CN107132180A

CN107132180A - 一种关节轴承衬垫的摩擦性能检测试验装置及其安装方法

Info

Publication number: CN107132180A
Application number: CN201710223862.4A
Authority: CN
Inventors: 牛荣军; 张建虎; 杜三明; 邓四二
Original assignee: Henan University of Science and Technology
Current assignee: Henan University of Science and Technology
Priority date: 2017-04-07
Filing date: 2017-04-07
Publication date: 2017-09-05
Anticipated expiration: 2037-04-07
Also published as: CN107132180B

Abstract

针对现有技术中的自润滑衬垫摩擦性能的检测装置存在主轴在高转速小尺寸情况下容易断裂的问题，本发明提供一种关节轴承衬垫的摩擦性能检测试验装置，金属环为圆柱形且配合设置在主轴外侧，该金属环的中部贯通设置有连通的锥孔和圆孔，锥孔的锥度与主轴中的锥形体段对应，圆孔直径与主轴中的小直径段对应；其中，锥孔的最大直径尺寸小于锥形体段的最大直径尺寸。本发明的主轴与摩擦副的连接结构使得主轴在运行时更加平稳，不易折断，而且，锥度面的结合增加了接触面积，增大了主轴与关节轴承的摩擦力，传递摆动力更加稳定。

Description

一种关节轴承衬垫的摩擦性能检测试验装置及其安装方法

技术领域

本发明属于关节轴承衬垫材料摩擦性能检测试验装置领域，尤其涉及一种高速轻载小尺寸混合陶瓷自润滑关节轴承的自润滑衬垫摩擦性能的检测装置及其安装方法。

背景技术

当前，航空领域逐渐向高速度、重载量、远航程和机动性能良好的方向发展，相应的轴承部件也要求更高的性能和可靠性。作为航空工业领域中关键零部件的自润滑关节轴承，其性能的好坏对航空飞机的工作性能和安全具有重要的影响。而自润滑关节轴承中自润滑衬垫材料的质量和摩擦学性能直接决定了自润滑关节轴承的性能和寿命。一般的，滚动轴承按其公称外径尺寸大小可分为：

微型轴承：公称外径尺寸D≤26mm的轴承；

小型轴承：公称外径尺寸26mm< D<60mm的轴承；

中小型轴承：公称外径尺寸60mm≤D<120mm的轴承；

中大型轴承：公称外径尺寸120mm≤D<200mm的轴承；

大型轴承：公称外径尺寸200mm≤D<440mm的轴承；

特大型轴承：公称外径尺寸D>440mm。

我国在高速轻载自润滑关节轴承的研究方面起步较晚，相关技术水平与国外相比还有不小的差距。再者，由于国外技术封锁，我国的技术水平还满足不了一些关键部件的关节轴承的技术要求，只能大量依赖进口，甚至有一些关节轴承还有价无市，很难买得到。为此我国目前正大力发展对高速轻载自润滑关节轴承的研发，而自润滑衬垫材料是关节轴承技术研发中必须首先解决的关键，衬垫材料摩擦性能的评价也是一个迫切需要解决的问题。

目前，国内对衬垫材料性能评价方式往往是通过关节轴承台架试验，不过这种方式不能直接测试衬垫的摩擦性能。中国专利102156096.A公开了“一种自润滑关节轴承衬垫摩擦性能检测试验台”，该测试试验台能够直接检测衬垫材料的摩擦学性能，其摩擦副结构为金属-衬垫配副设计，且其摆动轴直径较大，具有较高的径向刚度。

同时，随着高速轻载自润滑关节轴承的研究和发展，混合陶瓷自润滑关节轴承逐渐被广泛应用，特别是在小尺寸混合陶瓷内圈自润滑关节轴承衬垫摩擦性能的检测试验中，由于关节轴承的内孔直径只有6毫米左右，在高速摆动中支撑主轴容易产生疲劳断裂。

此外，目前衬垫性能检测试验中的摩擦副只能使用金属-衬垫配副材料设计，不能真实模拟混合陶瓷关节轴承摩擦学性能。

本发明是针对小型高速轻载混合陶瓷内圈自润滑关节轴承衬垫材料摩擦性能检测试验使用的摩擦副及安装方法，能够真实地模拟高速轻载混合陶瓷内圈自润滑关节轴承的工作状态，并且采用新设计支撑结构解决主轴直径尺寸小容易产生疲劳断裂的问题，对小型高速轻载混合陶瓷自润滑关节轴承衬垫材料摩擦性能的研发具有重要意义。

发明内容

针对现有技术中的自润滑衬垫摩擦性能的检测装置存在主轴容易断裂的问题，本发明提供一种关节轴承衬垫的摩擦性能检测试验装置及其安装方法，可以有效的解决上述问题。

所述的一种关节轴承衬垫的摩擦性能检测试验装置，包括主轴、设置在主轴上的左支撑结构、右支撑结构以及位于左支撑结构、右支撑结构之间的摩擦副，其中，所述的主轴水平设置且从左到右依次为大直径段、左大右小的锥形体段和小直径段；左支撑结构设置在大直径段上，右支撑结构设置在小直径段上；所述的摩擦副包括金属环、陶瓷层、摩擦副外圈、衬垫和液压支撑块，其中，金属环的外周面设置有陶瓷层；陶瓷层与摩擦副外圈之间设置有衬垫；所述的摩擦副外圈为方形体，其上表面设置有与陶瓷层对应的凹球面；摩擦副外圈的下表面连接在液压支撑块上，其技术方案是：金属环为圆柱形且配合设置在主轴外侧，该金属环的中部贯通设置有连通的锥孔和圆孔，锥孔的锥度与主轴中的锥形体段对应，圆孔直径与主轴中的小直径段对应；其中，锥孔的最大直径尺寸小于锥形体段的最大直径尺寸。

进一步的，所述的左支撑结构包括轴套I、支撑环I和滚子轴承I，其中，在主轴的大直径段的外侧设置轴套I，且轴套I的左侧面紧靠主轴的竖直段；轴套I的外侧设置滚子轴承I；滚子轴承I的外侧设置有环形的支撑环I。

进一步的，所述的右支撑结构包括右端封闭的轴套II、滚子轴承II和支撑环II，其中，在主轴的小直径段段外侧设置轴套II；轴套II的外侧设置滚子轴承II，滚子轴承II的外侧设置有支撑环II；其中，轴套II的右端面上设置有螺纹孔。

进一步的，主轴中的小直径段的右端面上设置有螺纹盲孔。

一种如上所述的关节轴承衬垫的摩擦性能检测试验装置的安装方法，包括以下工艺步骤：

s1：加工金属环：在加工中心将金属环毛坯通过粗车、半精车和精车对其两端面进行加工；

s2：对金属环外表面喷涂陶瓷层：

s201.选择Al₂O₃作为陶瓷喷涂材料，将第s1步骤中的金属环进行热处理后进行热喷涂；

s202.完成喷涂后，在s201步骤中的涂层在热状态下时进行加热重熔，待金属环表面冷却至室温后停止超声振动，完成喷涂过程；

s203.喷涂程序完成后，使用高精度无心磨床对陶瓷层进行外圆磨，使陶瓷层圆柱度精度小于2μm，表面粗糙度小于0.4μm；外圆磨过后，再次进行研磨和抛光，使摩擦副内圈金属环外的陶瓷层的外表面圆柱度不超过1μm，表面粗糙度不超过0.125μm；

s3：粘贴测试样本：将准备好的要测试的自润滑关节轴承的自润滑衬垫用胶粘剂粘接在摩擦副外圈的内表面；

s4：加工主轴：在加工中心经过车、铣等过程将主轴上的锥形体段锥度为10^o；主轴的左端端面与联轴器相连；

s5：安装轴套I、摩擦副及轴套II：

s501.将准备好的轴套I过盈装配到s4步骤中的大直径段段外侧，在轴套I外侧安装滚子轴承I，滚子轴承I固定安装在支撑环I内；

s502.将s2步骤中带陶瓷层的金属环安装在主轴上，金属环一部分设置在锥形体段外侧，另一部分设置在小直径段的外侧，将轴套II安装在主轴的小直径段外侧，轴套II的左端面与金属环的右端面相配合，用内六角螺钉通过螺纹孔和螺纹盲孔进行预紧，推动轴套II紧靠金属环，增加主轴的锥形体段的外表面与金属环内的锥孔表面之间的连接摩擦力；

s503. 轴套II安装在小直径段外侧，轴套II外侧的安装滚子轴承II，再将滚子轴承II固定安装在支撑环II内；

s504. 将s3步骤中的带有自润滑衬垫的摩擦副外圈固定安装在液压支撑块上，通过液压力对液压支撑块进行径向加载，从而使陶瓷涂层与衬垫进行摩擦配副。

进一步的，s201步骤中的热喷涂环节的工艺为：将热处理后的金属环固定并与超声工具头相接触，开启超声电源，超声频率范围在15～100Hz，向金属环导入功率超声波，金属环外表面超声振动方向与喷涂颗粒飞行方向间呈不同角度；将陶瓷喷涂材料通过热喷涂枪对金属环外表面进行热喷涂，形成表面喷涂层。

进一步的，s202步骤中的加热重熔的工艺为：激光功率为1000-1200W，光斑直径为1-2mm，扫描速度为3-4mm/s，并且充入氩气作为保护气，以确保全部涂层与金属环表面厚度30-50μm处都能够进入熔融状态，充分反应，形成厚度为100-150μm 的混合层。

进一步的，所述的s3步骤中的胶粘剂的成分是：丁苯胶乳、丙酮、聚乙烯醇、丙烯酸钠和水。

本发明的有益效果是：本发明针对小型高速轻载混合陶瓷内圈自润滑关节轴承衬垫材料摩擦性能检测试验中由于关节轴承的内孔直径只有6毫米左右，主轴容易折断的问题，设置了左支撑结构和右支撑结构，以及带有锥度的摩擦副，锥孔的锥度与主轴中的锥形体段对应，圆孔直径与主轴中的小直径段对应，使得主轴在运行时更加平稳，不易折断，而且，锥度面的结合增加了接触面积，增大了主轴与关节轴承的摩擦力，传递摆动力更加稳定。

同时，金属环在外表面喷涂了一层陶瓷，陶瓷层增加了摩擦副内圈的耐磨性能、硬度，准确模拟出小型高速轻载混合陶瓷自润滑关节轴承的工作状态，使结果准确可靠。

本发明中，摩擦副的金属环可拆卸，当陶瓷层磨损时，可以将其拆换，节省材料，可进行多次重复和优化检测试验。

本发明结构中，轴套与主轴联接在一起，其预紧力通过螺栓来完成，预紧调整灵活、方便。

本发明解决了小型高速轻载混合陶瓷内圈自润滑关节轴承衬垫材料摩擦性能检测的问题，对该类轴承的研发具有重要意义。

附图说明

图1是本发明的截面图。

图2是s1步骤示意图。

图3是s2步骤示意图。

图4是s3步骤示意图。

图5是s4步骤中主轴示意图。

其中，1.滚子轴承I；2.滚子轴承II；3. 轴套II；4.螺纹孔；5. 六角螺钉；6. 摩擦副外圈；7. 衬垫；8. 主轴；9. 金属环；10. 陶瓷层；11. 液压支撑块；12. 支撑环I；13. 支撑环II。

801. 大直径段；802. 锥形体段；803. 小直径段；804. 螺纹盲孔；901. 锥孔；902. 圆孔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步的说明。

如图1所示，一种关节轴承衬垫的摩擦性能检测试验装置，包括主轴8、设置在主轴8上的左支撑结构、右支撑结构以及位于左支撑结构、右支撑结构之间的摩擦副，其中，所述的主轴8水平设置且从左到右依次为大直径段801、左大右小的锥形体段802和小直径段803；左支撑结构设置在大直径段801上，右支撑结构设置在小直径段803上；所述的摩擦副包括金属环9、陶瓷层10、摩擦副外圈6、衬垫7和液压支撑块11，其中，金属环9的外周面设置有陶瓷层10；陶瓷层10与摩擦副外圈6之间设置有衬垫7；所述的摩擦副外圈6为方形体，其上表面设置有与陶瓷层10对应的凹球面；摩擦副外圈的下表面连接在液压支撑块11上，其技术特征是：金属环9为圆柱形且配合设置在主轴8外侧，该金属环9的中部贯通设置有连通的锥孔901和圆孔902，锥孔901的锥度与主轴8中的锥形体段802对应，圆孔902直径与主轴8中的小直径段803对应；其中，锥孔901的最大直径尺寸小于锥形体段802的最大直径尺寸。

进一步的，所述的左支撑结构包括轴套I14、支撑环I12和滚子轴承I1，其中，在主轴8的大直径段801的外侧设置轴套I14，且轴套I14的左侧面紧靠主轴8的竖直段；轴套I14的外侧设置滚子轴承I1；滚子轴承I1的外侧设置有环形的支撑环I12。

进一步的，所述的右支撑结构包括右端封闭的轴套II3、滚子轴承II2和支撑环II13，其中，在主轴8的小直径段803段外侧设置轴套II3；轴套II3的外侧设置滚子轴承II2，滚子轴承II2的外侧设置有支撑环II13；其中，轴套II3的右端面上设置有螺纹孔4。

进一步的，主轴8中的小直径段803的右端面上设置有螺纹盲孔804。

如图2，s1：加工金属环9：在加工中心将金属环9毛坯通过粗车、半精车和精车对其两端面进行加工；

如图3，s2：对金属环9外表面喷涂陶瓷层10：

s201.选择Al₂O₃作为陶瓷喷涂材料，将第s1步骤中的金属环9进行热处理后进行热喷涂；

s202.完成喷涂后，在s201步骤中的涂层在热状态下时进行加热重熔，待金属环9表面冷却至室温后停止超声振动，完成喷涂过程；

s203.喷涂程序完成后，使用高精度无心磨床对陶瓷层10进行外圆磨，使陶瓷层10圆柱度精度小于2μm，表面粗糙度小于0.4μm；外圆磨过后，再次进行研磨和抛光，使摩擦副内圈金属环9外的陶瓷层10的外表面圆柱度不超过1μm，表面粗糙度不超过0.125μm；

如图4，s3：粘贴测试样本：将准备好的要测试的自润滑关节轴承的自润滑衬垫7用胶粘剂粘接在摩擦副外圈6的内表面；

如图5，s4：加工主轴8：在加工中心经过车、铣等过程将主轴8上的锥形体段802锥度为10^o；主轴8的左端端面与联轴器相连；

s5：安装轴套I14、摩擦副及轴套II3：

s501.将准备好的轴套I14过盈装配到s4步骤中的大直径段801段外侧，在轴套I14外侧安装滚子轴承I1，滚子轴承I1固定安装在支撑环I12内；

s502.将s2步骤中带陶瓷层10的金属环9安装在主轴8上，金属环9一部分设置在锥形体段802外侧，另一部分设置在小直径段803的外侧，将轴套II3安装在主轴8的小直径段803外侧，轴套II3的左端面与金属环9的右端面相配合，用内六角螺钉5通过螺纹孔4和螺纹盲孔804进行预紧，推动轴套II3紧靠金属环9，增加主轴8的锥形体段802的外表面与金属环9内的锥孔901表面之间的连接摩擦力；

s503. 轴套II3安装在小直径段803外侧，轴套II3外侧的安装滚子轴承II2，再将滚子轴承II2固定安装在支撑环II13内；

s504. 将s3步骤中的带有自润滑衬垫7的摩擦副外圈6固定安装在液压支撑块11上，通过液压力对液压支撑块11进行径向加载，从而使陶瓷涂层9与衬垫7进行摩擦配副。

需要明确的是：液压力的范围是：0-500kN，本文中选取液压压力为20MPa。

优选的，滚子轴承I1、滚子轴承II2为圆柱滚子轴承。

本发明在摩擦副位置，主轴8采用锥度结构，并通过左支撑结构和右支撑结构，增强主轴的强度。

本发明在摩擦副位置，主轴8采用锥度结构，增加主轴8外表面与金属环9内表面的接触面积，增大了二者之间的摩擦力，使主轴8传递摆动力稳定、可靠。

更重要的是：金属环9的中部贯通设置有连通的锥孔901和圆孔902，其中，锥孔901的锥度与主轴8中的锥形体段802对应，圆孔902直径与主轴8中的小直径段803对应；锥孔901的最大直径尺寸小于主轴8中的锥形体段802的最大直径尺寸。使得摩擦副一部分设置在锥形体段802外侧，另一部分设置在小直径段803的外侧，可以有效的限制主轴8的摆动，防止主轴8在锥形体段802的小直径处断裂。

进一步的，s201步骤中的热喷涂环节的工艺为：将热处理后的金属环9固定并与超声工具头相接触，开启超声电源，超声频率范围在15～100kZ，向金属环9导入功率超声波，金属环9外表面超声振动方向与喷涂颗粒飞行方向间呈不同角度；将陶瓷喷涂材料通过热喷涂枪对金属环9外表面进行热喷涂，形成表面喷涂层。

进一步的，s202步骤中的加热重熔的工艺为：激光功率为1000-1200W，光斑直径为1-2mm，扫描速度为3-4mm/s，并且充入氩气作为保护气，以确保全部涂层与金属环9表面厚度30-50μm处都能够进入熔融状态，充分反应，形成厚度为100-150μm 的混合层。

需要明确的是：本文中所述方向均以图1为准。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而己，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种关节轴承衬垫的摩擦性能检测试验装置，包括主轴（8）、设置在主轴（8）上的左支撑结构、右支撑结构以及位于左支撑结构、右支撑结构之间的摩擦副，其中，所述的主轴（8）水平设置且从左到右依次为大直径段（801）、左大右小的锥形体段（802）和小直径段（803）；左支撑结构设置在大直径段（801）上，右支撑结构设置在小直径段（803）上；所述的摩擦副包括金属环（9）、陶瓷层（10）、摩擦副外圈（6）、衬垫（7）和液压支撑块（11），其中，金属环（9）的外周面设置有陶瓷层（10）；陶瓷层（10）与摩擦副外圈（6）之间设置有衬垫（7）；所述的摩擦副外圈（6）为方形体，其上表面设置有与陶瓷层（10）对应的凹球面；摩擦副外圈的下表面连接在液压支撑块（11）上，其特征是：金属环（9）为圆柱形且配合设置在主轴（8）外侧，该金属环（9）的中部贯通设置有连通的锥孔（901）和圆孔（902），锥孔（901）的锥度与主轴（8）中的锥形体段（802）对应，圆孔（902）直径与主轴（8）中的小直径段（803）对应；其中，锥孔（901）的最大直径尺寸小于锥形体段（802）的最大直径尺寸。

2.根据权利要求1所述的一种关节轴承衬垫的摩擦性能检测试验装置，其特征是：所述的左支撑结构包括轴套I（14）、支撑环I（12）和滚子轴承I（1），其中，在主轴（8）的大直径段（801）的外侧设置轴套I（14），且轴套I（14）的左侧面紧靠主轴（8）的竖直段；轴套I（14）的外侧设置滚子轴承I（1）；滚子轴承I（1）的外侧设置有环形的支撑环I（12）。

3.根据权利要求1所述的一种关节轴承衬垫的摩擦性能检测试验装置，其特征是：所述的右支撑结构包括右端封闭的轴套II（3）、滚子轴承II（2）和支撑环II（13），其中，在主轴（8）的小直径段（803）段外侧设置轴套II（3）；轴套II（3）的外侧设置滚子轴承II（2），滚子轴承II（2）的外侧设置有支撑环II（13）；其中，轴套II（3）的右端面上设置有螺纹孔（4）。

4.根据权利要求1~3任一所述的一种关节轴承衬垫的摩擦性能检测试验装置，其特征是：主轴（8）中的小直径段（803）的右端面上设置有螺纹盲孔（804）。

5.一种如权利要求1所述的关节轴承衬垫的摩擦性能检测试验装置的安装方法，其特征是：包括以下工艺步骤：

s1：加工金属环（9）：在加工中心将金属环（9）毛坯通过粗车、半精车和精车对其两端面进行加工；

s2：对金属环（9）外表面喷涂陶瓷层（10）：

s201.选择Al₂O₃作为陶瓷喷涂材料，将第s1步骤中的金属环（9）进行热处理后进行热喷涂；s202.完成喷涂后，在s201步骤中的涂层在热状态下时进行加热重熔，待金属环（9）表面冷却至室温后停止超声振动，完成喷涂过程；

s203.喷涂程序完成后，使用高精度无心磨床对陶瓷层（10）进行外圆磨，使陶瓷层（10）圆柱度精度小于2μm，表面粗糙度小于0.4μm；外圆磨过后，再次进行研磨和抛光，使摩擦副内圈金属环（9）外的陶瓷层（10）的外表面圆柱度不超过1μm，表面粗糙度不超过0.125μm；

s3：粘贴测试样本：将准备好的要测试的自润滑关节轴承的自润滑衬垫（7）用胶粘剂粘接在摩擦副外圈（6）的内表面；

s4：加工主轴（8）：在加工中心经过车、铣等过程将主轴（8）上的锥形体段（802）锥度为10^o；主轴（8）的左端端面与联轴器相连；

s5：安装轴套I（14）、摩擦副及轴套II（3）：

s501.将准备好的轴套I（14）过盈装配到s4步骤中的大直径段（801）段外侧，在轴套I（14）外侧安装滚子轴承I（1），滚子轴承I（1）固定安装在支撑环I（12）内；

s502.将s2步骤中带陶瓷层（10）的金属环（9）安装在主轴（8）上，金属环（9）一部分设置在锥形体段（802）外侧，另一部分设置在小直径段（803）的外侧，将轴套II（3）安装在主轴（8）的小直径段（803）外侧，轴套II（3）的左端面与金属环（9）的右端面相配合，用内六角螺钉（5）通过螺纹孔（4）和螺纹盲孔（804）进行预紧，推动轴套II（3）紧靠金属环（9），增加主轴（8）的锥形体段（802）的外表面与金属环（9）内的锥孔（901）表面之间的连接摩擦力；

s503. 轴套II（3）安装在小直径段（803）外侧，轴套II（3）外侧的安装滚子轴承II（2），再将滚子轴承II（2）固定安装在支撑环II（13）内；

s504. 将s3步骤中的带有自润滑衬垫（7）的摩擦副外圈（6）固定安装在液压支撑块（11）上，通过液压力对液压支撑块（11）进行径向加载，从而使陶瓷涂层（9）与衬垫（7）进行摩擦配副。

6.根据权利要求5所述的一种摩擦性能检测试验装置的安装方法，其特征是：s201步骤中的热喷涂环节的工艺为：将热处理后的金属环（9）固定并与超声工具头相接触，开启超声电源，超声频率范围在15～100Hz，向金属环（9）导入功率超声波，金属环（9）外表面超声振动方向与喷涂颗粒飞行方向间呈不同角度；将陶瓷喷涂材料通过热喷涂枪对金属环（9）外表面进行热喷涂，形成表面喷涂层。

7.根据权利要求5所述的一种摩擦性能检测试验装置的安装方法，其特征是：s202步骤中的加热重熔的工艺为：激光功率为1000-1200W，光斑直径为1-2mm，扫描速度为3-4mm/s，并且充入氩气作为保护气，以确保全部涂层与金属环（9）表面厚度30-50μm处都能够进入熔融状态，充分反应，形成厚度为100-150μm 的混合层。

8.根据权利要求5所述的一种摩擦性能检测试验装置的安装方法，其特征是：所述的s3步骤中的胶粘剂的成分是：丁苯胶乳、丙酮、聚乙烯醇、丙烯酸钠和水。