CN104062122A - 一种轴承试验机的加载装置 - Google Patents

Abstract

一种轴承试验机的加载装置，活动板以立柱为导轨上下移动，加载头的加载基板安装在活动板下表面的导轨槽内。试验轴承安装在加载轴上。橡胶轮套装在试验轴承的外圈上。试验时，试验轴承为一组两套的机轮轴承，对称安装于橡胶轮内。试验时，模拟飞机停止状态下机轮轴承的受力工况。将装有试验轴承的橡胶轮安装在加载系统的加载头上，通过橡胶轮向鼓轮加载，实现轴承的径向加载试验和飞机机轮轴承的侧偏试验加载试验。本发明可在高转速下实现大载荷加载，模拟飞机在起飞、高速滑行、着陆时冲击瞬间、侧偏着陆以及停止过程中机轮轴承的受力情况，能够对机轮轴承的强度及寿命进行准确的评估，提供可靠的试验依据，并有效缩短其研制周期。

Description

一种轴承试验机的加载装置

技术领域

本发明涉及一种轴承试验机的加载装置，尤其是涉及一种模拟飞机机轮轴承实际受力工况的加载设备。

背景技术

随着飞机的发展，飞机起飞与着陆时速度及重量逐渐增加，起飞与着陆过程中的安全问题日益突出，对机轮轴承的性能与可靠性要求也越来越高，它关系到飞机的安全返航、持续作战能力和适应机场的能力。

机轮轴承不仅用来支撑机轮，引导机轮的旋转方向，减小转动过程中的摩擦，并承受对机轮和轮轴之间的各种载荷。而且，轴承对飞机的工作性能、寿命、各项经济指标及可靠性都有很大影响，甚至在某些情况下也会造成飞行安全事故。

作为易损件的机轮轴承，因为机轮轴承未能正常工作的事故占一定的比例，因此如何有效的提高飞机着陆时的安全性，提高飞机对各种载荷状况、跑道状况、气候条件的适应能力，成为飞机机轮轴承的主要研究目标。

由于轴承的几何特点及设计特点，它可以承受径向和轴向的综合载荷。外滚道与轴承中心线夹角越大，能承受的轴向推力和径向推力的比值越大，滚棒和滚道的接触线越长，那么承受载荷的能力越强。飞机处于不同的工作状态，轴承的受力情况不同。

1、飞机处于静止状态，轴承主要承受静止载荷。飞机的重力产生的停机载荷P通过轴承的滚棒传递给外滚道，即轮毂。P可沿轴向分解为轴向力N和垂直于外滚道的力F。

2、飞机在地面滑行时，主要也承受垂直载荷。由于地面的不绝对平整，飞机的上下震动的幅度大于飞机的重力。

3、着陆时，机轮接地的瞬间首先主要受到巨大的静止垂直冲击载荷，继而机轮以很高的加速度加速达到与飞机同样的速度在地面滑跑。如果飞机产生了重着陆，轴承在未运转的状态下承受这种冲击载荷的危害是很大的。如果带侧滑接地，如侧风较大的时候，机轮还要收到较大的侧向载荷，机轮受到侧向摩擦力时，由于惯性作用，飞机有向一侧倾斜的趋势。因此作用在外侧轴承上的垂直载荷和侧向载荷要比内侧大。

随着目前世界各国对大型运输机的需求越来越大，研制高转速重负荷的机轮轴承也越来越迫切，人们也越来越认识到机轮轴承试验的重要性。轴承试验是轴承设计和制造过程中一个不可或缺的重要验证过程，在轴承试验机上按照轴承的实际安装工况、实际运行状态，即轴承的转速、轴向载荷、径向载荷以及环境温度、润滑状态等按照实际工况给定进行运转，达到预定寿命或到轴承失效。

目前国内外轴承试验机种类繁多，可均为铁路用轴承、风电轴承和机床轴承等轴承试验机，结构上大体如中国专利CN201210103079中公开的高速轴承试验机，为使用电主轴带动安装在轴承座内的试验轴承的内圈旋转。对于轴承试验的加载，典型的加载装置如专利CN201210103076公开的高速轴承试验机的加载装置所述，轴承轴向的一侧利用轴向加载装置实现轴向载荷加载，轴承径向一侧利用径向加载装置实现径向载荷加载。

此类试验机也能完成高转速下的负荷加载，但如果此类试验机的加载原理如用于航空机轮轴承试验，存在不少缺陷。

其一，此类加载装置的加载载荷值有限，远达不到目前机轮轴承的高负荷试验要求。此类型的轴承试验机，其驱动轴承旋转的方式为使用电主轴直接带动安装在轴承座内的试验轴承的内圈同步旋转，如需进行轴向加载，轴向力最终作用在电主轴的转子上，而电主轴的转子不可能承受上百千牛的轴向推力，因此限制了此类型的轴承试验机的轴向加载载荷。

其二，如需模拟航空机轮侧偏受力加载试验，此类试验机的原理是轴向与径向分别进行加载，形成合力来模拟机轮轴承的侧偏受力工况。理论上用合力来模拟侧偏加载力似乎是可行的。但对比分析飞机机轮轴承实际工况和此类试验机模拟工况，发现在实现机轮轴承侧偏加载力时，如从轴向和径向分别加载形成合力来模拟侧偏力，这使得两个机轮轴承的受力是平均的，且每个机轮轴承的受力幅面大并且受力均衡，尤其是轴向加载使得机轮轴承在承受轴向力时，受力面积为其整个侧幅面，轴向力也均衡地分布于其整个侧幅面，从而使得轴向力平均的施加于试验轴承内的每一个滚体上；可是，实际侧偏的飞机机轮，由于机轮轮胎表面为圆弧形，负荷使机轮轮胎的侧面表面形成一个受力平面，其力传导至机轮轴承，机轮内两套轴承受力不均，侧偏力偏向于侧偏方向的那套机轮轴承，且每套轴承的受力幅面小而且并不均衡，轴承内每一个滚体的受力都不一样。并且，此类试验机以电机驱动主轴来直接驱动轴承内圈的方式，使得对轴承内圈的径向、轴向的偏移量要求很高，一旦偏移量过大，高速旋转带来的离心不平衡就会威胁到整个试验机，因此此类试验机加载能力有限，高速和重负荷不可兼得。这就导致了此类试验机加载装置的使用局限性。

其三，在飞机着陆时，从飞机机轮触地到机轮旋转至与飞机速度同等的线速度，这一速度上升沿历时小于200ms。根据机轮轴承在飞机着陆瞬间的受力情况，如果轴承试验机需模拟飞机着陆时机轮轴承的工况，这要求轴承试验机在200ms以内将机轮轴承载荷加载至额定载荷，并能模拟飞机着陆时对机轮轴承的冲击加速度。因此，如需模拟此巨大载荷的加载冲击，要求载荷在200ms内加载到额定值，此类试验机加载装置的原理无法实现。

其四，现有技术的各类轴承试验机，在试验时均需要相应的陪试轴承。试验高速轴承时，需要能承受更高转速的陪试轴承；试验高负荷的轴承时，需要能承受更高负荷的陪试轴承；进行轴承寿命试验时，每试验一次，需要达上一对寿命更长的陪试轴承。一方面这使得试验机的极限功能受限于陪试轴承，如需研制更高性能的轴承则不可行。另一方面，额外增加的一对陪试轴承，以及旋转的主轴，都和试验轴承处于一个工装内，在旋转时都是发热体，摩擦力导致整体温度急剧增高，使得试验对加载载荷的测量、轴承温度的测量误差增大，且大大降低了试验机的安全系数，容易因轴承的软化导致安全事故。

随着现代飞机性能要求的不断提高，对飞机机轮的性能提出了更高的要求，机轮应具有重量轻、承载能力大、寿命高，并能承受大的冲击载荷，因此，对机轮的选用轴承也提出更高的要求。机轮轴承通过重载、冲击载荷和寿命试验结果，以供机轮选用已是必然趋势。对机轮轴承在起飞尤其是在着陆时的负荷冲击条件下的工作状态数据的探索迫在眉睫。

以往国内对飞机机轮轴承试验的加载装置，是机轮轴承随机轮进行承载，选用风险大，试验周期长，对机轮的研制增加了风险，并且，对整个机轮的高负荷加载，机轮轮胎有很大距离的轮胎压缩量，致使轮胎容易发生爆胎，需要附加一套庞大的驱动设备和安全防护设备，故现有技术中的飞机机轮轴承试验的加载装置无论从安全性、能耗及成本各方面考虑，都不具有可实施性。

发明内容

为克服现有技术中存在的加载载荷值不能满足机轮轴承的试验要求，以及试验周期长、安全性差、试验成本高的不足，本发明提出了一种轴承试验机的加载装置。

本发明包括，液压缸、固定板、载荷传感器、立柱、活动板、橡胶轮、加载头、加载轴、制动器和制动盘。加载装置通过立柱固定在地基板的上表面。固定板固定在立柱顶端端面上。液压缸安装在所述固定板上表面的几何中心，并使该液压缸的伸缩杆穿过固定板后位于该固定板的下表面与活动板上表面之间。所述活动板水平安装在所述立柱的中部，并以立柱为导轨上下移动。所述活动板上表面几何中心安装有载荷传感器。所述活动板下表面有导轨槽，加载头的加载基板安装在该导轨槽内。在液压缸的伸缩杆的端面与活动板之间固定安装载荷传感器。加载轴的两端分别固定在加载头的两个加载臂上。试验轴承安装在加载轴的中部。橡胶轮套装在所述试验轴承的外圈上。制动盘套装在加载轴上，并且该制动盘上的法兰与橡胶轮的一个端面固定连接。所述制动盘的制动碟片位于制动器的制动夹片中。所述制动器的上端固定在加载头内加载基板的下表面。

所述活动板上表面几何中心有安装载荷传感器的凸台。位于所述活动板下表面的导轨槽的几何中心与活动板的几何中心重合，并且该导轨槽的长度方向与加载头的长度方向一致。所述导轨槽的长度方向的槽底表面为弧形。该弧形面的曲率半径为1800mm。在该导轨槽的两侧壁上对称均布有用于固定加载头的螺纹孔。

所述加载头由加载基板和两个加载臂组成。加载基板的上表面为弧面，并且该弧面与所述导轨槽的弧形槽底面配合。两个加载臂对称地位于所述加载基板下表面长度方向的两侧。各加载臂的下端有与轴套的安装孔，加载轴的两端分别固定安装在所述的轴套内。

所述的橡胶轮由钢圈和橡胶层组成。所述钢圈两端的孔径与试验轴承的外径相同。钢圈一端的端面匀布有制动盘安装孔。钢圈的外表面包覆有橡胶层。所述的制动盘的内径大于加载轴的外径。

制动盘的一端有与橡胶轮上的钢圈配合的法兰，制动盘的另一端有径向凸出的制动碟片。该制动碟片的外径需能够与制动器的两个制动夹片配合。所述制动碟片的厚度小于所述两个制动夹片之间的间距。

本发明提出了一种轴承试验机的加载装置，旨在解决现有技术缺陷。此加载装置适用于普通轴承，也适用于飞机机轮轴承。

一种轴承试验机的加载装置，加载方式为立式液压加载，为试验轴承提供试验载荷，保证试验轴承按规定的载荷谱试验，并可完成航空机轮轴承的径向加载、侧偏加载。

所述的加载装置包括液压系统、加载液压缸、加载台架、载荷传感器、加载头、加载轴和用于安装试验轴承的橡胶轮、圆螺母。

所述的加载台架包括地基板、四个立柱、活动板和固定板，其中地基板位于地平面，其四个角分别固定一个圆柱体立柱。所述的四个立柱的一端固定于地基板的四个角，另一端安装方形固定板，固定板的几何中心位置有通孔，用于安装加载油缸。所述的活动板水平位于地基板与固定板之间，四个角上各有一个圆形通孔，每个圆形通孔各穿过一个立柱，活动板以四个立柱为导轨，可上下移动；活动板的上表面的几何中心位置有凸台，用于安装载荷传感器的一端，载荷传感器另一端与加载油缸相连；活动板的下表面纵向设有圆弧形凹槽的导轨，导轨的两面各匀布有五个螺纹孔。

所述的加载头为圆弧形双臂对称式U型加载头，其上端部分为圆弧凸形板，两个加载臂对称位于其下端部分。加载头上端面的圆弧凸形板安装于活动板下表面的圆弧形导轨槽上，其圆弧凸型板圆弧外径与圆弧形导轨槽的凹槽内径相等。圆弧凸形板可在圆弧导轨槽平面上调整安装角度，并通过导轨两个端面上的螺栓压紧固定。U形加载头的两臂各有一个通孔，可通过轴套安装加载轴。所述的加载轴为橡胶轮、试验轴承提供安装支撑。

所述的橡胶轮有两层，内层为钢圈，用于对称安装两套试验轴承，外层为钢圈外表面的橡胶层，材料为氢化丁腈橡胶。橡胶轮的一个端面上匀布四个螺纹孔，用于安装刹车用的制动盘。所述的圆螺母为两个，分别用于固定橡胶轮内的两套机轮轴承。

所述的液压系统为加载液压缸提供压力源。所述的加载液压缸固定于固定板的几何中心，通过载荷传感器和活动板相连，可驱动以四个立柱为导轨的活动板移动，并能为机轮轴承提供加载载荷。所述的载荷传感器用于测量加载载荷。

试验机的加载装置，其工作原理如下：

试验时，试验轴承为一组两套的机轮轴承，对称安装于橡胶轮内。

试验机在进行飞机机轮轴承静载荷试验时，模拟飞机停止状态下机轮轴承的受力工况。将装有试验轴承的橡胶轮安装在加载系统的加载头上，启动油泵对加载液压缸加压，液压缸推动移动加载部分向前移动，将橡胶轮压向鼓轮，垂直加载实现轴承径向加载，载荷大小通过载荷传感器进行测量控制。

试验机在进行飞机机轮轴承侧偏试验加载时，可实现模拟飞机机轮侧偏时机轮轴承的受力工况。试验步骤与轴承静态载荷试验步骤一样，区别在于试验前将加载头在活动板下端导轨内调整偏转至所需的偏转角度，利用其两端面的螺栓压紧。垂直载荷的分力实现轴承的轴向载荷，从而实现机轮轴承的侧偏加载。

试验机在进行负荷冲击试验时，可实现对飞机着陆瞬间机轮轴承使用工况的模拟。将装有试验轴承的橡胶轮安装在加载系统的加载头上，启动油泵，液压系统达到额定工作压力。控制液压缸推动移动加载部分向前移动，使橡胶轮与鼓轮之间的距离达到临界接触状态。此时利用加载液压缸对轴承实施冲击加载，瞬间提升液压缸输入压力，使橡胶轮压向鼓轮；冲击加载时，通过载荷传感器记录冲击时载荷上升状况，载荷值速将在0.2s左右从零值上升至额定载荷值。

本发明在实现机轮轴承侧偏加载时，加载头调整角度至试验侧偏角度，加载时模拟了机轮实际侧偏时的状态，使得试验机准确地模拟了机轮轴承实际侧偏时的受力工况。

本加载装置所述的用于安装试验轴承的小型橡胶轮，其外径远小于实际机轮外径。此小型橡胶轮，外层的橡胶层为实心橡胶，相对于大尺寸的机轮轮胎，其压缩量小，抗拉性强，且无爆胎等安全隐患。

本轴承加载装置无需为试验轴承配备陪试轴承，打破了常规轴承加载装置受陪试轴承承载能力限制的局限性，可实现上千千牛的载荷加载。

本发明的飞机机轮轴承负荷冲击试验机的加载装置，对比了国内风电轴承、高铁轴承以及飞机发动机轴承的综合试验装备的加载装置，容动、静载荷和冲击载荷试验加载为一体，可在高转速下实现大载荷的加载，同时参照了目前国内先进的大型飞机机轮试验台的试验方法，达到了模拟飞机在起飞、高速滑行、着陆时冲击瞬间、侧偏着陆以及停止过程中机轮轴承受力工况、试验条件等使用工况状态，可全面地反映机轮轴承的工况，以对其强度、寿命进行准确的评估，为研究更高转速、更重负荷的航空机轮轴承提供可信的试验依据，可有效缩短其研制周期。

本发明不仅适用于飞机机轮轴承的加载，也适用于普通轴承。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是活动板的结构示意图，其中2a是主视图，2b是侧视图。

图3是加载头的结构示意图，其中3a是主视图，3b是侧视图。

图4是橡胶轮的结构示意图，其中4a是侧视图，4b是主视图。

图5是本发明与试验轴承的配合示意图。

图中：

1.液压缸；2.固定板；3.载荷传感器；4.立柱；5.活动板；6.橡胶轮；7.加载头；8.加载轴；9.制动器；10.受力台；11.地基板；12.圆弧形导轨槽；13.凸台；14.基板；15.加载基板；16.加载臂；17.橡胶层；18.钢圈；19.轴套；20.制动盘；21.试验轴承；22.圆螺母。

具体实施方式

本实施例是一种用于某飞机机轮轴承试验机的加载装置。

所述加载装置为立式液压加载方式。

加载装置主要由液压缸1、固定板2、载荷传感器3、立柱4、活动板5、橡胶轮6、加载头7、加载轴8、制动器9、加载受力台10、轴套19和制动盘20组成。加载装置通过四根立柱4固定在地基板11的上表面。并以四个立柱4作为活动板5上下移动的导轨，同时能够承受来自加载头的载荷。

在所述加载装置中，固定板2固定安装在四根立柱4的顶端端面上。液压缸1安装在所述固定板2上表面的几何中心，并使该液压缸1的伸缩杆穿过固定板2，位于所述固定板2的下表面与活动板5上表面之间。所述活动板5水平安装在所述四根立柱的中部，并以立柱4为导轨上下移动。所述活动板上表面几何中心有凸台13，用于安装载荷传感器3。所述活动板5下表面有导轨槽12，加载头7的加载基板安装在该导轨槽12内。在液压缸的伸缩杆的端面与活动板5之间固定安装有拉压式载荷传感器3，用于测量冲击加载载荷值。加载轴8的两端分别固定在U形加载头7的两个加载臂16上。试验轴承21安装在加载轴8的中部。橡胶轮6套装在所述试验轴承的外圈上。制动盘20套装在加载轴上，并且该制动盘上的法兰与橡胶轮6的一个端面固定连接。所述制动盘的制动碟片位于制动器9的制动夹片中。所述制动器9的上端固定在加载头内加载基板15的下表面。

所述活动板5为方形，在该活动板的四个角上各有一个与立柱4配合的通孔。所述活动板上表面几何中心有凸台13，用于安装载荷传感器3。所述活动板5下表面有横截面为“凹”形的导轨槽12，该导轨槽的几何中心与活动板5的几何中心重合，并且该导轨槽在活动板5下表面的长度方向与加载头的长度方向一致。所述导轨槽的长度方向的槽底表面为弧形。该弧形面的曲率半径为1800mm。在该导轨槽的两侧壁上分别均布有五个用于固定加载头7的螺纹孔，并且分别位于两侧壁上的螺纹孔的位置相互对称。

所述加载头7的外形为矩形，由加载基板15和两个加载臂16组成。加载基板15的上表面为弧面，并且该弧面与所述导轨槽的弧形槽底面配合。两个加载臂16对称地位于所述加载基板15下表面长度方向的两侧，在所述加载头下表面形成“U”形。各加载臂16的下端有与轴套19的安装孔，加载轴的两端分别固定安装在所述的轴套19内。

所述的橡胶轮6为套筒状，由钢圈18和橡胶层17组成。所述钢圈18两端的孔径与试验轴承21的外径相同，并在钢圈18的内孔两端有试验轴承21的定位轴肩。钢圈18壳体一端的端面匀布有四个制动盘安装孔。钢圈18的外表面包覆有橡胶层17。所述橡胶层17材料为氢化丁腈橡胶。本实施例中,橡胶轮φ248mm。

所述的制动盘20为套筒状。该制动盘的内径大于加载轴的外径。制动盘的一端有与橡胶轮上的钢圈配合的法兰，制动盘的另一端有径向凸出的制动碟片。该制动碟片的外径需能够与制动器9的两个制动夹片配合。所述制动碟片的厚度小于所述两个制动夹片之间的间距。

所述制动器9采用常规的碟式制动器。

试验时，试验轴承21一组两套安装在橡胶轮6内，并通过圆螺母22紧固安装在加载轴8上。加载轴8通过两端的轴套19安装于U型加载头7的加载臂16上。U型加载头7的上端面的加载基板15安装于活动板5下端面的圆弧形导轨槽12内，并通过导轨两端面的螺栓压紧。所述的加载基板15上端的圆弧面的外径与圆弧导轨槽12的内径相同，加载基板15位于所述导轨槽12内，并在该导轨槽内沿圆弧面摆动偏移，偏移角度即为试验的侧偏角度。

利用本实施例，能够模拟机轮轴承的静态加载试验、侧偏试验和负荷冲击试验。模拟机轮轴承的静态加载试验时的径向载荷为850KN；侧偏试验的侧偏角度为±15°

静态加载试验时，模拟飞机静止时重负荷状态，液压缸1推动加载活动板5沿立柱4向下移动，U型加载头7推动安装了试验轴承21的橡胶轮6压向静止的受力台10，垂直加载载荷实现轴承的径向加载，载荷值通过载荷传感器3反馈调整，直至加载至额定载荷。

侧偏加载试验时，模拟飞机机轮侧偏时机轮轴承的工况。试验步骤和静态试验步骤类似，区别是在试验前，调整U型加载头7上端加载基板15在活动板下端的圆弧形导轨槽12内的位置角度至试验侧偏角度，利用圆弧形导轨槽12两侧面的螺栓压紧。

负荷冲击试验时，模拟飞机着陆时机轮着地瞬间，机轮轴承重负荷冲击受力工况。试验时，启动泵源调整橡胶轮6位置，使其与受力台10处于临界接触位置。在试验重负荷冲击加载时，控制液压缸1的加载压力在200ms内达到额定试验压力，于此同时液压缸1推动活动板5以立柱4为导轨将橡胶轮6压向受力台10。加载载荷在200ms内达到额定载荷值，从而实现了负荷冲击加载。

Claims (5)

1.一种轴承试验机的加载装置，其特征在于，包括，液压缸、固定板、载荷传感器、立柱、活动板、橡胶轮、加载头、加载轴、制动器和制动盘；加载装置通过立柱固定在地基板的上表面；固定板固定在立柱顶端端面上；液压缸安装在所述固定板上表面的几何中心，并使该液压缸的伸缩杆穿过固定板后位于该固定板的下表面与活动板上表面之间；所述活动板水平安装在所述立柱的中部，并以立柱为导轨上下移动；所述活动板上表面几何中心安装有载荷传感器；所述活动板下表面有导轨槽，加载头的加载基板安装在该导轨槽内；在液压缸的伸缩杆的端面与活动板之间固定安装载荷传感器；加载轴的两端分别固定在加载头的两个加载臂上；试验轴承安装在加载轴的中部；橡胶轮套装在所述试验轴承的外圈上；制动盘套装在加载轴上，并且该制动盘上的法兰与橡胶轮的一个端面固定连接；所述制动盘的制动碟片位于制动器的制动夹片中；所述制动器的上端固定在加载头内加载基板的下表面。

2.如权利要求1所述轴承试验机的加载装置，其特征在于，所述活动板上表面几何中心有安装载荷传感器的凸台；位于所述活动板下表面的导轨槽的几何中心与活动板的几何中心重合，并且该导轨槽的长度方向与加载头的长度方向一致；所述导轨槽的长度方向的槽底表面为弧形；该弧形面的曲率半径为1800mm；在该导轨槽的两侧壁上对称均布有用于固定加载头的螺纹孔。

3.如权利要求1所述轴承试验机的加载装置，其特征在于，所述加载头由加载基板和两个加载臂组成；加载基板的上表面为弧面，并且该弧面与所述导轨槽的弧形槽底面配合；两个加载臂对称地位于所述加载基板下表面长度方向的两侧；各加载臂的下端有与轴套的安装孔，加载轴的两端分别固定安装在所述的轴套内。

4.如权利要求1所述轴承试验机的加载装置，其特征在于，所述的橡胶轮由钢圈和橡胶层组成；所述钢圈两端的孔径与试验轴承的外径相同；钢圈一端的端面匀布有制动盘安装孔；钢圈的外表面包覆有橡胶层；所述的制动盘的内径大于加载轴的外径。

5.如权利要求1所述轴承试验机的加载装置，其特征在于，所述制动盘的一端有与橡胶轮上的钢圈配合的法兰，制动盘的另一端有径向凸出的制动碟片；该制动碟片的外径需能够与制动器的两个制动夹片配合；所述制动碟片的厚度小于所述两个制动夹片之间的间距。