一种滚动轴承刚度测试实验装置及其实验方法
【专利摘要】本发明公开了一种滚动轴承刚度测试实验装置及其实验方法，该实验装置包括液压初始预紧模块、压电致动器预紧力调整模块和频响函数测试模块。液压初始预紧模块包括液压系统、液压缸、拉力传感器、拉力显示器和主轴；压电致动器预紧力调整模块包括若干第一压力传感器、若干压电致动器、致动器孔座、滚动轴承、端盖和轴承座；频响函数测试模块包括若干加速度传感器、若干第二压力传感器、若干激振器、数据采集仪、计算机和信号发生器。该实验方法采用一种对滚动轴承实施组合预紧的方式，并在频响函数测试模块中计算得出滚动轴承的刚度。本发明一种滚动轴承刚度测试实验装置，通过精确调整滚动轴承的预紧力来实现对滚动轴承刚度的动态测试。
【专利说明】一种滚动轴承刚度测试实验装置及其实验方法
【技术领域】
[0001]本发明属于主轴-轴承系统的性能测试领域，具体涉及一种滚动轴承刚度测试实验装置及其实验方法。
【背景技术】
[0002]轴承刚度是主轴系统中一个非常重要的性能参数，在主轴-轴承系统中，轴承的刚度主要受轴承预紧配置方式、预紧力的大小、轴承配对方式、轴承与轴的配合、主轴转速和轴承温升等因素决定。随着高速高精密加工技术的发展，对主轴-轴承系统就提出了更多的要求，特别是要通过精确地控制轴承预紧力来保证主轴-轴承系统具有最佳的刚度，因此，研究预紧力的配置方式和预紧力的大小对轴承刚度的影响以及准确测试轴承的刚度显得十分重要。
[0003]然而，现在还没有一种能够精确进行滚动轴承刚度测试的装置。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供一种滚动轴承刚度测试实验装置及其实验方法，通过精确调整滚动轴承的预紧力来实现对滚动轴承刚度的动态测试。
[0005]为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下:
[0006]一种滚动轴承刚度测试实验装置，包括液压初始预紧模块、压电致动器预紧力调整模块和频响函数测试模块；所述的液压初始预紧模块包括液压系统、液压缸、拉力传感器、拉力显示器和主轴；其中，液压缸固定在实验平台上；液压缸的活塞杆与拉力传感器左侧相连；拉力传感器右侧与主轴相连；拉力显示器与拉力传感器相连；所述的压电致动器预紧力调整模块包括若干第一压力传感器、若干压电致动器、致动器孔座、滚动轴承、端盖和轴承座；其中，轴承座固定在实验平台上；主轴穿过轴承座；主轴的轴肩左侧依次设置有滚动轴承和致动器孔座；若干第一压力传感器和压电致动器沿主轴周向均匀装在致动器孔座里，第一压力传感器和压电致动器通过螺钉拧紧并紧顶住滚动轴承的外圈；设置在致动器孔座左侧的端盖固定在轴承座上；所述的频响函数测试模块包括若干加速度传感器、若干第二压力传感器、若干激振器、数据采集仪、计算机和信号发生器；所述加速度传感器设置于主轴上，用于测量主轴的加速度；所述激振器设置于主轴上，用于给主轴施加激振力；第二压力传感器设置于对应激振器端部；信号发生器连接激振器，第二压力传感器通过数据采集仪连接计算机；加速度传感器通过数据采集仪连接计算机。
[0007]本发明进一步的改进在于:所述计算机用于根据第二压力传感器和加速度传感器采集到的数据算出主轴-轴承系统的频率响应函数，进而采用模态试验技术识别出主轴-轴承系统的模态参数，然后计算滚动轴承轴向刚度和/或径向刚度。
[0008]本发明进一步的改进在于:所述的频响函数测试模块包括三个加速度传感器、三个第二压力传感器和三个激振器；两个激振器以滚动轴承为中心对称布置在主轴的径向端部，另一个激振器和一个加速度传感器沿主轴轴线布置在主轴端面；另两个加速度传感器对称布置在主轴的径向另一侧，并和径向布置的两个激振器分别对应。
[0009]本发明进一步的改进在于：液压缸的活塞杆依次通过第一带销孔螺钉、第一钢丝、 螺钉与拉力传感器左侧相连；拉力传感器右侧依次通过第二带销孔螺钉、第二钢丝、第三带 销孔螺钉与主轴相连。
[0010]本发明进一步的改进在于：所述滚动轴承包括内圈、外圈，以及设置在内圈和外圈 之间的滚动体。
[0011]一种滚动轴承刚度测试实验装置的实验方法，包括以下步骤：
[0012]1)通过液压系统控制液压缸的活塞杆运动，带动主轴运动，并依据拉力显示器上 的数值，给滚动轴承施加一个初始预紧力；
[0013]2)分别给各个压电致动器通电并调节其电压值，同时根据各个第一压力传感器的 数据使滚动轴承的预紧力达到预定值；
[0014]3)启动信号发生器产生正弦激振电压信号，该正弦激振电压信号使激振器产生正 弦激振力并施加到主轴上；
[0015]当测试滚动轴承的轴向刚度时，仅给轴向布置的激振器通电，使其产生轴向激振 力；当测试滚动轴承的径向刚度时，仅给径向布置的激振器通电，使其产生径向激振力；
[0016]然后，第二压力传感器和加速度传感器分别获取输入的力信号和输出的加速度响 应信号并通过数据采集仪导入到计算机中，计算机根据采集到的力信号和加速度信号计算 两者的互功率谱以及力信号的自功率谱，互功率谱与自功率谱之比即为主轴_轴承的频率 响应函数；
[0017]4)对上述频率响应函数进行模态识别，计算出主轴_轴承系统的固有频率、模态 刚度和模态阻尼；
[0018]5)对滚动轴承的径向刚度：通过测试得出的主轴_轴承的频率响应函数，识别出 其固有频率和径向总刚度为r;再根据简支梁等效模型，算出主轴的弯曲刚度&;在径
【权利要求】
1.一种滚动轴承刚度测试实验装置，其特征在于:包括液压初始预紧模块、压电致动器预紧力调整模块和频响函数测试模块； 所述的液压初始预紧模块包括液压系统(I)、液压缸(2)、拉力传感器(5)、拉力显示器(6)和主轴(16);其中，液压缸(2)固定在实验平台上；液压缸(2)的活塞杆与拉力传感器(5)左侧相连；拉力传感器(5)右侧与主轴(16)相连；拉力显示器(6)与拉力传感器(5)相连； 所述的压电致动器预紧力调整模块包括若干第一压力传感器(12)、若干压电致动器 (13)、致动器孔座(14 )、滚动轴承(15 )、端盖(17 )和轴承座(18 );其中，轴承座(18 )固定在实验平台上；主轴(16)穿过轴承座(18);主轴(16)的轴肩左侧依次设置有滚动轴承(15)和致动器孔座(14);若干第一压力传感器(12)和压电致动器(13)沿主轴(16)周向均匀装在致动器孔座(14)里，第一压力传感器(12)和压电致动器(13)通过螺钉拧紧并紧顶住滚动轴承(15)的外圈；设置在致动器孔座(14)左侧的端盖(17)固定在轴承座(18)上； 所述的频响函数测试模块包括若干加速度传感器(11)、若干第二压力传感器(19)、若干激振器(20)、数据采集仪(21)、计算机(22)和信号发生器(23);所述加速度传感器(11)设置于主轴(16)上，用于测量主轴(16)的加速度；所述激振器(20)设置于主轴(16)上，用于给主轴(16)施加激振力；第二压力传感器(19)设置于对应激振器(20)端部；信号发生器(23)连接激振器(20)，第二压力传感器(19)通过数据采集仪(21)连接计算机(22);加速度传感器(11)通过数据采集仪(21)连接计算机(22 )。
2.根据权利要求1所述的一种滚动轴承刚度测试实验装置，其特征在于:所述计算机(22 )用于根据第二压力传感器(19 )和加速度传感器(11)采集到的数据算出主轴-轴承系统的频率响应函数，进而采用模态试验技术识别出主轴-轴承系统的模态参数，然后计算滚动轴承(15 )轴向刚度和/或径向刚度。
3.根据权利要求1所述的一种滚动轴承刚度测试实验装置，其特征在于:所述的频响函数测试模块包括三个加速度传感器(11)、三个第二压力传感器(19)和三个激振器(20)；两个激振器(20)以滚动轴承(15)为中心对称布置在主轴(16)的径向端部，另一个激振器(20)和一个加速度传感器(11)沿主轴(16)轴线布置在主轴(16)端面；另两个加速度传感器(11)对称布置在主轴(16)的径向另一侧，并和径向布置的两个激振器(20)分别对应。
4.根据权利要求1所述的一种滚动轴承刚度测试实验装置，其特征在于:液压缸(2)的活塞杆依次通过第一带销孔螺钉(3)、第一钢丝(4)、螺钉与拉力传感器(5)左侧相连；拉力传感器(5)右侧依次通过第二带销孔螺钉(8)、第二钢丝(9)、第三带销孔螺钉(10)与主轴(16)相连。
5.根据权利要求1所述的一种滚动轴承刚度测试实验装置，其特征在于:所述滚动轴承(15 )包括内圈、外圈，以及设置在内圈和外圈之间的滚动体。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的一种滚动轴承刚度测试实验装置的实验方法，其特征在于，包括以下步骤: 1)通过液压系统(I)控制液压缸(2)的活塞杆运动，带动主轴(16)运动，并依据拉力显示器(6)上的数值，给滚动轴承(15)施加一个初始预紧力； 2)分别给各个压电致动器(13)通电并调节其电压值，同时根据各个第一压力传感器(12)的数据使滚动轴承(15)的预紧力达到预定值；3)启动信号发生器(23)产生正弦激振电压信号，该正弦激振电压信号使激振器(20)产生正弦激振力并施加到主轴(16)上； 当测试滚动轴承(15)的轴向刚度时，仅给轴向布置的激振器(20)通电，使其产生轴向激振力；当测试滚动轴承(15)的径向刚度时，仅给径向布置的激振器(20)通电，使其产生径向激振力； 然后，第二压力传感器(19)和加速度传感器(11)分别获取输入的力信号和输出的加速度响应信号并通过数据采集仪(21)导入到计算机(22)中，计算机(22)根据采集到的力信号和加速度信号计算两者的互功率谱以及力信号的自功率谱，互功率谱与自功率谱之比即为主轴-轴承的频率响应函数； 4)对上述频率响应函数进行模态识别，计算出主轴-轴承系统的固有频率、模态刚度和模态阻尼； 5)对滚动轴承(15)的径向刚度:通过测试得出的主轴-轴承的频率响应函数，识别出其固有频率和径向总刚度为;再根据简支梁等效模型，算出主轴(16)的弯曲刚度;在径向将主轴(16)与滚动轴承(15)等效成并联的弹簧系统，由公式:
7.根据权利要求6所述的实验方法，其特征在于，步骤2)中，控制当各个压电致动器(13)所通的电压值相同或不等，对滚动轴承(15)进行均匀预紧或非均匀预紧。
【文档编号】G01M13/04GK103543012SQ201310478427
【公开日】2014年1月29日 申请日期:2013年10月14日 优先权日:2013年10月14日
【发明者】李小虎, 吴文武, 洪军, 李欢锋, 赵宏 申请人:西安交通大学