滚动轴承试验技术概述

许冬冬，王昆平，温朝杰，王健，黎建涛

(1.洛阳轴承研究所有限公司，河南 洛阳 471039；2.河南省高性能轴承技术重点实验室，河南 洛阳 471039;3.空军装备部驻洛阳地区第二军事代表室, 河南 洛阳 471009)

轴承试验指在试验设备上模拟轴承工况对轴承进行测试、考核、验证及分析。试验是轴承研发过程中的重要环节，对于提升轴承质量水平，把控质量风险意义重大，国内外轴承企业都对轴承试验的研究极为重视。

轴承试验包括寿命试验和性能试验，二者并无严格意义上的区分和界定，主要区别在于试验目的、试验方法和试验模拟程度，性能试验通常更强调模拟性。轴承试验技术是机、电、液领域相关技术的集成和综合应用，决定着试验结果的准确性和可靠性。轴承试验技术主要包含模拟技术、驱动技术、加载技术、测控技术以及试验方法等内容，其中模拟技术是试验研究的核心，指在试验机上模拟轴承的装配、运转、承载、润滑、环境等主要工况。

1 国内轴承试验技术发展历史及现状

20世纪60年代初期，随着轴承行业一所三厂的恢复和组建，轴承相关试验研究工作逐渐展开，国内以洛阳轴承研究所(以下简称轴研所)为代表开始进行系统化的轴承试验研究。

国内轴承试验技术(试验设备和试验方法)主要来源于苏联，试验设备初期按照苏制ЦКБ系列轴承试验机图纸仿制，后期在消化吸收的基础上进行了改造升级，并逐步开始自主研发，但试验机主体方案上仍沿用原设计思路。

轴承试验最早以常规寿命试验为主，试验方法为完全试验，即多套轴承(通常不小于8套)同时装机连续运转至轴承全部疲劳失效。数据处理取算术平均值而非统计意义上的平均。早期的接触疲劳试验机如图1所示。

20世纪70年代，韦布尔分布方法被引入试验数据的统计分析，轴研所于20世纪80年代开始系统化的可靠性和寿命估算方法研究，并进行了滚动轴承序贯试验方法研究[1]，推进了轴承寿命与可靠性的考核工作。寿命试验数据处理采用定数截尾的极大似然法和最佳线性不变估计等多种处理方法。

早期轴承试验目的主要是轴承结构验证试验和寿命考核，偏重于轴承的结构定型。随着轴承设计主参数的确定以及轴承的标准化，轴承试验逐步围绕产品优化设计展开，普通寿命试验的比重也逐步下降，而轴承工况模拟试验以及寿命加速试验等开始成为试验研究的主要内容。

20世纪80年代中后期，出于科研和生产需要，国内相关单位先后自主研发、购置了一系列新型轴承试验设备。例如轴研所开发了防尘防汽性能试验机，漏脂性能试验机，密封圈试验机等密封轴承性能试验机，同时从国外引进了斯太尔汽车轴承专用试验机等；上海微型轴承厂自行研制了微型电机轴承试验机；杭州轴承试验研究中心引进了美国F&M5型滚动轴承试验机，同时自行研制了B10-60R系列滚动轴承疲劳寿命试验机：这些试验设备为国内轴承的优化设计和质量考核提供了试验手段，促进了国内轴承试验技术的进步。

进入21世纪，轴承试验的研究范围、类型、功能进一步扩大和丰富，技术指标也得到长足进步，常规寿命试验机可覆盖内径8～180 mm的轴承产品，试验最大径向载荷可达500 kN，最大轴向载荷可达300 kN，高速性能试验转速可达60 000 r/min以上。计算机自动控制、高速电主轴及变频驱动、电液比例加载等新技术的应用使轴承试验进入了一个全新的发展阶段。

同时，随着轴承行业规模的迅速扩张以及众多民营企业的发展，各轴承生产企业基于轴承质量控制要求以及市场竞争的需要，相继建立轴承实验室，轴承试验研究得到空前重视。轴研所先后开发了汽车轴承试验机、铁路机车车辆轴承试验机、精密机床主轴轴承试验机、风电轴承试验机等一系列性能模拟试验机，并开展了相关轴承的性能试验研究，如汽车轴承系列试验机可分别模拟汽车离合器、发电机、轮毂轴承的工况进行试验，而汽车轮毂轴承试验机可以进行耐久性、泥浆、高温等多种性能试验。轴研所、杭州轴承试验研究中心等还分别开展了轴承疲劳寿命强化试验研究，探索加速试验理论，试验研究的广度和深度不断拓展。

除常规试验设备外，为满足一些高端轴承的试验需求，一批专用高性能试验机得以研制，并陆续开展了高温高速、低温高速等极端工况模拟试验研究，如航空轴承试验机专用于航空发动机主轴及附件轴承试验，航天轴承试验机专用于航天器或火箭发动机轴承试验。由于该类轴承工作条件恶劣，性能要求特殊，可靠性要求高，所以其试验研究具有转速高、载荷大、超高(低)温环境、试验参数多和参数测试精度高等技术特点，从整体上促进了国内轴承试验研究水平的进一步提高。

2 国外轴承试验技术

国外对轴承试验研究极为重视,试验研究开展较早，技术能力强大，试验数据积累充分，为轴承产品性能验证和优化，以及轴承寿命理论体系研究提供了有力支撑。

国外开展轴承试验研究的单位主要有三类：一是大型轴承生产企业，如瑞典SKF、德国FAG、日本NSK和NTN、美国TIMKEN等；二是大型国际零配件供应商，如美国DELPHI和F-M公司；三是主机应用领域的巨头企业或研究机构，如美国NASA、英国R.R公司、德国大众等。除此之外，一些传统的试验设备供应商，如美国MTS和Instron也涉足轴承试验设备研发。

国外大型公司都有专门的实验室长期开展试验研究，如SKF最早在行业内开展了系统化的轴承寿命试验研究，其实验室有RZ，R4和RS等多种型号的疲劳寿命试验机。在试验研究早期，SKF一直用6309轴承进行寿命试验,用50套6309 轴承得到了寿命质量的连续记录，得到了轴承寿命可靠性的数据。著名的Palmgren理论中，许多参数均来自于6309轴承试验[2]。

除寿命试验机，SKF还拥有大量性能试验机。SKF最早研制了A字形轮毂轴承试验机，可周期性施加动态载荷并进行力矩加载，并在后期通过升级改造不断提升其性能和模拟度。SKF位于Sven Wingquist测试中心的大型轴承试验平台如图2所示，其能够准确模拟轴承承载形式并动态施加载荷，可对风电轴承等大型轴承进行性能测试。

图2 SKF大型轴承试验台

除SKF外，其他企业也具备很强的试验能力，开展了多种前沿性和创新性的试验研究。如NSK对电机轴承进行高频电蚀再现试验；丰田研发中心实验室以高精度流体仿真技术进行油气润滑状态下轴承内部气流的特性分析；JTKET采用高敏热成像技术测量轴承内部温度等。

以美国NASA为代表的研究机构是航空航天特种轴承试验领域的领跑者，其具备轴承试验的尖端技术。轴承作为飞机与航天器的核心部件，工况极其恶劣，大部分轴承在极限温度条件下工作，转速高，载荷大，研制难度极大，能否对轴承进行试验模拟成为轴承研制成败的关键环节。美国NASA、英国R.R公司先后研制了高温高速试验设备，专用于航空发动机主轴轴承的考核。而美国和俄罗斯等国最早在航天低温轴承及试验领域开展研究，技术水平处于领先地位，其中美国NASA于1982年建造了首台航天轴承及密封试验机，1996年完成了其改进型LH2试验机(图3)。

图3 LH2型低温轴承试验机

借助于一流的试验设备，NASA开展了大量航空、航天轴承模拟试验，如断油试验、超载超转试验等，试验轴承dn值达到3.5×106mm·r/min以上，试验温度在300 ℃以上，几十年来，其性能试验累积时数超过30×104h，为其在航空航天领域保持技术领先发挥了基础性作用。

除轴承成品试验外，轴承零件、材料、润滑剂等相关试验研究更为广泛，如NASA开展了不同材料的钢球疲劳试验并与全尺寸轴承试验结果进行了对比分析[3]。这些试验研究实际上已延伸到其他基础学科并与之形成交叉和支撑。

3 轴承试验技术主要内容

轴承试验技术主要包含以试验设备为核心的硬件技术和以试验方法为核心的软件技术。硬件技术包含模拟技术、驱动技术、加载技术、测控技术等，模拟技术是轴承试验技术的核心，驱动技术、加载技术、测控技术是开展试验研究必不可少的组成部分。软件技术包含试验方法和试验数据的分析处理，是试验过程的科学性、有效性以及试验结果的参考性、可靠性的基本保证。

3.1 模拟技术

模拟技术主要包含结构模拟和环境模拟，结构模拟主要指模拟轴承的安装、定位形式、配合关系、旋转方式、受力形式、润滑形式和结构等，环境模拟主要是指模拟环境温度、介质、压力、真空度、振动等。

模拟技术是试验研究的核心内容，主导整体试验方案并贯穿试验研究的全过程，影响试验分析和最终结果。模拟技术在轴承试验机的主体设计中体现，其要求则可延伸到驱动、加载、润滑等试验子系统。

普通的寿命试验只需模拟轴承的转速、载荷以及基本的安装、润滑即可达到目的，性能试验则需要对轴承实际应用中的装配结构、润滑条件及环境条件等进行准确模拟，模拟度越高，试验结果越真实。通常，对轴承转速和载荷(包括力矩)谱线进行动态模拟是性能试验最基本的要求；另外，需要尽可能模拟轴承的工作温度、压力、振动条件以及尘雾、泥浆、真空、液氮等外部环境进行试验；对于某些特殊应用场合，还需考虑轴承贫油、打滑、冲击等工况的模拟。

某高铁牵引电动机轴承综合模拟试验台如图4所示，其是一个典型的轴承模拟技术应用实例，实现了该类轴承安装结构、载荷、温度、湿度、风速及三维振动等全要素模拟。

图4 牵引电动机轴承综合模拟试验台

相对来说，轴承寿命试验以产品寿命和可靠性为考核目标，对模拟性要求略低，而性能试验可能仅以轴承某项性能指标为验证目的，希望短时间内得到试验结果，其模拟程度通常高于寿命试验。

3.2 驱动技术

轴承的旋转运动依靠驱动和传动机构实现，其设计选型涉及转速和功率2个主参数，可由轴承试验工况直接确定。

对于常规寿命试验，普通三相电动机即可满足要求，而对于要求各异的性能试验以及特殊应用工况下的模拟试验，则需要开发各类高性能驱动电动机，如超高速电动机、大功率高速电动机等，这也是目前高精尖轴承试验研究中的制约因素和急需突破的关键技术。

3.2.1 三相异步电动机驱动

对于通用型轴承的寿命试验，转速低、载荷大，一般采用三相异步电动机驱动，转速调节采用变频器开环控制，调速精度约2%，配以皮带传动(三角带、同步带等)或传动轴，输出转速一般不超过8 000 r/min。

3.2.2 电主轴直接驱动

当轴承试验转速较高时，通常采用电主轴直驱形式。驱动系统由电主轴、变频器、转速传感器、润滑冷却器组成，转速适用区间一般为10 000～100 000 r/min，采用闭环调速，控制精度0.5%以内，调速范围可达1∶20[4]。电主轴直驱形式的优点是转速高、结构简单、噪声小、易控制，但输出功率较小，适用于高速轻载工况。

3.2.3 伺服电动机驱动

当对轴承转速的控制精度要求很高或对轴承旋转形式有特殊要求时，可采用伺服电动机驱动，驱动系统由伺服电动机、驱动器、编码器组成，具有响应时间快，转速控制精度高，调速范围宽的优点，精度达到0.05%，调速范围可达1∶50[4]；但该系统成本较高，速度和功率不宜过大，一般用于转速的高精度控制和快速频繁启停以及摆动、双向旋转等工况模拟。

3.2.4 其他驱动形式

电动机加高速齿轮箱传动等其他驱动形式也较为常见，可在保持较大功率的前提下实现高转速输出，但系统较为复杂，维护性和可靠性欠佳。随着相关技术的成熟和进步，一些新型驱动形式，如磁悬浮电主轴以及涡轮驱动等已在轴承试验机上应用，目前主要应用于超高速大功率场合。

3.3 加载技术

对轴承加载是试验的关键环节，如何可靠、准确、便利地实现试验载荷的施加和控制是加载技术需要研究和解决的问题。

3.3.1 固定载荷加载

早期寿命试验一般采用固定载荷试验，对加载性能要求较低，试验中载荷保持恒定。载荷的具体施加形式有杠杆砝码加载、弹簧加载、手动螺旋液压加载等，其特点是结构简单，加载准确，成本低廉，噪声小；缺点是无法实现自动变载，载荷范围受结构限制。砝码加载不适合高速工况，手动螺旋液压加载受温度影响大，弹簧载荷的大小取决于弹簧的大小和弹簧的压缩量。固定载荷加载目前在轴承寿命试验中仍有应用。

3.3.2 电液比例加载

电液比例加载由液压加载系统、工控机以及压力传感器组成一套闭环系统，通过液压比例阀调控载荷，具有较高的控制精度和响应速度，实现了试验载荷的自动、准确调节，可预设载荷谱线进行试验，配合工控机实现全自动化试验。

电液比例加载兼顾了技术先进性、经济性和可靠性，是目前试验加载技术的主流，在当前轴承性能模拟试验机上普遍采用。以汽车轮毂轴承为例，其受载复杂多变，轴向载荷为拉压交变载荷且有较高的响应频率要求，采用电液比例加载可较好地模拟其受载工况，试验中需配合快速响应油缸和智能控制软件，通过PID算法和软硬件协调达到载荷的快速响应输出，有效控制超调量，避免试验数据失真，该系统在模拟试验中的响应时间可达1 s，控制精度可达1%。

3.3.3 液压伺服加载

液压伺服加载依托于液压伺服系统，液压伺服系统是一种复杂的高精度闭环控制系统，相对于电液比例加载，可以实现更高的控制精度和更快的响应时间，适用于高频加载以及加载精度要求高的试验场合，其原理与比例加载相似，采用液压伺服阀闭环控制载荷输出，加载频率最高可达每秒20次以上。液压伺服系统成本高，对油源的清洁度等指标要求很高，一般用于特殊轴承产品。

3.3.4 电动加载

随着电动缸技术的成熟和成本逐步降低，电动加载逐步应用于轴承试验，电动缸是伺服电动机与丝杠一体化设计的模块化产品，通过将电动机的旋转运动转换成直线运动实现电动载荷施加。相对于液压与气动加载，电动加载无需液压油源、气源等辅助系统，结构紧凑，节约空间，整体可靠性高，无油污污染，噪声小，同时能达到很高的精度和响应速度，控制和维护更为方便。

3.4 测控技术

对试验参数进行测试并进行有效监控是试验过程控制的重要内容，测控技术是轴承试验技术先进性的重要体现，测控技术包含测试和控制两部分。

轴承试验中基本的测试参数包括转速、载荷、轴承温度、供油温度、环境温度、振动、电流、电压等。常规监测参数主要是轴承温度、振动以及主机电流。轴承温度一般直接测量轴承非旋转套圈，数据准确可靠但信号滞后且不敏感，不能在轴承故障早期给予反映。轴承试验中最敏感的监控信号是振动，在位移传感器、速度传感器和加速度传感器中，采用加速度传感器可以有效感知故障产生的冲击，所测量信号的包络谱可以直观反映冲击规律。

在寿命试验中，上述参数已经可以满足试验监控需求，但在各类形式、内容、目的各异的轴承性能试验中，上述监控参数远远不能满足任务要求，套圈振动、旋转套圈温度、保持架转速、摩擦力矩、冲击力、加速度、油膜厚度、滑油屑末及元素等参数的监控已逐渐在试验中应用和研究，但也存在难点多，研究面广的问题，是当前轴承试验技术的重点研究方向。以套圈振动为例，其测试分析涉及到传感器的选型、安装定位，抗干扰和解耦技术以及信号频谱分析，传感器选型需根据振动信号的采样频率、采样精度确定合适的量程和灵敏度，要求传感器量程能覆盖所有可能发生的故障特征频率(与轴承尺寸和旋转角速度有关)，以便于后期通过包络分析提取故障频率并降低干扰影响。

目前，轴承试验过程基本达到计算机全自动控制，可实现无人值守和一键式操作。试验按预先设置的程序自动运行，试验参数可设上下限报警值，信号超限自动停机；转速、载荷及环境温度等主参数均为计算机闭环控制，可任意设置或混合编谱。

3.5 试验方法

试验方法的研究内容主要包含确定试验步骤和试验参数(如样本数、转速、载荷、供油温度和流量等)，明确失效判定准则，制定数据处理方法等。

根据试验类型，轴承试验方法可分为寿命试验方法和性能试验方法。轴承寿命试验方法相对简单、成熟，目前已有国家标准，如针对普通民用轴承的GB/T 24607—2009《滚动轴承 寿命与可靠性试验及评定》，针对航空发动机轴承的GJB 8530—2015《航空发动机主轴轴承耐久性试验方法》，针对轴承材料的JB/T 10510—2005《滚动轴承材料接触疲劳试验方法》等；性能试验因轴承试验工况、条件各异，无统一方法，具体试验方法需根据轴承基本工况和研究目的制定。

3.5.1 寿命试验方法

轴承寿命最早采用完全试验，后期采用截尾试验和序贯试验等方式。截尾试验是随机抽样N个样品，试验到部分样品失效为止，又分为定数截尾、定时截尾和分组淘汰等；截尾试验一般失效套数不应小于轴承样品容量的2/3(最少应保证6套)，以减小数据离散性，有利于数据处理。序贯试验对一组轴承样品逐次试验并对试验结果进行分析判定，失效数量达到要求即停止试验；采用序贯试验方法对小子样失效或无失效数据进行处理，可以较快得出评定结果，试验效率较高。

1984年，轴研所作为行业归口单位首次制定了关于轴承寿命试验的首个内部标准ZQ12—1984《滚动轴承疲劳寿命试验规程》，经多次修订和完善后成为国标，即GB/T 24607—2009。GB/T 24607明确了试验类型、试验样本、试验设备、试验参数、试验程序、失效判断准则以及数据处理方法等关键内容[5]，形成了一套科学、系统、合理可行的寿命试验方法，大大提升了滚动轴承试验的标准化程度。

轴承寿命试验周期长，成本高，为较快取得试验数据，寿命强化试验和加速试验逐渐得到重视和研究，其基本原理仍是轴承L10寿命计算公式，在不改变轴承失效机理的前提下，通过增大轴承试验载荷或转速缩短试验时间，快速给出试验结果。由于轴承性能、工况、失效模式各异，且加速寿命试验涉及轴承失效原理等深层次理论，试验方法短期内尚难以形成一个统一标准，部分轴承是否适合进行加速试验也存在一定争议。

3.5.2 性能试验方法

轴承性能试验要求高，试验机研制难度大，部分性能试验由于缺乏完备、可靠的试验设备，尚不具备开展条件。同时，轴承性能试验方法也需要更多基础理论和试验数据作支撑，这也是国内试验研究的薄弱环节。

与轴承寿命试验的系统化、规范化相比，轴承性能试验方法研究整体滞后，近二十年来，虽然陆续制订了一些国家或行业标准，如GB/T 32321—2015《滚动轴承 密封深沟球轴承 防尘、漏脂及温升性能试验规程》，TB/T 3017.1—2016《机车车辆轴承台架试验方法 第1部分：轴箱滚动轴承》，JB/T 13353—2017《滚动轴承 汽车轮毂轴承单元试验及评定方法》等，但试验标准总体上仍不够全面和完善，不能很好匹配当前多样化、个性化轴承产品的试验需求。仅以汽车轮毂轴承为例，其性能试验方法目前仍按照各主机客户的试验标准执行，尚未形成统一标准[6]。

随着轴承生产与科研的需要，一些专用和特种轴承也逐步开始进行试验考核，此类轴承往往性能要求高，使用寿命长，加工工艺复杂，成本昂贵，如航空航天专用轴承以及风电等重大型轴承等，不具备多子样和长时间试验的现实条件，只能采取小子样、短时数的无失效试验并采取一定的强化和加速方案，这就涉及到轴承小子样无失效数据的可靠性统计处理问题，小子样与强化加速试验相叠加，更增加了试验数据处理和分析的复杂度，是当前试验方法研究中的难点之一。

在轴承性能试验中，由于轴承失效模式的差异和相互关联，加之试验数据积累不够，一些失效准则无法明确界定，如轴承磨损失效，目前尚无统一的失效概念和判定标准，特别是在特种轴承和非标轴承试验中，并没有以出厂精度标准作为磨损失效的判定依据，一般是结合试验运转情况给出参考意见。由于轴承类别、应用场合及可靠性要求各异，轴承磨损等失效标准应分类起草制订，并随着试验数据的积累逐步完善。

4 轴承试验技术展望

随着轴承产品在精度、转速、承载能力、寿命和可靠性指标上的不断提升，对模拟技术、驱动技术、加载技术、控制技术等轴承试验技术会有更高的要求，对试验方法、试验分析、试验数据处理也将提出新的挑战，这也是轴承试验技术发展的驱动力和前进方向。

随着轴承产品的多样化和个性化，轴承试验技术将更多地体现出高模拟度和精准化，试验设备也将向精、特、专方向发展。

可以预见，随着轴承试验技术的不断提高以及相关技术的飞速发展，轴承试验智能化将成为最终目标。智能试验将基于智能监控及大数据技术，具备全方位信号监测手段、庞大的数据库系统和智能化处理能力，能够实时分析试验数据，预判试验结果，及时、精准预警轴承故障，提前评估轴承寿命或其他性能指标，智能化最终将为轴承试验研究带来根本性改观。

随着计算机技术的迅猛发展，在轴承设计和应用方面的仿真分析已经非常广泛；在轴承试验领域，基于计算机的仿真研究以及虚拟仪器技术等同样已得到关注，可大大缩短轴承试验周期，节省试验成本。据相关材料介绍，对于精度要求高的试验以及难以实施评价的试验，日本NSK已开始借助计算机进行虚拟性试验。计算机仿真短期内尚不能完全替代真实试验，二者互相促进和融合也是未来轴承试验研究领域的发展方向。

轴承试验技术是多技术领域的综合和集成化应用，涵盖了试验机等硬件技术开发和试验方法等理论研究，发展到今天已取得相当大的技术进步，研究范围和深度日益扩大。轴承品种多样性和应用领域广泛性及其个性化要求，决定了轴承试验技术的研究发展内容和方向，随着轴承试验重要性的日益凸显，对试验的重视和投入的不断加大，轴承试验技术必将不断向前发展。