CN103615994A - 滚动轴承润滑油膜厚度测试装置及其测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种滚动轴承润滑油膜厚度测试装置及其测试方法，包括在支架上轴向相对设置的高、低速电主轴，高速电主轴前端连接滚动体，低速电主轴前端连接受试轴承的圈体，滚动体通过加载机构对受试轴承圈体施加径向载荷；高、低速电主轴上均设有测速传感器，通过变频器连接数据采集处理系统；在受试轴承圈体与滚动体接触部位附近设置有润滑装置以改变润滑状况；受试轴承的圈体内表面贴有超声波传感器，通过信号线经由夹具、拉杆内部开设的孔洞与滑环连接，将信号传递至超声数据采集处理系统，采用超声波膜厚测量技术获得滑差因素作用下滚动轴承接触部位测点的实时膜厚数值。

Description

滚动轴承润滑油膜厚度测试装置及其测试方法

技术领域

本发明属于滚动轴承试验技术，具体涉及一种用于滚动轴承滑差试验台的油膜厚度测试装置及方法。

背景技术

滚动轴承是应用极为广泛的一种重要机械基础零件。现代工业的发展对滚动轴承的工作性能提出了更高的要求，高转速、长寿命的轴承越来越受到使用者青睐。但高转速条件下轻载轴承的打滑与蹭伤一直是影响轴承使用寿命的关键因素。因此，对滚动轴承进行打滑失效机理的研究显得尤为重要。申请人开发了一种简便可行的滚动轴承滑差试验台，可用于分析各参数作用下滚动轴承打滑失效的深层次机理，进而可以通过优化影响轴承滑蹭的主要因素以提高滚动轴承的使用寿命与可靠性。在滚动轴承打滑失效研究过程中，发现轴承润滑膜的厚度分布及其性能是一项反映轴承润滑状态的关键性能指标，特别是其破裂与否对揭示滚动轴承打滑失效的本质机理至关重要，但目前针对滚动轴承润滑膜这种极薄厚度的油膜厚度的准确获取缺乏有效的技术支持。

发明内容

本发明目的在于提供一种简便可行的用于滚动轴承滑差试验台的油膜厚度测试装置及方法，结合超声波膜厚测量技术，能够用于实时检测并获取实际工况中滚动轴承膜厚的信息。

为了达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：

一种滚动轴承润滑油膜厚度测试装置，包括在试验台的支架上轴向设置的低速电主轴，相对该低速电主轴，所述试验台上通过活动支承和带有力传感器的加载机构设置高速电主轴，所述高、低速电主轴上均设有转速传感器，通过变送器与数据采集处理系统信号连接；其特征在于，所述低速电主轴的轴心设有一拉杆，拉杆前端通过夹具连接受试轴承的圈体；所述高速电主轴的前端连接可调换的滚动体，该滚动体通过加载机构对受试轴承圈体施加径向载荷；通过力传感器将加载信号输入至数据采集处理系统；在受试轴承的圈体与滚动体接触部位附近设置润滑装置以改变所述圈体的润滑状况；所述拉杆内部设有贯穿低速电主轴轴心的通孔，受试轴承的圈体内表面贴有超声波传感器，超声波传感器通过信号线经由夹具、拉杆内的通孔与低速电主轴后端的一个滑环相连接，该滑环将超声波传感器的信号传递至超声数据采集处理系统。

上述方案中，所述夹具包括与拉杆前端连接的夹头，其上套有张紧套，夹头与张紧套为轴向锥面接触，张紧套外沿圆周方向装设受试轴承的圈体，通过压盖用螺栓将张紧套、受试轴承的圈体一并固定在夹头上。

其中：张紧套轴肩外表面开有一个轴向长方槽，并与挡边的透孔连通；所述夹头挡边上开槽，槽面上开有径向孔与夹头的轴向孔连通。

一种采用前述装置实现滚动轴承润滑油膜厚度的测试方法，包括下述步骤：

（1）在受试轴承圈体内表面测点位置加工凹槽，嵌入超声波传感器，然后用环氧树脂封装，将受试轴承安装在夹头上；

（2）经过带通滤波器滤波消除测点超声波传感器中的噪声与疵点；

（3）获取测点油膜厚度数值，利用超声波膜厚测量仪器采用超声波弹簧模型法获得测点的润滑油膜厚度数值，具体方法是：通过测定超声波在线性区域的反射系数的大小，然后根据公式

获得润滑油膜厚度，其中ρ为润滑液的密度；c为超声波在润滑油膜层中的传播速度；Z为润滑油膜层两侧固体的声阻抗；R为不同频率超声波在润滑油膜层上的反射系数幅值的大小。

本发明与现有技术相比，具有以下优点与突出效果：

本发明采用超声波膜厚测量技术可以有效获得滚动轴承接触点处膜厚值，从而为滚动轴承动特性研究创造条件。该方法能够实时检测实际工况下滚动轴承润滑状况，有利于及时发现局部润滑失效甚或碰磨情况。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1为本发明装置的结构原理图。

图2为图1中受试轴承圈体与夹具连接示意图。

图3为图1中拉杆的结构示意图。

图4为图1中夹头的结构示意图。

图5为图1、图2中张紧套的结构示意图。

图6为超声传感器测点布置示意图。

图7为滚动轴承接触部位润滑油膜厚度部分数值结果。

图1、图2、图6中的标记说明：1-拉杆；2-低速电主轴；3-支架；4-夹头；5-张紧套；6-滚动体；7-滚子夹具；8-高速电主轴；9-力传感器；10-超声传感器；11-内圈；12-滑环；13-信号线；14-径向孔；15-轴向孔；16-挡边；17-透孔；18-长方槽。

具体实施方式

参照图1，一种用于滚动轴承滑差试验台的油膜厚度测试装置，包括在试验台的支架3上轴向设置的低速电主轴2，相对低速电主轴的试验台上通过活动支承和带有力传感器9的加载机构设置高速电主轴8；高速电主轴前端连接可调换的滚动体6，低速电主轴前端通过夹具连接受试轴承的圈体（内圈或外圈），滚动体通过加载机构对受试轴承圈体施加径向载荷；高、低速电主轴上均设有测定转速的位移传感器，通过变送器与数据采集处理系统信号连接；高、低速电主轴均连接有变频器，数据采集处理系统通过变频器控制高、低速电主轴的转速；在受试轴承圈体与滚动体接触部位附近设置有润滑装置以改变润滑状况，力传感器9通过信号放大器将加载信号输入至数据采集处理系统；所述受试轴承的圈体内表面贴有圆薄片式超声波传感器10（图6），超声波传感器通过信号线13经由张紧套5、夹头4、拉杆1（图3）内部开设的孔洞与滑环12相连接，将信号传递至超声数据采集处理系统，获得径向载荷、转速、滑差率、润滑状况等滑差因素作用下测点的实时膜厚值。

在高速电主轴8底板右端下方，用细牙螺杆连接力传感器9，通过控制双螺母的上下移动利用杠杆原理加载，给滚动体6端施加不同的径向载荷。

如图2所示，夹具包括连接在拉杆1前端的夹头4（图4）、其上套有张紧套5（图5），有利于试件的张紧、微调与装卸，夹头与张紧套为轴向锥面接触，有利于定位与夹紧，张紧套5外沿圆周方向装设内圈11，通过压盖用螺栓将张紧套、内圈一并固定在夹头4上。其中：张紧套轴肩外表面开有一个轴向的长方槽18，并与挡边16的透孔17连通，形成一个信号线通道。夹头挡边上开槽，槽面上开有径向孔14，该径向孔与夹头的轴向孔15（与拉杆通孔相连）连通，形成一个信号线通道。

如图3所示，拉杆轴线方向开有通孔，以利于信号线13通过，并使得信号线与外部的滑环相连接，将信号线输出至超声数据采集处理系统。

本发明装置的工作原理是：在测点位置（图6）嵌入式安装圆薄片式超声波传感器10；根据受试轴承所要求的滑差率设定高、低速电主轴8、2的变频器初始频率，连接冷却装置及润滑装置，通过加载机构经由滚动体6对受试轴承的圈体施加径向载荷；试验开始后，数据采集处理系统通过调节两个电主轴转速控制试验在一定滑差率进行；数据采集处理系统通过润滑装置改变润滑油型号及流量；数据采集处理系统通过加载机构控制载荷，通过改变试样滚动体及受试轴承的圈体进而改变工件外观形貌与性能参数；通过预设的信号通道将信号传递至超声数据采集处理系统，经过信号消噪，采用超声波膜厚测量方法即可方便获得径向载荷、转速、滑差率、润滑状况等滑差因素作用下滚动轴承接触部位测点的实时膜厚数值。该装置具有结构简单，安装、调试方便，运行可靠等优点。

上述的超声波膜厚测量方法具体包含以下步骤：

（1）安装超声波传感器

参照图6，在滚动轴承内圈内表面测点位置加工凹槽，将圆薄片式超声波传感器用粘合剂粘在凹槽里，然后用环氧树脂对传感器进行封装；

（2）信号消噪处理

经过带通滤波器滤波消除测点处超声波传感器中的噪声与疵点；

（3）获取测点膜厚数值

本发明优选实施例的膜厚数值小于10微米，选用超声波膜厚测量仪器采用超声波弹簧模型法获得测点的润滑膜厚数值。具体为：通过测定超声波在线性区域的反射系数的大小，然后根据公式获得润滑膜厚。其中ρ为润滑液的密度；c为超声波在润滑膜层中的传播速度；Z为润滑膜层两侧固体的声阻抗；R为不同频率超声波在润滑膜层上的反射系数幅值的大小。超声波膜厚测量仪器为英国Tribosonics公司生产的FMS100油膜厚度测量系统。

图7为通过本装置与方法获取的滚动轴承接触部位润滑油膜厚度部分数值。滑蹭行为被设计为在一定滑差组合下发生。通过整合试样表面形貌信息、接触区油膜温度信息等，可以藉此研究各滑差组合因素作用下滚动轴承油膜动态变化特性。

Claims (4)

1.一种滚动轴承润滑油膜厚度测试装置，包括在试验台的支架上轴向设置的低速电主轴，相对该低速电主轴，所述试验台上通过活动支承和带有力传感器的加载机构设置高速电主轴，所述高、低速电主轴上均设有转速传感器，通过变送器与数据采集处理系统信号连接；其特征在于，所述低速电主轴的轴心设有一拉杆，拉杆前端通过夹具连接受试轴承的圈体；所述高速电主轴的前端连接可调换的滚动体，该滚动体通过加载机构对受试轴承圈体施加径向载荷；通过力传感器将加载信号输入至数据采集处理系统；在受试轴承的圈体与滚动体接触部位附近设置润滑装置以改变所述圈体的润滑状况；所述拉杆内部设有贯穿低速电主轴轴心的通孔，受试轴承的圈体内表面贴有超声波传感器，超声波传感器通过信号线经由夹具、拉杆内的通孔与低速电主轴后端的一个滑环相连接，该滑环将超声波传感器的信号传递至超声数据采集处理系统。

2.如权利要求1所述的滚动轴承润滑油膜厚度测试装置，其特征在于，所述夹具包括与拉杆前端连接的夹头，其上套有张紧套，夹头与张紧套为轴向锥面接触，张紧套外沿圆周方向装设受试轴承的圈体，通过压盖用螺栓将张紧套、受试轴承的圈体一并固定在夹头上。

3.如权利要求2所述的滚动轴承润滑油膜厚度测试装置，其特征在于，所述张紧套轴肩外表面开有一个轴向长方槽，并与挡边的透孔连通；所述夹头挡边上开槽，槽面上开有径向孔与夹头的轴向孔连通。

4.一种滚动轴承润滑油膜厚度的测试方法，其特征在于，采用权利要求1所述的滚动轴承润滑油膜厚度测试装置实现，包括下述步骤：

（1）在受试轴承圈体内表面测点位置加工凹槽，嵌入超声波传感器，然后用环氧树脂封装，将受试轴承安装在夹头上；

（2）经过带通滤波器滤波消除测点超声波传感器中的噪声与疵点；

（3）获取测点油膜厚度数值，利用超声波膜厚测量仪器采用超声波弹簧模型法获得测点的润滑油膜厚度数值，具体方法是：通过测定超声波在线性区域的反射系数的大小，然后根据公式

获得润滑油膜厚度，其中ρ为润滑液的密度；c为超声波在润滑油膜层中的传播速度；Z为润滑油膜层两侧固体的声阻抗；R为不同频率超声波在润滑油膜层上的反射系数幅值的大小。

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