CN106198019B - 一种基于界面摩擦性能监测的滚滑摩擦全寿命测试装置 - Google Patents

Abstract

一种基于界面摩擦性能监测的滚滑摩擦全寿命测试装置，支架升降台上的高速电主轴与扭矩传感器相连；扭矩传感器另一端连接被测对象中可调换的滚动体；滚动体的两端设置有滚动轴承，滚动轴承放置在竖直导轨中且上方放置一块压板；在压板上表面有放置圆球的凹槽，圆球上方与压杆的支点平面接触；杠杆设置在立柱上，杠杆末端通过钢丝绳与支架上的传感器的螺母连接；支架另一端设置有低速电主轴，低速电主轴的前端安装有被测对象的轴承内圈；本发明能够模拟圆柱滚子轴承在运行过程中单个滚子与轴承内圈的实际工作状况，获取导致界面接触发生变化从而导致磨损的原因，为滚动轴承关键摩擦副在全寿命健康状态监测及视情维修提供可靠的数据保证和技术支撑。

Description

一种基于界面摩擦性能监测的滚滑摩擦全寿命测试装置

技术领域

本发明属于滚滑基础性能实验装置，具体涉及一种基于界面摩擦性能监测的滚滑摩擦全寿命测试装置。

背景技术

滚动轴承是航空发动机承力传动系统中必不可少的组成部分，其性能和质量的好坏直接影响航空发动机的使用寿命和可靠性。随着滚动轴承在理论研究、结构设计、制造工艺等方面的发展，轴承性能和可靠性有了较大的提高，但与此同时，航空技术发展迅速，发动机推重比和功率也越来越大，其主轴轴承的工作条件朝着高温、高速、重载等复杂、恶劣的工况发展，对轴承的性能和可靠性也提出了更高的要求。在航空发动机以往所发生的各类重大机械故障中，转动部件的故障高达80％以上，其中大约有30％的故障与轴承有关，可以说航空滚动轴承的性能是决定飞机飞行安全的重要因素之一。而圆柱滚子轴承是滚动轴承中的一种典型的摩擦学元件，其负载能力大、摩擦系数小的特点使得圆柱滚子轴承成为应用极为广泛的重要机械基础件。圆柱滚子轴承以滚动运动为主，为避免或减少边缘载荷，滚子和滚道是带有凸度的，在载荷的作用下，通过轴承旋转轴线和滚动接触中心的接触面是一个曲面。只有在接触微元不存在相对运动的那些瞬时中心上，才会出现纯滚动，而其余各点都会发生滑动，而高转速条件下滚动轴承的打滑与蹭伤一直是构成滚动轴承摩擦的主要部分，是影响轴承使用寿命的关键因素。因此，对高速圆柱滚子轴承进行打滑失效导致磨损的机理研究对于保证飞机适航性、降低飞机维修费用和减少飞行事故具有十分重要的意义，而试验装置作为机理研究的载体是机理研究顺利进展的先决条件，显得尤为重要。

自19世纪60年代开始滚动轴承运动学及动力学开始被研究，其中Jones基于滚道控制假设理论为滚动轴承的打滑分析做出了重要贡献。Harris提出了一种能够预测滚动轴承打滑的简化理论方法，并得到了增加径向载荷可以有效抑制打滑的重要结论。Chang基于一种完全弹流润滑模型研究了圆柱滚子的动力学特性，随后Laniado-Jacome建立了一个滚动轴承力学仿真模型，采用有限元法分析了滚动体和滚道之间的滑动机理，Tu则建立了一种用于研究加速工况下滚动轴承打滑的分析模型。上述基于理论分析方法实现了滚动轴承在理想工况条件下的动力学特性分析，从而有助于得到滚动轴承的打滑结果，由于滚动轴承影响因素的复杂性及滚动体在轴承中运动的不确定性，上述方法得到的结果与实践过程中结果相比往往不太精确，因此需要借助试验过程研究。Cocks的研究表明滚动体的滑动是滚动轴承擦伤失效中的一个关键影响因素，Hamer则指出擦伤失效是大型滚动轴承低速失效现象，并通过试验研究了滚动轴承擦伤失效的边界问题。2006年葛世荣等发明了一种滚动摩擦磨损试验机专利，该试验机能模拟环状类摩擦副滚动条件下的摩擦磨损试验，但该装置系统较为复杂，且只能用于环类摩擦副，无法有效模拟滚动轴承实际摩擦磨损过程。2011年陈渭等发明了高速滚动轴承滑差装置专利，李军宁在其博士论文中应用该实验装置率先研究了不同滑差因子、转速、径向载荷对油膜厚度的影响，但由于其加载系统以高速电主轴中心为支点，加载时容易造成偏载，载荷越高，偏载情况越明显。2014年魏静等发明了一种变载荷滚动摩擦磨损试验机专利，该装置在陈渭所发明的装置基础上改变了加载方式和增加了润滑油控温方式，但其摩擦副也局限在了环状摩擦副，对于滚动轴承的实际状态模拟并不是特别合适。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于界面摩擦性能监测的滚滑摩擦全寿命测试装置，将圆柱滚子轴承的关键摩擦副内圈-滚动体分离出来，基于变载、变速、变润滑油量等条件采用多传感信息在线监测技术获取摩擦副的动态性能，用以研究确定滑差组合条件下的滚动轴承关键摩擦副内圈-滚动体的全寿命界面摩擦磨损健康状态，对圆柱滚子轴承的设计以及使用过程中提高滚动轴承的可靠性，实现按需维修都有着重要的指导意义。

为达到上述目的，本发明的技术方案为：

一种基于界面摩擦性能监测的滚滑摩擦全寿命测试装置，包括支架5，支架5的一端固定有升降台1，升降台1上设置有高速电主轴23，高速电主轴23的前端与扭矩传感器22一端相连；扭矩传感器22的另一端通过弹性联轴器21连接被测对象中可调换的滚动体14；滚动体14的两端设置有滚动轴承28且滚动轴承28相对于滚动体14的接触区域中心对称；滚动轴承28放置在竖直导轨20中且上方放置一块压板16；在压板16的上表面的中间位置有一个放置圆球的凹槽，圆球上方与压杆17的支点平面接触；杠杆18设置在立柱27上，杠杆18的末端通过钢丝绳29与支架5上的传感器32的螺母连接；

支架5的另一端设置有低速电主轴11，低速电主轴11的前端安装有一个过渡套筒2，过渡套筒2上采用过盈配合的方式安装有被测对象的轴承内圈12。

所述的升降台1上设置有平动板1-1。

所述的钢丝绳29与过渡块31的螺母连接，过渡块下方设置有通孔，传感器32上的螺栓穿过通孔且其螺母与过渡块31中间设置有弹簧30。

所述的杠杆18另一端设置有调平螺母26，用于保证杠杆18初始状态为水平。

所述的高速电主轴23采用第一变频器25控制，低速电主轴11采用第二变频器6控制，滚动体14径向方向接触区域的45°方向与一端的45°方向均设置有位移传感器19，轴承内圈12的下方的回油装置出油口连接在线磨粒图像传感器4，轴承内圈12内贴有超声传感器13；第一变频器25、第二变频器6、位移传感器19、在线磨粒图像传感器4、超声传感器13和扭矩传感器22均与数据采集处理系统8连接受其控制。

所述的滚动体14与轴承内圈12之间设置有润滑装置15，滚动体14与轴承内圈12之间的油膜温度通过红外测温仪3测量，红外测温仪3为手持式测温仪器。

所述的高速电主轴23和低速电主轴11分别采用冷却装置24、7冷却。

有益效果：

本发明应用于圆柱滚子轴承关键摩擦副内圈-滚动体的全寿命界面摩擦磨损状态评价研究，与所查阅文献中的相关打滑研究试验台相比，具有以下有益效果：

1.能够通过控制不同滚滑及润滑工况，并借助实时摩擦、膜厚、磨损测量，实现从固体接触、边界润滑、动力润滑的不同润滑状态的准确控制；

2.能够模拟滚动轴承摩擦副实际工况运行，实现不同尺寸圆柱滚子轴承滚动体-内圈磨损试验；

3.杠杆加载系统结构简单，但加载端采用传感器与其他力传递结构替代砝码使得加载力值更加准确以及自动化；

4.平动装置保证了滚动体与内圈轴心的平行度，改善了偏载现象；

5.电主轴轴端直接夹装摩擦副能尽量降低装置变形对磨损结果的影响；

6.杠杆加载机构采用杠杆系统与称重传感器结合，结构更加简单有效且准确；

7.采用扭矩传感器测量摩擦力矩，评价滚动体与内圈的实际接触状态；

8采集振动信号、磨粒信息、油膜厚度、摩擦系数、温度等数据，可用于实时获取摩擦副状态，实现滚动轴承的在线健康状态监测，同时也可以为后期数据处理提取不同磨损阶段的故障特征进行磨损机理分析提供良好的数据基础。

本发明通过模拟圆柱滚子轴承内圈与滚动体的动态接触情况，分析各参数作用下的滚动轴承关键摩擦副的界面摩擦磨损状态，进而得到影响轴承磨损的最优使用条件，为优化滚动轴承的设计与提高使用过程中的可靠性提供依据。

附图说明

图1是本发明装置的结构原理图。

图2是本发明装置的杠杆加载机构结构原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细叙述。

参照图1，一种基于界面摩擦性能监测的滚滑摩擦全寿命测试装置，包括支架5，支架5的一端固定有升降台1，升降台1上设置有高速电主轴23，高速电主轴23的前端与扭矩传感器22一端相连；高速电主轴23和扭矩传感器22一起固定在升降台1的台面上，可以随升降台的调节而上下移动；扭矩传感器22的另一端通过弹性联轴器21连接被测对象中可调换的滚动体14；在安装的过程中需要保证高速电主轴23的轴心、扭矩传感器22的轴心以及滚动体14的轴心的同轴度，这可以通过调整升降台1在支架5上的安装位置和升降台1的高度来实现；采用弹性联轴器21可以减缓扭矩传感器22所受到的振动，且当滚动体14发生微量偏载时能够保证扭矩传递的稳定。扭矩传感器22用于测量运行过程中的摩擦力矩，计算实时摩擦系数，用以评价接触状态；滚动体14的两端设置有滚动轴承28且滚动轴承28相对于滚动体14的接触区域中心对称；滚动轴承28放置在竖直导轨20中且上方放置一块压板16；安装过程中要保证滚动轴承28和压板16都能够在竖直导轨20中上下自由滑动；在压板16上表面中间的位置设置有一个圆形的凹槽，凹槽中放置一颗圆球，圆球上方与压杆17的支点平面接触；通过圆球施加载荷可以降低由于压杆17偏斜对径向加载载荷准确性和稳定性的影响；压杆17作为杠杆18的受力支承，采用螺纹的形式穿过杠杆18，可以调整压杆17伸出的长度，从而调节杠杆18初始位置的水平；杠杆18采用一个螺栓安装在立柱27上；杠杆18的平衡端装有调平螺母26；通过调节调平螺母26可以平衡杠杆加载系统的自重，实现杠杆加载系统在未加载时对滚动体14的压力几乎为零；在杠杆18的加载端通过钢丝绳29与过渡块31的加载螺栓相连；过渡块31的下表面通过一个螺栓与称重传感器32相连；螺栓贯穿过渡块31的下表面，且在螺头和过渡块31之间安装有一个弹簧30；弹簧30可以保证加载力的稳定，减小加载力的波动；螺栓固定在称重传感器32上；通过调整加载端加载螺母来实现径向加载载荷的施加，经过换算可以获得准确的实际加载力。

支架5的另一端设置有低速电主轴11，低速电主轴11的前端安装有一个过渡套筒2，过渡套筒2上采用过盈配合的方式安装有被测对象的轴承内圈12，过渡套筒2通过拉杆9装配在低速电主轴11上；轴承内圈12的安装采用热安装的方式，先将轴承内圈加热至70摄氏度，再迅速将其压装到过渡套筒2上；低速电主轴11的轴心高度不可调节。

所述的高速电主轴23采用第一变频器25控制其转速，低速电主轴11采用第二变频器6控制其转速；高、低速电主轴23、11分别采用水冷装置24、7进行冷却。

在滚动体14接触区域沿其径向方向且与水平面成45°角的方向上与其中一端沿其径向方向且与水平面成45°角的方向上均设置有位移传感器19；位移传感器19用来测量滚动体14的振动信号；在滚动体14和轴承内圈12的接触区域附近布置有润滑装置15；润滑装置15为试验接触区域提供润滑油，用于冷却运行过程中的摩擦副，同时带走磨屑；在轴承内圈12的下方布置有回油箱，在出油口处连接有在线磨粒图像传感器4，用来提取润滑油中磨粒的相关数据；轴承内圈12内贴有超声传感器13，用来采集摩擦副间的油膜厚度数据；在滚动体14和轴承内圈12的接触区域附近还布置有红外测温仪3，用来测量接触副间油膜的温度数据；第一变频器25、第二变频器6、位移传感器19、在线磨粒图像传感器4、超声传感器13和扭矩传感器22均与数据采集处理系统8连接，并受其控制。

所述的竖直导轨20、能在竖直导轨20中上下自由滑动的压板16和滚动轴承28、压杆17、杠杆18、立柱27、钢丝绳29、过渡块31以及弹簧30构成一个杠杆加载机构；通过转动过渡块31处的加载螺母，使钢丝绳29向下受力，进而使杠杆18的加载端受到向下的拉力，通过压杆17、圆球、压板16和滚动轴承28将力传递到滚动体14上，实现在滚动体14上径向力的加载；通过控制加载螺母转动圈数可以控制滚动体14上径向加载力的大小。径向加载的标定包括杠杆加载机构自重测量以及精密升降台初始位置的标定。杠杆加载机构自重测量是将小型称重传感器置于压杆支点平面与压板之间，通过测控软件获取读数，后续加载的实际值为砝码值加上杠杆系统的自重值；精密升降台初始位置标定是将应变片贴在承载滚动体的棒料上，通过调整升降台位置，使得应变片测量应变处于突变之前，标记升降台刻度，该位置为当前滚动体直径的初始位置，如更换不同直径的滚动体，则需要重新标定；工作时，与本发明配套使用的还有平动装置，平动装置包括精密升降台、电机支架、固定地板等，精密升降台保证电机与本发明中扭矩传感器22的同心度，保证高速电主轴与低速电主轴轴心平行，保证试验用滚动体与内圈轴心平行。

本发明的工作原理为：

轴承内圈—滚动体磨损试验，要求滚动体和轴承内圈之间要实现不同的滑差组合，本发明通过数据采集处理系统8发送电压信号给变频器6、25，从而通过变频器6、25分别控制低、高速电主轴11、23的转速；低、高速电主轴11、23分别采用水冷装置7、24进行电主轴的冷却；扭矩传感器22可以实时测量高速电主轴23轴端的扭矩，并将测得的数据输送至数据采集处理系统8，经过数据的处理和换算可以得到轴承内圈—滚动体摩擦副实时的摩擦系数；在滚动体14的上方位置安装有位移传感器19，通过变送器10将采集到的轴承内圈-滚动体摩擦副中滚动体的振动信号传递给数据采集处理系统8；在过渡套筒2的内部安装有超声传感器13，通过超声传感器13实时采集轴承内圈—滚动体摩擦副之间油膜的厚度信息，并将之传输至数据采集处理系统8；安装过渡套筒过程中，要保证超声传感器13所处的位置在轴承内圈—滚动体摩擦副的正下方；在轴承内圈—滚动体摩擦副的附近还设置有润滑装置15，润滑装置15主要靠蠕动泵提供动力进行油液的输送，可以通过控制油液流量的大小来实现轴承内圈—滚动体摩擦副不同的润滑情况，润滑液还起到冷却的作用，同时润滑液不仅带走了轴承内圈—滚动体摩擦副产生的热量，还带走了摩擦副之间产生的磨粒，为在线磨粒图像传感器4采集磨粒数据提供了便利；在轴承内圈—滚动体摩擦副的附近还设置有红外测温仪3，采用红外测温技术实时测量并记录轴承内圈—滚动体摩擦副的表面温度数据；为了对轴承内圈—滚动体磨损状况进行更好的分析，采用了在线磨粒监测技术，在轴承内圈—滚动体摩擦副的正下方布置了在线磨粒图像传感器4，实时采集润滑液中磨粒数据信息，并传递给数据采集处理系统8进行在线磨粒分析。

为了保证试验中径向加载载荷的准确性，需要对径向加载载荷进行初始标定。径向加载载荷的标定包括杠杆加载系统自重的测量和升降台1初始位置的标定。杠杆加载系统自重的测量过程是将一个小型称重传感器置于压杆17的支点平面与压板16之间，通过调节调平螺母26和调整压杆17向下伸出的长度，使杠杆18尽量保持水平，同时通过测控软件获取承压传感器的测量数据，得到由于杠杆加载系统本身自重所引起的预加载载荷值，故在试验中的实际加载载荷即为所加载荷与预加载载荷值之和；升降台1初始位置的标定需要将应变片贴在滚动体棒料上，慢慢调整升降台1的高度，观察应变片测量值的变化，在应变片测量值发生突变所对应的升降台高度位置的附近反复调整，保证升降台的高度位置刚好是即将引发应变片测量值发生突变的位置，从而保证滚动体轴心与轴承内圈的轴心的平行度；由于不同的滚动体的直径或者不同的轴承内圈的外径不同，每次更换不同的轴承内圈—滚动体摩擦副，都需要对升降台1进行一次初始位置的标定。

升降台1的上表面要保证一定的平面度；安装过程中要保证高速电主轴23的轴心与扭矩传感器22的轴心的同轴度，保证高速电主轴23与低速电主轴11轴心的平行度，且需要保证高、低速电主轴的轴心处在同一竖直平面内；保证试验用滚动体轴心与轴承内圈轴心的平行度。

Claims (7)

1.一种基于界面摩擦性能监测的滚滑摩擦全寿命测试装置，其特征在于，包括支架(5)，支架(5)的一端固定有升降台(1)，升降台(1)上设置有高速电主轴(23)，高速电主轴(23)的前端与扭矩传感器(22)一端相连；扭矩传感器(22)的另一端通过弹性联轴器(21)连接被测对象中可调换的滚动体(14)；滚动体(14)的两端设置有滚动轴承(28)且滚动轴承(28)相对于滚动体(14)的接触区域中心对称；滚动轴承(28)放置在竖直导轨(20)中且上方放置一块压板(16)；在压板(16)的上表面的中间位置有一个放置圆球的凹槽，圆球上方与压杆(17)的支点平面接触；杠杆(18)设置在立柱(27)上，在杠杆18的加载端通过钢丝绳29与过渡块31的加载螺栓相连；过渡块31的下表面通过一个螺栓与称重传感器32相连；螺栓固定在称重传感器32上；

支架(5)的另一端设置有低速电主轴(11)，低速电主轴(11)的前端安装有一个过渡套筒(2)，过渡套筒(2)上采用过盈配合的方式安装有被测对象的轴承内圈(12)。

2.根据权利要求1所述的一种基于界面摩擦性能监测的滚滑摩擦全寿命测试装置，其特征在于，所述的升降台(1)上设置有平动板。

3.根据权利要求1所述的一种基于界面摩擦性能监测的滚滑摩擦全寿命测试装置，其特征在于，过渡块(31)下方设置有通孔，传感器(32)上的螺栓穿过通孔且其螺母与过渡块(31)中间设置有弹簧(30)。

4.根据权利要求1所述的一种基于界面摩擦性能监测的滚滑摩擦全寿命测试装置，其特征在于，所述的杠杆(18)另一端设置有调平螺母(26)，用于保证杠杆(18)初始状态为水平。

5.根据权利要求1所述的一种基于界面摩擦性能监测的滚滑摩擦全寿命测试装置，其特征在于，所述的高速电主轴(23)采用第一变频器(25)控制，低速电主轴(11)采用第二变频器(6)控制，滚动体(14)接触区域沿其径向方向且与水平面成45°角的方向上与其中一端沿其径向方向且与水平面成45°角的方向上均设置有位移传感器(19)，轴承内圈(12)的下方的回油装置出油口连接在线磨粒图像传感器(4)，轴承内圈(12)内贴有超声传感器(13)；第一变频器(25)、第二变频器(6)、位移传感器(19)、在线磨粒图像传感器(4)、超声传感器(13)和扭矩传感器(22)均与数据采集处理系统(8)连接受其控制。

6.根据权利要求1所述的一种基于界面摩擦性能监测的滚滑摩擦全寿命测试装置，其特征在于，所述的滚动体(14)与轴承内圈(12)之间设置有润滑装置(15)，滚动体(14)与轴承内圈(12)之间的油膜温度通过红外测温仪(3)测量，红外测温仪(3)为手持式测温仪器。

7.根据权利要求1所述的一种基于界面摩擦性能监测的滚滑摩擦全寿命测试装置，其特征在于，所述的高速电主轴(23)和低速电主轴(11)分别采用冷却装置(24、7)冷却。