CN110672288B - 一种关节轴承刚度试验装置及测试方法 - Google Patents

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CN110672288B CN201910966659.5A CN201910966659A CN110672288B CN 110672288 B CN110672288 B CN 110672288B CN 201910966659 A CN201910966659 A CN 201910966659A CN 110672288 B CN110672288 B CN 110672288B
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Abstract

本发明公开了一种关节轴承刚度试验装置及测试方法，关节轴承刚度试验装置包括试验箱体、关节轴承座、主轴、锁紧螺母、加载装置和传感器，试验箱体内置其他部件，被试关节轴承的外圈安置在关节轴承座内，内圈套在主轴且轴向依靠主轴的轴肩和锁紧螺母固定；在主轴的左端，法兰盘外置于试验箱体的左端面，主轴的右端通过螺栓与试验箱体的右端面固定；加载装置用于给被试关节轴承施加轴向和径向载荷，传感器用于测试被试关节轴承的位移和载荷。本发明提供的关节轴承刚度试验装置结构简单、组装拆卸方便，能够进行关节轴承径向和轴向的准确加载，测得的关节轴承刚度参数准确可靠，该装置适用于关节轴承研制单位和使用单位的性能测定。

Description

一种关节轴承刚度试验装置及测试方法
技术领域
本发明涉及关节轴承测量装置，尤其涉及一种关节轴承刚度试验装置及测试方法。
背景技术
关节轴承具有承受径向负荷、轴向负荷的特点，运动时可以在任意角度旋转摆动，其刚度特性直接影响着机械设备的力学特性特别是动力学特性，是摆动机构装置中的关键零部件之一。合理确定关节轴承刚度特性，特别是通过实验测试得到准确的关节轴承刚度参数，对于关键轴承本身以及摆动机机构装置的研制和使用具有重要意义。
迄今为止，已经有一些针对关节轴承润滑、疲劳等性能测定和研究用实验设备，如：多载荷运动关节轴承疲劳极限试验机(CN109163904A)利用动态扭矩传感器以及特殊的加载系统实现了一种多载荷运动关节轴承疲劳极限试验机；四曲柄摆块机构关节轴承高速疲劳试验机(CN103335846A)提出了一种带有四个曲拐的曲轴式的动平衡结构，可同时对四个关节轴承进行疲劳试验；一种发动机高压关节轴承的加温加载疲劳试验装置(CN201335770)运用加温炉和电控原理实现了发动机高压关节轴承的加温加载疲劳试验；关节轴承的刚度测试的试验装置尚属空白。相关技术主要是滚动轴承刚度测试，目前针对滚动轴承刚度测试的试验机较多，例如：一种主轴轴承结合部动刚度测试装置(CN106768749B)利用转速传感器和激振装置实现了滚动轴承在不同工况载荷下的动态特性参数的试验测试，实现了主轴轴承结合部动刚度测试装置；一种滚动轴承刚度试验装置(CN208297118U)是应用拉伸机加载台，施加拉、压两种方式的载荷，进行滚动轴承刚度试验；一种滚动轴承轴向和径向综合动刚度测量装置(CN108680357A)实现了对滚动轴承轴向和径向综合动刚度的测量。但是，关节轴承与滚动轴承相比，关节轴承是摆动功能，滚动轴承为旋转功能，在结构和功能上都存在较大差别。
目前急需一种合理的关节轴承刚度测试方法以及专用的关节轴承刚度试验装置，以获得足够准确的刚度参数数据，为关节轴承的研制和使用提供依据。
发明内容
本发明针对关节轴承刚度测试需求，提出一种原理正确、结构简单、操作方便的关节轴承刚度试验装置及刚度测试方法。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：
一种关节轴承刚度试验装置，其特征在于，所述的关节轴承刚度试验装置包括试验箱体、关节轴承座、主轴、锁紧螺母、加载装置和传感器；其中，
所述试验箱体包括可拆卸连接的上箱体和下箱体；
所述上箱体设置有径向加载螺杆孔、法兰盘半孔、上箱体主轴固定螺纹孔、上箱体光孔；所述法兰盘半孔设置于上箱体左侧壁，相对应的下箱体的左侧壁也开设有法兰盘半孔，上箱体和下箱体连接固定时，两法兰盘半孔相对接，用于与主轴上的法兰盘配合形成主轴的左端固定端；所述径向加载螺杆孔设置于上箱体的上壁，用于与径向加载螺杆配合，向被试关节轴承施加径向力；所述上箱体主轴固定螺纹孔开设于上箱体的右侧壁，使用时，上箱体主轴固定螺纹孔与主轴上的主轴右端第一螺纹孔对齐并通过上箱体主轴固定螺栓连接形成主轴的右端固定端；所述上箱体光孔开设于上箱体的右侧壁，位于上箱体主轴固定螺纹孔上方，上箱体光孔用于与上箱体轴向加载螺杆配合，向被试关节轴承施加轴向力；
所述下箱体包括沉孔、下箱体主轴固定螺纹孔、下箱体光孔；所述沉孔是设置在下箱体内部右侧壁上的凹槽，相对应的上箱体内部右侧壁也开设有沉孔，上箱体和下箱体连接固定时，两沉孔相对接，用于与主轴的轴段配合；所述下箱体主轴固定螺纹孔开设于下箱体的右侧壁，使用时，下箱体主轴固定螺纹孔与主轴上的主轴右端第二螺纹孔对齐并通过下箱体主轴固定螺栓连接形成主轴右端固定端；所述下箱体光孔开设于下箱体的右侧壁，用于与下箱体轴向加载螺杆配合，向被试关节轴承施加轴向力；
所述关节轴承座包括轴承压盖和关节轴承座本体，所述轴承压盖与关节轴承座本体间可拆卸连接；所述关节轴承座本体对称设置于上箱体和所述下箱体中，上箱体和下箱体连接固定时，形成完整的关节轴承座本体；所述关节轴承座本体设置有径向力传感器布置孔和轴肩，所述径向力传感器布置孔设置于关节轴承座本体下端面，用于布置第三径向位移电涡流传感器，所述轴肩设置于关节轴承座本体内端面；所述轴承压盖包括定位面，所述关节轴承座本体与轴承压盖连接固定时，定位面与轴肩相配合，用于定位被试关节轴承的外圈；
所述主轴包括轴段、主轴右端第一螺纹孔、主轴右端第二螺纹孔、轴肩、法兰盘；其中，所述轴段设置于主轴的一端，法兰盘设置于主轴的另一端，轴段的端面上开设有主轴右端第一螺纹孔和主轴右端第二螺纹孔，轴肩设置于主轴的中部靠近法兰盘的一端；所述锁紧螺母可拆卸设置于主轴的中部靠近轴段的一端，使用时，被试关节轴承的内圈套于主轴上，锁紧螺母沿主轴的径向旋入主轴中，内圈位于轴肩与锁紧螺母之间，以固定内圈；
所述加载装置包括径向加载螺杆、上箱体轴向加载螺杆、下箱体轴向加载螺杆、径向力传感器、上箱体轴向力传感器和下箱体轴向力传感器；所述径向力传感器与所述关节轴承座本体上表面固定连接，用于测量由径向加载螺杆施加于被试关节轴承的径向力，上箱体轴向力传感器、下箱体轴向力传感器与所述关节轴承座本体的右端面固定连接，分别用于测量上箱体轴向加载螺杆、下箱体轴向加载螺杆施加于被试关节轴承的轴向力；
所述传感器设置于试验箱体内部，包括第一径向位移电涡流传感器、第二径向位移电涡流传感器和第三径向位移电涡流传感器，以及第一轴向位移电涡流传感器、第二轴向位移电涡流传感器、第三轴向位移电涡流传感器和第四轴向位移电涡流传感器；其中，所述第一径向位移电涡流传感器、第二径向位移电涡流传感器沿主轴轴向，对称布置于关节轴承座的左、右两侧，用于测量被试关节轴承的内圈的变形；第三径向位移电涡流传感器布置于所述径向力传感器布置孔内，用于测量被试关节轴承的外圈的变形；所述第一轴向位移电涡流传感器、第二轴向位移电涡流传感器对称布置于主轴的上、下两侧，测头指向关节轴承座右端面，用于测量外圈变形；所述第三轴向位移电涡流传感器、第四轴向位移电涡流传感器在内圈的半径范围内，对称布置于主轴上、下两侧，测头指向内圈端面，用于测量内圈变形。
在一个具体的实施方案中，所述上箱体的一对侧壁的边缘设置有上箱体连接螺纹孔，与其相对应的，所述下箱体的一对侧壁的边缘设置有下箱体连接螺纹孔，上箱体连接螺纹孔与下箱体连接螺纹孔通过螺栓连接固定箱体，形成所述试验箱体。
在一个具体的实施方案中，所述下箱体底部一对侧边上设置有下箱体底部螺纹孔，用于与地脚螺栓配合以固定所述试验箱体。
在一个具体的实施方案中，所述上箱体的法兰盘半孔及下箱体的法兰盘半孔周围均开设有法兰盘连接螺纹孔，使用时，法兰盘外置于试验箱体的左端面，通过螺栓及法兰盘连接螺纹孔与试验箱体固定。
在一个具体的实施方案中，所述径向加载螺杆包括径向加载螺杆万向节和径向加载螺母，通过在径向加载螺杆上旋转径向加载螺母施加径向力；所述上箱体轴向加载螺杆和下箱体轴向加载螺杆上分别设置有上箱体轴向加载螺杆万向节和下箱体轴向加载螺杆万向节，上箱体轴向加载螺杆和下箱体轴向加载螺杆分别与上箱体轴向加载螺母、下箱体轴向加载螺母配合，通过旋转上箱体轴向加载螺母、下箱体轴向加载螺母施加轴向力。
另一方面，本发明提供了一种使用上述关节轴承刚度试验装置测试关节轴承径向刚度的方法，所述的方法包括关节轴承径向刚度测试和关节轴承轴向刚度测试，其中，
关节轴承径向刚度测试包括：将径向加载螺杆与径向力传感器固定连接，径向加载螺杆通过径向加载螺母与上箱体固定连接，调整径向加载螺母的端面与上箱体接触，拧紧径向加载螺母，通过径向加载螺杆与径向力传感器的传递使被试关节轴承与试验箱体间的距离减小，从而产生径向加载，径向力传感器测试加载过程中载荷大小，第一径向位移电涡流传感器、第二径向位移电涡流传感器、第三径向位移电涡流传感器测量径向位移；
关节轴承轴向刚度测试包括：上箱体轴向加载螺杆、下箱体轴向加载螺杆分别与上箱体轴向力传感器、下箱体轴向力传感器固定连接，上箱体轴向加载螺杆、下箱体轴向加载螺杆分别通过上箱体轴向加载螺母、下箱体轴向加载螺母与试验箱体固定连接；调整上箱体轴向加载螺母、下箱体轴向加载螺母的端面与试验箱体接触，同时拧紧上箱体轴向加载螺母、下箱体轴向加载螺母，通过上箱体轴向加载螺杆、下箱体轴向加载螺杆与上箱体轴向力传感器、下箱体轴向力传感器的传递使被试关节轴承与试验箱体间的距离减小，从而产生轴向加载，上箱体轴向力传感器、下箱体轴向力传感器测试加载过程中载荷大小，第一轴向位移电涡流传感器、第二轴向位移电涡流传感器、第三轴向位移电涡流传感器、第四轴向位移电涡流传感器测量轴向位移；
根据上述传感器布置可得被试关节轴承的刚度K的计算公式：
被试关节轴承的径向刚度Kr为：
Figure BDA0002230694620000051
Figure BDA0002230694620000052
径向位移y1为第一径向位移电涡流传感器所测位移，径向位移y2为第二径向位移电涡流传感器所测位移，径向位移y3为第三径向位移电涡流传感器所测位移，δr为关节轴承内外圈相对变形，Fr为径向加载螺杆施加的径向力；
被试关节轴承轴向刚度Ka为：
Fa＝Fa1+Fa2
Figure BDA0002230694620000053
Figure BDA0002230694620000054
轴向位移x1为第一轴向位移电涡流传感器所测位移，轴向位移x2为第二轴向位移电涡流传感器所测位移，轴向位移x3为第三轴向位移电涡流传感器所测位移，轴向位移x4为第四轴向位移电涡流传感器所测位移，δa为关节轴承内外圈相对变形，Fa1为上箱体轴向加载螺杆施加的轴向力，Fa2为下箱体轴向加载螺杆施加的轴向力，Fa为总的轴向力。
本发明的效果和益处是：
本发明提供的关节轴承刚度试验装置原理正确、结构简单、组装拆卸方便；该装置能够进行关节轴承径向和轴向的准确加载，测试关节轴承刚度的方法简单易行，测得的关节轴承刚度参数准确可靠；该装置适用于关节轴承研制单位和使用单位的性能测定。
附图说明
图1(a)和图1(b)为本发明实施例中的关节轴承刚度试验装置整体示意图，其中，图1(a)为关节轴承刚度实验装置右端示意图，图1(b)为关节轴承刚度实验装置左端示意图；
图2为本发明实施例中的关节轴承刚度试验装置的局部剖视图；
图3(a)和图3(b)为本发明实施例中的关节轴承刚度试验装置的上箱体示意图，3(a)为上箱体左端示意图，图3(b)为上箱体右端示意图；
图4为本发明实施例中的关节轴承刚度试验装置的下箱体示意图；
图5为本发明实施例中的关节轴承刚度试验装置的传感器布置系统的示意图；
图6为本发明实施例中的关节轴承刚度试验装置的主轴示意图；
图7为本发明实施例中的关节轴承刚度试验装置的关节轴承座示意图；
图8为本发明实施例中的关节轴承刚度试验装置的轴承压盖示意图；
图9为本发明实施例中的关节轴承刚度试验装置的轴向加载螺杆示意图；
图10为本发明实施例中的关节轴承刚度试验装置的径向加载螺杆示意图；
图11为本发明实施例中的关节轴承刚度试验装置中被试件关节轴承的示意图。
图中：1试验箱体；11上箱体；12下箱体；111径向加载螺杆孔；112法兰盘半孔；113上箱体连接螺纹孔；114上箱体主轴固定螺纹孔；115上箱体光孔；121下箱体连接螺纹孔；122沉孔；123下箱体主轴固定螺纹孔；124下箱体光孔；125下箱体底部螺纹孔；126法兰盘连接螺纹孔；127上下箱体结合面；2被试关节轴承；21内圈；22外圈；3关节轴承座；31轴承压盖；32径向力传感器布置孔；33轴承座螺纹孔；34轴肩；311轴承压盖螺纹孔；312定位面；4主轴；41轴段；42轴肩；43法兰盘；45上箱体主轴固定螺栓；46下箱体主轴固定螺栓；47主轴右端第一螺纹孔；48主轴右端第二螺纹孔；5锁紧螺母；61径向加载螺杆；62上箱体轴向加载螺杆；63下箱体轴向加载螺杆；611径向加载螺杆万向节；621上箱体轴向加载螺杆万向节；612径向加载螺母；622上箱体轴向加载螺母；632下箱体轴向加载螺母；613径向力传感器；623上箱体轴向力传感器；633下箱体轴向力传感器；71第一径向位移电涡流传感器；72第二径向位移电涡流传感器；73第三径向位移电涡流传感器；74第一轴向位移电涡流传感器；75第二轴向位移电涡流传感器；76第三轴向位移电涡流传感器；77第四轴向位移电涡流传感器。
具体实施方式
以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
应当了解，所附附图并非按比例地绘制，而仅是为了说明本发明的基本原理的各种特征的适当简化的画法。本文所公开的本发明的具体设计特征包括例如具体尺寸、方向、位置和外形将部分地由具体所要应用和使用的环境来确定。
在所附多个附图中，同样的或等同的部件(元素)以相同的附图标记标引。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
图11为本发明实施例中的关节轴承刚度试验装置中被试件关节轴承示意图。参见图11，使用本实施例中提供的关节轴承刚度试验装置进行试验的被试关节轴承2包括内圈21和外圈22，其中外圈22内表面为凹形表面，内圈21外表面为凸形表面，且外圈22内表面和内圈21外表面可以进行有间隙的装配。
图1(a)和图1(b)为本发明实施例中的关节轴承刚度试验装置整体示意图，图2为其局部剖视图。参见图1(a)、图1(b)和图2，在本实施例中，关节轴承刚度试验装置包括试验箱体1、关节轴承座3、主轴4、锁紧螺母5、加载装置和传感器。试验箱体1内置其他部件，使用时，被试关节轴承2的外圈22安置在关节轴承座3内，通过螺栓固定连接轴承压盖31和轴承座3，轴承压盖31固定被试关节轴承2的外圈22，内圈21套在主轴4且轴向依靠主轴4的轴肩42和锁紧螺母5固定；在主轴4的左端，法兰盘43外置于试验箱体1的左端面，通过螺栓与试验箱体1固定，主轴4的右端内设主轴右端第一螺纹孔47、主轴右端第二螺纹孔48，通过螺栓与试验箱体1的右端面固定；锁紧螺母5沿主轴4的径向旋入主轴4中，用于固定被试关节轴承2的内圈21。加载装置用于给被试关节轴承2施加轴向和径向载荷，传感器用于测试被试关节轴承2的位移和载荷。
图3(a)和图3(b)为本发明实施例中的关节轴承刚度试验装置的上箱体示意图；图4为本发明实施例中的关节轴承刚度试验装置的下箱体示意图。参见图3(a)、图3(b)和图4，在本实施例中，试验箱体1包括上箱体11和下箱体12，上箱体11和下箱体12间通过螺栓连接形成试验箱体1。在一个具体的实施方案中，上箱体11的一对侧壁的边缘设置有上箱体连接螺纹孔113，与其相对应的，下箱体12的一对侧壁的边缘设置有下箱体连接螺纹孔121，上箱体连接螺纹孔113与下箱体连接螺纹孔121通过螺栓连接固定箱体，形成试验箱体1，二者间形成上下箱体结合面127。
上箱体11设置有径向加载螺杆孔111、法兰盘半孔112、上箱体主轴固定螺纹孔114、上箱体光孔115。其中，径向加载螺杆孔111开设在上箱体11的上壁，用于与径向加载螺杆61配合，向被试关节轴承2施加径向力，法兰盘半孔112开设于上箱体11左侧壁，相对应的下箱体12的左侧壁也开设有法兰盘半孔，使用时，二者相对接，用于与主轴4上的法兰盘43配合形成主轴4的左端固定端，上箱体11的法兰盘半孔112及下箱体12的法兰盘半孔周围均开设有法兰盘连接螺纹孔126，用于与主轴4的法兰盘43配合形成主轴4的左端固定端。
上箱体主轴固定螺纹孔114开设于上箱体11的右侧壁，使用时，上箱体主轴固定螺纹孔114与主轴4上的主轴右端第一螺纹孔47对齐并通过上箱体主轴固定螺栓45连接形成主轴4的右端固定端，上箱体光孔115开设于上箱体11的右侧壁，上箱体主轴固定螺纹孔114上方，上箱体光孔115用于与上箱体轴向加载螺杆62配合，并与下箱体轴向加载螺杆63一起实现轴向加载。
下箱体12包括沉孔122、下箱体主轴固定螺纹孔123、下箱体光孔124、下箱体底部螺纹孔125、法兰盘连接螺纹孔126。其中，沉孔122是设置在下箱体12内部右侧壁上的凹槽，相对应的上箱体11内部右侧壁也开设有沉孔，上箱体11和下箱体12连接固定时，两沉孔相对接，用于与主轴4的轴段41配合，下箱体主轴固定螺纹孔123开设于下箱体12的右侧壁，使用时，下箱体主轴固定螺纹孔123与主轴右端第二螺纹孔48对齐并通过下箱体主轴固定螺栓46连接形成主轴4右端固定端，下箱体光孔124开设于下箱体12的右侧壁，与下箱体轴向加载螺杆63配合，并与上箱体轴向加载螺杆62一起实现轴向加载；下箱体底部螺纹孔125开设于下箱体12底部一对侧边上，用于与地脚螺栓配合以固定试验箱体1。
图7为本发明实施例中的关节轴承刚度试验装置的关节轴承座示意图。图8为本发明实施例中的关节轴承刚度试验装置的轴承压盖示意图。参见图2、图7和图8，在本实施例中，关节轴承座3包括轴承压盖31和关节轴承座本体，关节轴承座本体对称设置于上箱体11和下箱体12中，上箱体11和下箱体12连接固定时，形成完整的关节轴承座本体。关节轴承座本体设置有轴承座螺纹孔33、径向力传感器布置孔32和轴肩34。其中轴承座螺纹孔33设置于关节轴承座本体的端面上(本说明书定义为轴承座左端面)，用于固定轴承压盖31，径向力传感器布置孔32设置于关节轴承座本体下端面，用于布置第三径向位移电涡流传感器73，轴肩34设置于关节轴承座本体内端面，用于定位被试关节轴承2的外圈22。
轴承压盖31包括定位面312、轴承压盖螺纹孔311，其中定位面312用于定位外圈22，轴承压盖螺纹孔311与轴承座螺纹孔33配合用于固定轴承压盖31。
图6为本发明实施例中的关节轴承刚度试验装置的主轴示意图。参见图6，在本实施例中，主轴4包括轴段41、主轴右端第一螺纹孔47、主轴右端第二螺纹孔48、轴肩42、法兰盘43。其中，轴段41设置于主轴4的一端(本说明书中定义为主轴的右端)，法兰盘43设置于主轴4的另一端(本说明书中定义为主轴的左端)，轴段41与下箱体12的沉孔122配合用于固定主轴4，轴段41的端面上开设有主轴右端第一螺纹孔47、主轴右端第二螺纹孔48，分别与上箱体主轴固定螺栓45、下箱体主轴固定螺栓46配合形成主轴4的右端固定端，轴肩42设置于主轴4的中部靠近法兰盘43的一端，用于定位被试关节轴承2的内圈21。
参见图2，所述锁紧螺母5可拆卸设置于主轴4的中部靠近轴段41的一端，使用时，锁紧螺母5沿主轴4的径向旋入主轴4中，位于关节轴承内圈21的端面(本说明书中定义为关节轴承内圈的右端面)，用于固定被试关节轴承2的内圈21，即被试关节轴承2的内圈21位于轴肩42与锁紧螺母5之间。
图9为本发明实施例中的关节轴承刚度试验装置的轴向加载螺杆示意图；图10为本发明实施例中的关节轴承刚度试验装置的径向加载螺杆示意图。参见图2、图9和图10，在本实施例中，加载装置包括径向加载螺杆61、上箱体轴向加载螺杆62、下箱体轴向加载螺杆63、径向力传感器613、上箱体轴向力传感器623和下箱体轴向力传感器633。
参见图2和图10，径向加载螺杆61包括径向加载螺杆万向节611、径向加载螺母612，其中通过旋转径向加载螺母612施加径向力。参见图2和图9，上箱体轴向加载螺杆62和下箱体轴向加载螺杆63上分别设置有上箱体轴向加载螺杆万向节621、下箱体轴向加载螺杆万向节，上箱体轴向加载螺杆62和下箱体轴向加载螺杆63分别与上箱体轴向加载螺母622、下箱体轴向加载螺母632配合，通过旋转上箱体轴向加载螺母622、下箱体轴向加载螺母632施加轴向力，径向力传感器613与关节轴承座本体上表面固定连接，用于测量由径向加载螺杆61施加于被试关节轴承2的径向力，上箱体轴向力传感器623、下箱体轴向力传感器633与关节轴承座本体右端面固定连接，分别用于测量上箱体轴向加载螺杆62、下箱体轴向加载螺杆63施加于被试关节轴承2的轴向力。
图5为本发明实施例中的关节轴承刚度试验装置的传感器布置系统的示意图。参见图2和图5，在本实施例中，传感器设置于试验箱体1内部，包括第一径向位移电涡流传感器71、第二径向位移电涡流传感器72和第三径向位移电涡流传感器73，第一轴向位移电涡流传感器74、第二轴向位移电涡流传感器75、第三轴向位移电涡流传感器76、第四轴向位移电涡流传感器77。
其中，第一径向位移电涡流传感器71、第二径向位移电涡流传感器72用于测量被试关节轴承2的内圈21的变形，沿主轴4的轴向，对称布置于关节轴承座3的左右两侧的合适位置，距关节轴承座3的距离为0.3-0.5cm，距主轴4的距离为0.3-0.5cm处；第三径向位移电涡流传感器73用于测量被试关节轴承2的外圈22的变形，布置于径向力传感器布置孔32内合适位置，第一轴向位移电涡流传感器74、第二轴向位移电涡流传感器75用于测量外圈22变形，对称布置于主轴4上下两侧，测头指向关节轴承座3右端面合适位置，第三轴向位移电涡流传感器76、第四轴向位移电涡流传感器77用于测量被试关节轴承2的内圈21变形，在内圈21的半径范围内，对称布置于主轴4上、下两侧的合适位置，测头指向被试关节轴承2的内圈21端面。
关节轴承刚度测试方法包括关节轴承径向刚度测试方法和关节轴承轴向刚度测试方法两部分：
关节轴承径向刚度测试方法：
径向加载螺杆61与径向力传感器613固定连接，径向加载螺杆61通过径向加载螺母612与上箱体11固定连接，径向力传感器613与关节轴承座3的上部固定连接。调整径向加载螺母612的端面与上箱体11接触，拧紧径向加载螺母612，通过径向加载螺杆61与径向力传感器613的传递使被试关节轴承2与试验箱体1间的距离减小，从而产生径向加载，径向力传感器613测试加载过程中载荷大小，第一径向位移电涡流传感器71、第二径向位移电涡流传感器72、第三径向位移电涡流传感器73测量径向位移。
关节轴承轴向刚度测试方法：
上箱体轴向加载螺杆62、下箱体轴向加载螺杆63分别与上箱体轴向力传感器623、下箱体轴向力传感器633固定连接，上箱体轴向加载螺杆62、下箱体轴向加载螺杆63分别通过上箱体轴向加载螺母622、下箱体轴向加载螺母632与试验箱体1固定连接，上箱体轴向力传感器623、下箱体轴向力传感器633固定连接在关节轴承座3上，关于主轴4对称设置。调整上箱体轴向加载螺母622、下箱体轴向加载螺母632的端面与试验箱体1接触，同时拧紧上箱体轴向加载螺母622、下箱体轴向加载螺母632，通过上箱体轴向加载螺杆62、下箱体轴向加载螺杆63与上箱体轴向力传感器623、下箱体轴向力传感器633的传递使被试关节轴承2与试验箱体1间的距离减小，从而产生轴向加载，上箱体轴向力传感器623、下箱体轴向力传感器633测试加载过程中载荷大小，第一轴向位移电涡流传感器74、第二轴向位移电涡流传感器75、第三轴向位移电涡流传感器76、第四轴向位移电涡流传感器77测量轴向位移。
根据上述传感器布置可得关节轴承的刚度K的计算公式：
关节轴承径向刚度Kr为：
Figure BDA0002230694620000121
Figure BDA0002230694620000122
径向位移y1为第一径向位移电涡流传感器71所测位移，径向位移y2为第二径向位移电涡流传感器72所测位移，径向位移y3为第三径向位移电涡流传感器73所测位移，δr为关节轴承内外圈相对变形，Fr为径向加载螺杆61施加的径向力。
关节轴承轴向刚度Ka为：
Fa＝Fa1+Fa2
Figure BDA0002230694620000123
Figure BDA0002230694620000124
轴向位移x1为第一轴向位移电涡流传感器74所测位移，轴向位移x2为第二轴向位移电涡流传感器75所测位移，轴向位移x3为第三轴向位移电涡流传感器76所测位移，轴向位移x4为第四轴向位移电涡流传感器77所测位移，δa为关节轴承内外圈相对变形，Fa1为上箱体轴向加载螺杆62施加的轴向力，Fa2为下箱体轴向加载螺杆63施加的轴向力，Fa为总的轴向力。
以上示例性实施方式所呈现的描述仅用以说明本发明的技术方案，并不想要成为毫无遗漏的，也不想要把本发明限制为所描述的精确形式。显然，本领域的普通技术人员根据上述教导做出很多改变和变化都是可能的。选择示例性实施方式并进行描述是为了解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的其它技术人员便于理解、实现并利用本发明的各种示例性实施方式及其各种选择形式和修改形式。本发明的保护范围意在由所附权利要求书及其等效形式所限定。

Claims (9)

1.一种关节轴承刚度试验装置，其特征在于，所述的关节轴承刚度试验装置包括试验箱体(1)、关节轴承座(3)、主轴(4)、锁紧螺母(5)、加载装置和传感器；其中，
所述试验箱体(1)包括可拆卸连接的上箱体(11)和下箱体(12)；
所述上箱体(11)设置有径向加载螺杆孔(111)、法兰盘半孔(112)、上箱体主轴固定螺纹孔(114)、上箱体光孔(115)；所述法兰盘半孔(112)设置于上箱体(11)左侧壁，相对应的下箱体(12)的左侧壁也开设有法兰盘半孔，上箱体(11)和下箱体(12)连接固定时，两法兰盘半孔相对接，用于与主轴(4)上的法兰盘(43)配合形成主轴(4)的左端固定端；所述径向加载螺杆孔(111)设置于上箱体(11)的上壁，用于与径向加载螺杆(61)配合，向被试关节轴承(2)施加径向力；所述上箱体主轴固定螺纹孔(114)开设于上箱体(11)的右侧壁，使用时，上箱体主轴固定螺纹孔(114)与主轴(4)上的主轴右端第一螺纹孔(47)对齐并通过上箱体主轴固定螺栓(45)连接形成主轴(4)的右端固定端；所述上箱体光孔(115)开设于上箱体(11)的右侧壁，位于上箱体主轴固定螺纹孔(114)上方，上箱体光孔(115)用于与上箱体轴向加载螺杆(62)配合，向被试关节轴承(2)施加轴向力；
所述下箱体(12)包括沉孔(122)、下箱体主轴固定螺纹孔(123)、下箱体光孔(124)；所述沉孔(122)是设置在下箱体(12)内部右侧壁上的凹槽，相对应的上箱体(11)内部右侧壁也开设有沉孔，上箱体(11)和下箱体(12)连接固定时，两沉孔相对接，用于与主轴(4)的轴段(41)配合；所述下箱体主轴固定螺纹孔(123)开设于下箱体(12)的右侧壁，使用时，下箱体主轴固定螺纹孔(123)与主轴(4)上的主轴右端第二螺纹孔(48)对齐并通过下箱体主轴固定螺栓(46)连接形成主轴(4)右端固定端；所述下箱体光孔(124)开设于下箱体(12)的右侧壁，用于与下箱体轴向加载螺杆(63)配合，向被试关节轴承(2)施加轴向力；
所述关节轴承座(3)包括轴承压盖(31)和关节轴承座本体，所述轴承压盖(31)与关节轴承座本体间可拆卸连接；所述关节轴承座本体对称设置于上箱体(11)和所述下箱体(12)中，上箱体(11)和下箱体(12)连接固定时，形成完整的关节轴承座本体；所述关节轴承座本体设置有径向力传感器布置孔(32)和轴肩(34)，所述径向力传感器布置孔(32)设置于关节轴承座本体下端面，用于布置第三径向位移电涡流传感器(73)，所述轴肩(34)设置于关节轴承座本体内端面；所述轴承压盖(31)包括定位面(312)，所述关节轴承座本体与轴承压盖(31)连接固定时，定位面(312)与轴肩(34)相配合，用于定位被试关节轴承(2)的外圈(22)；
所述主轴(4)包括轴段(41)、主轴右端第一螺纹孔(47)、主轴右端第二螺纹孔(48)、轴肩(42)、法兰盘(43)；其中，所述轴段(41)设置于主轴(4)的一端，法兰盘(43)设置于主轴(4)的另一端，轴段(41)的端面上开设有主轴右端第一螺纹孔(47)和主轴右端第二螺纹孔(48)，轴肩(42)设置于主轴(4)的中部靠近法兰盘(43)的一端；所述锁紧螺母(5)可拆卸设置于主轴(4)的中部靠近轴段(41)的一端，使用时，被试关节轴承(2)的内圈(21)套于主轴上，锁紧螺母(5)沿主轴(4)的径向旋入主轴(4)中，内圈(21)位于轴肩(42)与锁紧螺母(5)之间，以固定内圈(21)；
所述加载装置包括径向加载螺杆(61)、上箱体轴向加载螺杆(62)、下箱体轴向加载螺杆(63)、径向力传感器(613)、上箱体轴向力传感器(623)和下箱体轴向力传感器(633)；所述径向力传感器(613)与所述关节轴承座本体上表面固定连接，用于测量由径向加载螺杆(61)施加于被试关节轴承(2)的径向力，上箱体轴向力传感器(623)、下箱体轴向力传感器(633)与所述关节轴承座本体的右端面固定连接，分别用于测量上箱体轴向加载螺杆(62)、下箱体轴向加载螺杆(63)施加于被试关节轴承(2)的轴向力；
所述位移传感器设置于试验箱体(1)内部，包括第一径向位移电涡流传感器(71)、第二径向位移电涡流传感器(72)和第三径向位移电涡流传感器(73)，以及第一轴向位移电涡流传感器(74)、第二轴向位移电涡流传感器(75)、第三轴向位移电涡流传感器(76)和第四轴向位移电涡流传感器(77)；其中，所述第一径向位移电涡流传感器(71)、第二径向位移电涡流传感器(72)沿主轴(4)轴向，对称布置于关节轴承座(3)的左、右两侧，用于测量被试关节轴承(2)的内圈(21)的变形；第三径向位移电涡流传感器(73)布置于所述径向力传感器布置孔(32)内，用于测量被试关节轴承(2)的外圈(22)的变形；所述第一轴向位移电涡流传感器(74)、第二轴向位移电涡流传感器(75)对称布置于主轴(4)的上、下两侧，测头指向关节轴承座(3)右端面，用于测量外圈(22)变形；所述第三轴向位移电涡流传感器(76)、第四轴向位移电涡流传感器(77)在内圈(21)的半径范围内，对称布置于主轴(4)上、下两侧，测头指向内圈(21)端面，用于测量内圈(21)变形。
2.根据权利要求1所述的关节轴承刚度试验装置，其特征在于，所述上箱体(11)的一对侧壁的边缘设置有上箱体连接螺纹孔(113)，与其相对应的，所述下箱体(12)的一对侧壁的边缘设置有下箱体连接螺纹孔(121)，上箱体连接螺纹孔(113)与下箱体连接螺纹孔(121)通过螺栓连接固定箱体，形成所述试验箱体(1)。
3.根据权利要求1或2所述的关节轴承刚度试验装置，其特征在于，所述下箱体(12)底部一对侧边上设置有下箱体底部螺纹孔(125)，用于与地脚螺栓配合以固定所述试验箱体(1)。
4.根据权利要求1或2所述的关节轴承刚度试验装置，其特征在于，所述上箱体(11)的法兰盘半孔(112)及下箱体(12)的法兰盘半孔周围均开设有法兰盘连接螺纹孔(126)，使用时，法兰盘(43)外置于试验箱体(1)的左端面，通过螺栓及法兰盘连接螺纹孔(126)与试验箱体(1)固定。
5.根据权利要求3所述的关节轴承刚度试验装置，其特征在于，所述上箱体(11)的法兰盘半孔(112)及下箱体(12)的法兰盘半孔周围均开设有法兰盘连接螺纹孔(126)，使用时，法兰盘(43)外置于试验箱体(1)的左端面，通过螺栓及法兰盘连接螺纹孔(126)与试验箱体(1)固定。
6.根据权利要求1、2或5所述的关节轴承刚度试验装置，其特征在于，
所述径向加载螺杆(61)包括径向加载螺杆万向节(611)和径向加载螺母(612)，通过在径向加载螺杆(61)上旋转径向加载螺母(612)施加径向力；
所述上箱体轴向加载螺杆(62)和下箱体轴向加载螺杆(63)上分别设置有上箱体轴向加载螺杆万向节(621)和下箱体轴向加载螺杆万向节，上箱体轴向加载螺杆(62)和下箱体轴向加载螺杆(63)分别与上箱体轴向加载螺母(622)、下箱体轴向加载螺母(632)配合，通过旋转上箱体轴向加载螺母(622)、下箱体轴向加载螺母(632)施加轴向力。
7.根据权利要求3所述的关节轴承刚度试验装置，其特征在于，
所述径向加载螺杆(61)包括径向加载螺杆万向节(611)和径向加载螺母(612)，通过在径向加载螺杆(61)上旋转径向加载螺母(612)施加径向力；
所述上箱体轴向加载螺杆(62)和下箱体轴向加载螺杆(63)上分别设置有上箱体轴向加载螺杆万向节(621)和下箱体轴向加载螺杆万向节，上箱体轴向加载螺杆(62)和下箱体轴向加载螺杆(63)分别与上箱体轴向加载螺母(622)、下箱体轴向加载螺母(632)配合，通过旋转上箱体轴向加载螺母(622)、下箱体轴向加载螺母(632)施加轴向力。
8.根据权利要求4所述的关节轴承刚度试验装置，其特征在于，
所述径向加载螺杆(61)包括径向加载螺杆万向节(611)和径向加载螺母(612)，通过在径向加载螺杆(61)上旋转径向加载螺母(612)施加径向力；
所述上箱体轴向加载螺杆(62)和下箱体轴向加载螺杆(63)上分别设置有上箱体轴向加载螺杆万向节(621)和下箱体轴向加载螺杆万向节，上箱体轴向加载螺杆(62)和下箱体轴向加载螺杆(63)分别与上箱体轴向加载螺母(622)、下箱体轴向加载螺母(632)配合，通过旋转上箱体轴向加载螺母(622)、下箱体轴向加载螺母(632)施加轴向力。
9.一种使用权利要求1至8中任一项所述的关节轴承刚度试验装置测试关节轴承径向刚度的方法，其特征在于，所述的方法包括关节轴承径向刚度测试和关节轴承轴向刚度测试，其中，
关节轴承径向刚度测试包括：将径向加载螺杆(61)与径向力传感器(613)固定连接，径向加载螺杆(61)通过径向加载螺母(612)与上箱体(11)固定连接，调整径向加载螺母(612)的端面与上箱体(11)接触，拧紧径向加载螺母(612)，通过径向加载螺杆(61)与径向力传感器(613)的传递使被试关节轴承(2)与试验箱体(1)间的距离减小，从而产生径向加载，径向力传感器(613)测试加载过程中载荷大小，第一径向位移电涡流传感器(71)、第二径向位移电涡流传感器(72)、第三径向位移电涡流传感器(73)测量径向位移；
关节轴承轴向刚度测试包括：上箱体轴向加载螺杆(62)、下箱体轴向加载螺杆(63)分别与上箱体轴向力传感器(623)、下箱体轴向力传感器(633)固定连接，上箱体轴向加载螺杆(62)、下箱体轴向加载螺杆(63)分别通过上箱体轴向加载螺母(622)、下箱体轴向加载螺母(632)与试验箱体(1)固定连接；调整上箱体轴向加载螺母(622)、下箱体轴向加载螺母(632)的端面与试验箱体(1)接触，同时拧紧上箱体轴向加载螺母(622)、下箱体轴向加载螺母(632)，通过上箱体轴向加载螺杆(62)、下箱体轴向加载螺杆(63)与上箱体轴向力传感器(623)、下箱体轴向力传感器(633)的传递使被试关节轴承(2)与试验箱体(1)间的距离减小，从而产生轴向加载，上箱体轴向力传感器(623)、下箱体轴向力传感器(633)测试加载过程中载荷大小，第一轴向位移电涡流传感器(74)、第二轴向位移电涡流传感器(75)、第三轴向位移电涡流传感器(76)、第四轴向位移电涡流传感器(77)测量轴向位移；
根据上述传感器布置可得被试关节轴承(2)的刚度K的计算公式：
被试关节轴承(2)的径向刚度Kr为：
Figure FDA0002800418480000051
Figure FDA0002800418480000052
径向位移y1为第一径向位移电涡流传感器(71)所测位移，径向位移y2为第二径向位移电涡流传感器(72)所测位移，径向位移y3为第三径向位移电涡流传感器(73)所测位移，δr为关节轴承内外圈相对变形，Fr为径向加载螺杆(61)施加的径向力；
被试关节轴承(2)轴向刚度Ka为：
Fa＝Fa1+Fa2
Figure FDA0002800418480000061
Figure FDA0002800418480000062
轴向位移x1为第一轴向位移电涡流传感器(74)所测位移，轴向位移x2为第二轴向位移电涡流传感器(75)所测位移，轴向位移x3为第三轴向位移电涡流传感器(76)所测位移，轴向位移x4为第四轴向位移电涡流传感器(77)所测位移，δa为关节轴承内外圈相对变形，Fa1为上箱体轴向加载螺杆(62)施加的轴向力，Fa2为下箱体轴向加载螺杆(63)施加的轴向力，Fa为总的轴向力。
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