CN109738188B - 评估轴承保持架耐磨性的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种评估轴承保持架耐磨性的装置及方法，包括：基座，其上连接有升降台；L型悬臂，其水平端连接在升降台上；电机，其连接在L型悬臂的竖直端；用于连接轴承保持架的保持架夹具，其与电机的电机轴连接；保持架夹具的背面贴有反光纸；变频震动机，其内放置有磨料；保持架夹具通过升降台的升降浸入变频震动机的磨料中；变频震动机放置在防尘箱内；加速度传感器，其设置在变频震动机的上表面；用于测量轴承保持架转速的转速传感器，其位于震动传感器的上方并朝向磨料中的轴承保持架。本发明通过随机点接触磨损模式，提出一种评估轴承保持架耐磨性的方法和装置，可以真实的模拟保持架的运行工况，对保持架的多表面同时进行耐磨性评价。
Description
技术领域
本发明属于摩擦学领域，通过本发明的方法和装置可模拟轴承保持架在高速运行过程中与滚动体、内外圈的摩擦、磨损和冲击行为，进而对保持架的耐磨性能进行快速有效评估。
背景技术
作为精密机械系统的核心部件之一，精密轴承的摩擦学性能直接决定了整个机械系统的可靠性和稳定性。保持架是精密轴承的关键元件，且保持架形式多样，加工成型工序多，在生产加工过程中不可避免的会产生不可预计的缺陷。保持架上的微小缺陷可能导致保持架在运行过程中的异常磨损，从而引起整个系统失效，如在航天航空领域，陀螺马达和飞轮轴承保持架的轻微磨损就会导致摩擦力矩增加，进而引起轴承卡死。因此，开发一种精确，可靠的评价方法和装置用于评价保持架的耐磨性能非常必要。然而，由于保持架形式多样，结构复杂，具有多个磨损面，系统全面评价保持架的耐磨性能是一个科学和技术难题。
目前对保持架的耐磨性进行评价通常使用传统的摩擦磨损实验。这类评价方法需要把保持架制作成标准样品(块状、圆盘状等)，以满足测试需求。在这个过程中首先需要对保持架进行切割以制作成标准样品，因此会破坏保持架的固有形态，其测试过程并不能真实的反应保持架的摩擦磨损工况。此外，传统的摩擦磨损实验基于单点接触、线接触、面接触等磨损形式，只能对与对磨副垂直的平面的摩擦磨损性能进行评估，对保持架的内表面，如兜孔等曲面无法进行有效评估。保持架在轴承中的主要作用为分离滚动体，并随滚动体一起转动，因此其主要磨损形式为滚动体与保持架表面的随机点接触以及磨屑与保持架的随机点接触造成磨损。因此，传统摩擦磨损评价方式并不能真实的反应保持架的运行工况，而且还具有评价时间长，评价指标不统一等缺点。
发明内容
本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种评估轴承保持架耐磨性的装置，包括：
基座，其上连接有升降台；
L型悬臂，其水平端连接在升降台上；
电机，其连接在L型悬臂的竖直端；
用于连接轴承保持架的保持架夹具，其与电机的电机轴连接；所述保持架夹具的背面贴有反光纸；
变频震动机，其内放置有磨料；所述保持架夹具通过升降台的升降浸入变频震动机的磨料中；所述变频震动机放置在防尘箱内；
加速度传感器，其设置在变频震动机的上表面；
用于测量轴承保持架转速的转速传感器，其位于震动传感器的上方并朝向磨料中的轴承保持架。
优选的是，所述升降台的底部通过内六角螺栓Ⅰ连接在基座上；所述防尘箱为透明亚克力板组成的防尘箱；所述加速度传感器通过螺钉安装到变频震动机的上表面。
优选的是，所述L型悬臂包括通过内六角螺栓Ⅱ连接水平臂和竖直臂；所述水平臂的末端通过内六角螺栓Ⅲ连接在升降台的顶部。
优选的是，所述电机通过电机夹具连接在竖直臂上；所述电机夹具通过内六角螺栓Ⅳ连接在竖直臂的末端。
优选的是，所述电机夹具由两块马蹄形铝合金组成。
优选的是，所述保持架夹具为三爪卡盘式夹具；所述三爪卡盘式夹具的每个爪上设置有通孔Ⅰ；所述轴承保持架连接在三爪卡盘式夹具上且通过在通孔Ⅰ和轴承保持架的兜孔内连接内六角螺栓Ⅴ和螺母对轴承保持架进行连接固定。
优选的是，所述加速度传感器和转速传感器均连接至控制器；所述控制器连接至计算机以采集数据。
优选的是，所述保持架夹具的底部设置有通孔Ⅱ，所述电机轴包括设置在电机轴轴向的螺孔和与螺孔相匹配的螺栓；所述电机轴穿过通孔Ⅱ并套设垫片后将螺栓连接在螺孔内以实现电机轴与保持架夹具的连接。
本发明还提供一种采用上述的评估轴承保持架耐磨性的装置进行轴承保持架耐磨性评估的方法，包括以下步骤：
步骤一、在变频震动机中加入磨料；
步骤二、称取待测轴承保持架的质量，然后通过保持架夹具把待测轴承保持架固定于电机的电机轴上；通过电机夹具和L型悬臂把电机固定于升降台上；
步骤三、通过升降台将轴承保持架完全浸入变频震动机的磨料中，设置电机转速，启动加速度传感器和转速传感器，并通过控制器和计算机采集数据；
步骤四、调节变频震动机振动频率和振动块位置以达到设定的振动频率和振动幅值，启动电机，调节电机运行转速，关闭防尘箱，测试规定时间；
步骤五、通过升降台将轴承保持架移出磨料，取下轴承保持架，用棉布砂轮打磨轴承保持架，然后用无水乙醇清洗轴承保持架；对磨损后的轴承保持架进行称重处理，表面形貌测试，对比保持架磨损前后质量及磨损形貌，完成保持架耐磨性评估。
优选的是，所述磨料的尺寸小于轴承保持架兜孔的尺寸；所述磨料为白刚玉磨料；所述轴承保持架为聚酰亚胺保持架；所述步骤三种，设置加速度传感器的采样频率20～30KHz、采样点数150～250K、通道数1、通道电压范围±20V；所述步骤四中，调节变频震动机震动频率为12～25Hz、震动时间15～30min；调节电机运行转速至4000～8000r/min。
本发明至少包括以下有益效果：本发明通过随机点接触磨损模式，提出一种评估轴承保持架耐磨性的方法和装置，可以真实的模拟保持架的运行工况，对保持架的多表面同时进行耐磨性评价。相对于传统的耐磨性评价方式，该发明具有操作简单、成本低廉、评价时间短等优点。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明：
图1为本发明评估轴承保持架耐磨性的装置的整体结构示意图；
图2为图1结构的俯视结构示意图；
图3为本发明电机和升降台的安装结构示意图；
图4为本发明保持架夹具与电机轴的连接结构示意图；
图5为图4结构的俯视结构示意图；
图6为本发明保持架夹具与轴承保持架的连接结构示意图；
图7为图6结构的俯视结构示意图；
图8为本发明电机夹具的两块马蹄形铝合金的结构示意图。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
图1～8示出了本发明的一种评估轴承保持架耐磨性的装置，包括：
基座16，其上连接有升降台14；
L型悬臂11，其水平端连接在升降台14上；
电机9，其连接在L型悬臂11的竖直端；
用于连接轴承保持架4的保持架夹具3，其与电机9的电机轴1连接；所述保持架夹具3的背面贴有反光纸，用于测量保持架转速；
变频震动机17，其内放置有磨料18；所述保持架夹具3通过升降台14的升降浸入变频震动机17的磨料18中；所述变频震动机17放置在防尘箱19内；
加速度传感器21，其设置在变频震动机17的上表面；
用于测量轴承保持架4转速的转速传感器20，其位于震动传感器17的上方并朝向磨料18中的轴承保持架4。
在这种技术方案中，通过调节升降台的升降，将保持架夹具和轴承保持架浸入变频震动机的磨料中；并通过电机带动轴承保持架在高速旋转过程中与随机振动的磨料进行冲击磨损，通过调节震动机的振幅和振动加速度控制磨料作用在保持架上的冲击力，通过使用不同尺寸大小的磨料实现不同接触面积的冲击磨损以模拟保持架在运行中的实际工况，使保持架各表面快速的产生磨损和材料去除。完成测试以后对保持架的磨损特征进行提取，实现快速的对保持架的耐磨性进行评估。
在上述技术方案中，所述升降台14的底部通过内六角螺栓Ⅰ15连接在基座16上；所述防尘箱19为透明亚克力板组成的防尘箱，以方便观察保持架运行情况和对运行环境进行密封；所述加速度传感器21通过螺钉22安装到变频震动机的上表面。
在上述技术方案中，所述L型悬臂11包括通过内六角螺栓Ⅱ12连接水平臂111和竖直臂112；所述水平臂111的末端通过内六角螺栓Ⅲ13连接在升降台14的顶部，采用这种方式，可以方便的对L型悬臂的大小进行可拆卸调整，并且可以方便实现拆卸。
在上述技术方案中，所述电机9通过电机夹具7连接在竖直臂112上；所述电机夹具7通过内六角螺栓Ⅳ10连接在竖直臂112的末端，采用这种方式，可以方便的实现对电机的拆卸安装，采用的电机为STRONG102L型。
在上述技术方案中，如图8所示，所述电机夹具7由两块马蹄形铝合金和内六角螺栓Ⅵ8组成，采用这种方式，实现对电机的稳固固定，同时具有拆卸方便的优点。
在上述技术方案中，所述保持架夹具3为三爪卡盘式夹具；所述三爪卡盘式夹具的每个爪31上设置有通孔Ⅰ32；所述轴承保持架4连接在三爪卡盘式夹具上且通过在通孔Ⅰ32和轴承保持架4的兜孔41内连接内六角螺栓Ⅴ5和螺母6对轴承保持架4进行连接固定，采用这种连接方式，可以实现轴承保持架和保持架夹具的固定，防止高速旋转时轴承保持架与保持架夹具之间的相对滑动。
在上述技术方案中，所述加速度传感器和转速传感器均连接至相应的控制器，即加速度传感器采用CT1010L IEPE型压电式加速度传感器；转速传感器采用GM8905型数字转速测量仪；并连接至计算机以采集数据，采用该加速度传感器和转速传感器可以准确有效的测量变频震动机的加速度和轴承保持架的转速。
在上述技术方案中，所述保持架夹具3的底部设置有通孔Ⅱ33，所述电机轴1包括设置在电机轴轴向的螺孔101和与螺孔101相匹配的螺栓102；所述电机轴1穿过通孔Ⅱ33并套设垫片2后将螺栓102连接在螺孔101内以实现电机轴1与保持架夹具3的连接，采用这种方式，可以稳固的将保持架夹具连接在电机轴上，实现轴承保持架的高速旋转。
实施例1：
一种采用上述的评估轴承保持架耐磨性的装置进行轴承保持架耐磨性评估的方法，包括以下步骤：
步骤一、在变频震动机中加入10～18目的白刚玉磨料；
步骤二、称取待测轴承保持架的质量，所使用的为聚酰亚胺保持架，测量保持架的微晶天平的测量精度应为0.001g，对待测保持架进行3次测量，获得的平均重量为2.1302g；然后通过保持架夹具把待测轴承保持架固定于电机的电机轴上；通过电机夹具和L型悬臂把电机固定于升降台上；在保持架夹具的背面贴上反光纸，用于测量保持架转速；
步骤三、通过升降台将轴承保持架完全浸入变频震动机的磨料中，设置电机转速，启动加速度传感器和转速传感器，并通过控制器和计算机采集数据；其中，设置加速度传感器的采样频率25KHz、采样点数200K、通道数1、通道电压范围±20V；
步骤四、调节变频震动机振动频率和振动块(磨料)位置以达到设定的振动频率和振动幅值，即调节变频震动机震动频率为25Hz，启动电机，调节电机运行转速，通过转速传感器测量保持架的转速并调整至6000r/min，关闭防尘箱，测试20min；
步骤五、通过升降台将轴承保持架移出磨料，取下轴承保持架，用棉布砂轮打磨轴承保持架，然后用无水乙醇清洗轴承保持架；对磨损后的轴承保持架进行称重处理，表面形貌测试，对比保持架磨损前后质量及磨损形貌，完成保持架耐磨性评估。
实施例2：
一种采用上述的评估轴承保持架耐磨性的装置进行轴承保持架耐磨性评估的方法，包括以下步骤：
步骤一、在变频震动机中加入10～18目的白刚玉磨料；
步骤二、称取实施例1实验完成后的轴承保持架的质量，测量保持架的微晶天平的测量精度应为0.001g，对待测保持架进行3次测量，获得的平均重量为2.0421g；然后通过保持架夹具把待测轴承保持架固定于电机的电机轴上；通过电机夹具和L型悬臂把电机固定于升降台上；在保持架夹具的背面贴上反光纸，用于测量保持架转速；
步骤三、通过升降台将轴承保持架完全浸入变频震动机的磨料中，设置电机转速，启动加速度传感器和转速传感器，并通过控制器和计算机采集数据；其中，设置加速度传感器的采样频率25KHz、采样点数200K、通道数1、通道电压范围±20V；
步骤四、调节变频震动机振动频率和振动块(磨料)位置以达到设定的振动频率和振动幅值，即调节变频震动机震动频率为25Hz，启动电机，调节电机运行转速，通过转速传感器测量保持架的转速并调整至6000r/min，关闭防尘箱，测试20min；
步骤五、通过升降台将轴承保持架移出磨料，取下轴承保持架，用棉布砂轮打磨轴承保持架，然后用无水乙醇清洗轴承保持架；对磨损后的轴承保持架进行称重处理，表面形貌测试，对比保持架磨损前后质量及磨损形貌，完成保持架耐磨性评估。
实施例3：
一种采用上述的评估轴承保持架耐磨性的装置进行轴承保持架耐磨性评估的方法，包括以下步骤：
步骤一、在变频震动机中加入10～18目的白刚玉磨料；
步骤二、称取实施例2实验完成后的轴承保持架的质量，测量保持架的微晶天平的测量精度应为0.001g，对待测保持架进行3次测量，获得的平均重量为1.9725g；然后通过保持架夹具把待测轴承保持架固定于电机的电机轴上；通过电机夹具和L型悬臂把电机固定于升降台上；在保持架夹具的背面贴上反光纸，用于测量保持架转速；
步骤三、通过升降台将轴承保持架完全浸入变频震动机的磨料中，设置电机转速，启动加速度传感器和转速传感器，并通过控制器和计算机采集数据；其中，设置加速度传感器的采样频率25KHz、采样点数200K、通道数1、通道电压范围±20V；
步骤四、调节变频震动机振动频率和振动块(磨料)位置以达到设定的振动频率和振动幅值，即调节变频震动机震动频率为25Hz，启动电机，调节电机运行转速，通过转速传感器测量保持架的转速并调整至6000r/min，关闭防尘箱，测试20min；
步骤五、通过升降台将轴承保持架移出磨料，取下轴承保持架，用棉布砂轮打磨轴承保持架，然后用无水乙醇清洗轴承保持架；对磨损后的轴承保持架进行称重处理，表面形貌测试，对比保持架磨损前后质量及磨损形貌，完成保持架耐磨性评估。
其中实施例1～3的测试结果如表1所示；
表1
本发明提供一种评估轴承保持架耐磨性的方法和装置。在测试过程中，保持架完全浸入磨粒并处于高速旋转状态，使保持架与随机运动的磨粒接触形成冲击磨损，模拟保持架在高速旋转过程中与轴承材料的点接触冲击磨损。运行一定时间后，取下保持架，对其表面形貌、质量、磨损体积等参数进行统计，通过t检验获得保持架的耐磨性。该耐磨性评价方法具有操作简单、成本低廉、适用范围广、评价时间短等特点，能对保持架的耐磨性进行快速、批量、有效的进行评估。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
Claims (7)
1.一种评估轴承保持架耐磨性的装置，其特征在于，包括：
基座，其上连接有升降台；
L型悬臂，其水平端连接在升降台上；
电机，其连接在L型悬臂的竖直端；
用于连接轴承保持架的保持架夹具，其与电机的电机轴连接；所述保持架夹具的背面贴有反光纸；
变频震动机，其内放置有磨料；所述保持架夹具通过升降台的升降浸入变频震动机的磨料中；所述变频震动机放置在防尘箱内；
加速度传感器，其设置在变频震动机的上表面；
用于测量轴承保持架转速的转速传感器，其位于震动传感器的上方并朝向磨料中的轴承保持架；
所述保持架夹具为三爪卡盘式夹具；所述三爪卡盘式夹具的每个爪上设置有通孔Ⅰ；所述轴承保持架连接在三爪卡盘式夹具上且通过在通孔Ⅰ和轴承保持架的兜孔内连接内六角螺栓Ⅴ和螺母对轴承保持架进行连接固定；
所述加速度传感器和转速传感器机连接至控制器；所述控制器连接至计算机以采集数据；
所述保持架夹具的底部设置有通孔Ⅱ，所述电机轴包括设置在电机轴轴向的螺孔和与螺孔相匹配的螺栓；所述电机轴穿过通孔Ⅱ并套设垫片后将螺栓连接在螺孔内以实现电机轴与保持架夹具的连接。
2.如权利要求1所述评估轴承保持架耐磨性的装置，其特征在于，所述升降台的底部通过内六角螺栓Ⅰ连接在基座上；所述防尘箱为透明亚克力板组成的防尘箱；所述加速度传感器通过螺钉安装到变频震动机的上表面。
3.如权利要求1所述评估轴承保持架耐磨性的装置，其特征在于，所述L型悬臂包括通过内六角螺栓Ⅱ连接水平臂和竖直臂；所述水平臂的末端通过内六角螺栓Ⅲ连接在升降台的顶部。
4.如权利要求3所述评估轴承保持架耐磨性的装置，其特征在于，所述电机通过电机夹具连接在竖直臂上；所述电机夹具通过内六角螺栓Ⅳ连接在竖直臂的末端。
5.如权利要求4所述评估轴承保持架耐磨性的装置，其特征在于，所述电机夹具由两块马蹄形铝合金组成。
6.一种采用如权利要求1~5任一项所述的评估轴承保持架耐磨性的装置进行轴承保持架耐磨性评估的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、在变频震动机中加入磨料；
步骤二、称取待测轴承保持架的质量，然后通过保持架夹具把待测轴承保持架固定于电机的电机轴上；通过电机夹具和L型悬臂把电机固定于升降台上；
步骤三、通过升降台将轴承保持架完全浸入变频震动机的磨料中，设置电机转速，启动加速度传感器和转速传感器，并通过控制器和计算机采集数据；
步骤四、调节变频震动机振动频率和振动块位置以达到设定的振动频率和振动幅值，启动电机，调节电机运行转速，关闭防尘箱，测试规定时间；
步骤五、通过升降台将轴承保持架移出磨料，取下轴承保持架，用棉布砂轮打磨轴承保持架，然后用无水乙醇清洗轴承保持架；对磨损后的轴承保持架进行称重处理，表面形貌测试，对比保持架磨损前后质量及磨损形貌，完成保持架耐磨性评估。
7.如权利要求6所述的采用评估轴承保持架耐磨性的装置进行轴承保持架耐磨性评估的方法，其特征在于，所述磨料的尺寸小于轴承保持架兜孔的尺寸；所述磨料为白刚玉磨料；所述轴承保持架为聚酰亚胺保持架；所述步骤三种，设置加速度传感器的采样频率20~30KHz、采样点数150~250K、通道数1、通道电压范围±20V；所述步骤四中，调节变频震动机震动频率为12~25Hz、震动时间15~30min；调节电机运行转速至4000~8000r/min。
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