CN110954427A - 一种多功能微型精密轴承实验平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多功能微型精密轴承实验平台，包括平台，以及设于平台上的测试底座、测试轴、传动机构和径向加载机构；所述测试底座上设一装有润滑油的油池，油池两端各配置一个轴承座，轴承座及油池的上方通过盖体密封构成一个密封壳体，测试轴的两端安装在设于轴承座内的端部轴承上；待测的微型精密轴承与位于密封壳体内的测试轴相适配，微型精密轴承上安装温度传感器和声发射传感器，微型精密轴承浸没于油池的润滑油内；所述测试轴的一端伸出密封壳体与传动机构的输出端同轴适配；所述径向加载机构设于密封壳体的上部，其输出端与微型精密轴承的外周面顶紧。本发明的有益效果为：本发明可实现多工况下对微型精密轴承摩擦磨损情况的实验研究，投资及运行成本低。

Description

一种多功能微型精密轴承实验平台

技术邻域

本发明涉及轴承摩擦性能测试技术领域，具体涉及一种多功能微型精密轴承实验平台。

背景技术

近年来，随着科技的进步，对当今机械仪器、仪表在高密度、高精度、高性能和高可靠性等方面提出了更高的要求，其中精密轴承在各微型器械中的应用越来越多。由于轴承结构的微小型化，工作载荷也趋向轻微，对轴承在微载荷下摩擦学特性的要求越来越高。微载荷下，结构，表面特性，载荷，速度和润滑油等引起的微小变化都将使轴承的运转状态出现异常。精密轴承能够满足在微型器械中的使用条件，由于其形状尺寸的原因，对其在性能上要求旋转体具有高跳动精度、高旋转速度级和摩擦磨损变化小，这不仅对精密轴承的材料提出了更高的要求，更对其润滑油和滑油添加剂提出了更大的挑战。

由于轴承使用时的工况条件十分复杂，温度、运转速度、负荷、磨粒磨屑及油膜厚等都对润滑情况有较大影响。润滑油的成膜能力、膜厚、油膜破裂边界等决定了润滑情况的好坏；摩擦副表面硬度和表面粗糙度对微型轴承的摩擦性能有显著影响，当材料的硬度决定后，表面粗糙度对动摩擦因数的影响就决定了微型轴承的摩擦磨损情况。于是，对微型轴承的润滑要求有了更高水平的标准。

为了探究微型精密轴承的摩擦特性以及最佳润滑工况，进行轴承的摩擦实验是极有必要的。然而，由于测量精度的限制，目前国内一般只能进行分米级以上大尺度的轴承台架测试。而对于微小型轴承，只能通过摩擦试验机进行简单试块(如球-盘、销-盘、环-块等)的摩擦实验去模拟完整轴承的工作情况，实验结果与真实轴承的实际工业应用仍有较大距离。此外，除了摩擦力、摩擦系数这一核心测试数据之外，润滑油膜厚度对于判断润滑状态(边界润滑、混合润滑和流体动压润滑)和分析磨损情况(润滑油液是否能够完全分隔固体接触、减小磨损)具有重要意义；而润滑油液温度则可以直接反应摩擦对轴承工作状态的影响，判断轴承是否会因摩擦热过高而发生形变甚至抱轴。因此，油膜厚度和油液温度数据也应当被采集记录。由此可见，开发针对微型轴承的摩擦测试平台，实现高精密度和多功能化的摩擦学测试，对满足当今器械逐步微型化和精密化的趋势以及适应新制造业革命的潮流有着重要意义。

发明内容

本发明的目的在于，针对现有技术的不足，提供一种可测量多种物理量及在多工况下进行摩擦性能测试的多功能微型精密轴承实验平台。

本发明采用的技术方案为：一种多功能微型精密轴承实验平台，包括平台，以及设于平台上的测试底座、测试轴、传动机构和径向加载机构；所述测试底座上设一装有润滑油的油池，油池两端各配置一个轴承座，轴承座及油池的上方通过盖体密封构成一个密封壳体，测试轴的两端安装在设于轴承座内的端部轴承上；待测的微型精密轴承与位于密封壳体内的测试轴相适配，微型精密轴承上安装温度传感器和声发射传感器，微型精密轴承的底部与油池的润滑油接触；所述测试轴的一端伸出密封壳体，经扭矩传感器与传动机构的输出端同轴适配；所述径向加载机构设于密封壳体的上部，其输出端垂直穿过密封壳体，通过压力传感器与微型精密轴承的外周面顶紧。

按上述方案，所述温度传感器和声发射传感器对称安装在微型精密轴承的同一截面上，且二者位于测试轴两侧。

按上述方案，所述传动机构包括驱动电机和传动轴，所述驱动电机的电机轴通过第一联轴器与传动轴的输入端相连，传动轴的输出端穿过扭矩传感器，并通过第二联轴器与测试轴连接。

按上述方案，所述径向加载机构包括伺服加载电机、加载丝杆、丝杆固定块和压力头，所述伺服加载电机的电机轴与加载丝杆相连并带动加载丝杆转动；所述丝杆固定块内设有与加载丝杆相适配的螺纹孔，丝杆固定块的下部通过压力传感器与压力头相连，压力头设于微型精密轴承的外周面，向微型精密轴承传递径向载荷。

按上述方案，所述压力头设于微型精密轴承的中部，传递伺服加载电机的压力；通过加载丝杆和丝杆固定块保证力的稳定和精确度。

按上述方案，在平台的底部安装减震垫脚。

按上述方案，在油池与测试轴端部结合处设有密封件，密封件采用四氟橡胶板制作。

按上述方案，在驱动电机的电机轴外及传动轴外分别设有轴套。

本发明的有益效果为：

1、本发明通过各传感器可精确获取微型精密轴承上润滑油的油膜厚度、温度、压力等多种动态数据，通过这些动态数据可判断微型精密轴承的润滑情况，实现在多工况下对微型精密轴承摩擦磨损情况的实验研究；两台电机施加不同转速，可模拟不同扭矩和负载的工况下转轴与轴承的配合运行；

2、本发明结构设计合理，立式结构紧凑节省空间，投资及运行成本低，大大降低了研究费用，打破了国外垄断微型轴承实验平台市场。

附图说明

图1为本发明一个具体实施例的整体结构示意图。

图2为本实施例的正视图。

图3为本实施例的侧视图

图4为本实施例中径向加载机构的示意图。

其中：1.驱动电机；2.平台；3.第一联轴器；4.轴套；5.扭矩传感器；6.第二联轴器；7.径向加载机构；8.声发射传感器；9.轴承；10.油池；11.温度传感器；12.轴承座；13.测试轴；14.减震垫脚；15.电机轴；16.传动轴；17.伺服加载电机；18.加载丝杆；19.丝杆固定块；20.压力传感器；21.压力头。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步地描述。

如图1～4所示的一种多功能微型精密轴承实验平台，包括平台2，以及设于平台2上的测试底座、测试轴13、传动机构和径向加载机构7；所述测试底座上设一装有润滑油的油池 10，油池10两端各配置一个轴承座12，轴承座12及油池10的上方通过盖体密封构成一个密封壳体，测试轴13的两端安装在设于轴承座12内的端部轴承上；待测的微型精密轴承9与位于密封壳体内的测试轴13相适配，微型精密轴承9上安装温度传感器11和声发射传感器8，微型精密轴承9底部与油池10的润滑油接触；所述测试轴13的一端伸出密封壳体，经扭矩传感器5与传动机构的输出端同轴适配；所述径向加载机构7设于密封壳体的上部，其输出端垂直穿过密封壳体，通过压力传感器20与微型精密轴承9的外周面顶紧。

本实施例中，所述声发射传感器8用于实时检测微型精密轴承9上的油膜厚度；温度传感器11用于实时检测微型精密轴承9上的油膜温度；压力传感器20用于实时检测施加给微型精密轴承9上的径向载荷；扭矩传感器5用于实时检测施加给测试轴13的扭矩。

本实施例中，在油池10与测试轴13端部结合处设有密封件，密封件采用四氟橡胶板制作。所述轴承座12采用精密加工的锁紧式结构，便于快速拆装工件。端部轴承为滚珠轴承，微型精密轴承9为滑动轴承。所述平台2为钢结构。

优选地，所述温度传感器11和声发射传感器8对称安装在微型精密轴承9的同一截面上，保证测试轴承同一点的润滑状态，且二者位于测试轴13两侧；所述微型精密轴承9的外径为 19～24mm，内径6～8mm；所述测试轴13的内径7.995～8.005mm。本实施例中，所述微型精密轴承9内外径圆度误差均小于1um，轴承槽的圆度误差小于1um，为保证其与测试轴13的配合精度和装上后的定位精度，同时也为确保多组实验后数据的一致性和稳定性，减小机械误差。

优选地，所述传动机构包括驱动电机1和传动轴16，所述驱动电机1的电机轴15通过第一联轴器3与传动轴16的输入端相连，传动轴16的输出端穿过扭矩传感器5，并通过第二联轴器6与测试轴13连接。

本实施例中，在驱动电机1的电机轴15外及传动轴16外分别设有轴套4。

优选地，所述径向加载机构7包括伺服加载电机17、加载丝杆18、丝杆固定块19和压力头21，所述伺服加载电机17的电机轴15与加载丝杆18相连并带动加载丝杆18转动；所述丝杆固定块19内设有与加载丝杆18相适配的螺纹孔，丝杆固定块19的下部通过压力传感器20与压力头21相连，压力头21设于微型精密轴承9的外周面，对微型精密轴承9传递径向载荷。

本实施例中，所述压力头21设于微型精密轴承9的中部，传递伺服加载电机17的压力；通过加载丝杆18和丝杆固定块19保证力的稳定和精确度。

优选地，在平台2的底部安装减震垫脚14，可有效地防止工作过程中对摩擦实验的影响。本发明中，所述测试底座、扭矩传感器5和驱动电机1直接设于平台2上。

优选地，所述实验平台2还包括计算机和与计算机相连的数据采集模块，数据采集模块分别与温度传感器11、声发射传感器8、压力传感器20和扭矩传感器5相连；所述计算机分别与驱动电机1、伺服加载电机17相连，控制驱动电机1、伺服加载电机17的启停及正反转。本实施例中，计算机连接有控制箱和控制板，其中控制箱由总控开关、伺服电机驱动器、加热控制器及控制按钮组成，通过改变电路接线和电阻升降控制电机正反转、增减载荷、自动/ 手动切换及温度调控命令；控制板使用外接式，控制软硬件配合运行。数据采集模块由I/O 接口和RS-485串口总线组成，支持标准Modbus RTU协议和TCP/IP的以太网协议；数据由各传感器采集转换为电信号传输至数据采集模块，经过放大、滤波处理后发送至上位计算机端，以EXCEL曲线进行同屏在线显示，以上电连接部分及控制部分为现有技术，这里不再赘述。

本发明中，待实验的微型精密轴承9可以是多种类型，包括粉末冶金自润滑轴承、油润滑轴承、脂润滑轴承，其中使用粉末冶金自润滑轴承时，在非运转状态下，使油浸没轴承，运转时，油池10中几乎不加油；使用脂润滑轴承时，油池10不加油，采用涂膜润滑的方式；使用油润滑轴承时，油池10正常加油使用。

本发明旨在实现微型轴承的高精密度和多功能化测试，快速、准确、同步地采集摩擦力矩、摩擦系数、油膜厚度、油液温度等多项数据信息，并得出这些数据对于负载、转速等工况参数的变化规律，这对于精密轴承的应用研究具有重要意义。例如，当开发一种新的轴承/ 轴套材料或润滑剂/润滑添加剂材料，即可利用此实验平台在多种工况下进行测试，获得其润滑状态和摩擦、磨损、温升等性能指标，研究材料组分与工况条件的映射关系，探索该体系适宜的应用对象。

本发明的工作过程为：选择待实验的微型精密轴承9式样，打开轴承座12的盖体，安装端部周陈、微型精密轴承9及测试轴13后夹紧锁住前后两个轴承座12，固定实验式样；启动驱动电机1，驱动电机1的电机轴15带动传动轴16和测试轴13旋转，此时伺服加载电机17不启动；测试轴13旋转过程中将润滑油带起，均布整个测试轴13与微型精密轴承9的配合间隙，完成取油过程。取油结束后，开启伺服加载电机17向微型精密轴承9施加设定的径向载荷，所述实验平台开始正常工作，所有传感器开始记录各实时数据，测定该测试轴13工况下的扭矩扭力、油膜压力、油膜温度和油膜厚度的动态数据，并将各动态数据发送至数据采集模块；数据采集模块汇总以上各数据上传至上位计算机，计算机内置的采集软件接收数据并分析处理后，以曲线图的形式显示于显示屏上；微型精密轴承9工作时，根据材料、润滑油及工况的不同，其油膜的厚度及承载能力会不同，这导致在两摩擦副的实际接触面积不同，在规定实验时间后观察轴承磨损情况也会不同。当润滑油油膜较厚，承载能力较强时，两摩擦副的摩擦情况为滑油的内摩擦，此时实际接触面积较小，磨损较少；当润滑油由于油膜承载能力较弱导致的油膜破裂或其他原因引起微型精密轴承9的润滑失效后，必会造成润滑油膜的剧烈波动，导致两摩擦副直接接触，此时磨损较为严重。故可结合载荷、扭矩及温度对轴承的磨损程度进行判定，由实验提供的结果探究最佳实验工况。实验结束后保存数据。

本发明所述实验平台，可实现对微型精密轴承9摩擦磨损情况的实验研究，大大降低了研究成本，提高了效率。为微型精密轴承9在微型电机、微型机器人及其他微型器械中的应用优化、动态特性分析、可靠性分析提供了有效的实验基础，打破国外垄断微型轴承实验平台市场，在探究各滑油在微型轴承的应用中迈出了可行的一步。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种多功能微型精密轴承实验平台，其特征在于，包括平台，以及设于平台上的测试底座、测试轴、传动机构和径向加载机构；所述测试底座上设一装有润滑油的油池，油池两端各配置一个轴承座，轴承座及油池的上方通过盖体密封构成一个密封壳体，测试轴的两端安装在设于轴承座内的端部轴承上；待测的微型精密轴承与位于密封壳体内的测试轴相适配，微型精密轴承上安装温度传感器和声发射传感器，微型精密轴承底部与油池的润滑油接触；所述测试轴的一端伸出密封壳体，经扭矩传感器与传动机构的输出端同轴适配；所述径向加载机构设于密封壳体的上部，其输出端垂直穿过密封壳体，通过压力传感器与微型精密轴承的外周面顶紧。

2.如权利要求1所述的多功能微型精密轴承实验平台，其特征在于，所述温度传感器和声发射传感器对称安装在微型精密轴承的同一截面上，且二者位于测试轴两侧。

3.如权利要求1所述的多功能微型精密轴承实验平台，其特征在于，所述传动机构包括驱动电机和传动轴，所述驱动电机的电机轴通过第一联轴器与传动轴的输入端相连，传动轴的输出端穿过扭矩传感器，并通过第二联轴器与测试轴连接。

4.权利要求1所述的多功能微型精密轴承实验平台，其特征在于，所述径向加载机构包括伺服加载电机、加载丝杆、丝杆固定块和压力头，所述伺服加载电机的电机轴与加载丝杆相连并带动加载丝杆转动；所述丝杆固定块内设有与加载丝杆相适配的螺纹孔，丝杆固定块的下部通过压力传感器与压力头相连，压力头设于微型精密轴承的外周面，向微型精密轴承传递径向载荷。

5.如权利要求4所述的多功能微型精密轴承实验平台，其特征在于，所述压力头设于微型精密轴承的中部，传递伺服加载电机的压力；通过加载丝杆和丝杆固定块保证力的稳定和精确度。

6.如权利要求1所述的多功能微型精密轴承实验平台，其特征在于，在平台的底部安装减震垫脚。

7.如权利要求1所述的多功能微型精密轴承实验平台，其特征在于，在油池与测试轴端部结合处设有密封件，密封件采用四氟橡胶板制作。

8.如权利要求3所述的多功能微型精密轴承实验平台，其特征在于，在驱动电机的电机轴外及传动轴外分别设有轴套。

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