CN103344553A - 高速滚动接触疲劳试验机 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高速滚动接触疲劳试验机。所述试验机的伺服电机（9）输出轴上端的主动带轮（6）通过多楔带（7）与静压主轴（5）上端的从动带轮（8）传动连接，静压主轴（5）固定在机架（3）的上横梁（30）上；伺服电动缸（2）通过压力传感器联接件（15）与固定在动梁（37）下表面的压力传感器（36）相连接；液压支撑台（4）上端固定球面座下部（18），下试件座（21）通过过渡配合与球面座上部（20）相连接，下试件座（21）通过间隙配合与试件座圈（45）相连接。本发明可模拟轴承材料在高速重载工况下的滚动接触，对试验材料滚动接触疲劳的关键参数实现精确检测，最终为评价轴承材料的滚动接触疲劳性能提供数据支持。

Description

高速滚动接触疲劳试验机

技术领域

本发明涉及一种在高速重载工况下评价轴承材料滚动接触疲劳性能的试验机。

背景技术

作为广泛使用的机械基础零件，滚动轴承质量直接影响整机性能。目前，轴承的疲劳点蚀、塑性变形和磨损等问题制约着高速重载机械发展。开发高性能的轴承材料以适应旋转零部件愈来愈高速的要求已是当务之急。接触疲劳是滚动轴承最主要失效形式之一，且具有低应力和无宏观变形等特征，接触疲劳比静力破坏危险性更大。模拟轴承实际工况，准确预测出特定条件下轴承的承载能力与寿命，进而对新型材料性能给出综合评定，成为设计者和制造厂商关注焦点。准确模拟实际工况的高速滚动接触疲劳试验机成为高速滚动轴承材料选择、结构设计及实际应用必不可少的手段。

现有技术“工况模拟滚动接触疲劳试验机”（中国专利；200510012674.4）、 “涂层滚动接触疲劳试验机”（中国专利；200810201694.X）和“一种滚动轴承疲劳寿命强化试验机”（中国专利；20102020253623.3）都是进行滚动接触疲劳试验的专用设备。上述试验机采用的加载方式均为机械加载或者液压加载，机械加载能够模拟一些简单变化的载荷但不能实现连续加载，液压加载容易造成环境污染且产生的噪音对传感器信号的获取造成一定的影响；“一种滚动轴承疲劳寿命强化试验机”在高速重载条件下，传动轴系中的支撑滚动轴承作为陪试件，可能会先于被测试轴承试件发生失效，影响试验进度和试验结果准确性；同时，“工况模拟滚动接触疲劳试验机”中轴系的支撑滚动轴承在测试中产生较大的静摩擦力矩，影响试样摩擦力矩测试结果。

发明内容

为了克服现有技术存在的上述不足，本发明提供一种高速滚动接触疲劳试验机，该发明采用伺服电动缸加载、静压主轴和液压支撑台，载荷变化规律多，噪声小，轴承试件的转速可达12000rpm，摩擦力矩测试更精确。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种高速滚动接触疲劳试验机，该试验机包括机体、传动系统、电动加载系统、监测系统和润滑系统，其中：

机体由底座、机架、独立电机底座和电机支架构成，底座上固定机架和独立电机底座，独立电机底座上安装电机支架。

传动系统包括伺服电机、主动带轮、多楔带、从动带轮、静压主轴、传动芯轴、陶瓷隔热套、试件轴圈和固定螺钉；伺服电机固定在电机支架的侧面上，主动带轮通过锥套安装在伺服电机伸出轴上，伺服电机通过主动带轮，多楔带与固定在静压主轴上端的从动带轮传动连接，静压主轴通过端部法兰固定在机架的上横梁上；传动芯轴上端通过螺纹与静压主轴下端相连接，陶瓷隔热套内圈与传动芯轴通过间隙配合相连接，推力轴承式试件轴圈与传动芯轴下端通过间隙配合连接，陶瓷隔热套和固定螺钉安装在试件轴圈两端并固定试件轴圈的轴向位置，固定螺钉通过螺纹与传动芯轴下端螺纹孔相连接。

加载系统由伺服电动缸、六角螺母、压力传感器联接件、支撑台过渡件、液压支撑台、球面座下部、球面座上部、下试件座、试件座圈和试件滚动体组成；伺服电动缸固定在机架的下横梁上，伺服电动缸通过六角螺母，压力传感器联接件与固定在动梁下表面的压力传感器相连接；动梁上表面固定支撑台过渡件，支撑台过渡件上安装液压支撑台，液压支撑台上端固定球面座下部，球面座上部通过同曲率的圆弧面接触副安装在球面座下部上，下试件座通过过渡配合与球面座上部相连接，下试件座通过间隙配合与试件座圈相连接，试件座圈通过试件滚动体与试件轴圈相连接。

监测系统由压力传感器、温度传感器、加速度传感器、S型拉力传感器、霍尔开关、限位开关Ⅰ、限位开关Ⅱ、数据转接卡和计算机构成；压力传感器一端固定在动梁的下表面，另一端通过六角螺母，压力传感器联接件与伺服电动缸伸出端相连接；温度传感器放置在下试件座的通孔内，试件座圈的下表面与温度传感器接触；加速度传感器安装在下试件座的下端；S型拉力传感器安装在拉力传感器支架上，拉力传感器支架固定在动梁上，球面座下部的环形槽通过金属丝与S型拉力传感器相连接；霍尔开关安装在霍尔开关支架上，霍尔开关支架固定在上横梁上，霍尔开关的轴线与静压主轴的轴线相垂直；限位开关Ⅰ安装在限位开关支架Ⅰ上，限位开关支架Ⅰ通过两个螺母固定在螺杆上，螺杆安装在机架的上横梁上，限位开关Ⅱ安装在限位开关支架Ⅱ上，限位开关支架Ⅱ通过螺钉固定在机架的下横梁上，限位开关Ⅰ和限位开关Ⅱ用来限定动梁的极限位置；以上各路信号通过数据转接卡传到计算机处理。

润滑系统由润滑泵站、流量控制阀、管道和喷油嘴构成；润滑泵站经过流量控制阀、管道、球面座上部的进油孔、下试件座上的进油孔和喷油嘴相连通，喷油嘴通过螺纹与下试件座相连接。

上述的高速滚动接触疲劳试验机，所说的机架由上横梁、下横梁、立柱Ⅰ、立柱Ⅱ、导轨Ⅰ、导轨Ⅱ和动梁组成；导轨Ⅰ和导轨Ⅱ的滑块通过螺钉安装在动梁两侧，导轨Ⅰ和导轨Ⅱ的支撑轨通过螺钉固定在立柱Ⅰ和立柱Ⅱ的内壁上；

上述的高速滚动接触疲劳试验机，所说的球面座下部外表面上有一个环形槽，用来固定金属丝。

本发明的有益效果是：采用伺服电动缸加载，使用清洁，控制精确，且载荷变化规律多，噪声小；轴系中采用静压主轴支撑，适合于高速试验，静压主轴寿命远远高于被测试件寿命；试件下方采用液压支撑台，系统摩擦力矩小，摩擦力矩测量结果更精确。

说明附图

图1为高速滚动接触疲劳试验机结构示意图；

图2为高速滚动接触疲劳试验机主要结构示意图；

图3为传动轴系和加载轴系结构示意图；

图4为球面座下部结构示意图。

在上述附图中，1.底座，2.伺服电动缸，3.机架，4.液压支撑台，5.静压主轴， 6.主动带轮，7.多楔带，8.从动带轮，9.伺服电机，10.电机支架，11.独立电机底座，12.下横梁，13.立柱Ⅰ，14.六角螺母，15.压力传感器联接件，16.导轨Ⅰ，17.支撑台过渡件，18.球面座下部，19.加速度传感器，20.球面座上部，21.散热片，22.下试件座，23.喷油嘴，24.固定螺钉，25.传动芯轴，26.霍尔开关支架，27.霍尔开关，28.陶瓷隔热套，29.温度传感器，30.上横梁，31.螺杆，32.金属丝，33.S型拉力传感器，34.限位开关支架Ⅰ，35.限位开关Ⅰ，36.压力传感器，37.拉力传感器支架，38.动梁，39.导轨Ⅱ，40.立柱Ⅱ，41.限位开关Ⅱ，42.限位开关支架Ⅱ，43.试件轴圈，44.试件滚动体，45.试件座圈，46.球座体下部环形槽。

具体实施方式

下面通过具体试验过程说明该高速滚动接触疲劳试验机工作原理。

实施例

图1、图2是本发明公开的高速滚动接触疲劳试验机的结构示意图。底座1上固定机架3和独立电机底座11，独立电机底座11上安装电机支架10。电机支架10的侧面上安装伺服电机9，主动带轮6通过锥套安装在伺服电机9的输出轴上，伺服电机9通过主动带轮6、多楔带7与固定在静压主轴5上端的从动带轮8传动连接。静压主轴5通过端部法兰固定在机架3的上横梁30上。传动芯轴25上端通过螺纹与静压主轴5下端相连接，陶瓷隔热套28内圈与传动芯轴25通过间隙配合相连接，推力轴承式试件轴圈43与传动芯轴25下端通过间隙配合连接，陶瓷隔热套28和固定螺钉24安装在试件轴圈43两端并固定试件轴圈43的轴向位置，固定螺钉24通过螺纹与传动芯轴25下端螺纹孔相连接。

伺服电动缸2通过端部法兰固定在机架3的下横梁12上，伺服电动缸2通过六角螺母14、压力传感器联接件15与固定在动梁38下表面的压力传感器36相连接。动梁38上表面固定支撑台过渡件17，支撑台过渡件17上安装液压支撑台4，液压支撑台4上端固定球面座下部18，球面座上部20通过同曲率的圆弧面接触副安装在球面座下部18上，所述球面座下部18外表面上有一个用来固定金属丝32的环形槽46，所述的液压支撑台4能使试件座圈及其联接部件浮于液体之上，更准确的测得摩擦力矩，能消除各联接部件、装配过程不当所引起的同轴度误差，使得试件轴圈43、试件座圈45能够均匀受力，减少设备自身误差对试验结果的影响。下试件座22通过过渡配合与球面座上部20相连接，下试件座22通过间隙配合与试件座圈45相连接，试件座圈45通过试件滚动体44与试件轴圈43相连接。所述动梁38的两侧安装导轨Ⅰ16和导轨Ⅱ39的滑块，导轨Ⅰ16和导轨Ⅱ39的支撑轨通过螺钉固定在立柱Ⅰ13和立柱Ⅱ40的内壁上。

压力传感器36一端固定在动梁38的下表面上，另一端通过六角螺母14、压力传感器联接件15与伺服电动缸2伸出端相连接。温度传感器29放置在下试件座22的通孔内，试件座圈45的下表面与温度传感器29接触。加速度传感器19安装在下试件座22的下端。S型拉力传感器33安装在拉力传感器支架37上，拉力传感器支架37固定在动梁38上，球面座下部18的环形槽46通过金属丝32与S型拉力传感器33相连接。霍尔开关27安装在霍尔开关支架26上，霍尔开关支架26固定在机架3的上横梁30上，静压主轴5的轴线与霍尔开关27的轴线垂直。限位开关Ⅰ35安装在限位开关支架Ⅰ34上，限位开关支架Ⅰ34通过两个螺母固定在螺杆31上，螺杆31安装在上横梁30上。限位开关Ⅱ41安装在限位开关支架Ⅱ42上，限位开关支架Ⅱ42通过螺钉固定在机架3的下横梁12上。压力传感器36、温度传感器29、S型拉力传感器33、霍尔开关27、限位开关Ⅰ35和限位开关Ⅱ41采集的各路信号通过数据转接卡传到计算机处理。

润滑泵站经过流量控制阀、管道、球面座上部20的进油孔、下试件座22上的进油孔和喷油嘴23相连通，喷油嘴23通过螺纹与下试件座22相连接。

试件安装：

如图3所示，试件轴圈43与传动芯轴25通过间隙配合连接，陶瓷隔热套28和固定螺钉24安装在试件轴圈43两侧并顶住试件轴圈43两个端面，陶瓷隔热套28内圈与传动芯轴25通过间隙配合相连接，固定螺钉24通过螺纹与传动芯轴25下端相连接。试件座圈45通过间隙配合与下试件座22相连接，试件滚动体44按照实验要求安放在试件座圈45上表面上。

试验实施

如图1所示，高速滚动接触疲劳试验机通电，首先启动液压支撑台4和静压主轴5，压力建立，下试件及其联接部件浮于液体之上，以便更准确的测量摩擦力矩。如图2和如图3所示，然后依次启动电动加载系统、润滑系统和传动系统，伺服电动缸2推动动梁38沿着导轨Ⅰ16和导轨Ⅱ39向上滑动直到试件滚动体44与试件轴圈43下表面接触。伺服电动缸2加载的载荷通过压力传感器联接件15、压力传感器36、动梁38、支撑台过渡件17、液压支撑台4、球面座下部18、球面座上部20和下试件座22施加在试件座圈45上。喷油嘴23喷出润滑油对试件进行润滑，伺服电机9通过主动带轮6、多楔带7、从动带轮8、静压主轴5和传动芯轴25带动试件轴圈43高速旋转，试件滚动体44随之转动。

试验控制

如图2所示，随着试验的进行，试验过程中由霍尔开关27采集到的转数；由温度传感器29采集到的试件座圈45下表面的温度；由加速度传感器19采集到的振动；由S型拉力传感器33和固定在球座体下部环形槽46内的金属丝32采集的拉力间接得到的摩擦力矩；由压力传感器36采集到的试验载荷以及各路信号会实时传递到计算机里并显示在屏幕上。同时监测系统设有自保护程序，当某些试验参数发生突变时，高速滚动接触疲劳试验机会自动停机并向实验人员发出警报，实现对试验机系统的自保护功能。

Claims (3)

1.一种高速滚动接触疲劳试验机，包括机体、传动系统、电动加载系统、监测系统和润滑系统，其特征是：

所述机体的底座（1）上固定机架（3）和独立电机底座（11），独立电机底座（11）上安装电机支架（10）；

所述传动系统的伺服电机（9）固定在电机支架（10）的侧面上，主动带轮（6）通过锥套安装在伺服电机（9）输出轴上，伺服电机（9）通过主动带轮（6），多楔带（7）与固定在静压主轴（5）上端的从动带轮（8）传动连接，静压主轴（5）通过端部法兰固定在机架（3）的上横梁（30）上；传动芯轴（25）上端通过螺纹与静压主轴（5）下端相连接，陶瓷隔热套（28）内圈与传动芯轴（25）通过间隙配合相连接，推力轴承式试件轴圈（43）与传动芯轴（25）下端通过间隙配合连接，陶瓷隔热套（28）和固定螺钉（24）安装在上试件（43）两端并固定试件轴圈（43）的轴向位置，固定螺钉（24）通过螺纹与传动芯轴（25）下端螺纹孔相连接；

所述电动加载系统的伺服电动缸（2）通过端部法兰固定在机架（3）的下横梁（12）上，伺服电动缸（2）通过六角螺母（14）、压力传感器联接件（15）与固定在动梁（38）下表面的压力传感器（36）相连接；动梁（38）上表面固定支撑台过渡件（17），支撑台过渡件（17）上安装液压支撑台（4），液压支撑台（4）上端固定球面座下部（18），球面座上部（20）通过同曲率的圆弧面接触副安装在球面座下部（18）上，下试件座（22）通过过渡配合与球面座上部（20）相连接，下试件座（22）通过间隙配合与试件座圈（45）相连接，试件座圈（45）通过试件滚动体（44）与试件轴圈（45）相连接；

所述监测系统的压力传感器（36）一端固定在动梁（38）的下表面上，另一端通过压力传感器联接件（15）、六角螺母（14）与伺服电动缸（2）伸出端相连接；温度传感器（29）放置在下试件座（22）的通孔内，试件座圈（45）的下表面与温度传感器（29）接触；加速度传感器（19）安装在下试件座（22）的下端；S型拉力传感器（33）安装在拉力传感器支架（37）上，拉力传感器支架（37）固定在动梁（38）上，球面座下部（18）的环形槽（46）通过金属丝（32）与S型拉力传感器（33）相连接；霍尔开关（27）安装在霍尔开关支架（26）上，霍尔开关支架（26）固定在上横梁（30）上，霍尔开关（27）的轴线与静压主轴（5）的轴线相垂直；限位开关Ⅰ（35）安装在限位开关支架Ⅰ（34）上，限位开关支架Ⅰ（34）通过两个螺母固定在螺杆（31）上，螺杆（31）安装在上横梁（30）上；限位开关Ⅱ（41）安装在限位开关支架Ⅱ（42）上，限位开关支架Ⅱ（42）通过螺钉固定在下横梁（12）上；以上各路信号通过数据转接卡传到计算机处理；

所述润滑系统的润滑泵站经过流量控制阀、管道、球面座上部（20）的进油孔、下试件座（22）上的进油孔与喷油嘴相连通，喷油嘴（23）通过螺纹与下试件座（22）相连接。

2.根据权利要求1所述的高速滚动接触疲劳试验机，其特征是：所述动梁（38）的两侧安装导轨Ⅰ（16）和导轨Ⅱ（39）的滑块，导轨Ⅰ（16）和导轨Ⅱ（39）的支撑轨通过螺钉固定在立柱Ⅰ（13）和立柱Ⅱ（40）的内壁上。

3.根据权利要求1或2所述的高速滚动接触疲劳试验机，其特征是：所述球面座下部（18）外表面上有一个用来固定金属丝（32）的环形槽（46）。

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