CN102607847A - 一种主轴轴承结合部动刚度测试装置 - Google Patents

一种主轴轴承结合部动刚度测试装置 Download PDF

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赵永胜
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Abstract

本发明提供的一种主轴轴承结合部动刚度测试装置,包括驱动部分、转轴部分、固定试验装置的支架和预紧力加载测试装置。驱动部分有电机、带轮、V带、传动轴、联轴器、带座调心轴承。转轴部分包括前端支撑、后端支撑和主轴组成。前端支撑是TT型(三个轴承串联组合方式)安装的陶瓷角接触球轴承组,后端支撑是两个串联的陶瓷角接触球轴承。预紧加载测试装置使用一个力传感器直接测定加载在轴承外圈的预紧力大小,具有便于调节,灵敏度高的特点。本装置采用得到不同预紧力、不同轴承配对、不同转速情况下更为准确的结合部径向刚度、轴向刚度和角刚度,对研究机床主轴轴承结合部的动静态特性及确定合理的预紧力和轴承配对方式有重要意义。

Description

一种主轴轴承结合部动刚度测试装置
技术领域
[0001] 本发明涉及一种主轴轴承结合部动刚度测试装置,属于轴承刚度及主轴系统性能测量技术领域。
背景技术
[0002] 轴承动刚度是主轴系统中非常关键的性能参数之一,直接影响主轴系统的精度。 对于主轴轴承结合部来说,其刚度受很多因素影响,如轴承预紧力、轴承配对方式、轴承与轴的配合、转速、轴承温升等。因此,通过实验方法研究轴承在不同预紧力、不同配对方式、 不同转速的情况下,主轴轴承结合部动刚度的变化规律,对提高机床加工性能具有重要意义。
[0003]目前,在研究轴承刚度的问题中,包括研究轴承的静刚度和动刚度。它们都反映了结构抵抗变形的能力,不同之处在于静刚度指的是承受稳定载荷时抵抗静态位移变化的能力;而动刚度指的是承受交变动载荷时,抵抗动态位移变化能力,动刚度是衡量结构抗振能力的主要指标,因此研究轴承动刚度测试对准确获得主轴轴承系统动力学特性具有更重要意义。
[0004] 鉴于目前测试轴承结合部动刚度的测试装置较少,且都是只考虑单一因素或者只针对主要影响因素的设计,本发明综合考虑了多种影响因素来进行测量,即温升大小、预紧力大小、轴承配对方式和数量多少。其效果会更加准确。
发明内容
[0005] 本发明的目的是提供一种主轴轴承结合部动刚度测试装置。用于测试多种影响因素对轴承结合部动刚度的影响规律。优点在于:鉴由于设计时综合考虑了轴承结合部动刚度多个影响因素,因此本装置能够更精确地获取轴承结合部轴向刚度、径向刚度和角刚度。
[0006] I.本发明采用的技术方案为:一种主轴轴承结合部动刚度测试装置,包括驱动部分A,转轴部分B和预紧力加载测试装置D。
[0007] 2.所述驱动A部分主要由电机3、第一带轮2、V带I、第二带轮6、传动轴5、联轴器7、带座调心轴承4。2个带座调心轴承4使得带拉力不作用在轴上,减小了轴的挠度并且提高了轴的旋转精度。联轴器将转速和扭矩传递到主轴上。
[0008] 3.所述转轴部分B是一个多轴承系统,包括前端支撑、后端支撑和主轴。所使用的轴承均为陶瓷角接触球轴承11,前端支撑的轴承数量为1-4个,前端轴承组通过轴肩、套筒、轴承内挡圈13、轴承外挡圈12、第一圆螺母9、前端盖10、后端盖14将轴承轴向定位。后端支撑的轴承数量为1-2个。后端轴承组通过轴肩、套筒、第二圆螺母19、后轴封架16、后轴承套15将轴承轴向定位。各个轴承的内圈与主轴过渡配合,前端轴承的外圈与前轴承座 22间隙配合、后端轴承的外圈与后轴承套15间隙配合,后轴承套15与后轴承座21是动配合。前端轴承组能够重新安装,变换数量和配对方式,有DT (2个轴承串联)、DB(背对背)、 DF (面对面)、TT (3个轴承串联)、TBT (3个轴承,含有背对背的串联)、TFT (3个轴承,含有面对面的串联)、QT(4个轴承串联)、QFC(4个轴承,成对串联的面对面方式)、QBC(4个轴承,成对串联的背对背方式)、QBT (4个轴承,含有背对背的3个串联)、QFT (4个轴承,含有面对面的3个串联)。根据主轴受力情况,后端支撑的轴承组配对方式依照前端的做相应的改变。通过对比各种配对情况的轴承结合部动刚度的变化规律,为主轴系统动特性的研究提供更为准确的结论,同时为不同工况下主轴系统合理选取支撑方式提供了有力的依据。 图3所示的是其中一种,即前端TT型、后端DT型的配对方式。
[0009] 4.所述前轴承座和后轴承座都在轴承安装部位钻孔,可以安放温度传感器,便于测得在运转的主轴达到热平衡时轴承外圈的温升。并且主轴前、后支撑处有塑料保温罩nl、 n2,塑料保温罩的存在减少散热,使得温升测量更接近真实情况。
[0010] 5.所述的预紧力加载测试装置D,其特征在于:预紧力加载装置D包括拉力盖18、 第一活结螺栓20、第二活结螺栓24、抗压/抗拉弹簧23、测力传感器25、踏板26、第二螺栓 27和加载架。拉力盖18与转轴部分B中的后轴封架16顶压配合,与后轴承套15由第一螺栓17连接,抗压/抗拉弹簧23两端与第一活结螺栓20和第二活结螺栓24相连,第二活结螺栓24与测力传感器25螺纹连接,测力传感器25与踏板26用第二螺栓27相连,踏板 26固定在所述加载架上,加载架包括T型槽28、工字钢29、底架30。踏板26在T型槽28 内移动,进而改变弹簧拉或压力,达到改变右端轴承组预紧力的目标。后端轴承组为定位预紧,按照不同轴承配对方式,调整预紧力。使拉力盖18受一定压力(此时后轴封架16和轴承组左边的套筒、轴肩压紧轴承)或者受一定拉力(此时靠后轴承套15和轴承组右边的套筒、圆螺母压紧轴承),达到轴承预紧的目的。定位预紧力加载测试装置设计的预紧力量程为0-3000N。图3所示的安装方式,即前端TT,后端相应安装成DT。此时前端支撑能承受向左的轴向力,后端支撑能能承受向右的轴向力,因此加载预紧力时,要使踏板26向左移动, 抗压/抗拉弹簧23受压,拉力盖18受压,最后后轴封架16和轴承组左边的套筒、轴肩压紧轴承,实现预紧。
[0011] 与现有技术相比,本发明具有以下明显的优势和有益效果:
[0012] (I)首先,本发明装置主要功能能够获得不同预紧力、不同温升下的轴承结合部轴向、径向动刚度及角刚度。另外,也能够加载轴向力、径向力和扭矩进行静特性的测试实验, 是一个能完成多种类实验项目的综合的实验装置。
[0013] (2)其次,本装置可以获得较精确的轴承结合部动刚度值,为选择合理预紧力及轴承配对方式提供数据依据。
[0014] (3)最后,本装置设置了塑料保温套,考虑到了散热导致的误差使得结果更加可
O
附图说明 [0015] 图[0016] 图[0017] 图[0018] 图[0019] 图[0020] 图
I是本发明的实验装置结构示意图;
2是本发明的实验装置驱动部分结构示意图;
3是本发明的实验装置转轴部分结构示意图;
4是本发明的实验装置预紧力加载装置结构示意图;
5是本发明的实验装置预紧力加载装置中加载架的结构示意图; 6是本发明的实验装置总体底架的主视图;[0021] 图7是锤击主轴传感器的布置图;
[0022] 图8是锤击轴承座传感器布置图;
[0023] 图9是后端轴承结合部轴向刚度图;
[0024] 图10是后端轴承结合部径向刚度图。
[0025] 图中:1V带、2第一带轮、3电机、4带座调心轴承、5传动轴、6第二带轮、7联轴器、 8主轴、9第一圆螺母、10前端盖、11陶瓷角接触轴承、12轴承外挡圈、13轴承内挡圈、14后端盖、15后轴承套、16后轴封架、17第一螺栓、18拉力盖、19第二圆螺母、20第一活结螺栓、 21后轴承座、22前轴承座、23抗压/抗拉弹簧、24第二活结螺栓、25测力传感器、26踏板、 27第二螺栓、28T型槽、29工字钢、30底架。
具体实施方式
[0026] 下面结合附图对测试装置的具体实施方式进行详细说明。
[0027] 如图I所示,本发明提供一种主轴轴承结合部动刚度测试装置,包括系统的驱动部分A,转轴部分B,预紧力加载测试装置D。前端轴承组是以三个陶瓷角接触球轴承串联构成,轴承组与主轴是过渡配合,与前轴承座是间隙配合。后端轴承组是由两个陶瓷角接触球轴承串联组成,与主轴是过渡配合,与前轴承座是间隙配合。后端轴承组是定位预紧。
[0028] 如图4、图5所示,加载预紧力时,要使踏板26向左移动,抗压/抗拉弹簧23受压, 拉力盖18受压,最后后轴封架16和轴承组左边的套筒、轴肩压紧轴承,实现预紧。
[0029] 调整踏板在T行槽内的相对位置并固定其位置,改变弹簧力,因此后端轴承组预紧力改变,通过测力传感器将预紧力值测量出来。
[0030] 前、后端轴承组能够进行拆卸,重新组装轴承配对方式和数量。
[0031] 驱动部分通过变频器可以改变传到主轴上的转速,进而影响轴承发热和温升。
[0032] 假设结构X为主轴,结构Y为轴承座,采用单点激励单点响应的方法进行频响实验,辨识出主轴轴承结合部的动刚度和阻尼。频响函数辨识公式如下:
[0033] Hxa(Hf -H]) = Hf -Hx (I)
[0034] Hra(Hf -Hrj) = Hrj (2)
[0035] /Zjf为整体安装后X结构(主轴)上结合点的频响函数,丑〗整体安装后Y结构(轴承座)上结合点的频响函数。这样由实测的频响函数值可以识别出结合部动刚度:
[0036] a j = kj+iwcj (3)
[0037] 本装置研究的对象为轴承结合部动刚度,装配后Hjf、H〗不能直接测量,只能由可测量点的响应转换得到不可测量点的响应:
[0038] Hf =Hfj +Hf (Hxm -HfJ (4)
[0039] Hl =Hy (H=)-'(Hfm-Hm) (5)
[0040] 由上面的公式可知,需要测量的量包括:
[0041] 装配前,主轴上结合部上点之间的传递函数矩阵Hx ;
[0042] 装配前,轴承座上结合部上点之间的传递函数矩阵Hy ;
[0043] 装配前,主轴上测量点和结合部上点之间的传递函数矩阵/Zf ;
[0044] 装配前,主轴上测量点与激振点之间的传递函数矩阵HL ;[0045] 装配前,主轴上激振点与结合点之间的传递函数矩阵.
[0046] 装配后,测量点的响应Hm ;
[0047] 装配后,轴承座是与大地固接的,固认为H〗=0。
[0048] 由此测得上述5个传递函数后,就可以得到轴承结合部参数Ici和Ci。
[0049] 测量步骤:
[0050] I.装配前,用绳子将主轴进行悬吊,使主轴处于自由状态。加速度传感器布置如图7,Tl、T2点是所述结合部上的点,M点是所述测量点。Tl、T2、M点各布置一个加速度传感器,F点为力锤敲击的部位。
[0051] 2.装配前,用绳子分别将左、右轴承座悬吊,进行频响实验。传感器布置的部位如图8。
[0052] 3.装配后,在特定的预紧力、配对方式和转速下,装置运转30分钟后,达到热平衡,然后停机测量。将温度传感器放入轴承座上开的孔内进行温度测量,最后,进行所有测试数据的提取和分析,准确获取轴承的动刚度。
[0053] 仿真结果:针对测试目的,进行了仿真分析,图9、图10列出后端轴承结合部动刚度变化情况。

Claims (1)

1. 一种主轴轴承结合部动刚度测试装置,包括驱动部分A,转轴部分B和预紧力加载测试装置D ;其特征在于:驱动部分A,包括电机(3)、第一带轮(2)、V带(1)、第二带轮(6)、2 个带座调心轴承(4)、传动轴(5)、联轴器(7);电机(3)与第一带轮(2)相连,V带(I)套在第一带轮(2)和第二带轮(6)上,第二带轮(6)固定在传动轴(5)上,传动轴(5)的一端布置2个带座调心轴承(4),传动轴(5)的另一端与联轴器(7)相连,联轴器(7)又与转轴部分B中的主轴⑶相连;转轴部分B是一个多轴承系统,包括前端支撑、后端支撑和主轴;所使用的轴承均为陶瓷角接触球轴承(11),前端支撑的轴承数量为1-4个,前端轴承组通过轴肩、套筒、轴承内挡圈(13)、轴承外挡圈(12)、第一圆螺母(9)、前端盖(10)、后端盖(14)将轴承轴向定位;后端支撑的轴承数量为1-2个;后端轴承组通过轴肩、套筒、第二圆螺母(19)、后轴封架 (16)、后轴承套(15)将轴承轴向定位;后轴承套(15)与后轴承座(21)为动配合,各个轴承的内圈与主轴过渡配合,前端轴承的外圈与前轴承座(22)间隙配合、后端轴承的外圈与后轴承套(15)间隙配合;前端轴承组和后端轴承组的配对方式有串联、背对背、面对面; 所述的预紧力加载测试装置D,包括拉力盖(18)、第一活结螺栓(20)、第二活结螺栓 (24)、抗压/抗拉弹簧(23)、测力传感器(25)、踏板(26)、第二螺栓(27)和加载架;拉力盖(18)与转轴部分B中的后轴封架(16)顶压配合,与后轴承套(15)由第一螺栓(17)连接, 抗压/抗拉弹簧(23)两端与第一活结螺栓(20)和第二活结螺栓(24)相连,第二活结螺栓(24)与测力传感器(25)螺纹连接,测力传感器(25)与踏板(26)用第二螺栓(27)相连,踏板(26)固定在加载架上,加载架包括T型槽(28)、工字钢(29)、底架(30)。
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