CN103344433A

CN103344433A - 高温工况滚动轴承试验机加热系统

Info

Publication number: CN103344433A
Application number: CN2013102689974A
Authority: CN
Inventors: 汪亚顺; 张春华; 谭源源; 陈循; 犹宇; 张详坡; 罗巍; 鲁相; 万伏彬
Original assignee: National University of Defense Technology
Current assignee: National University of Defense Technology
Priority date: 2013-06-29
Filing date: 2013-06-29
Publication date: 2013-10-09

Abstract

本发明涉及轴承试验技术领域，尤其涉及一种高温工况滚动轴承试验机加热系统，包括温度控制子系统和温度执行子系统；温度控制子系统包括温度传感器、用于通断电控制的操作器和温度控制器；温度执行子系统包括加热器以及支撑衬套，高温试验轴承的轴承外圈位于支撑衬套之中；支撑衬套沿周向钻有若干个均匀分布的不通的孔，在孔内分布设置加热器对支撑衬套进行加热，从而实现对轴承外圈的加热。本发明系统结构紧凑，可以实现高温轴承高温工况的精确高效模拟，能与常规轴承试验机配合使用，拓展了常规轴承试验机的试验能力，为高温工况滚动轴承试验提供了硬件平台。

Description

高温工况滚动轴承试验机加热系统

技术领域

本发明涉及轴承试验技术领域，尤其涉及一种高温工况滚动轴承试验机的加热系统。

背景技术

工作温度高于120℃的轴承称为高温轴承。高温轴承广泛应用于航空航天、石油化工、机械制造领域，如航空发动机主轴轴承的工作温度在200℃以上；石油化工行业中高温轴承的工作温度为160℃，有些甚至高达350-400℃。由于达到轴承钢的回火温度，轴承各部分硬度将急剧下降；高温工作条件下润滑油的粘度也会受到极大的影响，致使轴承更容易发生失效，可能造成严重的经济损失和安全事故。轴承试验对于准确预测高温轴承寿命，科学合理地安排维修和更换，减少甚至杜绝安全事故的发生，有效保障装备及人员安全具有非常重要的意义。实际上，轴承试验是轴承设计、制造、验收过程中的一个不可缺少的重要的验证过程，在轴承试验机上按照高温轴承的实际安装工况、实际运行状态，即高温轴承的工作环境温度、转速、载荷以及润滑状态等按实际工况给定进行运转，达到预定寿命或到轴承失效。高温轴承的工作环境温度是运行工况的重要参数，轴承试验机对其模拟的准确性直接影响轴承的试验结果。

目前的常规轴承寿命试验机不能模拟高温轴承的工作环境。申请号为201110461997.7的中国发明专利公开了一种航空发动机主轴轴承试验机，包括用于试验轴承加热的加热装置。该加热装置串联在试验轴承的润滑油路上，对润滑油进行加热，加热后的润滑油喷射在试验轴承上，实现试验轴承的加热与润滑。此种加热方式存在的主要不足之处在于对润滑油加热会使润滑油粘度下降，影响润滑性能，使高温轴承实际工况的模拟失真。因此，对润滑油加热的温度不能过高，制约轴承的加热温度。此外，对润滑油进行加热后，润滑油容易产生油烟，对环境及试验人员造成影响。

本发明针对高温轴承试验高温工况模拟问题，在常规轴承寿命试验机的基础上研究了可与常规轴承寿命试验机配合使用的高温工况滚动轴承试验机加热系统。该系统可应用于高温轴承试验，为高温轴承的设计、研制、使用与保障提供硬件支撑。

发明内容

本发明提供了一种可以自动控温且精度高的高温工况滚动轴承试验机加热系统，旨在用一种新的更为精确高效的方式解决轴承试验机的高温环境工况模拟问题。

本发明的高温工况滚动轴承试验机加热系统的技术方案如下：

一种高温工况滚动轴承试验机加热系统，包括温度控制子系统和温度执行子系统；所述温度控制子系统包括用于轴承温度信号采集的温度传感器、用于通断电控制的操作器和用于温度传感器信号分析及操作器指令生成的温度控制器；所述温度执行子系统包括用于将电能转化为热能的加热器以及用于承载所述加热器并与高温试验轴承及试验机配合的支撑衬套，高温试验轴承的轴承外圈位于支撑衬套之中；所述支撑衬套沿周向钻有若干个均匀分布的不通的孔，在孔内分布设置加热器对支撑衬套进行加热，从而实现对轴承外圈的加热。

进一步地，所述加热器的功率P与数量n由下式确定：

nP &GreaterEqual; \frac{c (m_{1} + m_{2}) (T - T_{0})}{ηt}

式中，c为加热材料的比热；m₁为所述支撑衬套的质量；m₂为高温试验轴承的质量；T为高温轴承试验温度；T₀为实验室室内环境温度；η为热效率；t为要求的加热时间。

进一步地，所述支撑衬套与高温试验轴承之间采用过盈配合。

进一步地，所述支撑衬套的一个端面具有台阶结构，用于试验轴承的轴向定位。

进一步地，所述台阶结构的高度低于轴承外圈厚度的1/3。

本发明提供了一种可以自动控温且精度高的高温工况滚动轴承试验机加热系统，该系统沿支撑衬套周向布置加热器，并采用温度传感器反馈轴承温度，利用温度控制器分析温度传感器信号，生成控制指令输出到操作器，由操作器控制加热电路的通断，最终实现高温轴承高温工况的精确高效模拟。该系统结构紧凑，能与常规轴承试验机配合使用，为高温工况滚动轴承试验提供了硬件平台。

附图说明

图1、本发明的实施例的结构示意图

图2、温度控制回路电路图

图3、支撑衬套立体结构示意图

图4、支撑衬套受力分析

图5、支撑衬套变形情况示意图

图6、支撑衬套应力分布云图

图7、支撑衬套局部应力分布云图

图8、支撑衬套温度场分布分析

图9、系统升温曲线

图10、系统稳定控制曲线

具体实施方式

本发明所述加热系统采用支撑衬套加热轴承外圈的总体方案。支撑衬套沿周向钻孔，均匀布置加热器对支撑衬套进行加热，从而实现对轴承外圈的加热。所述温度控制子系统采用温度传感器进行测温，采用温度控制器进行数据采集和控制信号的输出，控制操作器电源的通断，实现系统温度的自动调节。

下面以6020深沟球高温轴承为试验样品，给出本发明的高温工况滚动轴承试验机加热系统的实施例：如图1所示，高温工况滚动轴承试验机加热系统，包括温度控制子系统、温度执行子系统、电源线及数据线。

所述的温度控制子系统包括温度传感器1、操作器2、温度控制器3构成，如图1所示。

所述的温度执行子系统包括加热器4、支撑衬套5，如图1所示。

所述的温度控制子系统的回路的电路如图2所示。所述温度传感器1选择PT100贴片式电阻温度传感器，其在高温和氧化介质中极为稳定，输入输出特性接近线性，测量精度高，广泛用于温度基准、标准的传递。所述的温度控制器3选择能够直接输入PT100传感器信号的型号为REX-C700的温度控制器，其精度高且采用PID及位式控制方式。所述的操作器2选取能直接采用控制器输出信号进行控制的小型直流控交流单相固态继电器SSR-25DA继电器。

所述加热器4的功率P与数量n由下式确定：

nP &GreaterEqual; \frac{c (m_{1} + m_{2}) (T - T_{0})}{ηt}

式中，c为加热材料的比热，取钢的比热容c=500J/(kg·K)；m₁为所述支撑衬套的质量，m₁=3.581kg；m₂为高温轴承试样的质量，6020深沟球轴承的质量m₂=1.180kg；T为高温轴承试验温度，取T=125℃；T₀为实验室室内环境温度，取T₀=25℃；η为热效率，取η=0.8；t为要求的加热时间，要求t<6分钟。

由上式计算得nP≥827，取n=12，P=80W，此时t=5.2分钟。因此，加热器定做成尺寸为Φ12×35mm，功率为80W的加热棒。

本实施例中支撑衬套5的立体结构示意如图3所示，总体上采用圆柱形的套圈结构。其内径由高温6020深沟球试验轴承的外径确定为Φ150mm，与6020轴承之间的配合取基轴制配合，公差选取过盈量较大的7级公差。采用过盈量较大的过盈配合可防止高温轴承试验时高温轴承与支撑衬套间产生周向相对移动。所述支撑衬套5的外部径向尺寸由加热器的尺寸确定为Φ194mm。所述支撑衬套5沿Φ172mm的圆周向均匀钻不通的孔，孔径由加热器直径确定为Φ12mm，孔深由加热器长度确定为35mm，孔数由加热器的数量确定为12。所述支撑衬套5的宽度由加热器的长度并预留一定厚度的余量确定为40mm。同时，为了轴承的定位和轴向的固定，还要在内孔的一边留一个台阶。台阶高度应该保证能够使轴承轴向定位稳定的同时还要低于轴承外圈厚度的1/3，以保证轴承在拆卸时的方便，设计台阶的高度2mm，内孔一端的直径为146mm。

为确保设计的所述支撑衬套5能满足要求并且展示本发明的技术效果，下面进行检验校核分析，包括承载强度校核和温度场分布分析。承载强度校核包括高温轴承试验时的载荷计算和有限元分析。

高温轴承试验时的载荷计算。用额定载荷的4倍载荷进行校核。轴孔配合时，孔受力情况大致如图4所示，孔所受应力在ABC面内不均匀分布，其中在B点所受应力最大，其值接近于轴对孔的压力与圆孔直径平面面积的比值

σ_{B} = \frac{F}{S} = \frac{{4 C}_{r}}{S} = \frac{4 \times 49.5 {\times 10}^{3}}{150 \times 24} = 55 MPa

式中F为校核载荷，S为圆孔直径平面面积，C_r为6020轴承的基本额定动载荷。σ_B<[σ]=275MPa，式中，[σ]=275MPa为所述支撑衬套5的材料强度，因此所述支撑衬套5的强度满足要求。由于所述支撑衬套5的受力分布情况复杂，且其周向布置了12个孔，受到载荷作用时会产生应力集中，因此需要有限元分析软件进行仿真分析计算。

ANSYS有限元分析。图5为所述支撑衬套5在载荷作用下发生变形的情况，是将变形结果进行了放大后的效果。图6为所述支撑衬套5在载荷作用下的应力分布云图。图7为所述支撑衬套5的局部应力分布云图。在4倍载荷作用下，所述支撑衬套5周向孔洞处有较为明显的应力集中产生，其最大应力σ_max=176MPa。由于σ_max<[σ]=275MPa，式中，[σ]=275MPa为所述支撑衬套5的材料强度，因此所述支撑衬套5的强度满足要求。

温度场分布分析结果如图8所示。在所述支撑衬套5的两个孔洞处加上130℃的热源，经过有限元计算，内圈上两个孔之间的温度最高121℃，最低116℃。由于温度场分布的最高温和最低温的差值要求控制在5℃以内，因此温度场分布满足要求。

为确保设计的加热系统能满足要求并且展示本发明的技术效果，下面进行试验校验分析，包括所述温度传感器1的校核实验分析、温升时间试验分析、温度控制稳定性试验分析。

所述温度传感器1的校核实验分析。将所述温度传感器1和标准多路温湿度监测处理系统温度的传感器同时置于空气环境、温水环境中进行测试对比实验。结果表明，两型传感器测得的温度平均值分别相差0.79℃和0.27℃，温度误差满足要求。

所述温度控制系统的温升时间试验分析。设定所述温度控制器3的控制温度为125℃，得到的系统升温曲线如图9所示，在加热6分钟以后，系统达到了设计要求的温度范围。

所述温度控制系统的温度控制稳定性试验分析。在以上温升时间试验的基础上，接着进行系统稳定性能的试验，结果如图10所示。温度控制是稳定的，上下波动的范围在±2℃以内。

综上所述，上述实例说明了6020深沟球高温轴承为试验样品的高温工况滚动轴承试验机加热系统，该系统结构紧凑，可以实现高温轴承高温工况的精确高效模拟，能与常规轴承试验机配合使用，拓展了常规轴承试验机的试验能力，为高温工况滚动轴承试验提供了硬件平台。

Claims

1.一种高温工况滚动轴承试验机加热系统，其特征在于包括温度控制子系统和温度执行子系统；所述温度控制子系统包括用于轴承温度信号采集的温度传感器、用于通断电控制的操作器和用于温度传感器信号分析及操作器指令生成的温度控制器；所述温度执行子系统包括用于将电能转化为热能的加热器以及用于承载所述加热器并与高温试验轴承及试验机配合的支撑衬套，高温试验轴承的轴承外圈位于支撑衬套之中；所述支撑衬套沿周向钻有若干个均匀分布的不通的孔，在孔内分布设置加热器对支撑衬套进行加热，从而实现对轴承外圈的加热。

2.根据权利要求1所述的高温工况滚动轴承试验机加热系统，其特征在于：所述加热器的功率P与数量n由下式确定：

nP &GreaterEqual; \frac{c (m_{1} + m_{2}) (T - T_{0})}{ηt}

3.根据权利要求1所述的高温工况滚动轴承试验机加热系统，其特征在于：所述支撑衬套与高温试验轴承之间采用过盈配合。

4.根据权利要求1所述的高温工况滚动轴承试验机加热系统，其特征在于：所述支撑衬套的一个端面具有台阶结构，用于试验轴承的轴向定位。

5.根据权利要求4所述的高温工况滚动轴承试验机加热系统，其特征在于：所述台阶结构的高度低于轴承外圈厚度的1/3。