CN110887590B - 一种高速轴承摩擦试验机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高速轴承摩擦试验机，该试验机包括计算机采集控制系统以及待测轴承组件、红外测温仪支架、测力传感器支架和加载组件。支撑侧板上设手动加载摇柄、加载电机；左右小底板上设高速伺服电机；高速伺服电机及左右轴承座的外侧有通过冷却管连接在一起的散热片；待测轴承组件置于左右轴承座上；左右边轴承座上有直线轴承、导向轴；加载组件与手动加载摇柄、加载电机相连；测力传感器支架上设测力传感器；测力传感器触针与待测轴承组件相接触；红外测温仪支架上设红外测温仪；红外测温仪的探头正对待测轴承组件；计算机采集控制系统与高速伺服电机、加载电机、红外测温仪、测力传感器相连。本发明可直接测量滚动轴承摩擦性能。

Description

一种高速轴承摩擦试验机

技术领域

本发明涉及轴承性能测试领域，尤其涉及一种高速轴承摩擦试验机。

背景技术

摩擦力矩是滚动轴承重要的性能参量，滚动轴承的一些重要的性能指标如运转平稳度和精确度都受其影响。而一些特殊用途的轴承像卫星轴承、火箭轴承、飞行器轴承、风力发电轴承等对摩擦力矩的要求更高。几乎所有的机械产品都用到轴承，其质量性能的提高对整体机械性能产生重要影响，因而为了设计出优质的轴承，必须对摩擦力矩进行深入地研究。

然而滚动轴承摩擦力矩受各种各样的随机因素的影响，因此无法通过公式计算它的准确数值，但可以通过仿真试验或实际工程检验去研究它的摩擦力矩性能，而实际试验更加接近于工况条件，相对更加准确和科学。就仿真试验而言，它通过建立数学模型模拟实际工况等是比较复杂而困难的，工程试验能够避免仿真试验模型建立的缺陷，是目前检验模型可行性的最准确标准。

现有的轴承摩擦试验机都是针对滑动轴承，或者是测量轴承材料的摩擦试验机，其可以间接反映轴承摩擦性能，但无法直接测量滚动轴承的摩擦性能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种直接测量滚动轴承摩擦性能的高速轴承摩擦试验机。

为解决上述问题，本发明所述的一种高速轴承摩擦试验机，其特征在于：该试验机包括计算机采集控制系统以及置于大底板上的待测轴承组件、红外测温仪支架、测力传感器支架和加载组件；所述大底板的底部两边分别设有支撑侧板，一个支撑侧板上设有手动加载摇柄，另一个支撑侧板上设有加载电机；所述大底板上对称设有一对导轨，该一对导轨上分别设有带左边轴承座的左边小底板和带右边轴承座的右边小底板；所述左边小底板和所述右边小底板上分别设有高速伺服电机座，该高速伺服电机座上安装有高速伺服电机；所述高速伺服电机的外侧以及所述左边轴承座和所述右边轴承座的外侧安装有通过冷却管连接在一起的散热片；所述冷却管的进出口连接制冷机；所述待测轴承组件置于所述左边轴承座及所述右边轴承座上，该左边轴承座和右边轴承座通过与高速伺服电机链接的传输轴连接在一起；所述左边轴承座上端安装有直线轴承Ⅰ；所述右边轴承座上设有导向轴，该导向轴的一端穿过所述直线轴承Ⅰ；所述右边小底板的下方设有所述加载组件，该加载组件分别与所述手动加载摇柄、所述加载电机相连；所述测力传感器支架上设有测力传感器，该测力传感器连有测力传感器触针；所述测力传感器触针与所述待测轴承组件相接触；所述红外测温仪支架上设有红外测温仪；所述红外测温仪的探头正对所述待测轴承组件；所述计算机采集控制系统分别与高速伺服电机、加载电机、红外测温仪、测力传感器相连。

所述大底板的一侧设有呈L形的所述红外测温仪支架，该红外测温仪支架上设有校准架。

所述待测轴承组件包括置于所述传输轴上的待测轴承套、置于所述待测轴承套和待测轴承端盖中通过待测轴承紧固工装Ⅰ和待测轴承紧固工装Ⅱ固定的两个待测轴承；两个所述待测轴承之间设有挡圈；所述待测轴承套上设有挡片，该挡片与所述测力传感器触针接触；所述待测轴承紧固工装Ⅰ与所述待测轴承紧固工装Ⅱ上设有锥孔，该锥孔与所述传输轴的一端的锥面相配合；所述待测轴承套上设有孔，该孔正对所述红外测温仪的探头。

所述加载组件包括置于大底板上的升降机架、设在升降机架上的升降机、设在升降机输出轴上的加载传感器座；所述在升降机的底部设有直线轴承座，该直线轴承座上设有直线轴承Ⅱ，并安装在所述升降机架上；所述加载传感器座上设有加载导向杆，该加载导向杆的一端穿过所述直线轴承Ⅱ，另一端设有置于加载传感器顶座上的加载传感器；所述加载传感器顶座固定在所述右边小底板上；所述升降机的输入轴一端通过联轴器Ⅰ与所述加载电机相连，该加载电机通过加载电机座安装在一块所述支撑侧板上；所述升降机的输入轴另一端通过联轴器Ⅱ与所述手动加载摇柄相连，该手动加载摇柄通过支撑轴承安装在另一块所述支撑侧板上。

所述支撑侧板下方设有脚座。

一对所述导轨通过八个滑块分别与所述左边小底板和所述右边小底板相连。

所述左边小底板底部通过固定块固定在所述大底板上。

所述散热片为中空铝制长方体，里面装有冷却液。

所述传输轴的一端分别通过梅花联轴器与所述高速伺服电机链接。

所述右边轴承座上端设有安装孔，该安装孔内设有所述导向轴。

所述测力传感器的顶端设有测力传感器垫块，该测力传感器垫块上安装有所述测力传感器触针。

所述大底板上通过铰链安装着一个有机玻璃罩。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明中红外测温仪支架上设有校准架，可用来校准测力传感器。

2、本发明中待测轴承紧固工装Ⅰ与待测轴承紧固工装Ⅱ上设有锥孔，该锥孔与传输轴的一端的锥面相配合，通过两个锥孔锥面的配合，既可以通过锥面间的摩擦力带动轴承转动，同时还可确保待测轴承组件与传输轴同心。

3、本发明大底板上通过铰链安装着一个有机玻璃罩，用于防护安全以及隔音降噪。

4、本发明通过加载传感器、测力传感器、红外测温仪，可以直接测量滚动轴承在不同润滑介质中高速运转时摩擦系数、摩擦温度、旋转扭矩的变化，进而对滚动轴承摩擦力矩的试验分析揭示摩擦力矩动力学方面的性质，为滚动轴承摩擦力矩研究提供参考和借鉴。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的俯视图。

图3为本发明的A-A剖面图。

图4为本发明中待测轴承组件的正面剖面图。

图5为本发明中测力测温示意图。

图6为本发明的底部视图。

图7为本发明加载机构剖面图。

图8为本发明待测轴承组件俯视剖面图。

图中：1—导轨；2—大底板；3—左边小底板；4—高速伺服电机；5—梅花联轴器；6—左边轴承座；7—传输轴；8—待测轴承组件；801—待测轴承；802—待测轴承套；803—挡圈；804—待测轴承紧固工装Ⅰ；805—待测轴承紧固工装Ⅱ；806—待测轴承端盖；901—联轴器Ⅰ；902—升降机；903—联轴器Ⅱ；904—支撑轴承；905—直线轴承座；906—加载导向杆；907—加载传感器座； 908—加载传感器；910—升降机架；911—加载电机座；10—手动加载摇柄；11—加载电机；12—红外测温仪支架；13—红外测温仪；14—测力传感器支架；15—测力传感器触针；16—测力传感器垫块；17—测力传感器；18—滑块；19—支撑侧板；20—校准架；21—高速伺服电机座；22—右边小底板；23—右边轴承座；24—导向轴；25—固定块。

具体实施方式

如图1~8所示，一种高速轴承摩擦试验机，该试验机包括计算机采集控制系统以及置于大底板2上的待测轴承组件8、红外测温仪支架12、测力传感器支架14和加载组件。

大底板2的底部两边分别设有支撑侧板19，一个支撑侧板19上设有手动加载摇柄10，另一个支撑侧板19上设有加载电机11；大底板2上对称设有一对导轨1，该一对导轨1上分别设有带左边轴承座6的左边小底板3和带右边轴承座23的右边小底板22；左边小底板3和右边小底板22上分别设有高速伺服电机座21，该高速伺服电机座21上安装有高速伺服电机4；高速伺服电机4的外侧以及左边轴承座6和右边轴承座23的外侧安装有通过冷却管连接在一起的散热片；冷却管的进出口连接制冷机。

待测轴承组件8置于左边轴承座6及右边轴承座23上，该左边轴承座6和右边轴承座23通过与高速伺服电机4链接的传输轴7连接在一起；左边轴承座6上端安装有直线轴承Ⅰ；右边轴承座23上设有导向轴24，该导向轴24的一端穿过直线轴承Ⅰ；右边小底板22的下方设有加载组件，该加载组件分别与手动加载摇柄10、加载电机11相连；测力传感器支架14上设有测力传感器17，该测力传感器17连有测力传感器触针15；测力传感器触针15与待测轴承组件8相接触；红外测温仪支架12上设有红外测温仪13；红外测温仪13的探头正对待测轴承组件8；计算机采集控制系统分别与高速伺服电机4、加载电机11、红外测温仪13、测力传感器17相连。

其中：大底板2的一侧设有呈L形的红外测温仪支架12，该红外测温仪支架12上设有校准架20，用来校准测力传感器17。

待测轴承组件8包括置于传输轴7上的待测轴承套802、置于待测轴承套802和待测轴承端盖806中通过待测轴承紧固工装Ⅰ804和待测轴承紧固工装Ⅱ805固定的两个待测轴承801；两个待测轴承801之间设有挡圈803；待测轴承套802上设有挡片，该挡片与测力传感器触针15接触；待测轴承紧固工装Ⅰ804与待测轴承紧固工装Ⅱ805上设有锥孔，该锥孔与传输轴7的一端的锥面相配合；通过两个锥孔锥面的配合，可确保待测轴承组件8与传输轴7同心。待测轴承套802上设有孔，该孔正对红外测温仪13的探头。工作时红外线可直接照射到待测轴承801上。

加载组件包括置于大底板2上的升降机架910、设在升降机架910上的升降机902、设在升降机902输出轴上的加载传感器座907；在升降机902的底部设有直线轴承座905，该直线轴承座905上设有直线轴承Ⅱ，并安装在升降机架910上；加载传感器座907上设有加载导向杆906，该加载导向杆906的一端穿过直线轴承Ⅱ，另一端设有置于加载传感器顶座909上的加载传感器908；加载传感器顶座909固定在右边小底板22上；升降机902的输入轴一端通过联轴器Ⅰ901与加载电机11相连，该加载电机11通过加载电机座911安装在一块支撑侧板19上；升降机902的输入轴另一端通过联轴器Ⅱ903与手动加载摇柄10相连，该手动加载摇柄10通过支撑轴承904安装在另一块支撑侧板19上。

支撑侧板19下方设有脚座。

一对导轨1通过八个滑块18分别与左边小底板3和右边小底板22相连。滑块18与一对导轨1配合，可实现左边小底板3和右边小底板22滑动。

左边小底板3底部通过固定块25固定在大底板2上。

散热片为中空铝制长方体，里面装有冷却液。

传输轴7的一端分别通过梅花联轴器5与高速伺服电机4链接。

右边轴承座23上端设有安装孔，该安装孔内设有导向轴24。

测力传感器17的顶端设有测力传感器垫块16，该测力传感器垫块16上安装有测力传感器触针15。

大底板2上通过铰链安装着一个有机玻璃罩，用于防护安全以及隔音降噪。

工作原理：本发明运用同轴扭矩相等原理，通过传感器获取摩擦时一对轴承的扭力信号及红外测温仪13的温度信号，经放大处理，输入计算机经A/D转换将摩擦力信号通过运算得到轴承摩擦系数曲线及温度曲线。

μ=LF/（2r·N）；式中μ—摩擦系数；F—扭力；L—测力点到轴线距离；N—加载力（载荷）；r—轴承摩擦半径。

通过摩擦系数曲线和温度曲线的变化得到轴承在高速环境下不同润滑介质的摩擦机理，即在特定载荷及特定转速下，经过多长时间轴承的摩擦系数发生变化，此时润滑介质失效。

工作时，两个高速伺服电机4通过计算机控制，可根据实验所需转速，精准控制高速伺服电机4的转速，带动传输轴7转动，从而带动待测轴承801转动。两个高速伺服电机4相向设立，并沿着一个方向转动。

通过待测轴承紧固工装Ⅰ804与待测轴承紧固工装Ⅱ805将待测轴承801夹装固定，再将两个装好的待测轴承801用挡圈803隔开，然后一起装入待测轴承套802中（在将待测轴承801等装入轴承套中时需要轴承拆卸安装工装辅助进行），两边用待测轴承端盖806固定。在待测轴承套802上有挡片，该挡片与测力传感器触针15接触，将待测轴承801旋转产生的摩擦力矩传递给测力传感器17，从而测得待测轴承801旋转时的摩擦力矩。

加载电机11通过联轴器Ⅰ901带动升降机902的输入轴正反转动，也可手动转动手动加载摇柄10，通过联轴器Ⅱ903带动升降机902的输入轴正反转动，从而使升降机902的输出轴进行伸缩。通过加载传感器座907带动加载传感器908运动，再通过加载传感器顶座909带动右边小底板22运动，从而带动右边小底板22上的部件整体运动。需要加载时，通过加载电机11或手动加载摇柄10逆时针带动升降机902输入轴转动，则升降机902输出轴向左伸出，从而通过加载传感器908推动右边小底板22向左运动，而左侧小底板3固定不动。最终加载力通过传输轴7施加在待测轴承801上。而施加在待测轴承801上的加载力，就是加载传感器908所测到的力。

本发明通过加载传感器908可测得给试样轴承所施加的载荷F，通过测力传感器17可测得试验轴承的摩擦力f。（由于测力传感器17的测力点在挡片上，测得的力为f1，轴承摩擦力f在滚珠与轴承内外环的接触点上，假设轴承接触点的半径为r，轴线到挡片接触点的距离为L，根据力矩平衡原理可知f1*L=f*r，可知f=f1*L/r，此时f为两个轴承的摩擦力，故单个轴承摩擦力为f=f1*L/r*2），摩擦系数μ=f/F=f1*L/r*2*F。摩擦温度是通过红外测温仪13直接测量得到。

本发明采用进口高速伺服电机4带动轴承内圈高速旋转，由于轴承高速旋转状态不太稳定，所以采用一对轴承，用两个相同的电机带动旋转，即试验轴承既做测试轴承，同时又为支撑轴承，更加符合实际工况，使测量更加准确。给轴承施加的加载力将采用丝杆滑块的方式进行加载，既可以通过电机进行自动加载，同时也可以通过摇柄进行手动加载。试验轴承通过内圈旋转外圈测力的方式来测量轴承转动时的摩擦扭矩。同时为了研究温度对试验轴承摩擦性能的影响，还增加了红外测温仪13对试验轴承进行多点测温。还有在仪器高速运行时，各运动辅助支撑件会产生大量的热量，而不及时将这些热量排出的话就会加剧各辅助件的磨损，所以整个辅助支撑件外围加装了冷却循环装置，大大增加了仪器使用寿命。

Claims (8)

1.一种高速轴承摩擦试验机，其特征在于：该试验机包括计算机采集控制系统以及置于大底板（2）上的待测轴承组件（8）、红外测温仪支架（12）、测力传感器支架（14）和加载组件；所述大底板（2）的底部两边分别设有支撑侧板（19），一个支撑侧板（19）上设有手动加载摇柄（10），另一个支撑侧板（19）上设有加载电机（11）；所述大底板（2）上对称设有一对导轨（1），该一对导轨（1）上分别设有带左边轴承座（6）的左边小底板（3）和带右边轴承座（23）的右边小底板（22）；所述左边小底板（3）和所述右边小底板（22）上分别设有高速伺服电机座（21），该高速伺服电机座（21）上安装有高速伺服电机（4）；所述高速伺服电机（4）的外侧以及所述左边轴承座（6）和所述右边轴承座（23）的外侧安装有通过冷却管连接在一起的散热片；所述冷却管的进出口连接制冷机；所述待测轴承组件（8）置于所述左边轴承座（6）及所述右边轴承座（23）上，该左边轴承座（6）和右边轴承座（23）通过与高速伺服电机（4）链接的传输轴（7）连接在一起；所述左边轴承座（6）上端安装有直线轴承Ⅰ；所述右边轴承座（23）上设有导向轴（24），该导向轴（24）的一端穿过所述直线轴承Ⅰ；所述右边小底板（22）的下方设有所述加载组件，该加载组件分别与所述手动加载摇柄（10）、所述加载电机（11）相连；所述测力传感器支架（14）上设有测力传感器（17），该测力传感器（17）连有测力传感器触针（15）；所述测力传感器触针（15）与所述待测轴承组件（8）相接触；所述红外测温仪支架（12）上设有红外测温仪（13）；所述红外测温仪（13）的探头正对所述待测轴承组件（8）；所述计算机采集控制系统分别与高速伺服电机（4）、加载电机（11）、红外测温仪（13）、测力传感器（17）相连；所述待测轴承组件（8）包括置于所述传输轴（7）上的待测轴承套（802）、置于所述待测轴承套（802）和待测轴承端盖（806）中通过待测轴承紧固工装Ⅰ（804）和待测轴承紧固工装Ⅱ（805）固定的两个待测轴承（801）；两个所述待测轴承（801）之间设有挡圈（803）；所述待测轴承套（802）上设有挡片，该挡片与所述测力传感器触针（15）接触；所述待测轴承紧固工装Ⅰ（804）与所述待测轴承紧固工装Ⅱ（805）上设有锥孔，该锥孔与所述传输轴（7）的一端的锥面相配合；所述待测轴承套（802）上设有孔，该孔正对所述红外测温仪（13）的探头；所述加载组件包括置于大底板（2）上的升降机架（910）、设在升降机架（910）上的升降机（902）、设在升降机（902）输出轴上的加载传感器座（907）；所述在升降机（902）的底部设有直线轴承座（905），该直线轴承座（905）上设有直线轴承Ⅱ，并安装在所述升降机架（910）上；所述加载传感器座（907）上设有加载导向杆（906），该加载导向杆（906）的一端穿过所述直线轴承Ⅱ，另一端设有置于加载传感器顶座（909）上的加载传感器（908）；所述加载传感器顶座（909）固定在所述右边小底板（22）上；所述升降机（902）的输入轴一端通过联轴器Ⅰ（901）与所述加载电机（11）相连，该加载电机（11）通过加载电机座（911）安装在一块所述支撑侧板（19）上；所述升降机（902）的输入轴另一端通过联轴器Ⅱ（903）与所述手动加载摇柄（10）相连，该手动加载摇柄（10）通过支撑轴承（904）安装在另一块所述支撑侧板（19）上。

2.如权利要求1所述的一种高速轴承摩擦试验机，其特征在于：所述大底板（2）的一侧设有呈L形的所述红外测温仪支架（12），该红外测温仪支架（12）上设有校准架（20）。

3.如权利要求1所述的一种高速轴承摩擦试验机，其特征在于：所述支撑侧板（19）下方设有脚座。

4.如权利要求1所述的一种高速轴承摩擦试验机，其特征在于：一对所述导轨（1）通过八个滑块（18）分别与所述左边小底板（3）和所述右边小底板（22）相连。

5.如权利要求1所述的一种高速轴承摩擦试验机，其特征在于：所述左边小底板（3）底部通过固定块（25）固定在所述大底板（2）上。

6.如权利要求1所述的一种高速轴承摩擦试验机，其特征在于：所述散热片为中空铝制长方体，里面装有冷却液。

7.如权利要求1所述的一种高速轴承摩擦试验机，其特征在于：所述传输轴（7）的一端分别通过梅花联轴器（5）与所述高速伺服电机（4）链接。

8.如权利要求1所述的一种高速轴承摩擦试验机，其特征在于：所述右边轴承座（23）上端设有安装孔，该安装孔内设有所述导向轴（24）。

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