一种利用气压加载的关节轴承寿命试验装置及方法

1.本发明涉及轴承寿命试验技术领域，尤其涉及一种利用气压加载的关节轴承寿命试验装置及方法。


背景技术：

2.薄膜型自润滑向心关节轴承常用于空间环境工况。自润滑关节轴承的服役性能与其材料性能密切相关。随着自润滑材料的快速发展，如何评价薄膜型自润滑向心关节轴承的服役性能，特别是其在空间环境下的服役寿命显得尤为重要。利用模拟空间环境的关节轴承试验机进行轴承寿命试验是获取薄膜型自润滑向心关节轴承寿命最直接的方式。
3.目前存在多种多样的大气环境下使用的关节轴承试验装置，例如：cn 109029998a公开了一种关节轴承试验装置、cn 205981688u公开了一种关节轴承寿命试验机、cn 105527102b公开了关节轴承摆动寿命试验机。除此之外还有考虑极端环境下使用的关节轴承试验机，如cn 110617963a公开了一种宽温域四维驱动关节轴承试验机、cn 110793772b公开了低温大温变关节轴承测试平台及关节轴承的测量方法等。
4.因空间环境需高洁净度，目前的空间环境下的加载多以砝码加载为主、弹簧加载、液压加载为辅。砝码加载具有结构简单、力值稳定，但加载力较小。弹簧加载在无反馈下力值波动大，在有反馈下结构复杂。液压加载加载力较大，但结构复杂，且不可避免地存在液压介质泄漏，不利于保持低气压的环境。


技术实现要素：

5.针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种利用气压加载的关节轴承寿命试验装置及方法，充分利用真空测试过程中内外压差的不平衡，且由于真空腔室的压强变化范围小，因此其加载力波动小；同时设置辐照设备，实现薄膜型关节轴承模拟空间环境下的寿命测试。
6.为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
7.第一方面，本发明的实施例提供了一种利用气压加载的关节轴承寿命试验装置，包括真空腔室，真空腔室顶部安装辐照设备，真空腔室内设置测试主体，测试主体一端连接动力传递装置，另一端下方设有加载装置；
8.测试主体包括用于安装关节轴承的测试轴，加载装置包括内部预设介质的缸体，缸体通过活塞连接加压组件，真空腔室内压强降低时活塞带动加压组件对测试轴施加压力。
9.作为进一步的实现方式，所述动力传递装置包括依次连接的驱动源、磁流体密封轴、扭矩传感器和冷却轴，冷却轴上安装旋转阀门，旋转阀门通过冷却管道连接温控设备。
10.作为进一步的实现方式，所述测试轴对应关节轴承位置安装内圈夹具和轴承外圈温控夹具，所述轴承外圈温控夹具通过温控管道连接温控设备。
11.作为进一步的实现方式，所述测试轴上还设有多个用于使内圈夹具夹紧的压紧螺
母；所述测试轴远离加载装置的一端安装调心球轴承。
12.作为进一步的实现方式，所述加压组件两侧对称安装滑轨组件。
13.作为进一步的实现方式，所述加压组件包括加压支架和安装于加压支架的成对加压轴承。
14.作为进一步的实现方式，所述缸体侧面安装阀门，且设有缸体孔。
15.作为进一步的实现方式，所述真空腔室通过真空管道连接真空设备。
16.作为进一步的实现方式，所述辐照设备包括原子氧辐照设备、紫外辐照设备和质子辐照设备，且辐照设备的焦点位于同一点。
17.第二方面，本发明的实施例还提供了一种利用气压加载的关节轴承寿命试验方法，包括：
18.将关节轴承安装于测试轴的设定位置，并通过内圈夹具、轴承外圈温控夹具夹紧固定；
19.根据空间环境参数调节辐照设备、温控设备、真空设备；
20.随真空腔室内压强的减小，基于内外压差，缸体内预设介质开始做功，推动活塞运动，使加压组件将负载施加于测试轴；
21.待真空腔室内压强达到设定值，完成加载过程。
22.本发明的有益效果如下：
23.(1)本发明设置真空腔室，真空腔室内设有缸体，利用真空腔室的低气压环境，通过在缸体内部预制具有一定压强的介质(气体或液体)，当处于真空腔室内部的气体压强降低时，由于内外的压差，使得缸体内的气/液体做功，进而提供关节轴承测试所需的负载；充分利用了真空测试过程中的内外压差的不平衡，且由于真空腔室的压强变化范围小，因此其加载力波动小，且相比于传统的液压加载，其结构更加简单。
24.(2)本发明在真空腔室外安装相关的辐照设备，如紫外辐照设备、原子氧辐照设备等，可实现关节轴承模拟空间环境下的寿命测试；试验装置还设有扭矩等传感器，可实现关节轴承的寿命在线监测。
25.(3)本发明的测试轴连接冷却轴，冷却轴上安装有连接温控设备的旋转阀门；关节轴承通过轴承外圈温控夹具连接温控设备，通过温控设备提供关节轴承测试所需要的高低温环境和用于抵消高低温环境对其他零件热量的影响。
26.(4)本发明的加载装置包括缸体、活塞、加压支架和加压轴承，缸体内能够预先通入液体或气体，缸体设有用于连通真空腔室的缸体孔，从而使缸体内外形成压差，使活塞带动加压支架和加压轴承对测试轴进行加载；且加压支架两侧连接导轨组件，保证加压组件升降过程的稳定性。
附图说明
27.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
28.图1是本发明根据一个或多个实施方式的结构示意图；
29.图2是本发明根据一个或多个实施方式的真空腔室内部结构主视图；
30.图3是本发明根据一个或多个实施方式的真空腔室内部结构俯视图；
31.图4是本发明根据一个或多个实施方式的测试部分剖视图；
32.图5是本发明根据一个或多个实施方式的加载装置结构示意图；
33.图6是本发明根据一个或多个实施方式的加载装置剖视图；
34.图7是本发明根据一个或多个实施方式的内圈加紧局部放大图；
35.图8是本发明根据一个或多个实施方式的外圈加紧示意图。
36.其中，1.伺服电机；2.法兰；3.原子氧辐照设备；4.法兰；5.紫外辐照设备；6.质子辐照设备；7.把手；8.真空腔室；9.真空管道；10.真空设备；11.温控管道；12.冷却管道；13.温控设备；14.控制装置；15.控制线；16.磁流体密封轴；17.联轴器；18.扭矩传感器；19.第一支座；20.冷却轴；21.旋转阀门；22.第二支座；23.第三支座；24.调心球轴承；25.第一内圈夹具；26.第二内圈夹具；27.压紧螺母；28.加载装置；28-1.滑轨支架；28-2.滑轨；28-3.滑块；28-4.加压轴；28-5.加压轴承；28-6.活塞；28-7.导向块；28-8.缸体孔；28-9.阀门；28-10.密封件；28-11.滑动轴承；28-12.挡圈；28-13.缸体；28-14.加压支架；29.测试轴；30.关节轴承；31.轴承外圈温控夹具；32、夹具螺栓。
具体实施方式
37.实施例一：
38.本实施例提供了一种利用气压加载的关节轴承寿命试验装置，尤其用于薄膜型自润滑向心关节轴承的寿命试验，如图1所示，包括空间环境模拟部分、测试部分和控制部分，空间环境模拟部分用于在测试过程中模拟空间环境，例如模拟高低温、原子氧辐照、紫外辐照、质子辐照等；控制部分主要由控制装置14和控制线15组成，以用于试验装置的运行工况、收集传感器的信号和显示数据的变化规律。
39.寿命试验装置具体结构如下：
40.如图1和图2所示，空间环境模拟部分包括真空腔室8、真空设备10、温控设备13和辐照设备，真空腔室8通过真空管道9连接真空设备10，并通过温控管道11和冷却管道12连接温控设备13，真空腔室8外侧安装辐照设备。为了便于改变开启真空腔体，真空腔室8安装把手7。
41.温控设备13用于提供关节轴承30测试所需要的高低温环境和用于抵消高低温环境对其他零件热量的影响；温控管道11用于提供给关节轴承30测试所需要的高低温环境的液体；冷却管道12用于提供给关节轴承30测试所需要的高温环境的冷却介质和低温环境的升温介质。
42.本实施例的辐照设备包括原子氧辐照设备3、紫外辐照设备5和质子辐照设备6，原子氧辐照设备3、紫外辐照设备5和质子辐照设备6均安装于真空腔室8顶部，并通过法兰4与真空腔室8连接，且辐照设备的焦点应位于同一点；能够满足薄膜型自润滑向心关节轴承的真空环境测试、温度测试和辐照测试所需要的工况。
43.测试部分包括动力传递装置、测试主体和加载装置28，动力传递装置与测试主体相连，用于为测试主体提供旋转动力；加载装置28用于对测试主体施加压力。
44.如图3和图4所示，动力传递装置包括驱动源、磁流体密封轴16、扭矩传感器18、旋转阀门21、冷却轴20、调心球轴承24，本实施例的驱动源采用伺服电机1，伺服电机1通过法兰2安装于真空腔室8外侧，伺服电机1的输出端连接磁流体密封轴16，磁流体密封轴16、扭
矩传感器18和冷却轴20依次连接，且扭矩传感器18与磁流体密封轴16和冷却轴20均通过联轴器17相连。
45.扭矩传感器18底部安装有第一支座19，扭矩传感器18用于采集测试过程中的关节轴承30的扭矩值。冷却轴20上可拆卸连接有旋转阀门21，例如通过螺栓连接；旋转阀门21底部通过第二支座22支撑。
46.旋转阀门21内部有垂直的通孔，与伺服电机1同轴线的通孔用于安装冷却轴20，另一通孔用于连接冷却管道21；旋转阀门21通过冷却管道12连接温控设备13，通过冷却轴20和旋转阀门21为关节轴承30的测试提供动力，抵消关节轴承30测试过程的热量，同时对其运行状态进行监测。
47.如图4所示，测试主体包括测试轴29、内圈夹具、轴承外圈温控夹具31，关节轴承30安装于测试轴29的特定位置，该位置应位于原子氧辐照设备3、紫外辐照设备5和质子辐照设备6的焦点处。
48.测试轴29一端通过联轴器与冷却轴20相连，且靠近冷却轴20的一端安装调心球轴承24，调心球轴承24通过第三支座23支撑，调心球轴承24用于调节测试过程中的轴偏心情况，提高测试的精度。
49.如图7所示，关节轴承30一侧安装第一内圈夹具25，另一侧安装第二内圈夹具26，关节轴承30与调心球轴承24相背的一侧设有压紧螺母27，压紧螺母27通过测试轴29上的螺纹将关节轴承30内圈与内圈夹具进行夹紧，使得关节轴承30内圈与测试轴29相对固定。压紧螺母27至少设置两个，以确保其在往复运动过程中不会发生松动。
50.关节轴承30的外侧安装轴承外圈温控夹具31，关节轴承30外圈通过调节轴承外圈温控夹具31顶部的夹具螺栓32进行夹紧。如图8所示，轴承外圈温控夹具31上设有通孔，通孔与温控管道11相连接，以提供给测试关节轴承30所需的环境温度。
51.在本实施例中，轴承外圈温控夹具31可以安装振动传感器、温度传感器等，以用于监测测试过程中的振动、温升等。
52.如图5和图6所示，加载装置28包括缸体28-13、活塞28-6、加压组件和滑轨组件，活塞28-6与缸体28-13之间通过密封件28-10连接；密封件28-10可选用磁流体、液体金属、密封环等。
53.活塞28-6的伸出端连接加压组件，加压组件两侧对称安装滑轨组件，向缸体28-13内通入气体或液体可使缸体28-13带动加压组件上升。缸体28-13一侧安装阀门28-9，用于向缸体28-13内通入具有一定压强的气体或液体。缸体28-13侧面还设置缸体孔28-8，缸体孔28-8位于阀门28-9上侧，用于与真空腔室8内部的环境进行连通。
54.缸体28-13顶部安装导向块28-7，导向块28-7中心设有用于活塞28-6穿过的孔，活塞28-6上套有滑动轴承28-11，滑动轴承28-11外侧与导向块28-7的孔壁贴合。滑动轴承28-11上侧安装挡圈28-12，通过缸体28-13内部的导向块28-7、滑动轴承28-11和挡圈28-12等部件，保证活塞28-6的竖直运动。
55.加压组件包括加压支架28-14和加压轴承28-5，加压支架28-14连接于活塞28-6顶部，加压轴承28-5通过加压轴28-4与加压支架28-14连接；通过加压轴承28-5与测试轴29接触，以传递负载。
56.在本实施例中，加压轴承28-5设置两个，且二者的轴线与测试轴29的轴线平行；两
个加压轴承28-5之间形成加压区域。
57.加压支架28-14的两端分别连接滑轨组件，以确保负载施加的方向为垂直于真空腔室8的底面。滑轨组件包括滑轨支架28-1、固定于滑轨支架28-1一侧的滑轨28-2，滑轨28-2沿竖向设置；滑轨28-2与滑块28-3滑动连接，滑块28-3与加压支架28-14相连；在活塞28-6的作用下加压组件能够沿滑轨28-2上下移动。
58.本实施例在使用时，首先将缸体28-13安装在真空腔室8内，由于此时腔室内部的压强与外界大气压的压强一致，此时活塞28-6不对外做功，保持静止。随后将关节轴承20安装在测试轴29的设定位置，即原子氧辐照设备3、紫外辐照设备5和质子辐照设备6的焦点处，随后将内圈夹具、轴承外圈温控夹具21安装在关节轴承30的确定位置，并通过夹具螺栓32和压紧螺母27将内圈与外圈进行固定。
59.然后根据所需要的空间环境测试参数，利用控制部分对测试转速、辐照设备、温控设备13、真空设备10进行相应的调节，并对传感器信号进行采集。待真空设备10开始工作后，真空腔室8内气体压强减小，由于内外压差的作用，缸体28-13内部的预制气体开始做功，推动活塞28-6运动，进而推动加压支架28-14运动，受到测试轴29的阻碍作用，使得负载加到测试轴29上。
60.待达到预定的气体压强后，负载也将加到所测试的关节轴承30上。随后通过控制设备观察扭矩传感器信号，以实现轴承状态的实时监测。测试完成后，将真空腔室内的压强恢复到大气压强，此时，负载也将随之降低。最后，将相关的夹具松开，将测试的关节轴承30取下。
61.本实施例利用真空腔室8内部的低气压特性，首先将缸体28-13内部预制一定压强的气体或者液体，当真空室压强降低，由于缸体28-13内外部的压力差，进而产生负载力。除此之外，还设计有空间环境模拟装置，可模拟高低温、原子氧辐照、紫外辐照、质子辐照等；同时可实时采集关节轴承测试过程中的状态信号，可有效获取心关节轴承的服役特性，为其实际服役提供支撑。
62.实施例二：
63.本实施例提供了一种利用气压加载的关节轴承寿命试验方法，采用实施例一所述的试验装置，以薄膜型自润滑向心关节轴承内径为10mm、外圈宽度为8mm，缸体内部填充1个标准大气压的气体，缸体内径选择80mm，测试真空工况为1
×
10-4pa，加载载荷约为502.4n为例进行详细说明，包括以下步骤：
64.步骤1：根据所需要的负载大小，根据公式f＝(p
1-p2)
×
s(f为负载、p1为缸体内部的压强、p2为真空室的压强、s为缸体的面积)得到所需要的的缸体的直径。
65.步骤2：将缸体安装在真空腔室内；
66.步骤3：将薄膜型自润滑向心关节轴承安装在测试轴的设定位置，随后将内圈夹具、轴承外圈温控夹具安装在关节轴承的合适位置，并通过夹具螺栓和压紧螺母将向心关节轴承的内圈与外圈进行固定。
67.步骤4：根据所需要的空间环境参数，通过控制部分对测试转速、辐照设备、温控设备、真空设备进行调节，并对传感器信号进行采集。
68.步骤5：随着真空腔室气体/液体压强的减小，由于内外压差的作用，缸体内部的预制气体/液体开始做功，推动活塞杆运动，进而推动加压支架运动，受到测试轴的阻碍作用，
使得负载加到测试轴上。
69.步骤6：待真空腔室内部的压强达到设定值，其测试负载也施加完成；
70.步骤7：测试过程中，实时采集的扭矩信号等可表征薄膜型自润滑关节轴承性能的状态参数进行图像化展示。
71.步骤8：测试完成后，将腔室内部的压强恢复到大气，此时负载也将降低，随后将相关夹具松开，最后将测试的关节轴承取下。
72.以上所述仅为本技术的优选实施例而已，并不用于限制本技术，对于本领域的技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。