专利名称：轴承球接触疲劳试验机的控制装置及其控制方法
技术领域：
本发明涉及机械领域中的疲劳试验，尤其涉及轴承球接触疲劳试验机的控制装置 及其控制方法。
背景技术：
滚动轴承球的接触疲劳寿命是在标准工况条件下，评价轴承材料性能和加工工艺 优劣的主要手段之一。滚动轴承球接触疲劳寿命通过对应的接触疲劳试验机获得。该试验 机主要由驱动轮1、导轮13、左支撑滚轮16、右支撑滚轮7、左陪试滚子15、右陪试滚子6和 驱动机构组成，可参见图1及对应已公开的CN2608972Y、CN101241044A中国专利申请。驱 动机构分别驱动驱动轮和导轮及支撑滚轮，左右陪试滚子与导轮上端及对应的支撑滚轮内 侧接触而产生滚动，轴承试验球支承在左右陪试滚子上，上端与承载载荷重量的驱动轮接 触，试验球的滚动通过与驱动轮及对应陪试滚子接触点处产生的摩擦力驱动。轴承球滚动接触疲劳寿命试验具有试验周期长、噪声大和破坏性强的特点，所以 目前由人工操作控制的整个轴承球疲劳试验过程，带来如下问题实验人员劳动强度大，记 录过程冗长、复杂，不可避免的会引起误差；试验机出现故障，常因人工监控处理不及时，导 致其它机械部件的损坏。此外，人工控制的疲劳寿命试验机还会因某些干扰导致误判，如人 工观察的失误，尚未失效的被试球被误认为已经失效而中止疲劳试验，所获试验数据不能 被采用，此前消耗的人、财、物力所做试验就被浪费了，由此大大提高了试验成本等。更为严 重的是，试样球一旦失效或试验机出现故障，如果不及时关机，就会产生链式反应，导致整 个设备损坏，不仅造成一定的经济损失，而且会危及人身及财产安全。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术之不足，提供一种能实现智能控制的轴承球接触 疲劳试验机的控制装置及其控制方法，为达到上述目的，本发明采用下述技术方案所述控制装置，设置在所述疲劳试验机中，该疲劳试验机主要由驱动轮、导轮、支 撑滚轮、陪试滚子、传动驱动滚轮的第一电机、传动导轮和支撑滚轮的第二电机及润滑机构 组成，该控制装置包括第一接近开关K1、第二接近开关K2、力传感器、油压传感器、振动传 感器、温度传感器、振动信号放大器、温度信号放大器、A/D转换�？�、驱动�？�、变频器，所 述接近开关、力传感器和油压传感器与A/D转换�？榈氖淙攵肆樱稣穸藕欧糯笃� 和温度信号放大器的输入端分别与对应的振动传感器和温度传感器连接，输出端分别与计 算机和驱动电路的对应输入端连接，驱动电路输出端连接所述润滑机构中的油泵电机、所 述第一电机和变频器，变频器连接第二电机。所述控制装置的进一步设计在于，所述驱动电路由输入电阻R、开关管G、继电器 KA和接触器KM及联动按钮SB2'、选择按钮SB2、手动启动按钮SB3、手动停止按钮SB4、继 电器和接触器组成，输入电阻R—端与所述A/D转换�？榈囊皇涑龆肆樱欢肆涌毓� G的基极，继电器KA的线圈串接在开关管G的集电极上；联动按钮SB2'和选择按钮SB2联动，实现联动按钮SB2'打开选择按钮SB2闭合或联动按钮SB2'闭合选择按钮SB2打开的 状态；继电器KA的�？サ阌肓磁B2'串接后并接在选择按钮SB2、启动按钮SB3和 停止按钮SB4串接后的两端，接触器的一�？サ悴⒔釉谘≡癜磁B2两端，接触器线圈与 选择按钮SB2、启动按钮SB3、停止按钮SB4串接后形成驱动电路的输出端\，该输出端连接 油泵电机M3、并通过所述接触器的两常开触点分别连接第一电机和变频器。所述控制装置的进一步设计在于，所述第一接近开关和第二接近开关分别置于驱 动滚轮和导轮的一侧，用于测量对应轮的转动圈数。所述控制装置的进一步设计在于，所述力传感器置于所述驱动滚轮与所述轴承球 接触的一侧，用于测量对轴承球所加的载荷；所述力传感器置于所述驱动滚轮与所述轴承 球接触的一侧，用于测量对轴承球所加的载荷；所述油压传感器置于所述润滑机构的油路 中，用于测量油路的油压；所述振动传感器置于驱动滚轮的转动轴上，用于测量驱动滚轮振 幅，所述温度传感器置于轴承球和陪试滚子之间，用于测量轴承球的温度。所述控制装置的控制方法，包括如下步骤1)选择开机模式，通过旋动选择旋钮SB2，选择手动开机还是自动开机，若选择手 动开机模式，旋动SB2使其闭合，电源线路上的电源按钮SB1闭合，油泵开启，再按动启动按 钮SB3所述装置开始工作，如使所述装置停止工作，按动停止按钮SB4 ；若选择自动开机模 式，则按下述程序进行；2)设置参数，通过所述计算机的键盘输入下列参数温度预警值T，振动预警值V， 油压预警值P，运行时间H;3)开启自动控制程序；4)对疲劳试验的种类进行选择；5)通过力传感器采集并显示初始载荷值，给出需要增加或减少的载荷，显示最终 工作载荷；6)由所述接近开关和传感器采集相关信号，采集的信号经A/D转换�？榈哪� 拟——数字转换，对应数字信号输入到所述计算机，进行如下处理；7)依据两所述接近开关分别采集的驱动轮和导轮的转速信号，判别轴承球有无 滑动，如两者转速相同，无滑动；如两者转速不相同，有滑动，调节导轮速度，使两者转速相 同；8)是否到设定试验时间的分析判断，如进行的是非完全疲劳试验，对所述疲劳试 验机运行时间进行分析判断，若运行时间<若T，所述疲劳试验机继续运行；若运行时间
未停机，发出报警信号；9)其它相关参数的分析判断a.若振动信号< V，继续采集下一个振动信号；若振动信号> V，发出报警信号，所 述疲劳试验机停机；b.若温度信号< T，继续采集下一个温度信号；若温度信号> T，发出报警信号，所 述疲劳试验机停机；c.若油压信号>P，继续采集下一个油压信号；若油压信号<P，发出报警信号，所 述疲劳试验机停机。本发明根据第一接近开关和第二接近开关测得驱动滚轮和导轮之间转速，来判断试验的轴承球是否产生滑动，通过自动调节驱动导轮从转动的电机转速，使驱动滚轮和导 轮的转速一致，以消除被试球的滚滑状态，使其处于纯滚动状态。此外，本发明通过多种类 型传感器拾取表征试验机状态的多种物理信号，这些信号包括加载载荷、振动、油温和油压 等信号，这些经传感器感应的物理量经A/D�？樽涑墒中藕糯偷郊扑慊扑慊� 据设定的规则和极限值对这些信号进行分析处理，如符合某一规则或超过所设定的极限 值，产生对应的控制信号或报警信号对试验机进行控制或使试验机自动关机。由此产生这 样的有益效果试验过程及结果由计算机自动准确地记录，准确识别试样球的工作状态，不 会产生人为的误判而导致试验终止并由此产生的人、财、物力的浪费，节约试验成本，同时 大大减轻实验人员劳动强度，提高试验效率及试验的自动化程度。试验机由计算机监控，一 旦出现故障能及时处理，可消除可能由这些故障导致的机械部件的损坏。由此可使试验更 安全，设备得到更好地保护，，保证试验机可靠有效地运行。
图1是疲劳试验机及传感器设置位置的示意图。图2是本发明控制装置的结构示意图。图3是本发明控制装置的控制框图。图中，1振动传感器，2驱动轮，3热电偶，4油管线，5试样球，6右陪试滚子，7右支 撑滚轮，8油压传感器，9油箱，10第一接近开关，13导轮，14左陪试滚子，15力传感器，16左 支撑滚轮，17第二接近开关，19-温度信号放大器，21A/D转换�？椋�22振动信号放大器，23 驱动电路，24变频器，25计算机，
具体实施例方式本发明控制装置置于图1所示的轴承球接触疲劳试验机中，该试验机主要由驱动 轮2、导轮13、左支撑滚轮16、右支撑滚轮7、左陪试滚子14、右陪试滚子6、传动驱动轮2的 第一电机(未画出)、传动导轮13和两支撑滚轮7、16的第二电机(未画出)及润滑机构组 成，左右陪试滚子14、6与导轮13上端和对应的左右支撑滚轮内侧接触，左右陪试滚子14、 6的滚动由导轮13和与之有接触的支撑滚传动。轴承试验球5支承在左右陪试滚子14、6 上，轴承试验球5的上端与承载载荷重量的驱动轮2的下端接触，试验球5的滚动通过驱动 轮2、左右陪试滚子14、6驱动。本发明控制装置如图2所示，主要由第一接近开关10、第二接近开关17、力传感器 15、油压传感器8、振动传感器1、温度传感器(热电偶3)、振动信号放大器22、温度信号放 大器19、A/D转换�？�21、驱动�？�23和变频器24组成。第一接近开关10、第二接近开关 17、力传感器15和油压传感器8与A/D转换�？�21的输入端连接，振动信号放大器22和 温度信号放大器19的输入端分别与振动传感器1和热电偶3连接，A/D转换�？�21的输 出端分别与计算机25和驱动电路23的对应输入端连接。驱动电路23由输入电阻R、开关 管G、继电器KA和接触器KM及联动按钮SB2 ‘、选择按钮SB2、启动按钮SB3、停止按钮SB4、 继电器和接触器组成。输入电阻R —端与所述A/D转换�？榈囊皇涑龆肆樱欢肆涌� 关管G的基极，继电器KA的线圈串接在开关管G的集电极上。联动按钮SB2'和选择按钮 SB2联动，即当联动按钮SB2'处于打开状态时，选择按钮SB2处于闭合状态；或当联动按
6钮SB2'处于闭合状态时，选择按钮SB2处于打开状态。继电器KA的�？サ阌肓磁� SB2'串接后并接在由选择按钮SB2、启动按钮SB3和停止按钮SB4串接后的两端。接触器 的常开触点并接在选择按钮SB2两端，接触器线圈与选择按钮SB2、启动按钮SB3、停止按钮 SB4串接后形成驱动电路的输出端\，该输出端连接油泵电机M3、并通过所述接触器的两常 开触点KM分别连接第一电机Ml和变频器24。第二电机M2与变频器24耦合，以获得对应 频率的电源。上述的第一接近开关10、第二接近开关17采用TL-5MC1型霍尔元件，用于测量图 1所示试验机中驱动轮2和导轮13的转速，分别置于对应的驱动轮和导论的一侧。力传感 器15采用CL-YD-301型力传感器，该力传感器置于驱动轮2与试样球5相接触的一侧，用 于测量对轴承球所加的载荷。油压传感器8采用PTT206型油压传感器，置于试验机的润滑 机构的油路4中，用于测量油路的油压。振动传感器1采用CA-YD-103型，该传感器1置于 驱动轮2的转动轴上，用于测量驱动轮2的振幅。温度传感器采用T-500型热电偶3置于 试样球5和陪试滚子6 (14)之间，用于测量试样球5的温度。A/D转换�？椴捎肗I6212采 集卡。开关管G采用功率开关管TIP122达林顿管。对照图3，上述控制装置的控制方法，按如下步骤进行1)首先选择开机模式，通过旋动选择选钮SB2来选择手动开机还是自动开机。若 选择手动开机模式，旋动选择按钮至SB2，使该按钮闭合。电源线路上的电源按钮SB1闭合， 油泵电机M3工作，油泵开启。再按动启动按钮SB3使本发明装置开始工作，如使本发明装 置停止工作，按动停止按钮SB4。若选择自动开机模式，旋动选择按钮至SB2’，使该按钮闭 合，则按下述程序进行2)接着设置参数，通过本发明装置中计算机的键盘输入相关参数温度预警值T， 振动预警值V，油压预警值P，运行时间H。3)上述请求发出后，所述计算机发出开启自动控制程序的请求。4)对疲劳试验的种类进行选择，对是否完全疲劳试验进行选择，如不是完全疲劳 试验，对试验时间进行设定。5)采集初始载荷值，计算机首先发出采集载荷的信号，然后依据采集的初始载荷 值和预先设定的工作载荷值，由显示器显示需要增加或减少的载荷值。6)采集相关参数，计算机发出采集温度、振动、油压值、驱动滚轮和导轮转动圈数 及运行时间的信号。第一接近开关、第二接近开关采集的信号，经输入口 DI1和DI2输入到 OT6212采集卡，输送当前采集的驱动滚轮和导轮转动圈数，从而得到驱动滚轮和导轮的转 速；力传感器拾取的信号分别经输入口 AI2和All进入上述采集卡，获得加载载荷的大小， 从而得到接触应力值；振动传感器拾取的振动信号由对应放大器放大后经输入口 AI3输入 到NI6212采集卡；油压传感器经All进入上述采集卡向输入油压信号；温度传感器即热电 偶采集的温度信号通过对应的信号放大器经输入口 AI4进入上述采集卡。采集卡数据输出 口 DO输出信号控制继电器KA的断开，继电器KA的断开后接触器KM也断开，从而控制电机 的关闭即关机，计算机存储上述信号并通过对应的显示器显示。其具体处理过程如下述的 过程7)防止轴承球产生滑动的控制，计算机依据第一、第二接近开关分别采集的驱动 轮和导轮的转速信号来进行分析处理，从而判别轴承球有无滑动。若驱动滚轮和导轮的转速相同，无滑动；若驱动滚轮和导轮的转速不相同，有滑动，则调整导轮的转速。此时启动变 频器，来调节驱动导轮电机M2的转速，直至驱动轮和导轮的转速相等。8)是否到设定试验时间的分析处理，如进行的是非完全疲劳试验，对所述疲劳试 验机运行时间进行分析判断，若运行时间<若T，所述疲劳试验机继续运行；若运行时间 ^ T未停机，发出报警信号，所述疲劳试验机停机，并在对应显示器上显示“试验时间已到” 的提示；9)其它相关参数的分析处理a.若振动信号< V，继续采集下一个振动信号；若振动信号> V，发出报警信号，所 述疲劳试验机停机，在对应显示器上显示“轴承球失效或其它旋转零件损坏，请检查…”的 提示；b.若温度信号< T，继续采集下一个温度信号；若温度信号> T，发出报警信号，所 述疲劳试验机停机，在对应显示器上显示“温度过高，请检查润滑是否正常…”的提示；c.若油压信号> P，继续采集下一个油压信号；若油压信号< P，发出报警信号，所 述疲劳试验机停机，在对应显示器上显示“润滑系统油压不正常，请检查…”的提示。
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权利要求
轴承球接触疲劳试验机的控制装置，设置在主要由驱动轮、导轮、支撑滚轮、陪试滚子、传动驱动滚轮的第一电机、传动导轮和支撑滚轮的第二电机及润滑机构组成的疲劳试验机中，其特征在于所述控制装置包括第一接近开关、第二接近开关、力传感器、油压传感器、振动传感器、温度传感器、振动信号放大器、温度信号放大器、A/D转换�？椤⑶？�、变频器，所述接近开关、力传感器和油压传感器与A/D转换�？榈氖淙攵肆樱稣穸藕欧糯笃骱臀露刃藕欧糯笃鞯氖淙攵朔直鹩攵杂Φ恼穸衅骱臀露却衅髁樱涑龆朔直鹩爰扑慊颓缏返亩杂κ淙攵肆樱缏肥涑龆肆铀鋈蠡怪械挠捅玫缁�、所述第一电机和变频器，变频器连接第二电机。
2.根据权利要求1所述的轴承球接触疲劳试验机的控制装置，其特征在于所述驱动电 路由输入电阻R、开关管G、继电器KA和接触器KM及联动按钮SB2'、选择按钮SB2、启动按 钮SB3、停止按钮SB4组成，输入电阻R—端与所述A/D转换�？榈囊皇涑龆肆樱欢丝� 管G的基极，继电器KA的线圈串接在开关管G的集电极上；联动按钮SB2'和选择按钮SB2 联动，实现联动按钮SB2'打开选择按钮SB2闭合或联动按钮SB2'闭合选择按钮SB2打开 的状态；继电器KA的�？サ阌肓磁B2'串接后并接在选择按钮SB2、启动按钮SB3 和停止按钮SB4串接后的两端，接触器的一�？サ悴⒔釉谘≡癜磁B2两端，接触器线圈 与选择按钮SB2、启动按钮SB3、停止按钮SB4串接后形成驱动电路的输出端\，该输出端连 接油泵电机M3、并通过所述接触器的两�？サ惴直鹆拥谝坏缁捅淦灯鳌�
3.根据权利要求1所述的轴承球接触疲劳试验机的控制装置，其特征在于所述第一接 近开关和第二接近开关分别置于驱动滚轮和导轮的一侧，用于测量对应轮的转动圈数。
4.根据权利要求1所述的轴承球接触疲劳试验机的控制装置，其特征在于所述力传感 器置于所述驱动滚轮与所述轴承球接触的一侧，用于测量对轴承球所加的载荷；所述油压 传感器置于所述润滑机构的油路中，用于测量油路的油压；所述振动传感器置于驱动滚轮 的转动轴上，用于测量驱动滚轮振幅，所述温度传感器置于轴承球和陪试滚子之间，用于测 量轴承球的温度。
5.如权利要求1所述控制装置的控制方法，其特征在于包括如下步骤1)选择开机模式，通过旋动选择旋钮SB2，选择手动开机还是自动开机，若选择手动开 机模式，旋动选择按钮至SB2，使其闭合，电源线路上的电源按钮SB1闭合，油泵开启，再按 动启动按钮SB3所述控制装置开始工作，如使所述控制装置停止工作，按动停止按钮SB4 ； 若选择自动开机模式，旋动选择按钮SB2’，使其闭合，则按下述程序进行；2)设置参数，通过所述计算机的键盘输入下列参数温度预警值T，振动预警值V，油压 预警值P，运行时间H;3)开启自动控制程序；4)对疲劳试验的种类进行选择；5)通过力传感器采集并显示初始载荷值，给出需要增加或减少的载荷，显示最终工作 载荷；6)由所述接近开关和传感器采集相关信号，采集的信号经A/D转换模块的模拟——数 字转换，对应数字信号输入到所述计算机，进行如下处理；7)依据两所述接近开关分别采集的驱动轮和导轮的转速信号，判别轴承球有无滑动， 如两者转速相同，无滑动；如两者转速不相同，有滑动，调节导轮速度，使两者转速相同；8)是否到设定试验时间的分析处理，如进行的是非完全疲劳试验，对所述疲劳试验机 运行时间进行分析判断，若运行时间< T，所述疲劳试验机继续运行；若运行时间> T，发出 报警信号，所述疲劳试验机停机；9)其它相关参数的分析处理a.若振动信号<V，继续采集下一个振动信号；若振动信号>V，发出报警信号，所述疲 劳试验机停机；b.若温度信号<T，继续采集下一个温度信号；若温度信号>T，发出报警信号，所述疲 劳试验机停机；c.若油压信号>P，继续采集下一个油压信号；若油压信号<P，发出报警信号，所述疲 劳试验机停机。
全文摘要
本发明涉及轴承球接触疲劳试验机的控制装置及其控制方法。控制装置包括第一接近开关、第二接近开关、压力传感器、油压传感器、振动传感器、温度传感器、振动信号放大器、温度信号放大器、A/D转换模块、驱动�？�、变频器，接近开关、压力传感器和油压传感器与A/D转换�？榈氖淙攵肆樱穸藕欧糯笃骱臀露刃藕欧糯笃鞯氖淙攵朔直鹩攵杂Φ恼穸衅骱臀露却衅髁樱涑龆朔直鹩爰扑慊颓缏返亩杂κ淙攵肆樱缏肥涑龆肆铀鋈蠡怪械挠捅玫缁�、第一电机和变频器，变频器连接第二电机。控制方法包括选择开机模式、设置参数、试验种类选择、给出载荷、对输入信号进行分析处理等步骤。优点是劳动强度低，故障及时处理，设备得到保护。
文档编号G01M13/04GK101975660SQ20101027156
公开日2011年2月16日 申请日期2010年9月1日 优先权日2010年9月1日
发明者任雨松, 吴国庆, 周井玲, 左伟明, 陈建春, 陈晓阳 申请人:南通大学
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