CN108896310B - 可模拟倾覆力矩的轴承多应力试验系统 - Google Patents

可模拟倾覆力矩的轴承多应力试验系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可模拟倾覆力矩的轴承多应力加速寿命试验系统，包括支撑部分、轴承实验腔部分、施力机构部分、转动部分和数据采集部分；支撑部分包括机座和轴承座；轴承实验腔部分包括三组实验腔各自内部的一对轴承、限位装置以及外部的轴承实验腔壳体；施力机构部分包括每个实验腔内的轴向力施力装置以及机座上一对模拟倾覆力矩的施力装置；转动部分包括阶梯状的主轴以及与其连接的可控制转速的电机；数据采集部分包括轴承实验台上的温度传感器、振动传感器、摩擦力矩传感器，以及信号调理箱。本发明能够同时对3对轴承进行模拟倾覆力矩的多应力环境模拟实验，并采集和监测处理轴承转速、温度、振动、摩擦力矩等信号。

Description

可模拟倾覆力矩的轴承多应力试验系统
技术领域
本发明属于旋转机械关键部件性能模拟试验技术领域，具体而言，本发明涉及一种轴承的多应力加速寿命试验系统。
背景技术
航天中的控制力矩陀螺(CMG)是航天器在太空调整姿态的执行部件，由高速组件、低速组件和连接支架三部分组成，通过高速旋转的转子来获得角动量，并通过改变角动量的方向来对外输出力矩，具有调控力度和范围大、响应快的优点，但是CMG有多个不同旋转轴的转子，会在轴承上产生倾覆力矩，对轴承的可靠性和寿命产生不利影响，例如，现有技术中存在CMG所产生的倾覆力矩示意图如图1所示。其中，倾覆力矩的施加使得轴承内部受载状态发生显著变化，由全部滚珠受载到仅有几颗，甚至极端工况下1-2颗受载，轴承内部动力学、摩擦学特性发生较大改变。
此外，轴承作为高速动静连接件、支撑件，是转动产品的关键薄弱部件。航天器上的飞轮和CMG与航天器之间存在明显的力矩耦合和动力学扰动作用，这种耦合作用会使其轴承处于高低温、真空、联合载荷、高转速等多应力复杂环境下，轴承的失效模式存在特殊性、复杂性和关联性，机理非常复杂。因此有必要研究轴承所处的真空、高低温、轴向力、倾覆力矩、转速等多应力环境模拟技术，满足多应力轴承寿命试验的要求。
发明内容
本发明的发明目的在于提供一种可模拟倾覆力矩的轴承多应力试验系统，对承受倾覆力矩、高低温、转速、轴向力等多应力的CMG空间高速轴承进行模拟环境试验。
本发明采用了如下的技术方案：
可模拟倾覆力矩的轴承多应力试验系统，包括支撑部分、轴承实验腔部分、施力机构部分、转动部分和数据采集部分，其中支撑部分包括机座和若干个轴承座，若干个轴承座并列设置在机座上；轴承实验腔部分包括若干个轴承实验腔，若干个轴承座顶部间隔地支撑若干个轴承实验腔使得至少两个轴承实验腔之间具有一未被轴承座支撑的轴承实验腔；施力机构部分包括每个轴承实验腔内夹在轴承外圈定位环和端盖间的轴向力施力装置，以及安装在轴承座间的机座导轨上并且在主轴两侧对称分布的一对模拟倾覆力矩的施力装置；转动部分包括主轴以及通过联轴器连接并控制主轴转动的电机，若干个轴承实验腔串联在同一主轴上，并由可控制转速的电机通过联轴器驱动主轴转动；数据采集部分包括温度、应力、振动、摩擦力矩传感器以及与之相连接并监测和记录数据的信号调理箱，通过对各传感器测量参数的采集来测试施加可模拟倾覆力矩后轴承在多应力环境下的性能。
其中，若干个轴承实验腔为三个，两端的轴承实验腔在机座上对称分布，由轴承座及其上盖组成实验腔壳体，通过轴承座固定在机座的导轨上，并通过机座上一对施力装置对两个轴承座施加大小相同、方向相反的力来模拟倾覆力矩。
其中，两端的轴承实验腔之间未被轴承座支撑的轴承实验腔由一整体外壳作为实验腔壳体，可在主轴和轴承的摩擦力矩驱动下转动，通过轴承实验腔上伸出的凸沿与机座上伸出的摩擦力矩传感器支撑座的接触限制其转动，并由此测量主轴和轴承的摩擦力矩。
其中，每组轴承实验腔内都具有一对轴承及其轴向力施力装置，两个轴承通过限位环隔开，其内圈与主轴采用过渡配合，外圈与对应的定位环采用小间隙配合，通过轴承端盖封闭在腔内。
其中，每个轴承实验腔的顶部和侧面分别设置一温度传感器和振动传感器。
进一步地，各传感器与信号调理箱连接，通过控制系统使得3对轴承进行模拟倾覆力矩的多应力环境模拟实验，并采集和监测处理轴承转速、温度、振动、摩擦力矩信号。
其中，所述轴承实验腔的壳体为阶梯状结构，通过轴承外圈和阶梯的接触、轴承内圈与限位环的接触、轴承外圈与轴向力施力装置的接触、端盖与轴向力施力装置的接触、实验腔壳体和端盖的连接来限制腔体内各部分的轴向运动。
其中，所述摩擦力矩传感器支撑座与轴承实验腔的凸沿间接触来限制轴承实验腔的转动，并通过控制转轴转动方向来实现。
其中，所述轴承座通过螺栓固定在机座的导轨上，沿着导轨相对滑动，在模拟倾覆力矩的施力装置驱动下，与主轴产生相对转动的趋势，传递到轴承实验腔内的轴承上，从而模拟倾覆力矩。
其中，所述实验腔的轴承座与上盖、壳体与端盖均采用螺栓连接固定。
其中，所述轴向力施力装置及模拟倾覆力矩的施力装置均可控制其所施加力的大小。
本发明与现有技术相比，具有如下突出实质性特点和显著优点：
本发明可同时控制倾覆力矩、轴向力、温度、转轴转速，模拟多应力下轴承所经受的复杂环境，并通过数据采集部分对温度、摩擦力矩、振动、应力应变等各参数进行监测和记录；本发明通过对三组轴承实验腔内三对轴承同时进行模拟试验和状态监测记录，各组数据可互相验证，消除无关因素的干扰，提高试验结果的可靠性和准确性。
附图说明
图1是背景技术中的CMG产生倾覆力矩的结构示意图；
图2为本发明一具体实施方式的可模拟倾覆力矩的轴承多应力试验系统的等轴侧视图；
图3是本发明一具体实施方式的可模拟倾覆力矩的轴承多应力试验系统中实验腔内部示意图；
图4是本发明一具体实施方式的可模拟倾覆力矩的轴承多应力试验系统中传感器分布图；
图中：
1-机座；2-轴承座；3-主轴；4-端盖；5-轴承实验腔A；6-轴承实验腔B；7-轴承实验腔C；8-联轴器；9-电机；10-滚珠丝杠传动装置；11-摩擦力矩传感器支撑座；12-弹簧；13-轴承外圈定位环；14-限位环；15-轴承一；16-轴承二；17-温度传感器(轴承腔上表面)；18-振动传感器；19-温度传感器(轴承腔侧面)；20-摩擦力矩传感器。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明，但这仅仅是示例性的，并不旨在对本发明的保护范围进行任何限制。
参见图2，图2显示了本发明一具体实施方式的可模拟倾覆力矩的轴承多应力试验系统的等轴侧视图；其中，本发明的可模拟倾覆力矩的轴承多应力试验系统，包括机座1和两个轴承座2，三个轴承实验腔例如轴承实验腔A 5，轴承实验腔B 6，轴承实验腔C 7，每个轴承实验腔内的弹簧12，关于主轴对称分布的一对滚珠丝杠传动装置10，主轴3以及通过联轴器8连接的电机9；两个轴承座2并列设置在机座1上，且其顶部间隔地支撑轴承实验腔A5，轴承实验腔C 7，使得两个轴承实验腔之间具有一未被轴承座支撑的轴承实验腔B 6；两个轴承座2间的机座导轨上设置有与各自的轴承座接触并且关于主轴对称分布的一对滚珠丝杠传动装置10；每个轴承实验腔内设置有夹在轴承外圈和端盖间的弹簧12；三个轴承实验腔串联在同一主轴3上，通过联轴器8连接到电机9上，通过电机9控制主轴转动，数据采集部分包括温度、应力、振动、摩擦力矩传感器以及与之相连接并监测和记录数据的信号调理箱，通过对各传感器测量参数的采集来测试施加可模拟倾覆力矩后轴承在多应力环境下的性能。具体而言，可控制转速的电机9与主轴3采用弹性联轴器8连接，通过主轴3驱动轴承实验腔A 5、轴承实验腔B6、轴承实验腔C7内的轴承以预定的转速转动。轴承座通过螺母固定在机座1的T形槽上，轴承座间的T形槽上有一对关于主轴对称分布的滚珠丝杠传动装置10，通过旋转丝杠顶住各自方向的轴承座，向其施加大小相同、方向相反、不共线的力。这对等值反向的力通过对应的轴承座传递到实验腔内的轴承上，使轴承相对于主轴3受扭，从而模拟轴承在实际工况中所受的倾覆力矩。
参见图3，图3显示了本发明一具体实施方式的可模拟倾覆力矩的轴承多应力试验系统中实验腔内部示意图。以轴承实验腔A 5内部为例，每对轴承(15和16)安装在一个轴承腔内，轴承内圈与轴采用过渡配合，通过轴承间的限位环14隔开；轴承一15外圈与轴承外圈定位环13采用小间隙配合；弹簧12夹在端盖和轴承外圈定位环间，对腔内轴承施加轴向力,可通过选用不同的弹簧来实现轴向力大小的控制。轴承实验腔的壳体为阶梯状结构，通过轴承外圈和阶梯的接触、轴承内圈与限位环的接触、轴承外圈与弹簧的接触、端盖与弹簧的接触、实验腔壳体和端盖的连接来限制腔体内各部分的轴向运动。在轴承腔内各零件安装完成后，端盖4通过螺钉连接与实验腔壳体形成封闭的实验腔。
参见图4，图4显示了本发明一具体实施方式的可模拟倾覆力矩的轴承多应力试验系统中传感器分布图。以轴承实验腔A(5)为例，每组轴承实验腔壳体上表面装有一个振动传感器18测量振动，上表面和侧面分别装有温度传感器17和19测量其所处位置的温度。轴承实验腔A(5)和C(7)通过轴承座以螺栓连接的形式对称地固定在机座1的导轨上；中间的轴承实验腔B(6)不与底座固定，在轴承内外圈间摩擦力的作用下随着主轴转动，直至壳体上的凸沿接触到机座1上伸出的摩擦力矩传感器的支撑座11的顶端，由此平衡轴承产生的摩擦力矩，并由支撑座11上的力传感器20测量摩擦力矩。这些传感器以及电机的转速控制装置通过导线连接到信号采集箱，由采集箱显示和监测记录这些数据，并将其传输到计算机。
其中电控部分和数据采集部分不是本发明的重点，在此不做详述。
整个机械试验台可放在常压热实验箱中，模拟轴承所处环境的温度。整个试验系统可同时对3对(6个)相同的轴承进行多应力(包括轴承的转速、温度、所受轴向力、所受倾覆力矩)环境模拟实验，并采集和监测处理轴承转速、温度、振动、摩擦力矩等信号。
本发明的试验过程如下：
首先根据需要施加的轴向力选择对应的弹簧，再将弹簧和轴承腔内各部分零件组装好，通过端盖封闭再各自的实验腔内；之后将机械试验台的其他部分组装好，贴好各传感器，根据需要模拟的倾覆力矩调整滚珠丝杠装置；把机械试验台放入常压热实验箱中，用导线将其和信号采集箱及转速控制装置连接好，开机运转；最后根据需求调整温度和转速，模拟包括倾覆力矩在内的多应力环境，采集和监测处理相应的信号。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所做的等效结构，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.可模拟倾覆力矩的轴承多应力试验系统，包括支撑部分、轴承实验腔部分、施力机构部分、转动部分和数据采集部分，其中支撑部分包括机座和若干个轴承座，若干个轴承座并列设置在机座上；轴承实验腔部分包括若干个轴承实验腔，若干个轴承座顶部间隔地支撑若干个轴承实验腔使得至少两个轴承实验腔之间具有一未被轴承座支撑的轴承实验腔；施力机构部分包括每个轴承实验腔内夹在轴承外圈和端盖间的轴向力施力装置，以及安装在轴承座间的机座导轨上并且在主轴两侧对称分布的一对模拟倾覆力矩的施力装置；转动部分包括主轴以及通过联轴器连接并控制主轴转动的电机，若干个轴承实验腔串联在同一主轴上，并由可控制转速的电机通过联轴器驱动主轴转动；数据采集部分包括温度、应力、振动、摩擦力矩传感器以及与之相连接并监测和记录数据的信号调理箱，通过对各传感器测量参数的采集来测试施加可模拟倾覆力矩后轴承在多应力环境下的性能，其中，若干个轴承实验腔为三个，两端的轴承实验腔在机座上对称分布，由轴承座及其上盖组成实验腔壳体，通过轴承座固定在机座的导轨上，并通过机座上一对模拟倾覆力矩的施力装置对两个轴承座施加大小相同、方向相反的力来模拟倾覆力矩。
2.如权利要求1所述的可模拟倾覆力矩的轴承多应力试验系统，其中，两端的轴承实验腔之间未被轴承座支撑的轴承实验腔由一整体外壳作为实验腔壳体，可在主轴和轴承的摩擦力矩驱动下转动，通过轴承实验腔上伸出的凸沿与机座上伸出的摩擦力矩传感器支撑座的接触限制其转动，并由此测量主轴和轴承的摩擦力矩。
3.如权利要求1所述的可模拟倾覆力矩的轴承多应力试验系统，其中，每个轴承实验腔内都具有一对轴承及其轴向力施力装置，两个轴承通过限位环隔开，其内圈与主轴采用过渡配合，外圈与对应的限位环采用小间隙配合，通过轴承端盖封闭在腔内。
4.如权利要求1-3任一项所述的可模拟倾覆力矩的轴承多应力试验系统，其中，每个轴承实验腔壳体上表面装有一个振动传感器，上表面和侧面分别装有温度传感器。
5.如权利要求1所述的可模拟倾覆力矩的轴承多应力试验系统，其中各传感器与信号调理箱连接，通过控制系统使得3对轴承进行模拟倾覆力矩的多应力环境模拟实验，并采集和监测处理轴承转速、温度、振动、摩擦力矩信号。
6.如权利要求3所述的可模拟倾覆力矩的轴承多应力试验系统，其中，所述轴承实验腔的壳体为阶梯状结构，通过轴承外圈和阶梯的接触、轴承内圈与限位环的接触、轴承外圈与轴向力施力装置的接触、端盖与轴向力施力装置的接触、实验腔壳体和端盖的连接来限制腔体内各部分的轴向运动。
7.如权利要求2所述的可模拟倾覆力矩的轴承多应力试验系统，其中，所述摩擦力矩传感器支撑座与轴承实验腔的凸沿间接触来限制轴承实验腔的转动，并通过控制主轴转动方向来实现。
8.如权利要求1所述的可模拟倾覆力矩的轴承多应力试验系统，其中，所述轴承座通过螺栓固定在机座的导轨上，沿着导轨相对滑动，在模拟倾覆力矩的施力装置驱动下，与主轴产生相对转动的趋势，传递到轴承实验腔内的轴承上，从而模拟倾覆力矩。
9.如权利要求1所述的可模拟倾覆力矩的轴承多应力试验系统，其中，所述实验腔的轴承座与上盖、壳体与端盖均采用螺栓连接固定。
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