CN110954325B - 一种冷热腔短距隔离的超高温轴承性能测试装置及方法 - Google Patents

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Abstract

一种冷热腔短距隔离的重载超高温轴承性能测试装置及方法，它包括驱动模块、扭矩传感器、支撑轴承、径向加载装置、被试轴承、支撑主轴、轴向加载装置和加热室；加热室布置在底座上；支撑主轴通过布置在加热室外部的支撑轴承支撑，驱动模块的输出端连接扭矩传感器，扭矩传感器与布置于加热室外部的支撑主轴的另一端连接，加热室上安装有用于加载被试轴承的轴向加载装置和径向加载装置。测试方法步骤：一、安装需要的被试轴承；二、准备测试；三、加热室升温；四、轴向和径向载荷测试。本发明结构紧凑，工作可靠。

Description

一种冷热腔短距隔离的超高温轴承性能测试装置及方法
技术领域
本发明属于轴承测试领域，具体涉及一种冷热腔短距隔离的重载超高温轴承性能测试装置及方法。
背景技术
如今，我国航空航天技术正在蓬勃地发展与进步，对航天器不断提出更加严苛的要求。而在这其中，轴承的寿命与可靠性正是制约转子系统以及整个航天器寿命与可靠性的关键技术。而超450度高温作为航天领域的典型工况，对轴承产品的材料性能与固体润滑性能都提出了严峻的挑战。目前针对轴承在高温工况下的失效形式，寿命与可靠性计算尚没有完备的理论研究，轴承性能具备很大的不确定性，对轴承性能的考核需要确保工艺轴承在相应工况下工作可靠而准确判断被试轴承的状态。因此，超450℃高温重载轴承的性能考核与试验研究仍然是最重要的、最有效的方法。
综上所述，探究超高温重载轴承综合性能的方法，设计测试装置，对研发高性能的高温轴承产品以及探索高温摩擦学领域而言，是十分必要的。
发明内容
本发明是为克服现有技术的不足，提供一种结构紧凑、工作可靠的冷热腔短距隔离的重载超高温轴承性能测试装置及方法。
本发明的技术方案是：
方案一：一种冷热腔短距隔离的重载超高温轴承性能测试装置，它包括驱动模块、扭矩传感器、支撑轴承、径向加载装置、被试轴承、支撑主轴、轴向加载装置和加热室；加热室布置在底座上，支撑主轴的一端布置在加热室内，被试轴承安装在所述支撑主轴的一端；支撑主轴通过布置在加热室外部的支撑轴承支撑，支撑轴承支撑在布置于底座上的支撑架上，驱动模块的输出端连接扭矩传感器，扭矩传感器与布置于加热室外部的支撑主轴的另一端连接，加热室上安装有用于加载被试轴承的轴向加载装置和径向加载装置。
方案二：一种冷热腔短距隔离的重载超高温轴承性能测试方法，它包括：
步骤一、安装需要的被试轴承；调节径向加载装置和轴向加载装置，对被试轴承施加性能测试所需的径向与轴向载荷；
步骤二、启动扭矩传感器、以及安装于加热室上的温度传感器和压力表，准备进行测试；
步骤三、关闭加热室的腔门，对加热室进行升温，通过温度传感器观测被测环境温度；
步骤四、启动驱动模块，通过径向加载装置和轴向加载装置调节被试轴承的径向与轴向载荷，并在性能测试过程中记录摩擦力矩与温度测试数据。
本发明与现有技术相比具有以下效果
被试轴承放置于加热室中，加热室加热以模拟被试轴承的高温工况，加载装置在外部提供被试轴承的轴向载荷与径向载荷。支撑轴承放置于常温环境中，受高温影响较小，支撑整个试验轴系的稳定运动。由于靠近被试轴承的支撑轴承需要承受比被试轴承更高的工作载荷，为确保该支撑轴承的工作可靠性，通过缩短该支撑轴承与被试轴承的距离，支撑轴承与被试轴承的最短距离约为140mm，从而形成短距离的冷热腔隔离，有效提高了轴系的刚度和支撑轴承的工作可靠性，增加了被试轴承的加载能力，可实现轴承的超高温重载试验条件。
下面结合附图和实施方式对本发明进行详细说明
附图说明
图1为本发明的冷热腔短距隔离的重载超高温轴承性能测试装置的结构图；
图2为本发明的冷热腔短距隔离的重载超高温轴承性能测试原理图；
图3为实施例四的测试曲线图；
图4为实施例六的测试曲线图；
图5为实施例七的测试曲线图；
图6为实施例八的测试曲线图。
具体实施方式
参见图1和图2所示，本实施方式的一种冷热腔短距隔离的重载超高温轴承性能测试装置，它包括驱动模块1、扭矩传感器2、支撑轴承3、径向加载装置5、被试轴承6、支撑主轴7、轴向加载装置8和加热室9；加热室9布置在底座10上，支撑主轴7的一端布置在加热室9内，被试轴承6安装在所述支撑主轴7的一端；
支撑主轴7通过布置在加热室9外部的支撑轴承3支撑，支撑轴承3支撑在布置于底座10上的支撑架13上，驱动模块1的输出端连接扭矩传感器2，扭矩传感器2与布置于加热室9外部的支撑主轴7的另一端连接，加热室9上安装有用于加载被试轴承6的轴向加载装置8和径向加载装置5。
被试轴承6布置在加热室9内，支撑轴承3放置于常温环境中，受高温影响较小，支撑整个试验轴系的稳定运动。由于靠近被试轴承的支撑轴承需要承受比被试轴承更高的工作载荷，为确保该支撑轴承的工作可靠性，通过缩短该支撑轴承与被试轴承的距离，从而形成短距离的冷热腔隔离，有效提高了轴系的刚度和支撑轴承的工作可靠性，增加了被试轴承的加载能力，可实现轴承的超高温重载试验。
较佳地，所述加热室9内布置有提供热量的电阻丝。如图2所示，所述支撑轴承3包括第一支撑轴承3-1和第二支撑轴承3-2；第一支撑轴承3-1和第二支撑轴承3-2布置在扭矩传感器2和加热室9之间，第一支撑轴承3布置在扭矩传感器2和第二支撑轴承3-2之间。第一支撑轴承3-1和第二支撑轴承3-2布置在常温环境下，被试轴承6布置在高温环境中，实现轴承的超高温重载试验。支撑主轴、轴向加载装置和径向加载装置均与加热室9密封连接。
进一步地，为了保证加载的可靠，轴向加载套11通过轴向加载装置8施加横向力顶在被试轴承6的外圈端面上，径向加载套12套在被试轴承6的外圈周侧面上。如此设置，也便于拆装，方便试验。
另一个具体方式，还提供一种冷热腔短距隔离的重载超高温轴承性能测试方法，它包括：
步骤一、安装需要的被试轴承6；调节径向加载装置5和轴向加载装置8，对被试轴承6施加试验所需的径向与轴向载荷；
步骤二、启动扭矩传感器2、以及安装于加热室9上的温度传感器和压力表，准备进行测试；
步骤三、关闭加热室9的腔门，对加热室9进行升温，通过温度传感器观测被测环境温度；
步骤四、启动驱动模块1，通过径向加载装置5和轴向加载装置8调节被试轴承6的径向与轴向载荷，并在试验过程中记录摩擦力矩与温度测试数据。
在步骤一中，通过轴向加载装置8将轴向加载套11施加横向力顶在被试轴承6的外圈端面上实现轴向加载，通过径向加载装置5对套在被试轴承6上的径向加载套12施加载荷实现径向记载。
为了加载试验准确和高效，将温度传感器和压力表采集的信息，传送于上位机，并由上位机实现数据采集和反馈。温度传感器和压力表与上位机通信，压力表为电子压力表，测试时，启动上位机中的数据采集系统实时采集温度传感器和压力表数据。上位机采集卡选用ni9205型产品。
参见图1和图2所示，所述驱动模块1为电机减速机。通过驱动模块1带动支撑主轴7旋转下进行载荷试验。通常，轴向加载和径向加载均采用液压方式加载。
基于上述测试装置或方法，提供如下实施例
实施例一：被试轴承6为32018X，测试温度为室温-600℃，径向载荷20-60kN，轴向载荷为10-25kN，轴承运动方式为往复摆动，摆动角速度为600°/s，被试轴承6的摩擦力矩约为0-230N·m。
实施例二：被试轴承6为6207，测试温度为室温～300℃，径向载荷50-300N，轴向载荷为100-1150N，轴承运动方式为整周回转，回转角速度为120r/min，被试轴承6的摩擦力矩约为0-3N·m。
实施例三：被试轴承6为71910C，测试温度为室温-500℃，径向载荷3-7.3kN，轴向载荷为0.3-0.5kN，轴承运动方式为往复摆动，摆动角速度120°/s，被试轴承摩擦力矩约为0-7N·m。
实施例四：被试轴承6为GE8E，测试温度为室温-500℃，径向载荷1-4.3kN，轴向载荷为0N，轴承运动方式为往复摆动，摆动角速度120°/s，被试轴承6的摩擦力矩约为0-15N·m。测试得到曲线图如图3所示，在温度保持约500℃时，随着径向载荷增加，被试轴承6的摩擦力矩增大。
实施例五：被试轴承6为G15E，测试温度为室温-500℃，径向载荷4.3kN，轴向载荷为0N，轴承运动方式为往复摆动，摆动角速度120°/s，被试轴承6的摩擦力矩约为0～30N·m。
实施例六：被试轴承6为GE20K，测试温度为室温-500℃，径向载荷0-1.5kN，轴向载荷为0N，轴承运动方式为往复摆动，摆动角速度120°/s，被试轴承6的摩擦力矩约为0-5N·m。测试得到曲线图如图4所示，在测试温度保持约500℃时，径向载荷变化时，摩擦力矩也随着变化，随着径向载荷增加或下降，被试轴承6的摩擦力矩也增大或下降。
实施例七：被试轴承6为GE35E，测试温度为室温-500℃，径向载荷4-16.2kN，轴向载荷为2kN，轴承运动方式为往复摆动，摆动角速度120°/s，被试轴承6的摩擦力矩约为0-40N·m。测试得到曲线图如图5所示，随着测试温度的持续升高，径向载荷增加或减少时，被试轴承6的摩擦力矩也随着增加或下降。
实施例八：被试轴承6为GE16E，测试温度为室温～500℃，径向载荷0～20kN，轴向载荷为0N，轴承运动方式为往复摆动，摆动角速度120°/s，被试轴承6的摩擦力矩约为0-50N·m。测试得到曲线图如图6所示，测试温度呈阶梯变化时，随着径向载荷逐渐增加，被试轴承6的摩擦力矩也在逐渐增加，测试温度保持不变时，径向载荷逐渐增加，摩擦力矩也随增加；测试温度逐渐增加时，径向载荷逐渐下降，摩擦力矩也逐渐下降。
本发明已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，依据本发明的技术实质对以上实施案例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案范围。

Claims (8)

1.一种冷热腔短距隔离的重载超高温轴承性能测试装置，其特征在于：它包括驱动模块(1)、扭矩传感器(2)、支撑轴承、径向加载装置(5)、被试轴承(6)、支撑主轴(7)、轴向加载装置(8)和加热室(9)；加热室(9)布置在底座(10)上，支撑主轴(7)的一端布置在加热室(9)内，被试轴承(6)安装在所述支撑主轴(7)的一端；
支撑主轴(7)通过布置在加热室(9)外部的支撑轴承(3)支撑，支撑轴承(3)布置于常温环境中，并支撑在布置于底座(10)上的支撑架(13)上，通过缩短支撑轴承(3)与被试轴承(6)的距离，形成短距离的冷热腔隔离，有效提高了轴系的刚度和支撑轴承(3)的工作可靠性，驱动模块(1)的输出端连接扭矩传感器(2)，扭矩传感器(2)与布置于加热室(9)外部的支撑主轴(7)的另一端连接，加热室(9)上安装有用于加载被试轴承(6)的轴向加载装置(8)和径向加载装置(5)；轴向加载套(11)通过轴向加载装置(8)施加横向力顶在被试轴承(6)的外圈端面上，径向加载套(12)套在被试轴承(6)的外圈周侧面上，驱动模块(1)驱动实现被试轴承(6)在往复摆动或整周转动运动下的轴向加载和/或径向加载的摩擦力矩测试。
2.根据权利要求1所述一种冷热腔短距隔离的重载超高温轴承性能测试装置，其特征在于：所述加热室(9)内布置有提供热量的电阻丝。
3.根据权利要求2所述一种冷热腔短距隔离的重载超高温轴承性能测试装置，其特征在于：所述支撑轴承包括第一支撑轴承(3-1)和第二支撑轴承(3-2)；第一支撑轴承(3-1)和第二支撑轴承(3-2)布置在扭矩传感器(2)和加热室(9)之间，第一支撑轴承(3-1)在扭矩传感器(2)和第二支撑轴承(3-2)之间。
4.一种如权利要求1至3任意一项权利要求所述冷热腔短距隔离的重载超高温轴承性能测试装置的测试方法，其特征在于：它包括
步骤一、安装需要的被试轴承(6)；调节径向加载装置(5)和轴向加载装置(8)，对被试轴承(6)施加性能测试所需的径向与轴向载荷；
步骤二、启动扭矩传感器(2)、以及安装于加热室(9)上的温度传感器和压力表，准备进行测试；
步骤三、关闭加热室(9)的腔门，对加热室(9)进行升温，通过温度传感器观测被测环境温度；
步骤四、启动驱动模块(1)，通过径向加载装置(5)和轴向加载装置(8)调节被试轴承(6)的径向与轴向载荷，被试轴承(6)的运动方式为往复摆动或整周转动，记录摩擦力矩与温度测试数据。
5.根据权利要求4所述一种冷热腔短距隔离的重载超高温轴承性能测试方法，其特征在于：通过轴向加载装置(8)将轴向加载套(11)施加横向力顶在被试轴承(6)的外圈端面上实现轴向加载，通过径向加载装置(5)对套在被试轴承(6)上的径向加载套(12)施加载荷实现径向记载。
6.根据权利要求5所述一种冷热腔短距隔离的重载超高温轴承性能测试方法，其特征在于：温度传感器和压力表与上位机通信，测试时，启动上位机中的数据采集系统实时采集温度传感器和压力表数据。
7.根据权利要求6所述一种冷热腔短距隔离的重载超高温轴承性能测试方法，其特征在于：所述驱动模块(1)为电机减速机。
8.根据权利要求7所述一种冷热腔短距隔离的重载超高温轴承性能测试方法，其特征在于：轴向加载和径向加载均采用液压方式加载。
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