CN110749441A - 低温大温变关节轴承测试平台及运动与载荷模拟系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种低温大温变关节轴承测试平台及运动与载荷模拟系统。该运动与载荷模拟系统包括安装支座、悬臂主轴机构、轴承夹装构件、载荷施加机构以及外圈摆动机构；所述悬臂主轴机构设置于所述安装支座，且所述悬臂主轴机构的一端安装所述关节轴承的内圈；所述轴承夹装构件用于夹装所述关节轴承外圈，并与所述外圈摆动机构连接；所述载荷施加机构设置于所述安装支座，加载时与所述轴承夹装构件抵接，用于对所述关节轴承载荷的施加；所述外圈摆动机构设置于所述安装支座及所述载荷施加机构，用于使所述关节轴承的外圈偏转或摆动。实现关节轴承在低温、大温变、真空、气氛环境下的运动与加载，保证极端工况环境下关节轴承试验的可靠性。

Description

低温大温变关节轴承测试平台及运动与载荷模拟系统

技术领域

本发明涉及轴承试验设备技术领域，特别是涉及一种低温大温变关节轴承承测试平台及运动与载荷模拟系统。

背景技术

目前，日本NTN轴承有限公司的Shimizu T等利用由电动机、曲柄摇杆结构实现摆动的关节轴承摆动磨损试验机进行了相关的轴承磨损实验。英国皇家航空研究院的Lancaster J K等使用的关节轴承变载荷寿命试验机利用液压往复执行元件实现摆动，通过液压加载。Sliney H E等、Harold E等等人利用美国国家宇航局(NASA)的热感应式关节轴承试验机对衬垫材料的摩擦磨损性能进行了研究，该试验机使用电磁感应加热的方式可使试验轴承的温度达到340℃，并可在真空环境试验。其可同时通过液压施加轴向载荷，通过气动施加径向载荷径，利用液压往复结构实现摆动。但是，上述的关节轴承试验机均无法实现低温、大温变下关节轴承试验进行可靠转动与摆动的，影响关节轴承的可靠性。

发明内容

基于此，有必要针对目前目前关节轴承试验无法实现低温、大温变下进行可靠转动与摆动的问题，提供一种实现关节轴承在不同环境下进行试验的低温大温变关节轴承承测试平台及运动与载荷模拟系统。

上述目的通过下述技术方案实现：

一种运动与载荷模拟系统，应用于低温大温变关节轴承测试平台中，所述运动与载荷模拟系统包括安装支座、悬臂主轴机构、轴承夹装构件、载荷施加机构以及外圈摆动机构；

所述悬臂主轴机构设置于所述安装支座，且所述悬臂主轴机构的一端安装所述关节轴承的内圈，用于实现所述关节轴承的内圈的摆动与转动；

所述轴承夹装构件用于夹装所述关节轴承外圈，并与所述外圈摆动机构连接；

所述载荷施加机构设置于所述安装支座，加载时与所述轴承夹装构件抵接，用于对所述关节轴承载荷的施加；

所述外圈摆动机构设置于所述安装支座及所述载荷施加机构，用于使所述关节轴承的外圈偏转或摆动。

在其中一个实施例中，所述悬臂主轴机构包括相互连接的试验段主轴、支撑段主轴以及主轴驱动件，所述主轴驱动件位于所述支撑段主轴远离所述试验段主轴的一端，所述试验段主轴远离所述支撑段主轴的一端安装所述关节轴承的内圈，所述试验段主轴可根据不同的试验关节轴承尺寸进行更换。

在其中一个实施例中，所述悬臂主轴机构还包括主轴轴承座以及主轴支撑轴承组件，所述主轴支撑轴承组件套设于所述支撑段主轴，并位于所述主轴轴承座中，所述主轴轴承座设置于所述安装支座；

所述主轴支撑轴承组件为一端是浮动端、另一端是固定端的轴系配置，所述固定端位于所述支撑段主轴靠近所述试验段主轴的一侧，所述浮动端用于补偿低温大温变下材料热胀冷缩导致的轴向伸缩位移；

所述支撑段主轴还通过内部联轴器与所述低温大温变关节轴承测试平台中的磁流体密封传动部件连接，所述内部联轴器及所述磁流体密封传动部件位于所述主轴驱动件与所述支撑段主轴之间，所述内部联轴器用于补偿低温大温变下材料热胀冷缩导致的所述悬臂主轴机构轴向伸缩位移以及加工安装导致的所述磁流体密封传动部件与所述悬臂主轴机构之间的同轴度误差。

在其中一个实施例中，所述悬臂主轴机构还包括设置于所述支撑段主轴与所述试验段主轴之间的隔热片，所述隔热片用于降低所述悬臂主轴机构的漏热功率；

所述悬臂主轴机构还包括设置于所述主轴轴承座与所述安装支座之间主轴轴承座隔热片，所述主轴轴承座隔热片用于降低所述悬臂主轴机构的漏热功率。

在其中一个实施例中，所述轴承夹装构件包括轴承夹具主体以及夹具端盖，所述轴承夹具主体内用于安装所述关节轴承的外圈，所述夹具端盖安装于所述试验夹具主体的端部，用于对所述关节轴承轴向定位。

在其中一个实施例中，所述轴承夹装构件包括锥形套圈、轴承夹具主体以及夹具端盖，所述锥形套圈安装于所述轴承夹具主体，与所述轴承夹具主体通过锥面配合，并由所述夹具端盖压紧，所述锥形套圈内用于安装所述关节轴承的外圈，所述锥形套圈与所述关节轴承外圈材料的线膨胀系数一致。

在其中一个实施例中，所述轴承夹装构件还包括拆卸工具，所述拆卸工具用于实现所述轴承夹装构件的拆卸以及所述关节轴承的拆卸；

所述拆卸工具包括拆卸环以及及拆卸套筒，拆卸时，所述拆卸环安装于所述轴承夹具主体，所述拆卸套筒安装于所述试验段主轴并与所述关节轴承外圈抵接，拉拔器与所述试验段主轴抵接，所述拉拔器的拉拔爪结构与所述拆卸环抵接，并由所述拉拔器的旋转手柄旋转带动所述拆卸环及所述轴承夹具主体脱离所述关节轴承，所述拉拔爪结构还与所述关节轴承的内圈抵接，并由所述旋转手柄旋转带动所述关节轴承脱离所述试验段主轴。

在其中一个实施例中，所述载荷施加机构包括载荷施加支撑组件、载荷施加导向组件、载荷施加传力组件及载荷施加驱动组件，所述载荷施加驱动组件设置于所述安装支座，用于对所述载荷施加支撑组件施加驱驱动力，所述载荷施加导向组件设置于所述安装支座并套设于所述载荷施加支撑组件，所述载荷施加支撑组件与所述轴承夹具主体抵接，以对所述关节轴承施加载荷；

所述载荷施加传力组件通过波纹传力管运动地安装于真空室，加载时，所述载荷施加传力组件一端与所述载荷施加驱动组件抵接，另一端伸入所述真空腔体与所述载荷施加支撑组件抵接，实现所述载荷施加机构可以穿过所述真空室施加载荷。

在其中一个实施例中，所述载荷施加支撑组件包括载荷施加杆、辅助导向杆、载荷施加梁、载荷施加滑台及载荷施加座，所述载荷施加杆与所述辅助导向杆安装于所述载荷施加梁的下方并运动地穿过所述载荷施加导向组件，所述载荷施加杆在加载时与所述载荷施加传力组件抵接；

所述载荷施加滑台设置在所述载荷施加梁安装所述载荷施加杆的一侧，所述载荷施加滑台上安装所述载荷施加座，所述载荷施加座加载时与所述轴承夹具主体抵接，所述载荷施加座可在所述载荷施加滑台上沿着主轴方向滑动，用于补偿低温大温变下主轴热胀冷缩导致的所述轴承夹装构件的位移；

所述载荷施加支撑组件还包括载荷施加隔热块，用于降低所述载荷施加机构的漏热功率，所述载荷施加隔热块设置于所述载荷施加梁与所述载荷施加滑台之间。

在其中一个实施例中，所述外圈摆动机构包括十字滑块、外圈摆动轴组件、运动转换组件、往复运动组件以及外圈摆动驱动件；

所述外圈摆动轴组件包括外圈摆动轴以及套设于其的外圈摆动轴支撑轴承和外圈摆动轴轴承座，所述外圈摆动轴轴承座设置于所述载荷施加梁安装辅助导向杆的一侧，并且所述外圈摆动轴轴承座与所述载荷施加梁之间设置有所述外圈摆动轴轴承座隔热块，用于降低所述外圈摆动轴机构的漏热功率；

所述外圈摆动轴的一端通过所述十字滑块与所述轴承夹具主体连接，所述十字滑块可用于补偿由于低温大温变下材料热胀冷缩以及试验过程中轴承磨损导致的所述轴承夹装构件位移；

所述外圈摆动轴的另一端通过所述运动转换组件与所述往复运动组件连接，所述外圈摆动驱动件与所述往复运动组件连接，所述外圈摆动驱动件驱动所述往复运动组件往复直线运动，并通过所述运动转换组件将往复直线运动转换为往复摆动，进而带动所述外圈摆动轴摆动，使所述外圈摆动轴通过所述十字滑块带动所述轴承夹装构件及所述关节轴承的外圈摆动。

在其中一个实施例中，所述往复运动组件包括往复推杆、直线轴承及滚槽连接件，所述直线轴承设置于所述安装支座，所述往复推杆运动地穿过所述直线轴承，所述往复推杆两侧分别与外圈摆动驱动件和滚槽连接件连接。

在其中一个实施例中，所述运动转换组件包括摆动杆、连接杆、直线滑台、传力杆、传力杆安装座及滚轮轴承，所述摆动杆的一端与所述外圈摆动轴连接，所述摆动杆的另一端通过所述连接杆运动地与所述传力杆安装座连接，所述传力杆安装座设置于所述交叉滚子滑台，所述交叉滚子滑台运动地设置于所述载荷施加梁安装所述外圈摆动轴轴承座的一侧，所述传力杆的一端安装在所述传力杆安装座上，所述传力杆的另一端安装有所述滚轮轴承，所述滚轮轴承运动地套设于所述滚槽连接件。

一种低温大温变关节轴承测试平台，包括环境测量与控制系统、测量与数据采集系统、可编程逻辑控制器、上位机及如上述任一技术特征所述的运动与载荷模拟系统；

所述运动与载荷模拟系统用于夹持并带动所述关节轴承运动并对所述关节轴承施加载荷；

所述环境测量与控制系统与所述运动与载荷模拟系统配合，用于测量与控制所述关节轴承所处的环境氛围，使得所述关节轴承处于低温、大温变、真空、气氛环境下进行试验与测量；

所述测量与数据采集系统与所述运动与载荷模拟系统配合，用于低温、大温变、真空、气氛环境下测量并采集所述关节轴承的试验数据及实现所述关节轴承的在线观测；

所述可编程逻辑控制器与所述运动与载荷模拟系统、所述环境测量与控制系统、所述测量与数据采集系统电连接，实现所述关节轴承试验中运动与载荷、环境温度与气氛的控制以及试验数据的采集、转换与传输，所述可编程逻辑控制器同时与所述上位机电连接，获取所述上位机的控制指令并执行，并将获取的数据信号传输给所述上位机。

采用上述技术方案后，本发明至少具有如下技术效果：

本发明的低温大温变关节轴承承测试平台及运动与载荷模拟系统，通过轴承夹装构件与悬臂主轴机构实现关节轴承的外圈与内圈的夹紧，并且，悬臂主轴机构带动关节轴承的内圈转动/摆动，试验加载机构对关节轴承进行加载，并通过外圈摆动机构带动关节轴承的外圈摆动。有效的解决目前关节轴承试验无法实现低温、大温变下进行可靠转动与摆动的问题，实现关节轴承在不同环境下的摩擦试验，同时实现了承重受载与传递运动的功能，保证关节轴承的可靠性。

附图说明

图1为本发明一实施例的低温大温变关节轴承测试平台总体布局示意图；

图2为图1所示的低温大温变关节轴承测试平台除去气源、低温源以及可编程逻辑控制器和上位机后主体结构的主视图；

图3为图2所示的低温大温变关节轴承测试平台的主体结构中真空腔门打开后的右视图；

图4为图2所示的低温大温变关节轴承测试平台中运动与载荷模拟系统的俯视图；

图5为图4所示的运动与载荷模拟系统的右视图；

图6为图4所示的运动与载荷模拟系统在A处的局部放大图；

图7为图4所示的运动与载荷模拟系统在B处的局部放大图；

图8为图4所示的运动与载荷模拟系统中轴承夹具主体拆卸的流程示意图；

图9为图4所示的运动与载荷模拟系统中载荷施加传力组件的工作原理图；

图10为图2所示的低温大温变关节轴承测试平台进行实时磨损量测量时局部示意图；

图11为图2所示的低温大温变关节轴承测试平台进行原位游隙测量时局部示意图；

图12为图2所示的低温大温变关节轴承测试平台中压轴杆抬起的示意图；

图13为图2所示的低温大温变关节轴承测试平台的激光激光干涉探头安装于真空室外的示意图；

图14为图2所示的低温大温变关节轴承测试平台进行原位游隙测量时双向加载钩与轴承夹具主体连接并进行双向加载的示意图；

图15为图2所示的低温大温变关节轴承测试平台安装转移膜在线观测装置的主视图；

图16为图15所示的低温大温变关节轴承测试平台的观测真空腔门打开后的右视图；

图17为图15所示的低温大温变关节轴承测试平台中对半外圈关节轴承进行原位观测的局部放大图；

图18为图17低温大温变关节轴承测试平台中观测夹具主体中安装半外圈关节轴承的右视图；

图19为图17低温大温变关节轴承测试平台中观测夹具主体中安装半外圈关节轴承的俯视图；

图20为图7所示的轴承夹装构件另一实施例的示意图。

其中：1-低温大温变关节轴承测试平台；10-运动与载荷模拟系统；11-安装支座；12-悬臂主轴机构；1201-试验段主轴；1202-支撑段主轴；1203-主轴隔热片；1204-主轴轴承座；1205-主轴圆柱滚子轴承；1206-主轴双列圆锥滚子轴承；1207-安装底座；1210-主轴套筒；1211-主轴圆螺母；1212-试验轴承定位套筒；1213-试验轴承圆螺母；1214-主轴轴承座隔热片；1215-主轴驱动件；1216-内部联轴器；1217-外部联轴器；13-轴承夹装构件；131-轴承夹具主体；132-夹具端盖；133-锥形套圈；134-拆卸机构；1341-拆卸环；1342-拆卸套筒；1343-拉拔器；1344-旋转手柄；14-载荷施加机构；1401-载荷施加驱动件；1402-载荷施加杆；1403-加载传力杆；1404-波纹管；1406-载荷施加滑台；1407-载荷施加梁；1408-载荷施加座；1409-加载台隔热块；1410-加载导向轴承座；1411-加载导向轴承；1412-载荷施加直线推杆；15-外圈摆动机构；1501-十字滑块；1502-外圈摆动轴；1503-外圈摆动驱动件；1504-外圈摆动轴轴承座；1505-外圈滚子轴承；1506-外圈摆动轴轴承座安装座；1507-外圈摆动轴隔热块；1508-摆动杆；1509-直线滑台；1510-传力杆；1511-连接杆；1512-传力杆安装座；1513-压板；1514-往复推杆；1515-滚槽连接件；1516-直线轴承；1517-滚轮轴承；20-环境测量与控制系统；201-真空腔体；202-真空腔门；203-机械泵；204-分子泵；205-制冷冷头；206-试验低温室；207-背板支架；208-线缆真空法兰；209-真空规；210-磁流体密封传动装置；211-低温源；212-气源；30-游隙与磨损量测量装置；301-角锥镜固定支架；302-角锥镜调整支架；303-游隙测量角锥镜；304-磨损量测量角锥镜；305-激光干涉探头；306-两轴位移平台；307-透明窗；308-探头支座；310-拉压力传感器；311-双向加载驱动件；312-双向加载钩；313-压轴杆；314-压轴驱动件；40-转移膜在线观测装置；401-观测腔门；402-观测低温室；403-观测夹具主体；404-夹具压板；407-观测仪器；408-观测仪器移动台；409-X向位移平台；410-Y向位移平台；411-Z向调焦升降平台；412-第一观察窗；413-第二观察窗；501-扭矩传感器；502-加载力传感器；60-控制器；70-上位机；80-关节轴承；81-外圈；82-内圈；90-观测关节轴承；91-半外圈；92-完整内圈。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下通过实施例，并结合附图，对本发明的低温大温变关节轴承测试平台进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

参见图1至图3，本发明提供了一种低温大温变关节轴承测试平台1。该低温大温变关节轴承测试平台1用于对自润滑关节轴承80进行试验、测量与观测，用来研究自润滑关节轴承80在低温、大温变、真空、气氛环境工况下的摩擦磨损性能及自润滑机理，主要研究低温、大温变、气氛、真空度、载荷、运动形式、内圈摆角、内圈转速、摆速、外圈偏角对关节轴承80的摩擦磨损性能及自润滑机理的影响。本发明的低温大温变关节轴承测试平台1可以控制关节轴承80进行内圈82转动或摆动、外圈81固定偏转角或摆动以及径向加载操作，实现对关节轴承80在低温、大温变、真空、气氛等环境下的摩擦试验，并测量关节轴承80的摩擦系数、实时磨损量、原位游隙等数据，以及对关节轴承80进行在线观测等，实现关节轴承80在特殊环境工况下的摩擦试验、测试与观测，为研究、检验、优化关节轴承80在特殊环境工况下的应用性能提供试验手段，保证关节轴承80使用的可靠性。

在一实施例中，低温大温变关节轴承测试平台1包括运动与载荷模拟系统10、环境测量与控制系统20以及测量与数据采集系统。运动与载荷模拟系统10用于低温、大温变、真空、气氛环境下夹持关节轴承80，并实现关节轴承80内外圈81的运动与加载。环境测量与控制系统20和运动与载荷模拟系统10配合，用于测量与控制关节轴承80所处的环境氛围，使得关节轴承80处于低温、大温变、真空、气氛环境下进行试验与测量。测量与数据采集系统与运动与载荷模拟系统10及环境测量与控制系统20配合，用于低温、大温变、真空、气氛环境下测量并采集关节轴承80的试验数据及实现所述关节轴承80的在线观测。

运动与载荷模拟系统10为进行关节轴承80试验的主要系统。运动与载荷模拟系统10中安装关节轴承80。这样，运动与载荷模拟系统10运动时会带动关节轴承80的内圈82转动或摆动，外圈81固定偏转角或摆动，同时，运动与载荷模拟系统10还能够对关节轴承80施加径向载荷，以实现关节轴承80在外圈81偏转角或摆动条件下的摩擦磨损试验。

可选地，低温大温变关节轴承测试平台1还包括控制器60及上位机70。可选地，控制器60为PLC控制器，当然，控制器60还可为其他类型的控制器。控制器60及上位机70与运动与载荷模拟系统10、环境测量与控制系统20、测量与数据采集系统电连接，实现关节轴承80试验中运动与载荷、环境温度与气氛的控制以及试验数据的采集、转换与传输，控制器60同时与上位机70电连接，获取上位机70的控制指令并执行，并将获取的数据信号处理后传输给上位机70。

关节轴承80位于环境测量与控制系统20中，通过环境测量与控制系统20控制关节轴承80所处的环境，实现关节轴承80在特殊环境工况下的试验，以得到关节轴承80在特殊环境工况下的运转性能，检验关节轴承80的可靠性。

测量与数据采集系统用于实现关节轴承80的摩擦系数、磨损量、原位游隙的测量，并将测量信号传输控制器60，通过控制器60转换为数字信号并传输给上位机70，通过数据分析与处理得到关节轴承80在特殊工况环境下的运转情况，此外测量与数据采集系统还可实现关节轴承80内圈82外表面转移膜的在线观测。

上位机70将控制信号传输给控制器60，经控制器60转换后控制运动与载荷模拟系统10进行要求的运动加载，控制环境测量与控制系统20达到要求的试验环境，控制测量与数据采集系统进行要求的测量或观测。

采用上述实施例的低温大温变关节轴承测试平台1对关节轴承80进行试验时，运动与载荷模拟系统10带动关节轴承80的内圈82进行摆动或转动，带动关节轴承80的外圈81固定偏转角或摆动，对关节轴承80施加径向载荷，并通过环境测量与控制系统20调节关节轴承80所处的环境氛围，使得关节轴承80可以在低温、大温变、真空、气氛等环境中进行摩擦试验，再采用测量与数据采集系统对关节轴承80试验过程中的摩擦系数、磨损量、原位游隙进行测量，对关节轴承80进行在线观测，并将测量信号经控制器60传输给上位机70进行分析处理。有效的解决目前无法实现在低温、大温变、真空、气氛环境下进行关节轴承80试验、测量及观测的问题，实现关节轴承80在不同环境下的摩擦试验，摩擦系数、磨损量、原位游隙测量，在线观测，为研究、检验、优化关节轴承80在特殊环境工况下的应用性能提供试验手段，保证关节轴承80在特殊环境工况下应用的可靠性。

参见图4至图7，在一实施例中，运动与载荷模拟系统10包括安装支座11、悬臂主轴机构12、轴承夹装构件13、载荷施加机构14以及外圈摆动机构15。悬臂主轴机构12、载荷施加机构14、外圈摆动机构15的轴线相互垂直，通过轴承夹装构件13相互连接。悬臂主轴机构12设置于安装支座11，且悬臂主轴机构12的一端安装关节轴承80的内圈82，用于实现关节轴承80的内圈82的摆动与转动。轴承夹装构件13用于夹持关节轴承80，并与外圈摆动机构15连接。外圈摆动机构15设置于安装支座11，用于使关节轴承80的外圈81摆动或固定偏转角。载荷施加机构14设置于安装支座11，用于对关节轴承80加载。

安装支座11起支撑安装作用，用于安装悬臂主轴机构12、轴承夹装构件13、载荷施加机构14以及外圈摆动机构15，并为环境测量与控制系统20及测量与数据采集系统中的零部件提供安装接口。可选地，安装支座11可以为安装基座，也可以为支架结构，只要保证安装支座11能够支撑安装悬臂主轴机构12、轴承夹装构件13、载荷施加机构14以及外圈摆动机构15以及环境测量与控制系统20及测量与数据采集系统中的各个零部件即可。示例性地，安装支座11为支架结构，进一步地，安装支座11为方钢支架。

悬臂主轴机构12可运动地安装于安装支座11上，悬臂主轴机构12起承受重载、传递运动的基本功能。悬臂主轴机构12运动时可带动关节轴承80的内圈82同步运动，实现关节轴承80在低温大温变环境下的摩擦试验。轴承夹装构件13用于待试验的关节轴承80的夹装、外圈81摆动以及径向加载操作，其通过关节轴承80安装于悬臂主轴机构12的一端。载荷施加机构14可运动地设置于安装支座11，用于对轴承夹装构件13进行加载，进而对关节轴承80加载，使得关节轴承80承受所需的径向载荷，以对关节轴承80进行径向载荷下的摩擦试验，并且，载荷施加机构14加载时与轴承夹装构件13抵接，不加载时可与轴承夹装构件13相分离。外圈摆动机构15可运动地安装于载荷施加机构14及安装支座11上，并与轴承夹装构件13连接，外圈摆动机构15用于带动轴承夹装构件13及其中的关节轴承80的外圈81摆动或固定偏转角度，以实现关节轴承80的在外圈81摆动或固定偏转角度下的摩擦试验。

具体的，关节轴承80的内圈82安装于悬臂主轴机构12的一端，关节轴承80的外圈81夹装于轴承夹装构件13中，并且，轴承夹装构件13与外圈摆动机构15连接，还与载荷施加机构14抵接。这样，关节轴承80试验时，悬臂主轴机构12带动关节轴承80的内圈82摆动/转动，并且，外圈摆动机构15带动轴承夹装构件13及其中的关节轴承80的外圈81摆动或固定偏转角度，同时，载荷施加机构14对轴承夹装构件13及其中的关节轴承80进行加载，以实现关节轴承80的摩擦试验。

采用上述实施例的运动与载荷模拟系统10对关节轴承80进行试验，可以有效的解决目前关节轴承80在内圈82摆动或转动、外圈81摆动或固定偏转角度以及承受径向载荷下的摩擦试验问题，更真实的模拟关节轴承80的实际使用工况。

参见图2、图4至图7，在一实施例中，悬臂主轴机构12包括主轴驱动件1215、相互连接的试验段主轴1201以及支撑段主轴1202，主轴驱动件1215位于支撑段主轴1202远离试验段主轴1201的一端，试验段主轴1201远离支撑段主轴1202的一端安装关节轴承80的内圈82。

主轴驱动件1215为悬臂主轴机构12的动力源，用于驱动支撑段主轴1202转动或摆动。可选地，主轴驱动件1215包括但不限于电机。支撑段主轴1202起支撑作用，用于支撑试验段主轴1201，并带动试验段主轴1201转动或摆动。试验段主轴1201的一端安装关节轴承80。主轴驱动件1215转动或摆动时，主轴驱动件1215带动支撑段主轴1202转动或摆动，进而支撑段主轴1202带动试验段主轴1201转动，使得试验段主轴1201带动关节轴承80的内圈82转动，实现关节轴承80试验的内圈82运动。

可以理解的，为了避免支撑段主轴1202产生较大的弯曲，影响关节轴承80试验测量的准确性以及悬臂主轴机构12的稳定性，本发明的悬臂主轴机构12通过较粗的支撑段主轴1202支撑试验段主轴1201，以减少试验段主轴1201末端的偏移量。进一步地，支撑段主轴1202与试验段主轴1201之间设置主轴隔热片1203，用于降低试验段主轴1201的导热功率，使关节轴承80能在较低的温度下进行摩擦试验。进一步地，主轴隔热片1203由玻璃钢隔热材料制成，当然，在本发明的其他实施方式中，主轴隔热片1203还可由其他隔热效果好的材料制成。

可选地，试验段主轴1201与支撑段主轴1202之间通过螺纹件以及法兰连接固定，进一步地，试验段主轴1201与支撑段主轴1202之间通过高强度的内六角螺钉连接，使得试验段主轴1201与支撑段主轴1202之间可拆卸连接。这样，通过更换试验段主轴1201可以实现不同尺寸关节轴承80在低温、大温变环境下的摩擦试验。

可选地，悬臂主轴机构12还包括试验轴承圆螺母1213以及试验轴承定位套筒1212。试验段主轴1201的端部具有试验轴肩，试验段主轴1201通过过盈配合安装关节轴承80的内圈82，关节轴承80的内圈82通过试验轴肩、试验轴承圆螺母1213、试验轴承定位套筒1212实现轴向定位固定。

在一实施例中，悬臂主轴机构12还包括主轴轴承座1204以及主轴支撑轴承组件，主轴支撑轴承组件套设于支撑段主轴1202，并位于主轴轴承座1204中，主轴轴承座1204设置于安装支座11。主轴轴承座1204安装于安装支座11，主轴轴承座1204中安装主轴支撑轴承组件，主轴支撑轴承组件用于可转动支撑支撑段主轴1202，保证支撑段主轴1202转动平稳。

进一步地，主轴支撑轴承组件为一端是浮动端、另一端是固定端的轴系配置，固定端位于支撑段主轴1202靠近试验段主轴1201的一侧，浮动端用于补偿低温大温变下主轴材料热胀冷缩导致的轴向伸缩位移。固定端轴承为主轴双列圆锥滚子轴承1206，浮动端轴承为主轴圆柱滚子轴承1205。

也就是说，如图4所示，支撑段主轴1202的左侧为主轴圆柱滚子轴承1205，支撑段主轴1202的右侧为主轴双列圆锥滚子轴承1206。这样，支撑段主轴1202通过主轴圆柱滚子轴承1205与主轴双列圆锥滚子轴承1206，布置为左端浮动、右端固定，浮动端用于补偿温度变化引起的轴向位移，保证悬臂主轴机构12工作的可靠性。可选地，主轴双列圆锥滚子轴承1206为背装的双列圆锥滚子轴承。可选地，主轴双列圆锥滚子轴承1206可以替换为球面滚子轴承。

可选地，悬臂主轴机构12还包括主轴套筒1210以及主轴圆螺母1211，支撑段主轴1202具有靠近试验段主轴1201一端设置的轴肩，用于对主轴双列圆锥滚子轴承1206进行限位，主轴圆螺母1211安装于支撑段主轴1202远离试验段主轴1201的一端，用于对主轴圆柱滚子轴承1205进行限位，主轴套筒1210位于主轴双列圆锥滚子轴承1206与主轴圆柱滚子轴承1205之间。通过轴肩、主轴套筒1210、主轴圆螺母1211以及主轴轴承座1204实现主轴双列圆锥滚子轴承1206与主轴圆柱滚子轴承1205的轴向定位固定。

参见图2和图4，在一实施例中，环境测量与控制系统20包括制冷与温度控制装置以及密封与气氛控制装置。密封与气氛控制装置用于保证关节轴承80检测的真空、气氛的试验环境，以使得关节轴承80可以在真空、气氛的试验环境进行试验。制冷与温度控制装置用于实现低温、大温变的环境温度，以使得关节轴承80可以在低温、大温变的环境温度下进行试验。

密封与气氛控制装置包括腔体与密封组件、真空获取组件以及气氛控制组件，用于实现真空、气氛的试验环境，腔体与密封组件包括设置于安装支座11的真空腔体201、活动地安装于真空腔体201的真空腔门202以及安装于真空腔体201的磁流体密封传动装置210。腔体与密封组件可形成密闭的真空室用于真空及气氛环境的控制，真空获取组件用于使真空室处于真空状态，气氛控制组件用于实现所述真空室的气氛调节。制冷与温度控制装置、真空获取组件以及气氛控制组件的具体结构在下文提及。

真空腔体201设置于安装支座11，与真空腔门202一同形成密闭的真空室，关节轴承80及主要的运动与载荷模拟系统10零部件设置在真空室中，使关节轴承80在可控气氛及温度的环境下进行摩擦试验。磁流体密封传动装置210安装于真空腔体201，且磁流体密封传动装置210连接主轴驱动件1215与支撑段主轴1202，用于将主轴驱动件1215的动力传递至真空腔体201内部的支撑段主轴1202，实现主轴驱动件1215运动的传递，同时还能保证真空腔体201之间的密封性，避免真空泄露。

真空腔体201能够为关节轴承80的试验提供真空环境。可以理解的，真空腔体201可以只罩设于部分试验段主轴1201及关节轴承80；当然，在本发明中，真空腔体201罩设运动与载荷模拟系统10。并且，运动与载荷模拟系统10露出真空腔体201的部分需要保证连接处的密封性，避免真空腔体201内的环境受到影响。主轴驱动件1215通过磁流体密封传动装置210带动支撑段主轴1202运动，进而带动试验段主轴1201转动。值得说明的，磁流体密封传动装置210为目前的磁流体密封技术，属现有结构，在此不一一赘述。

可选地，真空腔门202可运动的安装于真空腔体201。这样，打开真空腔门202，用户可以关节轴承80；更换完成后，关闭真空腔门202，随后可以对关节轴承80进行试验。进一步地，真空腔体201的边缘具有连接法兰，真空腔门202的边缘也具有连接法兰，通过两个连接法兰对接实现真空腔体201与真空腔门202的连接。又进一步地，真空腔体201与真空腔门202均为具有开口的盒状结构。当然，在本发明的其他实施方式中，可以真空腔体201为具有开口的盒状结构，真空腔门202为平板状结构，等等。

参见图2、图4至图7，可选地，悬臂主轴机构12还包括安装底座1207，主轴轴承座1204固定于安装底座1207。进一步地，主轴轴承座1204通过螺纹件固定于安装底座1207。并且，安装底座1207固定于安装支座11。再进一步地，安装底座1207与主轴轴承座1204之间具有主轴轴承座隔热片1214，用于降低悬臂主轴机构12的导热功率。可选地，主轴轴承座隔热片1214由玻璃钢隔热材料制成，当然，在本发明的其他实施方式中，主轴轴承座隔热片1214还可有其他隔热效果好的材料制成。又可选地，真空腔体201焊接固定于安装支座11。

在一实施例中，悬臂主轴机构12还包括外部联轴器1217与内部联轴器1216，内部联轴器1216连接磁流体密封传动装置210与支撑段主轴1202，外部联轴器1217连接主轴驱动件1215与磁流体密封传动装置210。具体的，外部联轴器1217与内部联轴器1216位于磁流体密封传动装置210的两侧，分别连接主轴驱动件1215与支撑段主轴1202。外部联轴器1217与内部联轴器1216用于补偿轴向及径向的安装误差以及温度引起的轴向长度变化。

在一实施例中，轴承夹装构件13包括轴承夹具主体131以及夹具端盖132，轴承夹具主体131内用于安装关节轴承80的外圈81，夹具端盖132安装于轴承夹具主体131的端部，用于对关节轴承80的外圈81的轴向定位。

轴承夹具主体131用于实现关节轴承80的夹持固定。具体的，关节轴承80的外圈81以过盈方式安装于轴承夹具主体131中。夹具端盖132安装于轴承夹具主体131用于实现轴承夹具主体131中关节轴承80外圈81的限位。轴承夹具主体131呈环状设置，夹具端盖132安装于轴承夹具主体131朝向试验段主轴1201的一端。轴承夹具主体131具有挡肩，并与夹具端盖132相对设置，以对轴承夹具主体131中的关节轴承80的外圈81进行轴向定位固定。可选地，轴承夹具主体131与夹具端盖132之间通过螺纹件进行连接固定。进一步地，轴承夹具主体131与夹具端盖132之间通过内六角螺钉进行固定连接。

值得说明的，轴承夹具主体131还与外圈摆动机构15的十字滑块1501连接，以带动轴承夹具主体131进行摆动运动或固定偏转角度，进而实现关节轴承80外圈81的摆动操作或固定偏转角度。关于外圈摆动机构15及十字滑块1501则在下文详述。

参见图8，在一实施例中，轴承夹装构件13还包括拆卸机构134，拆卸机构134用于实现轴承夹装构件13的拆卸以及关节轴承80的拆卸。本发明的低温大温变关节轴承测试平台1所采用的轴承夹具主体131为专用夹具，由于关节轴承80的内圈82与外圈81分别采用过盈方式安装保证夹装的可靠性，通过对轴承夹具夹具的设计，并借助拆卸机构134可对轴承夹具及关节轴承80进行简单快捷的拆卸。

在一实施例中，拆卸工具包括拆卸环1341以及拆卸套筒1342，并配合拉拔器1343实现关节轴承80的拆卸。可以理解的，拉拔器1343为现有结构，包括拉拔爪结构及用于手动操作的旋转手柄1344。拆卸时，拆卸环1341安装于轴承夹具主体131，拆卸套筒1342安装于试验段主轴1201并与关节轴承80的外圈81抵接。这样，拆卸套筒1342压紧关节轴承80的外圈81，避免拆卸过程中对关节轴承80的外圈81造成损伤。拉拔器1343与试验段主轴1201抵接，拉拔器1343的拉拔爪结构与拆卸环1341抵接，并由拉拔器1343的旋转手柄1344旋转带动拆卸环1341以及轴承夹具主体131脱离关节轴承80；然后，拉拔爪结构还与关节轴承80的内圈82抵接，并由旋转手柄1344旋转带动关节轴承80脱离试验段主轴1201。

拆卸环1341安装于轴承夹具主体131上，进一步地，拆卸环1341通过螺纹件固定于轴承夹具主体131。旋转手柄1344可转动地安装于拉拔器1343，旋转手柄1344的转动运动可以转化为拉拔器1343的直线运动，悬臂手柄转动时，可通过带动拉拔器1343移动，进而使得拉拔器1343带动一个部件脱离另一部件。

拆卸套筒1342为环状结构，拆卸套筒1342安装于试验段主轴1201的末端，并与关节轴承80的外圈81抵接。拆卸套筒1342起防护作用。在拆卸关节轴承80之前，先将拆卸套筒1342安装在试验段主轴1201，拆卸套筒1342可以顶住关节轴承80的外圈81，避免关节轴承80的外圈81脱离内圈82，进而避免拆卸机构134对关节轴承80造成影响。

参见图20，可选地，为了进一步降低关节轴承80的试验温度，提高轴承夹具主体131的制冷效率，可使用相比于不锈钢有较高热导率但仍具有较高强度的C17200铍青铜材料制作轴承夹具主体131。使用C17200铍青铜制作轴承夹具主体131时，由于铍青铜的热膨胀系数比不锈钢大很多，低温下轴承夹具主体131的热收缩量大于关节轴承80外圈81的收缩量，会对关节轴承80外圈81产生较大的压应力，从而影响关节轴承80的试验。

为了避免上述问题的产生，在本发明的另一实施例中，仍需要使用与关节轴承80热膨胀系数相同的不锈钢套圈安装试验关节轴承80的外圈81，并设计锥面结构通过螺纹件与轴承夹具主体131连接，通过锥面可将锥形套圈133与轴承夹具主体131热收缩产生的径向变形转换为的轴向位移，避免对关节轴承80产生较大的压应力。

具体的，轴承夹装构件13除了包括上述的部件外，轴承夹装构件13还包括锥形套圈133，锥形套圈133安装于轴承夹具主体131，并与轴承夹具主体131通过锥面配合，锥形套圈133内用于安装关节轴承80的外圈81。具体的，螺纹件连接轴承夹具主体131、锥形套圈133以及夹具端盖132，以对锥形套圈133和轴承夹具主体131的锥面配合增加一定的预紧力。关节轴承80的外圈81安装在锥形套圈133的内部，关节轴承80的内圈82通过试验轴肩、试验轴承圆螺母1213、试验轴承定位套筒1212实现轴向定位固定。

并且，增加锥形套圈133后，轴承夹装构件13的拆卸方法与之前无锥形套取的拆卸方法类似。具体拆卸时，先拧下螺纹件以及试验轴承圆螺母1213、试验轴承定位套筒1212，同时安装好拆卸套筒1342与拆卸环1341，使用拆卸套筒1342压紧关节轴承80的外圈81，避免拆卸过程中造成损伤。不同的是，此时拆卸环1341通过螺纹件与锥形套圈133连接，而不是直接与轴承夹具主体131连接。安装好拉拔器1343，使用拉拔器1343的拉拔爪拉住拆卸环1341，转动旋转手柄1344，此时旋转手柄1344可以使拉拔器1343做直线运动，在拉拔器1343的作用下，拆卸环1341、锥面套筒和轴承夹具主体131从关节轴承80上拆卸下来。然后，从试验段主轴1201上拆卸关节轴承80的内圈82时，使用拉拔器1343的拉拔爪拉住关节轴承80的内圈82的内侧，转动旋转手柄1344，此时旋转手柄1344可以使拉拔器1343做直线运动，以将关节轴承80从试验段主轴1201拆下。

在一实施例中，载荷施加机构14包括载荷施加驱动组件、载荷施加传力组件、载荷施加导向组件以及载荷施加支撑组件，载荷施加传力组件连接载荷施加驱动组件与载荷施加支撑组件。载荷施加驱动组件设置于安装支座，用于对载荷施加支撑组件施加驱动力。载荷施加导向组件安装于安装支座11，并套设于载荷施加支撑组件。加载时，载荷施加支撑组件与轴承夹具主体131抵接，以对关节轴承80加载。

载荷施加机构14用于对轴承夹具主体131进行加载。具体的，当关节轴承80进行试验时，载荷施加机构14运动，并与轴承夹具主体131抵接，以对轴承夹具主体131进行加载。试验完成后拆除关节轴承80时，载荷施加机构14脱离轴承夹具主体131，此时，可以拆卸关节轴承80，或者对关节轴承80进行其他试验，这一点在下文详述。也就是说，载荷施加机构14为可运动的结构，其在试验时输出加载力进行加载操作，试验完成后脱离轴承夹具主体131。

载荷施加驱动组件为载荷施加机构14的动力源。可选地，载荷施加驱动组件包括载荷施加驱动件1401以及载荷施加直线推杆1412。载荷施加直线推杆1412设置于安装支座11，载荷施加驱动件1401与载荷施加直线推杆1412连接。加载时，载荷施加驱动件1401驱动载荷施加直线推杆1412运动，进而驱动载荷施加支撑组件运动，使载荷施加支撑组件与轴承夹具主体131抵接，以对关节轴承80加载。

载荷施加驱动件1401为载荷施加机构14的动力源，用于对关节轴承80进行加载。在本发明实例中，载荷施加直线推杆1412为蜗轮丝杠直线推杆，载荷施加驱动件1401为伺服电机。当然，在本发明的其他实施方式中，载荷施加直线推杆1412还可为液压推杆，相应的载荷施加驱动件1401为液压泵，实现液压加载。载荷施加传力组件用于实现加载力从真空室外传递到真空室内，进而使得真空室外的载荷施加直线推杆1412输出的加载力可以传递给真空室内的载荷施加支撑组件，通过载荷施加支撑组件对轴承夹具主体131及关节轴承80进行加载。载荷施加导向组件用于对载荷施加支撑组件的运动进行导向，使得载荷施加支撑组件平稳加载，输出准确稳定的径向加载力。

值得说明的，由于轴承夹具主体131及关节轴承80位于真空室中，相应的，为了保证载荷施加机构14能够对关节轴承80进行加载操作，载荷施加机构14应至少部分位于真空室中。示例性地，载荷施加支撑组件位于真空室中，载荷施加直线推杆1412及载荷施加驱动件1401位于真空室外。对关节轴承80进行加载时，载荷施加驱动件1401驱动载荷施加直线推杆1412向上推动载荷施加传力组件运动，使得载荷施加传力组件抵接真空室内部的载荷施加支撑组件，驱动载荷施加支撑组件对轴承夹具主体131进行加载，实现对关节轴承80的加载。加载操作完成后，载荷施加驱动件1401驱动载荷施加直线推杆1412向下运动脱离载荷施加传力组件，并使得载荷施加传力组件脱离载荷施加支撑组件，从而使载荷施加支撑组件脱离轴承夹装构件13。

加载时，载荷施加传力组件一端与载荷施加驱动组件抵接抵接，另一端伸入真空室与载荷施加支撑组件抵接，实现载荷施加机构14可以穿过真空室施加载荷。参见图4至图7、图9，在一实施例中，载荷施加传力组件包括波纹管1404以及加载传力杆1403。加载传力杆1403部分伸入真空室中，波纹管1404的一侧安装在真空室上，另一侧与加载传力杆1403固定，波纹管1404可伸缩运动并同时保证密封性，从而起到加载传力杆1403可穿过真空室运动的功能。

载荷施加传力组件可实现载荷施加驱动件1401将载荷通过真空腔体201施加到真空腔体201内的载荷施加支撑组件，进而施加给关节轴承80。具体的，载荷施加机构14加载时，载荷施加驱动件1401工作，此时载荷施加驱动件1401的输出端带动载荷施加直线推杆1412运动，载荷施加直线推杆1412的输出端带动加载力传感器502上升，使得加载力传感器502与载荷施加传力组件抵接，此时，载荷施加传力组件中的加载传力杆1403伸入真空腔体201中，并逐渐与载荷施加支撑组件抵接，将载荷传递给载荷施加支撑组件。加载完成后，载荷施加驱动件1401的输出端带动加载力传感器502脱离载荷施加传力组件，载荷施加传力组件复位，并脱离载荷施加支撑组件。

在一实施例中，载荷施加支撑组件包括载荷施加杆1402、辅助导向杆、载荷施加滑台1406、载荷施加梁1407、载荷施加座1408，载荷施加杆1402与辅助导向杆安装于载荷施加梁1407的下方并运动地穿过载荷施加导向组件，载荷施加杆1402在加载时与载荷施加传力组件抵接。载荷施加梁1407安装辅助导向杆的一侧用于安装外圈摆动轴轴承座1504及直线滑台1509，载荷施加梁1407安装载荷施加杆1402的一侧用于安装载荷施加滑台1406，载荷施加滑台1406上安装载荷施加座1408，载荷施加座1408用于加载时与轴承夹具主体131抵接。载荷施加梁1407起传递试验载荷以及安装外圈摆动轴1502相关部件的作用，载荷施加滑台1406安装于载荷施加梁1407。载荷施加杆1402运动时可以带动载荷施加梁1407同步运动。

载荷施加座1408运动的安装于载荷施加滑台1406，载荷施加座1408可在载荷施加滑台1406上沿着试验段主轴1201的方向自由滑动，补偿低温大温变下试验段主轴1201由于温度变化引起的轴向变形，同时自适应调整加载位置，安装在载荷施加滑台1406两侧的紧定螺钉用于约束载荷施加滑台1406垂直于滑动方向的自由度。加载时，加载传力杆1403与载荷施加杆1402接触，并带动载荷施加杆1402及载荷施加梁1407上升，使得载荷施加座1408与轴承夹具主体131接触。加载完成后，加载传力杆1403复位，并带动载荷施加杆1402及载荷施加梁1407下降，使得载荷施加座1408脱离轴承夹具主体131接触。

可选地，载荷施加滑台1406、载荷施加座1408以及轴承夹具主体131的滑动表面均粘贴有自润滑衬垫或喷涂有自润滑涂层，以减小滑动过程的摩擦系数。

在一实施例中，载荷施加支撑组件还包括加载台隔热块1409，加载台隔热块1409设置于载荷施加梁1407与载荷施加滑台1406之间。可选地，加载台隔热块1409由玻璃钢隔热材料制成，当然，在本发明的其他实施方式中，加载台隔热块1409还可有其他隔热效果好的材料制成。

在一实施例中，载荷施加导向组件包括加载导向轴承座1410以及加载导向轴承1411。加载导向轴承座1410安装于安装底座1207，加载导向轴承1411安装于加载导向轴承座1410中，载荷施加杆1402及辅助导向杆可运动地安装于加载导向轴承1411中。通过加载导向轴承1411对载荷施加杆1402及辅助导向杆的运动进行导向，避免载荷施加杆1402的运动发生偏斜，保证加载力的加载方向准确。

参见图2、图3，在一实施例中，测量与数据采集系统包括摩擦系数测量装置。摩擦系数测量装置用来测量关节轴承80在低温、大温变、真空、气氛等环境下进行摩擦试验时的摩擦系数，通过关节轴承80摩擦系数的大小可以评价关节轴承80运转性能的好坏。摩擦系数测量装置包括一侧与主轴驱动件1215连接的扭矩传感器501，扭矩传感器501另一侧通过外部联轴器1217与磁流体密封传动装置连接，外部联轴器1217用于补偿磁流体密封传动装置与扭矩传感器501轴线的对中误差。扭矩传感器501用于测量关节轴承80进行摩擦试验时的摩擦力矩。

摩擦系数测量装置还包括设置于载荷施加直线推杆1412与载荷施加传力组件之间的加载力传感器502。载荷施加传力组件可运动地安装于真空腔体201，加载时，加载传力杆1403与加载力传感器502接触，并可伸入真空腔体201内与载荷施加支撑组件抵接，加载力传感器502安装于载荷施加直线推杆1412，为测量与数据采集系统的一部分，用于试验载荷的测量。载荷施加传力组件工作时能够与载荷施加支撑组件连接，以驱动载荷施加支撑组件进行加载作业。载荷施加传力组件起到上下运动以及将试验载荷从真空腔体201外传递到真空腔体201内的载荷施加支撑组件的作用，同时还要实现与载荷施加支撑组件和加载力传感器502脱开的功能，方便真空腔门202的打开。

参见图4至图7，在一实施例中，外圈摆动机构15包括十字滑块1501、外圈摆动轴组件、运动转换组件、往复运动组件以及外圈摆动驱动件1503，外圈摆动轴组件中的外圈摆动轴1502的一端通过十字滑块1501与轴承夹具主体131连接，外圈摆动轴1502的另一端通过运动转换组件与往复运动组件连接，往复运动组件与外圈摆动驱动件1503连接。外圈摆动驱动件1503驱动往复运动组件运动，经运动转换组件将往复直线运动转换为摆动运动后带动外圈摆动轴1502摆动，使外圈摆动轴1502通过十字滑块1501带动轴承夹具主体131及关节轴承80的外圈81摆动。

外圈摆动驱动件1503为外圈摆动机构15的动力源，用于驱动外圈摆动轴1502运动，进而驱动轴承夹具主体131带动其中的关节轴承80的外圈81摆动。可选地，外圈摆动驱动件1503包括但不限于电机，为一种直线运动驱动件。往复运动组件直接与外圈摆动驱动件1503连接。运动转换组件连接往复运动组件与外圈摆动轴1502，用于将往复运动组件的运动转化，使得外圈81摆动运动转换组件做摆动运动，进而使得外圈摆动轴1502可以做摆动运动。外圈摆动轴1502通过十字滑块1501与轴承夹具主体131连接，外圈摆动轴1502摆动时，可以通过十字滑块1501带动轴承夹具主体131及其中关节轴承80的外圈81同步转动。

对关节轴承80的外圈81进行摆动试验时，外圈摆动驱动件1503工作以输出动力，带动往复运动组件运动，往复运动组件可以带动运动转换组件做往复摆动，进而带动外圈摆动轴组件往复摆动，进而外圈摆动轴组件通过十字滑块1501带动轴承夹具主体131运动，使得轴承夹具主体131中的关节轴承80的外圈81随外圈摆动轴组件一同摆动。

可选地，外圈摆动轴组件包括外圈摆动轴1502、外圈摆动轴轴承座1504、外圈摆动轴1502支撑轴承以及外圈摆动轴轴承座安装座1506。外圈摆动轴轴承座安装座1506安装于载荷施加梁1407，用于安装外圈摆动轴轴承座1504。可选地，外圈摆动轴轴承座安装座1506与外圈摆动轴轴承座1504也可为一体结构。外圈摆动轴1502支撑轴承安装于外圈摆动轴轴承座1504中，用于安装外圈摆动轴1502。这样可以保证外圈摆动轴1502运动平稳，摆动时具有较小的摩擦系数。进一步地，外圈摆动轴1502支撑轴承为双列圆锥滚子轴承。再进一步地，外圈滚子轴承1505为背装的双列圆锥滚子轴承。

具体的，外圈摆动轴1502的另一端通过运动转换组件与往复运动组件连接，外圈摆动驱动件1503与往复运动组件连接，外圈摆动驱动件1503驱动往复运动组件往复直线运动，并通过运动转换组件将往复直线运动转换为往复摆动，进而带动外圈摆动轴1502摆动，使外圈摆动轴1502通过十字滑块1501带动轴承夹具主体131及关节轴承80的外圈81摆动。

值得说明的是，十字滑块1501与轴承夹具主体131连接除了实现试验关节轴承80的外圈81摆动外，还可用于补偿由于关节轴承80磨损产生的外圈摆动轴1502相对于轴承夹具主体131沿着加载方向的微小位移、由于低温、大温变而导致试验段主轴1201变形产生的外圈摆动轴1502相对于轴承夹具主体131沿着支撑段主轴1202方向的微小位移，以及外圈摆动轴1502与轴承夹具主体131的加工安装误差，保证外圈摆动机构15不对关节轴承80施加其他附加的力，确保关节轴承80的外圈81的摆动在低温、大温变的环境下运行平稳与可靠。

可选地，外圈摆动机构15还包括外圈摆动轴隔热块1507，外圈摆动轴隔热块1507设置于外圈摆动轴轴承座安装座1506与载荷施加梁1407之间，用于隔绝热量的传递，降低外圈摆动机构15的导热功率，使关节轴承80可以达到更低的试验温度。进一步地，外圈摆动轴隔热块1507由玻璃钢隔热材料制成，当然，在本发明的其他实施方式中，外圈摆动轴隔热块1507还可有其他隔热效果好的材料制成。

在一实施例中，往复运动组件包括往复推杆1514、直线轴承1516及滚槽连接件1515，直线轴承1516安装在安装支座11上，往复推杆1514运动地穿过直线轴承1516。外圈摆动驱动件1503与往复运动组件的往复推杆1514连接，用于驱动往复运动组件中的往复推杆1514在直线轴承1516中做往复运动。往复推杆1514的另一侧安装有滚槽连接件1515。对关节轴承80的外圈81进行摆动试验时，外圈摆动驱动件1503驱动往复推杆1514做往复运动，进而往复推杆1514带动运动转换组件运动，使得运动转换组件通过外圈摆动轴1502带动十字滑块1501运动，实现轴承夹具主体131带动关节轴承80的外圈81的摆动运动。

运动转换组件包括摆动杆1508、连接杆1511、直线滑台1509、传力杆1510、传力杆安装座1512及滚轮轴承1517，摆动杆1508的一端与外圈摆动轴1502连接，摆动杆1508的另一端与通过两端可转动的连接杆1511与传力杆安装座1512连接，传力杆安装座1512安装在直线滑台1509上，直线滑台1509的固定部分安装在载荷施加梁1407安装外圈摆动轴轴承座1504的一侧，传力杆1510的一端安装在传力杆安装座1512上，传力杆1510另一端的安装有滚轮轴承1517，滚轮轴承1517运动地套设于滚槽连接件1515。运动转换组件使用摇杆滑块机构的原理将往复运动件的直线运动转换为外圈摆动轴1502的摆动运动。

可选地，外圈摆动转换组件还包括压板1513，摆动杆1508通过键和压板1513与连接与外圈摆动轴1502连接。进一步地，键为花键。并且，外圈摆动轴1502上具有轴肩，该轴肩与压板1513、摆动杆1508、外圈摆动轴轴承座1504实现了外圈滚子轴承1505的轴向定位固定。

值得说明的，试验段主轴1201、外圈摆动轴1502以及载荷施加杆1402的三条轴线相互垂直，以模拟关节轴承80的实际工况。

参见图4至图9，进行低温大温变轴承摩擦试验时，由于热胀冷缩的原因，运动与载荷模拟系统10的悬臂主轴机构12的长度将会发生变化。主轴双列圆锥滚子轴承1206处为悬臂主轴机构12的固定支点，支撑段主轴1202和试验段主轴1201形成的悬臂主轴，将以主轴双列圆锥滚子轴承1206处为不动点，沿着图4中的悬臂主轴方向伸缩。对于支撑段主轴1202而言，主轴圆柱滚子轴承1205处为浮动端，可沿着轴向有微小位移，避免主轴圆柱滚子轴承1205卡住，支撑段主轴1202的变形最终传递给内部联轴器1216进行补偿。对于试验段主轴1201而言，轴长发生变化时，关节轴承80的位置会沿着悬臂主轴方向移动，因此轴承夹装构件13也会沿着悬臂主轴方向移动，通过外圈摆动轴1502的十字滑块1501可对此位移进行补偿，避免轴承夹具主体131与外圈摆动轴1502连接处卡死。与此同时，外圈摆动轴1502发生轴向伸缩时，也可由十字滑块1501处进行补偿。进行加载时，载荷施加座1408与轴承夹具主体131接触，轴承夹具主体131在外圈摆动轴1502的作用进行摆动运动或维持特定的偏角，在载荷的作用下，载荷施加座1408在载荷施加滑台1406上沿着悬臂主轴方向微小滑动，自适应调整最佳的加载位置，保证关节轴承80受到的载荷均匀分布。在大温变下，关节轴承80的位置沿着悬臂主轴方向移动时，带动轴承夹具主体131移动，在载荷的作用下载荷施加座1408在载荷施加滑台1406上微小滑动，自适应调整载荷施加座1408位置使载荷施加座1408的加载面与轴承夹具主体131的受载面紧密接触。

关节轴承80的外圈81摆动时，外圈摆动驱动件1503将直线往复运动经往复推杆1514、滚槽连接件传递给传力杆1510。滚槽连接件带动传力杆1510、直线滑台1509、传力杆安装座1512、摆动杆1508、连接杆1511形成的运动转换机构将传力杆1510的往复直线运动转换为摆动杆1508的往复摆动，进而带动外圈摆动轴1502的往复摆动。外圈摆动轴1502通过十字滑块1501与轴承夹具主体131连接，关节轴承80的外圈81安装在轴承夹具主体131内部，因而实现了关节轴承80的外圈81的往复摆动。

外圈摆动轴轴承座1504及直线滑台1509均安装在载荷施加梁1407上，可跟随载荷施加梁1407在载荷施加驱动件1401的驱动下上下运动。直线轴承1516安装在安装支座11上，往复推杆1514穿过直线轴承1516在外圈摆动驱动件1503的驱动下往复运动。传力杆1510在载荷施加梁1407的带动上下运动时，其末端安装的滚轮轴承1517可在滚槽连接件1515中的滚槽中自由滚动。

试验结束后拆卸关节轴承80时，首先需要拆卸轴承夹具主体131，然后拆卸关节轴承80，拆卸流程如图8所示。图8中的(a)为试验结束后轴承夹具主体131与载荷施加座1408的位置示意图；首先降下载荷施加梁1407使得轴承夹具主体131与载荷施加座1408分离，然后拧下夹具端盖132的螺纹件、圆螺母及主轴安装套筒，同时安装好拆卸套筒1342和拆卸环1341，使拆卸套筒1342压紧关节轴承80的外圈81，避免拆卸过程中对关节轴承80造成损伤，如图8中(b)所示。安装好拉拔器1343，使用拉拔器1343的拉拔爪结构拉住拆卸环1341，然后转动旋转手柄1344，在拉拔器1343的作用下，拆卸环1341和轴承夹具主体131从关节轴承80的外圈81拆除下来，如图8中(c)所示。拆卸完轴承夹具主体131后，调整拉拔器1343的位置，使拉拔器1343的拉拔爪结构钩住关节轴承80的内圈82内侧，如图8中(d)所示，然后转动旋转手柄1344，将关节轴承80从试验段主轴1201上拆下。

加载传力杆1403起到将载荷施加驱动件1401的上下运动以及轴承试验载荷从真空腔体201外传递到真空腔体201内的加载杆的作用，同时还要实现与载荷施加杆1401和加载力传感器502脱开的功能，方便真空腔门202的打开。正常加载时，加载传力杆1403的上表面与加载杆接触，下表面与加载力传感器502接触，如图9中的(a)所示，此时真空腔体201内部抽真空。完成关节轴承80的试验后，降下载荷施加驱动件1401，载荷施加梁1407碰到加载导向轴承1411后将不再下降，随着载荷施加驱动件1401的进一步下降，由于真空腔体201内部仍为真空，在外界大气压的作用下，加载传力杆1403仍与加载杆接触，但加载力传感器502与加载传力杆1403的下表面脱开，如图9中的(b)所示。此后，关闭真空腔体201的分子泵204及机械泵203(下文提及)并破坏真空室的真空度，随着真空腔体201内部的气压升高，加载传力杆1403逐渐脱开加载杆，直至真空腔体201内达到大气压，加载传力杆1403与加载杆完全脱开，如图9中的(c)所示，此时，便可打开真空腔门202进行更换关节轴承80的操作。

本发明的低温大温变关节轴承测试平台1中的运动与载荷模拟系统10，实现了低温、大温变、真空、气氛环境气氛下受径向载荷关节轴承80的内圈82摆动/转动、外圈摆动/固定偏角摩擦试验，其中加载荷施加杆1401、试验段主轴1201、外圈摆动轴1502三个轴线相互垂直；实现了试验段主轴1201在低温、大温变热胀冷缩下的正常摆动/转动；实现了12mm～40mm可变尺寸规格的关节轴承80摩擦试验；实现了外圈摆动轴1502在低温、大温变热胀冷缩条件下的摆动运动或固定偏角；实现了低温大温变关节轴承测试平台1在低温、大温变热胀冷缩条件下的正常加载；实现了轴承夹装构件13及关节轴承80的简易拆卸；实现了试验载荷通过真空腔门202的传递和真空腔门202的开合换样。

参见图2和图3，在一实施例中，环境测量与控制系统20包括制冷与温度控制装置以及密封与气氛控制装置。制冷与温度控制装置包括罩设于轴承夹装构件13及部分外圈摆动轴1502的试验低温室206、设置于轴承夹具主体131的制冷冷头205、为制冷冷头205提供制冷的低温源211以及布置于低温室内部的温度传感器和辐射加热源，制冷与温度控制装置用于实现低温、大温变的环境温度。试验低温室206安装于真空腔体201中，并罩设轴承夹装构件13及部分外圈摆动轴1502，制冷冷头205用于对试验低温室206及内部的轴承夹装构件13及关节轴承80进行制冷。试验低温室206用于屏蔽热量，实现试验低温室206内部的低温环境，使得关节轴承80在低温、真空、气氛等环境下进行检测。并且，试验低温室206的低温保持通过制冷冷头205实现。具体的，制冷冷头205安装于轴承夹具主体131背离外圈摆动轴1502的一侧，这样，制冷冷头205的低温可以传递至轴承夹具主体131，进而使得关节轴承80及低温室内都处于低温状态。可选地，低温源211为液氮源，进一步地，为自增压液氮罐，此时制冷冷头205为液氮冷头，可选地，低温源211也可为制冷机。此外，制冷与温度控制装置还包括布置于低温室内部的温度传感器和辐射加热源，温度传感器用于测量低温室内的温度，辐射加热源用于温度地控制及为高温试验提供热源。

在一实施例中，制冷与温度控制装置还包括背板支架207，试验低温室206靠近关节轴承80的一面为背板，背板支架207用于安装试验低温室206，使得试验低温室206被可靠固定。并且，背板支架207安装于加载导向轴承座1410。

在一实施例中，密封与气氛控制装置包括腔体与密封组件、真空获取组件、气氛控制组件，用于实现真空、气氛的试验环境。腔体与密封组件包括设置于安装支座11的真空腔体201、活动地安装于真空腔体201的真空腔门202、安装于真空腔体201的磁流体密封传动装置210和观察窗，腔体与密封组件可形成密闭的真空室用于气氛环境的控制。真空获取组件安装于真空腔体201，用于对真空腔体201进行抽真空。气氛控制组件与真空室连接，用于实现真空室内的气氛环境。腔体与密封组件同真空获取组件能够提供关节轴承80试验所需要的真空环境，具体的，通过真空获取组件对真空腔体201进行抽真空并对真空度进行测量，以保证真空腔体201的真空度。进一步地，真空获取组件包括机械泵203。机械泵203通过连接管路与真空腔体201连通，用于对真空腔体201抽真空。具体的，启动机械泵203，机械泵203对真空腔体201进行抽真空，使得真空腔体201的内部处于真空状态，达到关节轴承80的检测要求。并且，对关节轴承80检测过程中，为了保证真空腔体201的真空度，机械泵203一直开启。再进一步地，抽真空机构还包括机械泵203连接的分子泵204，分子泵204用于进一步提高真空腔体201的真空度。机械泵203与分子泵204串联设置，即机械泵203与通过连接管路与分子泵204连通，分子泵204再与真空腔体201连通。当采用机械泵203与分子泵204一同对真空腔体201进行抽真空时，先开启机械泵203对真空腔体201进行抽初级真空，然后持续开启机械泵203，并开启分子泵204，通过分子泵204可提高真空腔体201的真空度。采用分子泵204后，真空腔体201可以实现关节轴承80在极限真空5×10^-5Pa的试验环境下进行检测。

可选地，真空腔体201中还设置真空规209，通过真空规209测量真空腔体201的真空度。并且，当真空腔体201中的真空度不能满足使用要求时，通过机械泵203与分子泵204的配合提高真空腔体201的真空度，以满足关节轴承80的测试需求。真空腔体201上还设置线缆真空法兰208，这样，线缆可以穿过线缆真空法兰208伸入至真空腔体201，避免真空泄露。

腔体与密封组件同气氛控制组件可以实现关节轴承80在19kPa～101kPa的可控气氛的试验环境下检测。气氛控制组件包括气源212、连接气源212与真空室的气体管路以及设置于气体管路用于控制气体流量的控制阀门。可选地，气源212为氮气源，进一步地，为氮气瓶。

参见图2、图10至图14，在一实施例中，测量与数据采集系统还包括游隙与磨损量测量装置30。游隙与磨损量测量装置30分设于真空腔体201内外，用于测量关节轴承80的磨损量与原位游隙。游隙与磨损量测量装置30是低温大温变关节轴承测试平台1中实现游隙测量与磨损量测量的重要组成部分。游隙与磨损量测量装置30主要实现了关节轴承80在低温、大温变、真空、气氛环境下磨损量的实时监测以及关节轴承80的内外圈之间原位游隙的测量。通过关节轴承80的磨损量以及内外圈的原位游隙可以研究关节轴承80运转性能的影响因素及判断关节轴承80是否失效。

在一实施例中，游隙与磨损量测量装置30包括探测组件、角锥镜组件以及双向加载组件，角锥镜组件安装于轴承夹具主体131，探测组件与角锥镜组件配合用于对关节轴承80的磨损量进行测量，双向加载组件设置于真空室并可运动地穿过真空室，双向加载组件与探测组件及角锥镜组件配合，用于测量所述关节轴承80的原位游隙。磨损量测量与原位游隙测量共用同一探测组件及角锥镜组件，通过探测组件实现磨损量与原位游隙的检测。对关节轴承80的磨损量进行测量时，探测组件能够对准角锥镜组件，实时检测轴承夹装构件13在竖直方向的位移变化，并且，探测组件的读数相对变化量即为关节轴承80的磨损量。对关节轴承80进行原位游隙测量时，通过双向加载组件对轴承夹具主体131进行双向加载并测量加载力，当加载力达到拉压力的预设值时，探测组件的读数之差即为原位游隙的测量值。并且，可以根据测试要求，将悬臂主轴转动要求角度后继续上述步骤测量不同关节轴承80的内圈82转角下的游隙值。

在一实施例中，角锥镜组件包括角锥镜固定支架301、角锥镜调整支架302、游隙测量角锥镜303以及磨损量测量角锥镜304，角锥镜固定支架301安装于轴承夹具主体131，角锥镜调整支架302安装于角锥镜固定支架301，并可相对于角锥镜固定支架301调整角度，角锥镜固定支架301内安装游隙测量角锥镜303，角锥镜可调支架内壁安装磨损量测量角锥镜304。探测组件与磨损量测量角锥镜304、游隙测量角锥镜303的配合可以检测关节轴承80的磨损量及原位游隙。

如图10所示，在本发明的一实施例中，探测组件位于真空腔体201的内部。示例性地，探测组件包括激光干涉探头305以及两轴位移平台306，两轴位移平台306安装于试验低温室206的背板支架207，背板支架207固定在加载导向轴承座1410上。激光干涉探头305安装于两轴位移平台306，两轴位移平台306带动激光干涉探头305对准游隙测量角锥镜303用于测量原位游隙，对准磨损量测量角锥镜304用于测量磨损量。可选地，激光干涉探头305的数量为两套，两套激光干涉探头305在轴承夹具主体131两侧对称分布。这样可以避免单侧测量时轴承夹具主体131倾斜带来的误差。可选地，激光干涉探头305为低温激光干涉位移传感器探头。并且，上述的激光干涉探头305为磨损量测量与原位游隙测量共用。两轴位移平台306安装于试验低温室206中，用于调整激光干涉探头305的位置，使其对准磨损量测量角锥镜304、游隙测量角锥镜303进而获取测量信号。

如图13所示，在本发明的另一实施例中，探测组件也可位于真空腔体201外。示例性地，探测组件包括激光干涉探头305、两轴位移平台306、探头支座308以及透明窗307，探头支座308位于真空腔体201的下方，两轴位移平台306安装于探头支座308，激光干涉探头305安装在两轴位移平台306上，透明窗307安装于真空腔体201，两轴位移平台306带动激光干涉探头305通过透明窗307对准游隙测量角锥镜303。具体的，当激光干涉探头305放置在真空腔门202外部时，真空腔门202上装有透明窗307。此时，两轴位移平台306安装在探头支座308上。此外，载荷施加梁1407上需要打两个通光孔实现激光干涉探头305对准磨损量测量角锥镜304、游隙测量角锥镜303进而获取测量信号。可选地，透明窗307为玻璃窗。值得说明的，本实施例中的各个零部件的结构与上述零部件中相同，在此不一一赘述。

如图10所示，其中图10的(a)为低温大温变关节轴承测试平台1进行实时磨损量测量时的主视图，图10的(b)为图10(a)所示的右视图。在关节轴承80进行低温大温变磨损量测量试验时，通过调整两轴位移平台306及磨损量测量角锥镜304的安装角度，使激光干涉探头305对准磨损量测量角锥镜304，实时检测轴承夹具主体131在竖直方向上的位移变化，轴承夹具主体131两边的两个激光干涉探头305的读数平均值变化量即为关节轴承80的磨损量。在关节轴承80进行低温大温变外圈摆动摩擦试验时，磨损量测量角锥镜304安装在轴承夹具主体131最低点，当其每次摆回最低点时激光干涉探头305测量一个数据。

如图12所示，在一实施例中，双向加载组件包括双向加载驱动件311、拉压力传感器310以及双向加载钩312，双向加载驱动件311安装于真空腔体201的外壁，双向加载驱动件311可穿过真空腔体201与双向加载钩312通过拉压力传感器310连接。双向加载组件用于实现双向加载。具体的，双向加载驱动件311为双向加载组件的动力源，用于驱动双向加载钩312加载。可选地，双向加载驱动件311包括但不限于电机，还可为一种可穿过真空腔体201的直线运动驱动件。

在一实施例中，游隙与磨损量测量装置30还包括压轴组件，压轴组件安装于真空腔体201，用于压紧试验段主轴1201。压轴组件用于在原位游隙测量时压住悬臂主轴，避免悬臂主轴的主轴支撑轴承组件的游隙对关节轴承80游隙测量的影响，保证关节轴承80原位游隙的测量结果准确。

如图11所示，其中图11的(a)为低温大温变关节轴承测试平台1进行实时原位游隙测量时的主视图，图11的(b)为图11(a)所示的右视图。在对关节轴承80进行低温大温变的原位游隙测量时，首先需要将悬臂主轴机构12停机，将轴承夹具主体131通过外圈摆动轴1502摆动到竖直方向，并降下载荷施加座1408使其与轴承夹具主体131脱开。然后将双向加载钩312与轴承夹具主体131连接，通过调整两轴位移平台306，使激光干涉探头305对准游隙测量角锥镜303。此外，使用压轴组件压紧悬臂主轴。之后对轴承夹具主体131进行设定加载力的双向加载，拉压达到设定加载力时的激光干涉探头305读数之差即为此次测量的游隙值。然后抬起压轴组件，根据测试要求，将悬臂主轴转动要求角度后继续上述步骤测量不同关节轴承80的内圈82转角下的游隙值。测量完成后，将双向加载钩312与轴承夹具主体131脱开，即可继续进行关节轴承80的摩擦试验或更换关节轴承80。

在一实施例中，压轴组件包括压轴驱动件314及压轴杆313，压轴驱动件314安装于真空腔体201的外壁，并穿过真空腔体201运动，压轴驱动件314与压轴杆313连接。压轴驱动件314穿过真空腔体201驱动压轴杆313运动，使得压轴杆313与试验段主轴1201抵接，以压紧悬臂主轴，避免悬臂主轴的支撑段主轴1202承组件的游隙对关节轴承80游隙测量的影响，保证关节轴承80原位游隙的测量结果准确。

值得说明的是，在进行实时磨损量和原位游隙测量时，轴承夹具主体131两侧的激光干涉探头305的读数平均值为关节轴承80的外圈81中心点的绝对高度值。

参见图2和图10，在进行外圈偏角摩擦试验的实时磨损量测量时，首先在安装关节轴承80时根据进行试验的外圈偏转角度调整角锥镜调整支架302，使其沿着竖直方向。然后激光干涉探头305在两轴位移平台306的带动下对准角锥镜调整支架302内部的磨损量测量角锥镜304，以确保得到测量信号，如图10所示，之后再进行低温大温变摩擦试验。进行试验前先对关节轴承80施加预定载荷，待载荷稳定后，即试验段主轴1201在载荷的作用下的变形稳定后，关节轴承80外圈81中心点的绝对高度值不再变化时开始轴承摩擦试验，以开始试验时的关节轴承80外圈81中心点绝对高度值为基准，实时记录试验过程中关节轴承80外圈81中心点的绝对高度变化量即为关节轴承80的实时磨损量。在进行外圈摆动摩擦试验实时磨损量测量时，角锥镜调整支架302安装在零度位置(竖直方向)或调整两轴位移平台306使激光干涉探头305对准角锥镜固定支架301内部的游隙测量角锥镜303，当磨损量测量角锥镜304或游隙测量角锥镜303每次摆回最低点时测量一个磨损量数据。

参见图2、图11至图12，在进行原位游隙测量时，需要暂停关节轴承80摩擦试验，然后将轴承夹具主体131摆动到竖直方向，并调整两轴位移平台306使激光干涉探头305对准角锥镜固定支架301内部的游隙测量角锥镜303，如图11所示。确定试验段主轴1201测量角度后，在压轴组件的作用下将压轴杆313由释放状态如图12变为压紧状态，此时压轴杆313与试验段主轴1201抵接，避免测量关节轴承80游隙时，主轴双列圆锥滚子轴承1206的游隙对测量结果的影响。双向加载组件中双向加载钩312与轴承夹具主体131的连接方法如图14所示。首先通过载荷施加梁1407降下载荷施加座1408，使其与轴承夹具主体131脱开，然后使用外圈摆动轴1502将轴承夹具主体131偏转一个角度，并降下双向加载钩312到合适的位置，如图14(a)所示，进一步使用外圈摆动轴1502将轴承夹具主体131转回竖直方向，因而使用双向加载钩312钩住轴承夹具主体131中的连接结构，如图14(b)所示。双向加载钩312向上运动使用双向加载钩312的钩部实现对轴承夹具主体131的向上加载，如图14(c)所示，向下运动使用双向加载钩312的加载面实现对轴承夹具主体131的向下加载，如图14(d)所示，使用拉压力传感器310测量上下加载的加载力，使用双向加载驱动件311的上下位移控制加载力的大小为设置值。双向加载过程中，记录拉压力传感器310的读数及通过激光干涉探头305测量的关节轴承80外圈81中心点的绝对高度值变化，拉压力传感器310测量的拉力值及压力值达到设定值时的两次关节轴承80外圈81中心点的绝对高度值之差即为关节轴承80的游隙值。完成一次测量后，释放压轴杆313，并将试验段主轴1201转动一个特定的角度(360°均匀选取)后压紧压轴杆313，然后使用双向加载钩312对轴承夹具主体131双向加载，进行不同内圈82转角下的游隙测量。测量完成后，将双向加载钩312与轴承夹具主体131脱开，压轴杆313释放，即可继续进行关节轴承80摩擦试验或更换关节轴承80重新试验。

本发明的低温大温变关节轴承测试平台1设计游隙与磨损量测量装置30后，实现了低温、大温变、真空、气氛下外圈摆动/偏角下的关节轴承80磨损量的实时监测；实现了低温、大温变、真空、气氛下关节轴承80游隙的原位测量；实现了低温、大温变、真空、气氛下关节轴承80游隙测量时的双向加载；实现了低温、大温变、真空、气氛下双向加载钩312的连接与脱开；避免了支撑段主轴1202处的游隙对关节轴承80游隙测量的影响。

本发明还提供一种关节轴承80的测量方法，所述测量方法用于在低温、大温变、真空、气氛环境下测量关节轴承80的实时磨损量，应用于上述实施例中所述的低温大温变关节轴承测试平台1，所述测量方法包括如下步骤：

将所述关节轴承80安装于轴承夹具主体131中；

根据所述关节轴承80的外圈偏转角度调整磨损量测量角锥镜304的位置；

将装入轴承夹装构件13的关节轴承80装入试验段主轴1201；

控制两轴位移平台306带动激光干涉探头305对准磨损量测量角锥镜304；

对所述关节轴承80施加试验载荷，同时纪录激光激光干涉探头305获取的数据，待载荷及所述激光干涉探头305测量的数据稳定后，进入摩擦试验；

获取所述关节轴承80外圈81的绝对高度变化量，并将所述绝对高度变化量作为所述关节轴承80的实时磨损量。

在进行外圈偏角摩擦试验的实时磨损量测量时，首先在安装关节轴承80时根据进行试验的外圈偏转角度调整角锥镜调整支架302。然后激光干涉探头305在两轴位移平台306的带动下对准角锥镜调整支架302内部的磨损量测量角锥镜304，以确保得到测量信号，如图10所示，之后再进行低温大温变摩擦试验。进行试验前先对关节轴承80施加预定载荷并确保载荷及激光激光干涉探头305测量的数据稳定，以开始试验时的关节轴承80外圈81中心点绝对高度值为基准，实时记录试验过程中关节轴承80外圈81中心点的绝对高度变化量即为关节轴承80的实时磨损量。

在一实施例中，所述测量方法还包括如下步骤：

当关节轴承80外圈81为往复摆动状态时，角锥镜调整支架302安装在零度位置(竖直方向)或调整两轴位移平台306使激光干涉探头305对准角锥镜固定支架301内部的游隙测量角锥镜303，激光干涉探头305当磨损量测量角锥镜304或游隙测量角锥镜303每次摆回最低点时测量一个距离数据；当关节轴承80外圈81为固定偏角状态时，激光干涉探头305持续测量所述磨损量测量角锥镜304的距离数据；

本发明还提供一种关节轴承80的测量方法，所述测量方法用于在低温、大温变、真空、气氛环境下测量关节轴承80的原位游隙，应用于上述实施例中所述的低温大温变关节轴承测试平台1，所述测量方法包括如下步骤：

在一实施例中，所述测量方法还包括如下步骤：

暂停摩擦试验；

调整轴承夹具主体131及双向加载钩312，使所述轴承夹具主体131于所述双向加载钩312钩接，并使所述轴承夹具主体131处于竖直位置；

控制两轴位移平台306带动激光干涉探头305对准游隙测量角锥镜303；

控制试验段主轴1201转动至预设位置；

控制压轴杆313与所述试验段主轴1201抵接，以压紧所述试验段主轴1201；

控制双向加载钩312对所述轴承夹具主体131加载；

获取拉压力传感器310的拉压力值以及两次所述关节轴承80外圈81的绝对高度值之差，并将所述绝对高度值之差作为所述关节轴承80的游隙值。

控制压轴杆313与所述试验段主轴1201脱离；

控制试验段主轴1201转动至新的位置重复测量，在多个位置测量并取测量结果的平均值为最终的关节轴承80游隙值；

测量完成后，控制所述双向加载钩312与所述轴承夹具主体131脱开；

继续进行所述摩擦试验或更换所述关节轴承80。

在进行原位游隙测量时，需要暂停关节轴承80摩擦试验，然后将轴承夹具主体131摆动到竖直方向，并调整两轴位移平台306使激光干涉探头305对准角锥镜固定支架301内部的游隙测量角锥镜303，如图11所示。确定试验段主轴1201测量角度后，在压轴组件的作用下将压轴杆313由释放状态如图12变为压紧状态，避免测量关节轴承80游隙时，主轴双列圆锥滚子轴承1206的游隙对测量结果的影响。并且，图12(a)为压轴杆313抬起的主视图，图12(b)为图12(a)在E-E处的剖视图。双向加载过程中，记录拉压力传感器310及关节轴承80外圈81中心点的绝对高度值变化，拉压力传感器310测量的拉力值及压力值达到设定值时的两次关节轴承80外圈81中心点的绝对高度值之差即为关节轴承80的游隙值。完成一次测量后，释放压轴杆313，并将试验段主轴1201转动一个特定的角度(360°均匀选取)后压紧压轴杆313，然后使用双向加载钩312对轴承夹具主体131双向加载，进行不同内圈82转角下的游隙测量。

在一实施例中，调整所述轴承夹具主体131与所述双向加载钩312钩接，包括如下步骤：

控制载荷施加梁1407降下载荷施加座1408，使所述载荷施加座1408与所述轴承夹具主体131脱开；

控制外圈摆动轴1502带动所述轴承夹具主体131偏转，并下降所述双向加载钩312至与所述轴承夹具主体131钩接的位置；

控制所述外圈摆动轴1502带动所述轴承夹具主体131偏转回竖直方向，使所述轴承夹具主体131钩接所述双向加载钩312，实现所述轴承夹具主体131与所述双向加载钩312钩接，以对所述轴承夹具主体131进行双向加载。

双向加载组件中双向加载钩312与轴承夹具主体131的连接方法如图14所示。首先通过载荷施加梁1407降下载荷施加座1408，使其与轴承夹具主体131脱开，然后使用外圈摆动轴1502将轴承夹具主体131偏转一个角度，并降下双向加载钩312到合适的位置，如图14(a)所示，进一步使用外圈摆动轴1502将轴承夹具主体131转回竖直方向，如图14(b)所示，因而使用双向加载钩312钩住轴承夹具主体131中的连接结构。双向加载钩312向上运动使用双向加载钩312的钩部实现对轴承夹具主体131的向上加载，如图14(c)所示，向下运动使用双向加载钩312的加载面实现对轴承夹具主体131的向下加载，如图14(d)所示，使用拉压力传感器310测量上下加载的加载力，使用双向加载驱动件311的上下位移控制加载力的大小为设置值。

参见图15至图19，在一实施例中，测量与数据采集系统还包括转移膜在线观测装置40，转移膜在线观测装置40分设于真空腔内外，用于对关节轴承80的内外表面进行在线观测。转移膜在线观测装置40是低温大温变关节轴承测试平台1中实现转移膜成分、形态、厚度测量的重要组成部分。值得说明的是，转移膜由关节轴承80的自润滑衬垫材料形成，具体的，PTFE(聚四氟乙烯)是自润滑的关节轴承80中常用的自润滑材料，此外衬垫自润滑关节轴承80中的自润滑衬垫还含有其他有机自润滑材料，在关节轴承80运转过程中这些自润滑材料可转移到关节轴承80内圈82外表面形成转移膜起到润滑作用。

通过转移膜在线观测装置40可以对特定的关节轴承的内圈82外表面形成的转移膜进行观测，得到内圈82外表面的转移膜的成分、形态及厚度分布情况。并且，由于完整的关节轴承80难以观测到内圈82外表面的情况，因此使用半外圈92的观测关节轴承90，以实现对内外圈表面的在线观测。也就是说，观测关节轴承90的外圈为半外圈91的结构，内圈为完整内圈92的结构。对观测关节轴承90的转移膜进行观测时，观测关节轴承90为半外圈92的关节轴承。这样，可以方便观测到观测关节轴承90的完整内圈92外表面上形成的转移膜，进而可得到其成分、形态、厚度分布情况，为研究关节轴承的自润滑机理及失效形式提供手段，提高关节轴承在特殊工况环境下的使用性能。

在一实施例中，转移膜在线观测装置40包括观测关节轴承90、观测轴承夹装组件、观测环境组件以及观测组件，观测关节轴承90为半外圈91结构的观测关节轴承90用于在线观测模式下的轴承试验，观测轴承夹装组件用于夹装观测关节轴承90，观测环境组件用于实现观测关节轴承90低温、大温变、真空、气氛的试验环境，观测组件用于观测关节轴承90内圈92外表面的在线观测。观测环境组件包括观测真空腔门202及观测低温室402，观测腔门401安装于真空腔体201，用于形成密封的真空室，观测低温室402安装于真空腔体201中的低温室背板支架207并罩设于观测关节轴承90及观测轴承夹装组件。在进行转移膜在线观测时，需要对低温大温变关节轴承测试平台1进行简单改装，拆去外圈摆动机构15，更换真空腔门202、试验低温室206及轴承夹装构件13，即可实现转移膜在线观测功能。

具体的，将原来的真空腔门202更换为观测腔门401，将试验低温室206更换为观测低温室402。观测关节轴承90包括半外圈91和完整内圈92。采用观测轴承夹装组件夹持关节轴承90的半外圈91，同时，观测关节轴承90的完整内圈92仍安装于试验段主轴1201。观测低温室402罩设于观测关节轴承90及观测轴承夹装组件，关闭观测腔门401后，观测腔门401与真空腔体201形成密闭的真空室。需要说明的是，观测低温室402与试验低温室206内的制冷源均相同，即通过制冷冷头205保证观测低温室402内的温度，在此不一一赘述。观测腔门401所形成的真空腔体201的真空度也由机械泵203等保持，在此不一一赘述。

观测低温室402与观测腔门401是为了方便在低温、大温变、真空、气氛环境下对观测关节轴承90进行观测，观测低温室402与观测腔门401的结构根据观测组件及真空室内部结构的空间要求及观测要求进行设计。具体的，观测真空腔门202具有用于观测的第一观察窗412，观测低温室402具有用于观测的第二观察窗413，第一观察窗412与所述第二观察窗413相对设置，观测组件可透过第一观察窗412及第二观察窗413对关节轴承90的内圈92外表面进行在线观测。

观测组件包括观测仪器移动台408、安装于观测仪器移动台408的扫描调焦位移平台以及安装于扫描调焦位移平台的观测仪器407。可选地，观测仪器为观测显微镜。可选地，当使用傅里叶变换红外显微镜观测时，第一观察窗412与第二观察窗413可为ZnSe红外玻璃窗，当然，在本发明的其他实施方式中，第一观察窗412与第二观察窗413还可为能够便于观察的部件。在线观测模式下，仍由运动与载荷模拟系统10对观测关节轴承90进行摩擦试验，既载荷施加机构14为试验关节轴承90提供试验载荷，由悬臂主轴机构12带动观测关节轴承90的完整内圈92摆动或转动，仍由测量与数据采集系统中的摩擦系数测量装置及游隙与磨损量测量装置30测量测量关节轴承90摩擦系数及磨损量，由改装后的环境测量与控制系统20实现低温、大温变、真空、气氛的试验环境，不同的是，观测模式下观测关节轴承90的半外圈91不能摆动，并且不测量观测关节轴承90的原位游隙。进行在线观测时，控制试验段主轴1201停止转动，并选择关节轴承90的完整内圈92合适的待测区域进行观测，进而获得关节轴承90的完整内圈92外表面的转移膜成分、形态及厚度情况。

在一实施例中，观测夹具组件包括观测夹具主体403以及夹具压板404，观测夹具主体403安装于载荷施加机构14的载荷施加滑台1406，并可沿载荷施加滑台1406滑动，夹具压板404用于将关节轴承90的半外圈91压设于观测夹具主体403中，并通过压板螺母件将夹具压板404固定于观测夹具主体403，使得关节轴承90的半外圈91可靠的固定于观测夹具主体403中。关节轴承90的完整内圈92则过盈安装于试验段主轴1201远离支撑段主轴1202的一端。

具体的，观测夹具主体403安装观测关节轴承90的半外圈91后，再安装到载荷施加滑台1406。观测关节轴承90的完整内圈92过盈安装于试验段主轴1201。然后，移动观测夹具主体403在载荷施加滑台1406的位置，使得观测关节轴承90的半外圈91对准完整内圈92。施加载荷时，关节轴承90的完整内圈92压入观测关节轴承90的半外圈91中，既可进行摩擦试验

并且，观测夹具主体403的两侧还同时安装有角锥镜固定支架301。这样，进行观测关节轴承90摩擦试验时，可以对观测关节轴承90的磨损量进行测量。

可以理解的，观测关节轴承90完整内圈92也采用试验轴承定位套筒1212和试验轴承圆螺母1213进行轴向定位，在此不一一赘述。

在一实施例中，转移膜在线观测装置40的观测组件包括观测仪器407。观测仪器407用于对观测关节轴承90的内圈92外表面进行观测。观测仪器407可以实现对观测关节轴承90内圈外表面的转移膜进行观测，获得转移膜的成分、形态、厚度等信息及转移的分布情况，实现转移膜的在线观测。示例性地，观测仪器407为傅里叶红外显微镜。可使用傅里叶红外显微镜对观测关节轴承90完整内圈92外表面的转移膜进行表征，得到转移膜的红外谱图。通过分析转移膜的红外谱图得到转移膜的化学成分，并对不同微区的红外谱图进行定量分析，得到转移膜成分在观测关节轴承90完整内圈92外表面的空间及厚度分布。当然，在本发明的其他实施方式中，观测仪器407还可为其他类型的仪器，如光学显微镜或显微拉曼成像光谱仪。

在一实施例中，转移膜在线观测装置40还包括观测仪器移动台408和安装于观测仪器移动台408的扫描调焦位移平台，观测仪器移动台408与安装支座11连接，扫描调焦位移平台安装于观测仪器移动台408，用于安装观测仪器407。扫描调焦位移平台带动观测仪器407对观测关节轴承90完整内圈92外表面的特定微区进行观测或进行区域扫描成像。扫描调焦位移平台实现对观测仪器407的移动、调焦、扫描功能。可以理解的，观测仪器移动台408用于实现三维扫描调焦位移平台的安装。值得说明的，在进行转移膜厚度测量时，将显微镜移动平台与安装支座11连接，并通过观测仪器407进行扫描成像。当不进行转移膜厚度测量时，比如进行标准轴承试验时等，此时可以将显微镜移动平台拆卸下来，避免占用空间。

在一实施例中，扫描调焦位移平台包括用于实现X向运动的X向位移平台409、用于实现Y向运动的Y向位移平台410以及用于实现Z向运动的Z向调焦升降平台411。通过X向位移平台409、Y向位移平台410以及Z向调焦升降平台411带动观测仪器4074运动，可以调整观测仪器407的位置，使其能够对准关节轴承90的待测区域并且对焦准确，以获得要求区域清晰准确的观测数据。

采用转移膜在线观测装置40对观测关节轴承90的完整内圈92外表面进行在线观测时，在扫描调焦位移平台的带动下，傅里叶显微镜对半外圈91的观测关节轴承90的完整内圈92外表面进行红外光谱微区扫描成像，进而通过谱图识别、数据处理得到半外圈91的观测关节轴承90的完整内圈92外表面的转移膜成分的分布情况。依据朗伯-比耳定律对红外光谱进行定量分析，进而可以得到转移膜在观测关节轴承90的完整内圈92外表面的厚度分布。

朗伯-比耳定律表述为：当一束光通过样品时，任一波长光的吸收强度(吸光度)与样品中各组分的浓度成正比，与光程长(样品厚度)成正比。对于非吸光性溶剂中的单一溶质的红外吸收光谱，在任一波数(υ)处的吸光度为

式中，A(υ)和T(υ)分别表示在波数(υ)处的吸光度和透射率；a(υ)表示在波数(υ)处的吸光度系数，是所测样品在单位浓度和单位厚度下，在波数(υ)处的吸光度；b表示光程长(与样品厚度相关)，c表示样品的浓度。对于纯样品薄膜，如纯有机物液膜、聚合物薄膜等，式中bc乘积用液膜或薄膜的厚度表示。

进行转移膜在线观测前，首先使用夹具压板404和压板螺纹件将观测关节轴承90的半外圈91夹装在观测夹具主体403中，并将观测夹具主体403安装在载荷施加滑台1406上。将关节轴承90的完整内圈92安装在试验段主轴1201上，移动轴承夹具主体131在载荷施加滑台1406上的位置，使其对准观测关节轴承90的完整内圈92。之后关闭观测腔门401，使得真空腔门202与真空腔体201形成真空腔体201，使用低温大温变关节轴承测试平台1进行半外圈91的观测关节轴承90摩擦磨损试验，可使用激光干涉探头305同时监测试验过程中的磨损量变化，同时可使用加载力传感器502及扭矩传感器501监测测试过程中的摩擦系数变化。摩擦试验过程中进行转移膜在线观测时，使试验段主轴1201停止转动，并将观测关节轴承90的完整内圈92上待测量位置转动到观测仪器407可观测到的位置，使用X向扫描位移平台和Y向扫描位移平台移动观测仪器407对观测关节轴承90的完整内圈92外表面合适的微区进行观测或者对大区域进行微区扫描，在每个微区观测前使用Z向调焦升降平台411调焦，得到某一微区或大区域内各扫描微区的纤维照片及红外光谱图。

本发明的低温大温变关节轴承测试平台1中设计转移膜在线观测装置40后，实现了观测关节轴承90完整内圈92外表面的转移膜在线观测；实现了低温、大温变、真空、气氛下的观测关节轴承90完整内圈92外表面的转移膜在线观测；实现了低温、大温变、真空、气氛下的观测关节轴承90完整内圈92外表面的选定区域转移膜成分、形态、厚度的观测与测量；实现了观测关节轴承90在线观测同时观测关节轴承90摩擦系数和磨损量的实时监测。

本发明还提供一种观测关节轴承90的观测方法，所述观测方法用于在低温、大温变、真空、气氛环境下测量转移膜厚度，应用于上述实施例中所述的低温大温变关节轴承测试平台1，所述观测方法包括如下步骤：

将所述观测关节轴承90安装于所述观测夹具主体403以及试验段主轴1201中；

关闭观测腔门401，在要求环境气氛及温度下并对所述观测关节轴承90进行摩擦试验；

控制所述试验段主轴1201停止转动；

对所述观测关节轴承90的待测区域进行扫描，以获得所述观测关节轴承90完整内圈92外表面的转移膜成分、形态厚度。

在进行转移膜厚度测量时，首先将观测关节轴承90的半外圈91安装于轴承夹具主体131，观测关节轴承90的完整内圈92安装于试验段主轴1201。之后关闭观测腔门401，使得观测腔门401与真空腔体201形成真空室，使用低温大温变关节轴承测试平台1进行半外圈91的关节轴承90摩擦磨损试验，摩擦试验过程中进行转移膜在线观测时，使试验段主轴1201停止转动，然后控制观测仪器407对观测关节轴承90的完整内圈92外表面待测区域进行扫描，得到这一区域内各扫描微区的红外谱图及显微照片。并通过谱图识别、数据处理、照片拼图得到半外圈91的观测关节轴承90的完整内圈92外表面观测区域的转移膜形态及成分的分布情况，通过对红外光谱的定量分析，可得到光谱待测区域转移膜的厚度，进而可以得到转移膜在观测关节轴承90完整内圈92外表面观测区域的厚度分布。

在一实施例中，将所述观测关节轴承90安装于所述观测夹具主体403以及试验段主轴1201中，包括如下步骤：

使用半外圈91的夹具压板404将所述观测关节轴承90的半外圈91安装于所述观测夹具主体403；

将所述观测夹具主体403安装于载荷施加滑台1406；

将所述观测关节轴承90的完整内圈92安装于所述试验段主轴1201；

控制所述观测夹具主体403沿所述载荷施加滑台1406移动，使所述观测夹具主体403对准所述观测关节轴承90的完整内圈92。

使用夹具压板404和压板螺纹件将观测关节轴承90的半外圈91夹装在观测夹具主体403中，并将观测夹具主体403安装在载荷施加滑台1406上。将观测关节轴承90的完整内圈92安装在试验段主轴1201上，移动观测夹具主体403在载荷施加滑台1406上的位置，使其对准观测关节轴承90的完整内圈92，实现观测关节轴承90的装夹。

在一实施例中，对所述观测关节轴承90进行摩擦试验，包括如下步骤：

控制激光干涉探头305监测所述观测关节轴承90的磨损量变化；

控制加载力传感器502与扭矩传感器501监测所述观测关节轴承90的摩擦系数变化。

关闭观测腔门401，使得观测腔门401与真空腔体201形成真空室，此时，使用低温大温变关节轴承测试平台1进行半外圈91的观测关节轴承90摩擦磨损试验，可使用激光干涉探头305同时监测试验过程中的磨损量变化，同时可使用加载力传感器502及扭矩传感器501监测测试过程中的摩擦系数变化。

在一实施例中，对所述观测关节轴承90的待测区域进行扫描，以获得所述观测关节轴承90的转移膜厚度，包括如下步骤：

控制所述观测关节轴承90的完整内圈92转动至可观测位置；

控制三维扫描调焦位移平台带动观测仪器407对所述观测关节轴承90的完整内圈92外表面的待测区域各扫描微区进行扫描，获得所述待测区域各扫描点的红外谱图，根据红外谱图分析各扫描微区的转移膜成分；

根据朗伯-比耳定律对所述红外谱图进行定量分析，获得所述观测关节轴承90的扫描微区的转移膜的厚度。

摩擦试验过程中进行转移膜在线观测时，使试验段主轴1201停止转动，并将观测关节轴承90的完整内圈92上待测量位置转动到观测仪器407可观测到的位置，然后使用Z向调焦升降平台411调焦，并使用X向扫描位移平台和Y向扫描位移平台对观测关节轴承90的完整内圈92待测区域进行扫描，得到这一区域内各扫描点的红外光谱图，并通过定量分析，可得到光谱待测区域转移膜的厚度。

在一实施例中，所述观测方法还包括如下步骤：

对所述红外谱图进行谱图识别、数据处理，获得所述观测关节轴承90的转移膜分布情况；

根据所述扫描微区的转移膜的厚度，获得转移膜在所述观测关节轴承90的完整内圈92外表面的厚度分布。

通过谱图识别、数据处理得到半外圈91的观测关节轴承90的完整内圈92外表面的转移膜成分的分布情况，再通过定量分析，可得到光谱待测区域转移膜的厚度，进而可以得到转移膜在观测关节轴承90完整内圈92外表面的厚度分布。

值得说明的是，本发明的低温大温变关节轴承测试平台1也可进行环块摩擦试验、滚动轴承摩擦试验等扩展试验，实现这些功能，只要更换相适配的夹具并增加低温力/力矩传感器，即可进行更高精度的摩擦系数测量。

本发明的低温大温变关节轴承测试平台1可以在低温大温变(100K～450K)下进行观测关节轴承80的摩擦试验，可以在真空(极限真空5×10^-5Pa)/氮气(19kPa～101kPa)下进行关节轴承80的摩擦试验。实现了低温、大温变、真空、气氛环境下的关节轴承80摩擦系数测量，实现了低温、大温变、真空、气氛环境下的关节轴承80实时磨损量测量，实现了低温、大温变、真空、气氛环境下的关节轴承80原位游隙测量，实现了低温、大温变、真空、气氛环境下的关节轴承80转移膜在线观测。

值得说明的，真空腔体201中的线缆通过线缆真空法兰208的转接与控制器60连接。实现关节轴承80试验中运动与载荷、环境温度与气氛的控制以及试验数据的采集、转换与传输，控制器60同时与上位机70电连接，获取上位机70的控制指令并执行，并将获取的数据信号处理后传输给上位机70。

上位机70下达指令通过控制器60控制主轴驱动件1215带动扭矩传感器501，进而带动磁流体密封传动装置210进入真空腔带动试验段主轴1201实现关节轴承80的内圈82的转动或摆动；上位机70下达指令通过控制器60控制外圈摆动驱动件1503的直线运动，并通过外圈81摆动运动转换组件将直线运动转换为外圈摆动轴1502的摆动运动，进而使轴承夹具主体131带动关节轴承80的外圈81实现摆动；上位机70下达指令通过控制器60控制载荷施加驱动件1401带动载荷施加杆1402运动并通过加载力传感器502施加载荷给载荷施加梁1407及加载台隔热块1409，进而对轴承夹具主体131中的关节轴承80施加要求的载荷。

上位机70下达指令通过控制器60控制气源212、机械泵203、分子泵204实现真空腔中5×10^-5Pa的极限真空或19kPa～101kPa环境气压，控制低温源211、制冷冷头205以及试验低温室206中的辐射加热源控制试验低温室206中的环境温度。

在试验过程中，扭矩传感器501和加载力传感器502测量的数据经控制器60的数据采集模块采集并将数据发送给上位机70进行处理计算得到实时摩擦系数。激光干涉探头305实时测量轴承夹具主体131中的关节轴承80在竖直方向上的磨损量，通过控制器60的数据采集模块采集并将数据发送给上位机70进行处理得到磨损量。进行游隙测量时，低温大温变关节轴承测试平台1停机，并使用外圈摆动轴1502将轴承夹具主体131摆动到竖直方向，上位机70下达指令通过控制器60控制压轴组件和双向加载钩312，实现游隙测量时的双向加载，并通过激光干涉探头305测量数据经控制器60数据采集模块采集并将数据发送给上位机70进行处理，得到原位游隙值。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书的记载范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (13)

1.一种运动与载荷模拟系统，应用于低温大温变关节轴承测试平台中，其特征在于，所述运动与载荷模拟系统包括安装支座、悬臂主轴机构、轴承夹装构件、载荷施加机构以及外圈摆动机构；

所述悬臂主轴机构设置于所述安装支座，且所述悬臂主轴机构的一端安装所述关节轴承的内圈，用于实现所述关节轴承的内圈的摆动与转动；

所述轴承夹装构件用于夹装所述关节轴承外圈，并与所述外圈摆动机构连接；

所述载荷施加机构设置于所述安装支座，加载时与所述轴承夹装构件抵接，用于对所述关节轴承载荷的施加；

所述外圈摆动机构设置于所述安装支座及所述载荷施加机构，用于使所述关节轴承的外圈偏转或摆动。

2.根据权利要求1所述的运动与载荷模拟系统，其特征在于，所述悬臂主轴机构包括相互连接的试验段主轴、支撑段主轴以及主轴驱动件，所述主轴驱动件位于所述支撑段主轴远离所述试验段主轴的一端，所述试验段主轴远离所述支撑段主轴的一端安装所述关节轴承的内圈，所述试验段主轴可根据不同的试验关节轴承尺寸进行更换。

3.根据权利要求2所述的运动与载荷模拟系统，其特征在于，所述悬臂主轴机构还包括主轴轴承座以及主轴支撑轴承组件，所述主轴支撑轴承组件套设于所述支撑段主轴，并位于所述主轴轴承座中，所述主轴轴承座设置于所述安装支座；

所述主轴支撑轴承组件为一端是浮动端、另一端是固定端的轴系配置，所述固定端位于所述支撑段主轴靠近所述试验段主轴的一侧，所述浮动端用于补偿低温大温变下材料热胀冷缩导致的轴向伸缩位移；

所述支撑段主轴还通过内部联轴器与所述低温大温变关节轴承测试平台中的磁流体密封传动部件连接，所述内部联轴器及所述磁流体密封传动部件位于所述主轴驱动件与所述支撑段主轴之间，所述内部联轴器用于补偿低温大温变下材料热胀冷缩导致的所述悬臂主轴机构轴向伸缩位移以及加工安装导致的所述磁流体密封传动部件与所述悬臂主轴机构之间的同轴度误差。

4.根据权利要求3所述的运动与载荷模拟系统，其特征在于，所述悬臂主轴机构还包括设置于所述支撑段主轴与所述试验段主轴之间的隔热片，所述隔热片用于降低所述悬臂主轴机构的漏热功率；

所述悬臂主轴机构还包括设置于所述主轴轴承座与所述安装支座之间主轴轴承座隔热片，所述主轴轴承座隔热片用于降低所述悬臂主轴机构的漏热功率。

5.根据权利要求2所述的运动与载荷模拟系统，其特征在于，所述轴承夹装构件包括轴承夹具主体以及夹具端盖，所述轴承夹具主体内用于安装所述关节轴承的外圈，所述夹具端盖安装于所述试验夹具主体的端部，用于对所述关节轴承轴向定位。

6.根据权利要求2所述的运动与载荷模拟系统，其特征在于，所述轴承夹装构件包括锥形套圈、轴承夹具主体以及夹具端盖，所述锥形套圈安装于所述轴承夹具主体，与所述轴承夹具主体通过锥面配合，并由所述夹具端盖压紧，所述锥形套圈内用于安装所述关节轴承的外圈，所述锥形套圈与所述关节轴承外圈材料的线膨胀系数一致。

7.根据权利要求5或6所述的运动与载荷模拟系统，其特征在于，所述轴承夹装构件还包括拆卸工具，所述拆卸工具用于实现所述轴承夹装构件的拆卸以及所述关节轴承的拆卸；

所述拆卸工具包括拆卸环以及及拆卸套筒，拆卸时，所述拆卸环安装于所述轴承夹具主体，所述拆卸套筒安装于所述试验段主轴并与所述关节轴承外圈抵接，拉拔器与所述试验段主轴抵接，所述拉拔器的拉拔爪结构与所述拆卸环抵接，并由所述拉拔器的旋转手柄旋转带动所述拆卸环及所述轴承夹具主体脱离所述关节轴承，所述拉拔爪结构还与所述关节轴承的内圈抵接，并由所述旋转手柄旋转带动所述关节轴承脱离所述试验段主轴。

8.根据权利要求5所述的运动与载荷模拟系统，其特征在于，所述载荷施加机构包括载荷施加支撑组件、载荷施加导向组件、载荷施加传力组件及载荷施加驱动组件，所述载荷施加驱动组件设置于所述安装支座，用于对所述载荷施加支撑组件施加驱驱动力，所述载荷施加导向组件设置于所述安装支座并套设于所述载荷施加支撑组件，所述载荷施加支撑组件与所述轴承夹具主体抵接，以对所述关节轴承施加载荷；

所述载荷施加传力组件通过波纹传力管运动地安装于真空室，加载时，所述载荷施加传力组件一端与所述载荷施加驱动组件抵接，另一端伸入所述真空腔体与所述载荷施加支撑组件抵接，实现所述载荷施加机构可以穿过所述真空室施加载荷。

9.根据权利要求8所述的运动与载荷模拟系统，其特征在于，所述载荷施加支撑组件包括载荷施加杆、辅助导向杆、载荷施加梁、载荷施加滑台及载荷施加座，所述载荷施加杆与所述辅助导向杆安装于所述载荷施加梁的下方并运动地穿过所述载荷施加导向组件，所述载荷施加杆在加载时与所述载荷施加传力组件抵接；

所述载荷施加滑台设置在所述载荷施加梁安装所述载荷施加杆的一侧，所述载荷施加滑台上安装所述载荷施加座，所述载荷施加座加载时与所述轴承夹具主体抵接，所述载荷施加座可在所述载荷施加滑台上沿着主轴方向滑动，用于补偿低温大温变下主轴热胀冷缩导致的所述轴承夹装构件的位移；

所述载荷施加支撑组件还包括载荷施加隔热块，用于降低所述载荷施加机构的漏热功率，所述载荷施加隔热块设置于所述载荷施加梁与所述载荷施加滑台之间。

10.根据权利要求5所述的运动与载荷模拟系统，其特征在于，所述外圈摆动机构包括十字滑块、外圈摆动轴组件、运动转换组件、往复运动组件以及外圈摆动驱动件；

所述外圈摆动轴组件包括外圈摆动轴以及套设于其的外圈摆动轴支撑轴承和外圈摆动轴轴承座，所述外圈摆动轴轴承座设置于所述载荷施加梁安装辅助导向杆的一侧，并且所述外圈摆动轴轴承座与所述载荷施加梁之间设置有所述外圈摆动轴轴承座隔热块，用于降低所述外圈摆动轴机构的漏热功率；

所述外圈摆动轴的一端通过所述十字滑块与所述轴承夹具主体连接，所述十字滑块可用于补偿由于低温大温变下材料热胀冷缩以及试验过程中轴承磨损导致的所述轴承夹装构件位移；

所述外圈摆动轴的另一端通过所述运动转换组件与所述往复运动组件连接，所述外圈摆动驱动件与所述往复运动组件连接，所述外圈摆动驱动件驱动所述往复运动组件往复直线运动，并通过所述运动转换组件将往复直线运动转换为往复摆动，进而带动所述外圈摆动轴摆动，使所述外圈摆动轴通过所述十字滑块带动所述轴承夹装构件及所述关节轴承的外圈摆动。

11.根据权利要求10所述的运动与载荷模拟系统，其特征在于，所述往复运动组件包括往复推杆、直线轴承及滚槽连接件，所述直线轴承设置于所述安装支座，所述往复推杆运动地穿过所述直线轴承，所述往复推杆两侧分别与外圈摆动驱动件和滚槽连接件连接。

12.根据权利要求11所述的运动与载荷模拟系统，其特征在于，所述运动转换组件包括摆动杆、连接杆、直线滑台、传力杆、传力杆安装座及滚轮轴承，所述摆动杆的一端与所述外圈摆动轴连接，所述摆动杆的另一端通过所述连接杆运动地与所述传力杆安装座连接，所述传力杆安装座设置于所述交叉滚子滑台，所述交叉滚子滑台运动地设置于所述载荷施加梁安装所述外圈摆动轴轴承座的一侧，所述传力杆的一端安装在所述传力杆安装座上，所述传力杆的另一端安装有所述滚轮轴承，所述滚轮轴承运动地套设于所述滚槽连接件。

13.一种低温大温变关节轴承测试平台，其特征在于，包括环境测量与控制系统、测量与数据采集系统、可编程逻辑控制器、上位机及如权利要求1至12任一项所述的运动与载荷模拟系统；

所述运动与载荷模拟系统用于夹持并带动所述关节轴承运动并对所述关节轴承施加载荷；

所述环境测量与控制系统与所述运动与载荷模拟系统配合，用于测量与控制所述关节轴承所处的环境氛围，使得所述关节轴承处于低温、大温变、真空、气氛环境下进行试验与测量；

所述测量与数据采集系统与所述运动与载荷模拟系统配合，用于低温、大温变、真空、气氛环境下测量并采集所述关节轴承的试验数据及实现所述关节轴承的在线观测；

所述可编程逻辑控制器与所述运动与载荷模拟系统、所述环境测量与控制系统、所述测量与数据采集系统电连接，实现所述关节轴承试验中运动与载荷、环境温度与气氛的控制以及试验数据的采集、转换与传输，所述可编程逻辑控制器同时与所述上位机电连接，获取所述上位机的控制指令并执行，并将获取的数据信号传输给所述上位机。

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