨著軸承試驗(yàn)重要性的日益凸顯，對試驗(yàn)的重視和投入的不斷加大，軸承試驗(yàn)技術(shù)必將不斷向前發(fā)展。