一种可施加复杂载荷的轴承实验台的制作方法

本发明属于轴承性能测试装置的设计领域，涉及一种可施加复杂载荷的轴承性能测试实验台。

背景技术：

轴承作为一种支撑零部件，被广泛的应用在航天、军工、医疗等诸多行业的旋转机械中，且多数情况下轴承会处于多种联合载荷的作用下运行，若轴承承受某一载荷的能力未达到标准，可能导致轴承故障的发生，例如轴承承受偏载的能力不足，将导致轴承发生偏磨、局部脱落等故障，更为严重的将影响整机的运行，因此对轴承承受复杂载荷的性能进行充分的检测是极其重要的。

国内外已有多个专利及论文设计了用于轴承性能检测的试验台，但由于未充分考虑轴承承受的载荷工况，使得所设计试验台不具有较好的适用性。例如推力轴承实验台动静载联合加载装置(2012205749696)设计了一种推力轴承动静联合载荷的施加装置，该装置利用弹簧和电机的组合实现了推力轴承动静载的联合施加，但该装置仅能应用于推力轴承，且不能施加径向载荷及偏载载荷；滚动轴承实验台(2008300578746)设计了一种利用丝杠施加轴承轴向及径向载荷的轴承实验台，但由于该实验台设计上的缺陷及没有合理的动力装置，使得该实验台不能施加动载荷和偏载载荷；一种向心滚动轴承实验台(2017212697059)设计了一种在实验台测试装置底部安装动力装置的向心滚动轴承实验台，该实验台实现了动静载荷及径向与轴承载荷的联合施加，但该实验台没有偏载施加装置，且仅适用于向心滚动轴承，使得该装置不具有普遍适用性。

技术实现要素：

针对上述提出的目前轴承实验台难以施加复杂载荷的问题，本发明设计了一种可施加复杂载荷的轴承实验台，该装置可实现轴承轴向、径向、力矩载荷及动静载荷的联合施加，并给出了复杂载荷下实验轴承轴承座的设计方法和自定心加载装置的设计方案，解决了当前轴承性能检测中难以模拟轴承真实工况的问题。

为了达到上述目的，本发明的技术方案为：

一种可施加复杂载荷的轴承实验台，包括支撑装置1、加载装置2、实验装置3和测试装置4；所述的支撑装置1是加载装置2和实验装置3的支撑装置；加载装置2用于完成复杂载荷的施加；所述的实验装置3为实验轴承的安装装置；所述的测试装置4为传感器，可根据实验者所要测试的数据选择不同的传感器并布置。

所述的支撑装置1包括实验台整体支架11、主轴左端支撑轴承12和主轴右端支撑轴承13；所述的实验台整体支架11为轴承实验台的整体支架，为n形结构，其底部固定安装在地基上，实验台整体支架11中部的左右两侧对称开有安装孔，分别用于安装主轴左端支撑轴承12和主轴右端支撑轴承13。

所述的加载装置2位于实验台整体支架11的内部空间内，包括结构完全相同的轴向上端加载装置21、轴向下端加载装置22和径向加载装置23，实现三个方向的载荷施加；轴向上端加载装置21和轴向下端加载装置22水平安装在实验台整体支架11同一侧，且分别位于主轴左端支撑轴承12的上方和下方；径向加载装置23竖直安装在地基上；

以轴向上端加载装置21为例，所述的轴向上端加载装置21包括加载液压缸主体211、加载接头体212和压力传感器213；所述的轴向上端加载液压缸主体211安装在实验台整体支架11上，前端为球体结构，轴向上端加载接头体212与球体结构的端部固定连接为一体，实现自定心功能，保证加载方向始终指向轴向方向；加载接头体212的前端与实验装置3的上端传力结构331相配合，将轴向上端加载装置21所施加的载荷传递到轴承座33上；且加载接头体212与上端传力结构331之间设有压力传感器213，用于测试轴向上端加载装置21所施加的载荷大小。

所述的轴向上端加载接头体212与上端传力结构331配合处设有上端缺口2121和下端缺口2122；上端传力结构331侧面上的导向块3311卡在上端缺口2121中，防止加载接头体212发生转动；所述的下端缺口2122为压力传感器213的导线引出口。

所述的实验装置3包括主轴31、轴承座支架32、轴承座33、轴承盖34和实验轴承35；所述的主轴31的两端安装在主轴左端支撑轴承12和主轴右端支撑轴承13上，主轴31的中部安装有实验轴承35；实验轴承35安装在轴承座33上，且轴承盖34安装在轴承座33上，以压紧实验轴承35；主轴31外端连接电机，实现轴承动态性能的测试。

所述的轴承座33，其中部开有安装孔332用于安装实验轴承35，轴承座33上设有前端支撑杆334、后端支撑杆335、上端传力结构331、下端传力结构333和径向传力结构336；前端支撑杆334和后端支撑杆335的结构相同，分别位于轴承座33前端面和后端面，上端传力结构331和下端传力结构333位于轴承座33的同一个侧面上，径向传力结构336位于轴承座33的底面；所述的上端传力结构331、下端传力结构333和径向传力结构336均为杆状结构，分别与轴向上端加载装置21、轴向下端加载装置22和径向加载装置23的加载接头体相配合，使加载装置所施加载荷作用在轴承座33上，进而将载荷传递到实验轴承35上；

所述的轴承座支架32共两个，对称布置于轴承座33的两侧；轴承座支架32的底部设有螺栓孔323，以将轴承座支架32固定在地基上；轴承座支架32上部的内侧设有滑块导轨322，两个滑块321分别安装在两个滑块导轨322中，滑块321的中部设有开孔，前端支撑杆334和后端支撑杆335分别安装在两个滑块321的开孔中，滑块321在径向加载装置23的液压装置作用下在滑块导轨322内上下滑动，从而与前端支撑杆334和后端支撑杆335一起带动轴承座33沿轴承座支架32上下滑动，且轴向上端加载装置21或轴向下端加载装置22的液压装置可使前端支撑杆334和后端支撑杆335在滑块321的开孔中转动，实现轴承座33在轴向上端加载装置21或轴向下端加载装置22所施加力矩载荷时发生转动。

本发明的有益效果为：

本发明给出了一种可施加复杂载荷的轴承实验台的设计方案，该实验台可进行轴承径向载荷、轴向载荷及力矩载荷的施加，同时可实现轴承静态以及动态性能测试。实验台包括一种可选择性限制不相关自由度的轴承座结构，该轴承座可实现力矩载荷下释放轴承在力矩方向的转动自由度而限制其余自由度，径向载荷下释放轴承在径向载荷方向的自由度而限制其余自由度的功能。同时，该实验台包括一种可以自动定心的加载结构，使得载荷方向不受轴承变形的影响，始终指向初始载荷方向。本发明还提供了实验轴承各种载荷的施加方式，本发明可用于承受复杂工况的轴承动态性能及静态性能的检测。

附图说明

图1是本发明一种可施加复杂载荷的轴承实验台整体示意图；

图2是本发明实验装置的纵向半剖视图；

图3是本发明实验装置的横向半剖视图；

图4是本发明自定心加载装置接头处局部剖视图；

图5是实验轴承轴承座示意图；

图6是实验轴承轴承座支架示意图；

图7是测试轴承轴承座与测试轴承轴承座支架配合示意图；

图8是测试装置示意图。

图中：1支撑装置，2加载装置，3实验装置，4测试装置；

11实验台整体支架，12主轴左端支撑轴承，13主轴右端支撑轴承；

21轴向上端加载装置，22轴向下端加载装置，23径向加载装置；

211液压缸主体，212接头体，213压力传感器，2121上端缺口，2122下端缺口；

31主轴，32轴承座支架，33轴承座，34轴承盖，35实验轴承；

321滑块，322滑块导轨，323螺栓孔，331上端传力结构，332安装孔，333下端传力结构，334前端支撑杆，335后端支撑杆，336径向传力结构；3311导向块；

41上端电涡流传感器，42下端电涡流传感器。

具体实施方式

以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。

如图1和图8所示，本发明的一种可施加复杂载荷的轴承实验台，包括支撑装置1、加载装置2、实验装置3和测试装置4。支撑装置1是加载装置2和测试装置3的支撑装置；加载装置2为该轴承实验台的核心装置，加载装置2可完成复杂载荷的施加；实验装置3为实验轴承的安装装置；测试装置4可根据实验者需求自行布置测试装置，一般布置在实验装置3的周围。

如图2所示，支撑装置1包括实验台整体支架11、主轴左端支撑12和主轴右端支撑13。

实验台整体支架11为该轴承实验台的整体支架，它通过螺栓与地基相连，实验台整体支架11上对称设有主轴左端支撑轴承12和主轴右端支撑轴承13的支撑轴承安装孔。

主轴左端支撑轴承12和主轴右端支撑轴承13为主轴31的支撑装置，作用是使主轴31在电机作用下进行转动，以测试轴承的动态性能。

如图2所示，所述的加载装置2包括轴向上端加载装置21、轴向下端加载装置22和径向加载装置23，位于实验台整体支架11的内部空间内。轴向上端加载装置21和轴向下端加载装置22通过螺栓对称安装在实验台整体支架11上，轴向上端加载装置21和轴向下端加载装置22分别位于主轴31的上方和下方，对称布置，径向加载装置23安装在地基上，位于主轴31下方；

轴向上端加载装置21、轴向下端加载装置22和径向加载装置23的结构相同，仅以轴向上端加载装置21为例进行介绍。如图4所示，轴向上端加载装置21包括加载液压缸主体211、加载接头体212和压力传感器213。加载液压缸主体211的前端为一球体结构，球体结构与加载接头体212相配合，二者为一体结构，构成自定心加载装置。由于液压缸主体211固定安装于实验台整体支架11上，加载液压缸主体211前端球体的球心位置不变，加载接头体212会随着轴承座33在力矩载荷作用发生角变形时而发生转动，但加载液压缸主体211前端球体的球心和加载接头体212的球型凹坑的中心始终重合。加载液压缸主体211前端球体结构和加载接头体212的球型凹坑的接触位置始终在加载液压缸主体211前端球体结构的正前方，这就保证了轴向上端加载装置21所施加载荷的方向始终由球心指向加载液压缸主体211前端球体结构的正前方，加载方向不会受到轴承座变形的影响保证了加载方向始终指向轴向方向，加载接头体212与上端传力结构331相配合，将轴向上端加载装置21所施加的载荷传递到轴承座33上。且加载接头体212与上端传力结构331之间设有压力传感器213，轴向上端加载装置21所施加的载荷大小由轴向上端加载力传感器213直接读出。

轴向上端加载接头体212与上端传力结构331配合处设有上端缺口2121和下端缺口2122。上端缺口2121与上端传力结构331上的导向块3311相配合，防止加载接头体212发生转动。下端缺口2122为轴向上端加载力传感器213的导线引出口。轴向上端加载装置21、轴向下端加载装置22和径向加载装置23可实现三个方向的载荷施加。

如图3所示，实验装置3包括主轴31、承座支架32、轴轴承座33、轴承盖34和实验轴承35。实验轴承35可根据实验需求进行更换轴承类型。

如图2所示，主轴31的两端安装在主轴左端支撑轴承12和主轴左端支撑轴承13上，实验轴承35安装在轴承座33上，且轴承盖34安装在轴承座33上。同时主轴31右端可连接电机等动力源，实现轴承动态性能的测试。

如图6和图7所示，轴承座支架32共两个，分布于轴承座33的两侧。轴承座支架32的底部通过螺栓孔323和螺栓将轴承座支架32固定在地基上；轴承座支架32上部的内侧设有滑块导轨322，滑块321安装在滑块导轨322中，滑块321的中部设有开孔，前端支撑杆334和后端支撑杆335分别安装在两个滑块321的开孔中，实现了轴承座33可选择性限制不相关自由度的功能。例如在轴承刚度测试中，需要测试轴承在载荷方向的变形，而该变形不能受到轴承座约束的限制，本发明所设计轴承座33和轴承座支架32就可实现轴承座33在径向加载装置23的作用下径向移动自由度被释放，在轴向上端加载装置21或轴向下端加载装置22的作用下转动自由度被释放。

如图5所示，轴承座33中部开有安装孔332用于安装实验轴承35，轴承座33上设有相同结构的上端传力结构331、下端传力结构333和径向传力结构336，以及相同结构的前端支撑杆334和后端支撑杆335。

上端传力结构331、下端传力结构333和径向传力结构336分别与轴向上端加载装置21、轴向下端加载装置22和径向加载装置23相配合，使加载装置所施加载荷作用在轴承座33上，进而将载荷传递到实验轴承35上。前端支撑杆334和后端支撑杆335分别与两个滑块321相配合。

测试装置4可根据实验者需求自行进行传感器的布置，如图4所示，此处仅布置上端电涡流传感器41和下端电涡流传感器42，布置于轴承座33的同一侧，分别与上端传力结构331和下端传力结构333相对，用于测试实验轴承35的轴向变形和力矩作用下实验轴承35的角度变形。

使用本发明的装置进行载荷实验，实验轴承35的载荷施加方式如下：

(1)单一径向载荷

当实验轴承35仅承受单一径向载荷时，轴向上端加载装置21和轴向下端加载装置22不施加作用力，仅让径向加载装置23进行径向载荷的施加，所施加径向载荷的大小，直接由径向加载的力传感器读出。

(2)单一轴向载荷

当实验轴承35仅承受单一轴向载荷时，径向加载装置23不对实验轴承35进行载荷的施加，且轴向上端加载装置21和轴向下端加载装置22施加同样大小的载荷，此时实验轴承35仅承受单一轴向载荷，且轴向载荷的大小为轴向上端加载装置21和轴向下端加载装置22所施加载荷之和。

(3)力矩载荷

当实验轴承35仅承受力矩作用时，径向加载装置23不对实验轴承进行载荷的施加，根据需求力矩载荷的方向，选择让轴向上端加载装置21或轴向下端加载装置22对实验轴承进行载荷的施加，由轴向上端加载装置21和轴向下端加载装置22所产生的力矩载荷，方向相反；所施加力矩载荷的大小为：

当力矩载荷通过轴向上端加载装置21施加时：

m＝f1·l3

当力矩载荷通过轴向下端加载装置22施加时：

m＝f2·l4

其中m为所施加力矩载荷；f1为轴向上端加载装置21所施加载荷大小；f2为轴向下端加载装置22所施加载荷大小；l3为轴向上端加载装置21到主轴31中心的距离；l4为轴向下端加载装置22到主轴31中心的距离。

力矩载荷作用下，实验轴承内外圈的相对角位移为：

以上端电涡流传感器41测试值进行计算：

以下端电涡流传感器42测试值进行计算：

其中θ为内外圈的相对角位移；δ1为上端电涡流传感器41所测量的变形值；l1为上端电涡流传感器41到主轴31中心的距离；δ2为下端电涡流传感器42所测量的变形值；l2为下端电涡流传感器42到主轴31中心的距离。

(4)径向、轴向和力矩载荷联合作用

当实验轴承35承受径向、轴向和力矩载荷联合作用载荷时，径向载荷的施加直接由径向加载装置23实现；轴向载荷的施加按照上述单一轴向载荷的施加方式将两个轴向加载装置进行相同大小载荷的施加；力矩载荷施加时，在完成上述径向载荷和轴向载荷的施加后，进一步对轴向上端加载装置21或轴向下端加载装置22施加载荷，并根据上述计算方法计算得力矩载荷的大小。

(5)动静联合作用载荷

当实验轴承35承受动静联合作用载荷时，在主轴31的右端连接电机等动力装置，使轴承处于工作状态，并按照上述四种载荷的施加方式，施加对应的轴承静载荷，实现轴承动静载荷的联合施加。