CN111896258A - 一种超低温真空密封结构及全陶瓷滚动轴承性能测试装置 - Google Patents

Abstract

一种超低温真空密封结构及全陶瓷滚动轴承性能测试装置，属于轴承测试装置技术领域。所述超低温真空密封结构包括固定支座、主轴机构、超低温真空密封室和加力总成，主轴机构包括试样主轴和驱动主轴，超低温真空密封室包括真空密封腔体和轴向加载塞，真空密封腔体的内部设置有试样主轴；所述全陶瓷滚动轴承性能测试装置包括超低温真空密封结构以及双级真空系统、自增压液氮罐、信号采集系统、加热管、电机、控制器和上位机。所述超低温真空密封结构及全陶瓷滚动轴承性能测试装置能够在超低温真空环境以及不同温度、真空度、载荷、转速的条件下，实现全陶瓷滚动轴承摩擦性能及振动性能的动态测试，操作方便、精确度高。

Description

一种超低温真空密封结构及全陶瓷滚动轴承性能测试装置

技术领域

本发明涉及轴承测试装置技术领域，特别涉及一种超低温真空密封结构及全陶瓷滚动轴承性能测试装置。

背景技术

近年来，全陶瓷滚动轴承越来越多地应用到航天、深海等极端环境的设备中，全陶瓷滚动轴承能够满足超低温、真空环境下使用要求，但需要在全陶瓷滚动轴承使用之前对其进行具体性能参数测试，以保证全陶瓷滚动轴承在极端环境中使用的安全性和可靠性。

现有低温、真空环境下的轴承测试装置多采用全封闭式试验装置，轴承试验全部部件需同时满足真空、超低温工况下正常工作需求，实验成本较高，且对整个试验装置的密封性、真空度也提出了更高要求，从而导致全陶瓷滚动轴承超低温、真空试验的效率低、操作复杂、精确度较低。

发明内容

为了解决现有技术存在的技术问题，本发明提供了一种超低温真空密封结构及全陶瓷滚动轴承性能测试装置，能够在超低温真空环境以及不同温度、真空度、载荷、转速的条件下，实现全陶瓷滚动轴承的摩擦性能及振动性能的动态测试，操作方便、精确度高。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种超低温真空密封结构，包括固定支座以及设置于固定支座的主轴机构、超低温真空密封室和加力总成；

所述主轴机构包括相互连接的试样主轴和驱动主轴；

所述超低温真空密封室包括密封连接的真空密封腔体和轴向加载塞，所述真空密封腔体的内部设置有试样主轴，所述试样主轴套设有试验轴承，所述轴向加载塞与试样主轴通过轴向加载轴承连接；所述超低温真空密封室的一侧设置有液氮输入口，用于向超低温真空密封室内输入液氮；所述超低温真空密封室的另一侧设置有氮气输出口，用于超低温真空密封室内氮气的循环回收；

所述加力总成包括轴向加力总成和径向加力总成，所述轴向加力总成与轴向加载塞远离试样主轴的一端抵接，用于向试验轴承施加轴向力；所述径向加力总成与真空密封腔体的下方抵接，用于向试验轴承施加径向力。

进一步的，所述试样主轴包括依次设置的直轴段、轴肩和锥形轴段，所述驱动主轴设置有与试样主轴的锥形轴段对应的锥形孔，所述试样主轴的锥形轴段穿过真空密封腔体的侧壁与驱动主轴的锥形孔通过锥形胀套连接固定，实现驱动主轴与试样主轴的连接，并且所述试样主轴与真空密封腔体的连接处设置有负压密封组件。

进一步的，所述驱动主轴与试样主轴之间安装有蜂窝状三方阻散热片，用于降低试样主轴的传热效率。

进一步的，所述驱动主轴通过卸荷座轴箱设置于固定支座，所述卸荷座轴箱可沿着驱动主轴轴向移动；所述卸荷座轴箱通过两个卸荷轴承与驱动主轴连接，两个卸荷轴承的安装方式为背对背安装。

进一步的，所述试验轴承的左侧设置有轴承定位圆环，所述轴承定位圆环套设于试样主轴；所述试验轴承的右侧与试样主轴的轴肩抵接；所述试验轴承的外部设置有轴承固定锥夹，所述轴承固定锥夹与真空密封腔体的内壁抵接。

进一步的，所述轴承固定锥夹包括轴承夹具、内锥形开口套圈和外锥形开口套圈，所述轴承夹具为环状锥面结构，其包括左夹具和右夹具，所述左夹具和右夹具结构相同并且对称设置，所述左夹具和右夹具均分别沿周向设置若干个通孔，用于螺栓连接或者氮气通过；所述外锥形开口套圈设置于试验轴承的外部，并与轴承夹具的内壁通过锥面配合；所述内锥形开口套圈设置于轴承夹具的外部，并与轴承夹具的外壁通过锥面配合。

进一步的，所述试样主轴的直轴段内设有氮气内环通道，并且所述试样主轴与试验轴承内圈对应的位置沿周向设置至少两个与氮气内环通道连通的通孔，使试验轴承内圈与超低温真空密封室内环境温度相一致；所述试样主轴的轴肩设置有一个与氮气内环通道连通的通孔，用于使氮气内环通道与真空密封腔体内部氮气间流通，防止试样主轴的温度过低。

进一步的，所述超低温真空密封室通过轴向旋转约束固定于固定支座，用于防止超低温真空密封室轴向旋转。

进一步的，所述轴向加力总成与径向加力总成的结构相同，均分别包括依次连接的加载伺服电机、加载电机驱动器和加载联轴减速部件，所述轴向加力总成的加载联轴减速部件与主轴机构同轴，所述径向加力总成的加载联轴减速部件的轴线与主轴机构的轴线垂直。

一种全陶瓷滚动轴承性能测试装置，包括所述超低温真空密封结构以及双级真空系统、自增压液氮罐、信号采集系统、加热管、电机、控制器和上位机；

所述双级真空系统和自增压液氮罐通过电磁阀与液氮输入口连通，所述自增压液氮罐还与氮气输出口连通，所述氮气输出口设置有气体阻尼分配器；

所述信号采集系统包括测力传感器、振动传感器、温度传感器和真空度传感器，所述测力传感器设置于试验轴承外部，用于采集试验轴承的摩擦力矩；所述振动传感器设置于超低温真空密封室的外壁，用于采集试验轴承的振动速度；所述温度传感器和真空度传感器分别设置于超低温真空密封室的内部，分别用于采集超低温真空密封室内的温度和真空度；

所述加热管设置于超低温真空密封室内；

所述电机通过联轴器与驱动主轴远离试样主轴的一端连接；

所述控制器分别与电磁阀、电机、测力传感器、振动传感器、温度传感器、真空度传感器、气体阻尼分配器、加热管以及轴向加力总成和径向加力总成的加载伺服电机连接，所述控制器还与上位机连接。

本发明的有益效果：

1)本发明适用于超低温、真空环境下全陶瓷滚动轴承综合性能试验，能够夹持全陶瓷滚动轴承，实现全陶瓷滚动轴承运动加载；能够测量与控制全陶瓷滚动轴承所处的环境温度、真空度，使得全陶瓷滚动轴承处于超低温、真空环境下进行试验与测量；能够测量并采集全陶瓷滚动轴承的试验数据及实现全陶瓷滚动轴承的实时监测；

2)本发明在针对不同类型、不同尺寸的全陶瓷滚动轴承进行模拟实验时，针对全陶瓷滚动轴承本身的实验环境，其他部分部件所处于非低温、真空环境，降低了其他部分部件材料要求，因此，在进行不同类型、不同尺寸的全陶瓷滚动轴承试验时，采用局部低温、真空密封方式及外置式加载方式对全陶瓷滚动轴承进行测试研究，保证了全陶瓷滚动轴承测试环境的密封性与真空度；

3)本发明主要研究全陶瓷滚动轴承在超低温真空环境下温度、真空度、载荷、转速对全陶瓷滚动轴承的摩擦性能及振动性能影响；超低温真空全陶瓷滚动轴承测试装置可以控制全陶瓷滚动轴承进行内圈转动、外圈相对固定以及轴向加载大小、径向加载大小，实现对全陶瓷滚动轴承在超低温、真空等环境下的摩擦、振动试验，实现对全陶瓷滚动轴承进行在线监测；

4)本发明超低温结构能够实现精准降温，控温范围：77K-303K超低温，恒温精度：<±1℃，控制温度范围更宽；真空密封结构能够实现腔体内外部环境隔离，主环境腔相对真空，真空度优于5×10^-3Pa，真空度更高；加力总成作用在超低温真空密封室外部，外置式加载扩大整个装置加载范围，径向载荷可达：100N-30000N，轴向载荷可达50N-10000N，力值精度：±2N；

5)本发明为设计优化适用于极端工况环境的全陶瓷滚动轴承提供试验依据，保证全陶瓷滚动轴承工作时的可靠性，采用本发明对全陶瓷滚动轴承进行试验，能够有效的解决目前全陶瓷滚动轴承在内圈轴向滑动、外圈径向位移以及承受轴向载荷、径向载荷下的摩擦、振动试验问题，更真实的模拟了全陶瓷滚动轴承的实际使用工况。

本发明的其他特征和优点将在下面的具体实施方式中部分予以详细说明。

附图说明

结合附图并参考以下详细说明，本公开各实施例的上述和其他特征、优点及方面将变得更加明显。在附图中，相同或相似的附图标记表示相同或相似的元素，其中：

图1是本发明实施例提供的一种超低温真空密封结构的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种全陶瓷滚动轴承性能测试装置的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的试验轴承安装于轴承固定锥夹的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的轴承固定锥夹的主视图；

图5是本发明实施例提供的轴承固定锥夹的侧视图；

图6是本发明实施例提供的径向加力总成的结构示意图。

其中，图1至图6中的附图标记与部件名称之间的对应关系为：

1-轴向加力总成，2-轴向加载轴承，3-超低温真空密封室，4-轴承固定锥夹，5-振动传感器，6-氮气输出口，7-负压密封组件，8-驱动主轴，9-卸荷座轴箱，10-试样主轴，11-温度传感器，12-固定支座，13-径向加力总成，14-轴向旋转约束，15-液氮输入口，16-氮气内环通道，17-试验轴承，18-测力传感器，19-卸荷轴承，20-轴承定位圆环，21-双级真空系统，22-控制器，23-上位机，24-加载伺服电机，25-加载电机驱动器，26-加载联轴减速部件，27-锥形胀套，28-三方阻散热片，29-自增压液氮罐，30-真空度传感器，31-外锥形开口套圈，32-内锥形开口套圈，33-轴承夹具，34-左夹具，35-右夹具，36-真空密封腔体，37-轴向加载塞。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“竖向”、“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。

在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

为了解决现有技术存在的问题，如图1至图6所示，本发明提供了一种超低温真空密封结构，包括固定支座12以及设置于固定支座12的主轴机构、超低温真空密封室3和加力总成；

主轴机构包括相互连接的试样主轴10和驱动主轴8；

超低温真空密封室3包括密封连接的真空密封腔体36和轴向加载塞37，真空密封腔体36的内部设置有试样主轴10，试样主轴10套设有试验轴承17，轴向加载塞37与试样主轴10通过轴向加载轴承2连接；超低温真空密封室3的一侧设置有液氮输入口15，用于向超低温真空密封室3内输入液氮；超低温真空密封室3的另一侧设置有氮气输出口6，用于超低温真空密封室3内氮气的循环回收；

加力总成包括轴向加力总成1和径向加力总成13，轴向加力总成1与轴向加载塞37远离试样主轴10的一端抵接，用于向试验轴承17施加轴向力；径向加力总成13与真空密封腔体36的下方抵接，用于向试验轴承17施加径向力。

本发明中，固定支座12为超低温真空密封室3、试样主轴10、驱动主轴8、卸荷轴座箱、径向加力总成13以及轴向加力总成1的安装提供支撑、固定。试验轴承17为全陶瓷滚动轴承，试验轴承17的内圈安装于试样主轴10的一端，并用轴承定位圆环20定位试验轴承17，试验轴承17固定在轴承固定锥夹4中，试样主轴10采用陶瓷材料，以实现对试样轴承的试验。超低温真空密封室3为试验环境室，用于放置试验轴承17及相关配件，真空密封腔体36为圆柱筒结构，真空密封腔体36包括可拆卸连接的圆环形端盖和圆柱筒形壳体，其圆环形端盖和圆柱筒形壳体通过锥形销连接，圆环形端盖位于远离驱动主轴8的一侧，打开真空密封腔体36的端盖，能够更换试样主轴10及试验轴承17，更换后关闭真空密封腔体36的端盖，完成试验轴承17的换样，通过更换试样主轴10及试验轴承17能够实现不同尺寸全陶瓷滚动轴承在超低温、真空环境下的摩擦、振动试验。通过多个锥形销实现圆柱筒形壳体与端盖的连接，保证了真空密封腔体36的密封性。液氮输入口15设置于轴向加载塞37，氮气输出口6设置于真空密封腔体36的右侧壁，液氮输入口15还可以作为真空抽取时的接口，抽取真空时，氮气输出口6封闭。

如图1所示，试样主轴10包括依次设置的直轴段、轴肩和锥形轴段，驱动主轴8设置有与试样主轴10的锥形轴段对应的锥形孔，试样主轴10的锥形轴段穿过真空密封腔体36的侧壁与驱动主轴8的锥形孔通过锥形胀套27连接固定，实现驱动主轴8与试样主轴10的连接，并且试样主轴10与真空密封腔体36的连接处设置有负压密封组件7。驱动主轴8与试样主轴10之间安装有蜂窝状三方阻散热片28，用于降低试样主轴10的传热效率。

本发明中，驱动主轴8用于驱动试样主轴10转动，为试验轴承17的提供动力，驱动主轴8为机械主轴或者电主轴。驱动主轴8带动试样主轴10转动，试样主轴10带动试验轴承17的内圈同步转动，实现全陶瓷滚动轴承试验的内圈运动。为了保证试样主轴10及驱动主轴8运转时连接的稳定性，驱动主轴8的轴径比试样主轴10的轴径大，并且驱动主轴8与试样主轴10通过锥形胀套27固定，以提高主轴机构的同轴度。蜂窝状三方阻散热片28设置于试样主轴10锥形轴段的右侧端部以及驱动主轴8锥形孔的底部，用于降低试样主轴10的传热效率，使试样主轴10与驱动主轴8温降均衡，保证全陶瓷滚动轴承在更低的温度下进行摩擦、振动试验。

本发明中，锥形胀套27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，负压密封组件7设置于真空密封腔体36右侧壁与试样主轴10的轴肩的连接处，并且靠近真空密封腔体36内部的一侧，负压密封组件7采用现有技术，其通过两腔或多腔逐级减压配合浮动密封圈有效将主腔与腔体外环境隔离，真空密封腔体36与负压密封组件7形成密闭的空间，使超低温真空密封室3处于真空状态。

驱动主轴8通过卸荷座轴箱9设置于固定支座12，卸荷座轴箱9可沿着驱动主轴8轴向移动；卸荷座轴箱9通过两个卸荷轴承19与驱动主轴8连接，两个卸荷轴承19的安装方式为背对背安装。

本发明中，卸荷座轴箱9安装在固定支座12上，卸荷座轴箱9可在固定支座12上沿着主轴机构的方向自由移动，起到卸载驱动主轴8旋转时产生的轴向力的作用，在实际使用时，可以在固定支座12上设置与卸荷轴座箱对应的滑槽，以实现卸荷座轴箱9沿驱动主轴8的轴线方向移动。卸荷轴承19采用角接触球轴承，卸荷座轴箱9通过两个角接触球轴承与驱动主轴8连接，两个角接触球轴承的安装方式为背对背安装，使试样主轴10与驱动主轴8之间更便于拆卸安装，同时减缓主轴机构在低温工况下轴向变形。两个角接触球轴承和卸荷座轴箱9起到支撑驱动主轴8的作用，驱动主轴8为试验轴承17提供转动动力，驱动主轴8的左端部与超低温真空密封室3的外壁之间存在间隙，防止驱动主轴8转动时发生干涉。

试验轴承17的左侧设置有轴承定位圆环20，轴承定位圆环20套设于试样主轴10；试验轴承17的右侧与试样主轴10的轴肩抵接；试验轴承17的外部设置有轴承固定锥夹4，轴承固定锥夹4与真空密封腔体36的内壁抵接。

本发明中，试样主轴10的直轴段依次套设有轴向加载轴承2、轴承定位圆环20和试验轴承17，轴向加载轴承2位于试样主轴10的直轴段远离锥形轴段的一端，轴向加载轴承2受力后可自由左右滑移；试验轴承17通过左侧的轴承定位圆环20和外部的轴承固定锥夹4夹紧，并且试验轴承17的右侧与试样主轴10的轴肩抵接以及轴承固定锥夹4的右侧抵在真空密封腔体36内壁，实现对试验轴承17的夹紧。

如图3至图5所示，轴承固定锥夹4包括轴承夹具33、内锥形开口套圈32和外锥形开口套圈31，轴承夹具33为环状锥面结构，其包括左夹具34和右夹具35，左夹具34和右夹具35结构相同并且对称设置，左夹具34和右夹具35均分别沿周向设置若干个通孔，用于螺栓连接或者氮气通过；外锥形开口套圈31设置于试验轴承17的外部，并与轴承夹具33的内壁通过锥面配合；内锥形开口套圈32设置于轴承夹具33的外部，并与轴承夹具33的外壁通过锥面配合。

本发明中，轴承夹具33为环状锥面结构，即轴承夹具33整体呈环状，其与内锥形开口套圈32和外锥形开口套圈31的配合面均为锥面结构，内锥形开口套圈32和外锥形开口套圈31均安装于轴承夹具33，轴承夹具33与内锥形开口套圈32和外锥形开口套圈31配合，用于夹紧安装于轴承夹具33内的试验轴承17，具体的，外锥形开口套圈31与试验轴承17外圈外部的测力传感器18抵接，用于固定试验轴承17外圈及测力传感器18；内锥形开口套圈32与轴承夹具33的外部抵接，用于夹紧轴承夹具33的左夹具34和右夹具35，左夹具34和右夹具35上均分别设置有若干个通孔，并且左夹具34和右夹具35的通孔位置对应，其中一部分通孔通过螺栓连接，以固定左夹具34和右夹具35；另一部分通孔用于氮气通过，便于对试验轴承17进行降温，并且降温均匀。在超低温、真空环境下，内锥形开口套圈32和外锥形开口套圈31对试验轴承17位移进行补偿，避免轴承夹具33对试验轴承17的转动产生干涉；轴承固定锥夹4与测力传感器18、试验轴承17配合安装在试样主轴10上，并且轴承固定锥夹4与超低温真空密封腔体36抵接，具体的试验轴承17的外圈与测力传感器18推杆抵接，测力传感器18与轴承固定锥夹4抵接，试验轴承17、轴承固定锥夹4与试样主轴10同轴度±0.002mm，利用平衡测量法，试验时，试样主轴10带动试验轴承17内圈转动，试验轴承17内圈的转动时，使试验轴承17外圈具有运动趋势，由于试验轴承17外圈与测力传感器18接触，使得试验轴承17外圈抵在测力传感器18推杆上，阻碍试验轴承17外圈旋转，两者保持动态平衡，进而使测力传感器18测出试验轴承17的摩擦阻力即为试验轴承摩擦力矩。

试样主轴10的直轴段内设有氮气内环通道16，并且试样主轴10与试验轴承17内圈对应的位置沿周向设置至少两个与氮气内环通道16连通的通孔，使试验轴承17内圈与超低温真空密封室3内环境温度相一致；试样主轴10的轴肩设置有一个与氮气内环通道16连通的通孔，用于使氮气内环通道16与真空密封腔体36内部氮气间流通，防止试样主轴10的温度过低。

超低温真空密封室3通过轴向旋转约束14固定于固定支座12，用于防止超低温真空密封室3轴向旋转。本实施例中，真空密封腔体36固定于轴向旋转约束14上，轴向旋转约束14固定在固定支座12上，轴向旋转约束14用于防止真空密封腔体36外部轴向旋转，如需测得真空密封腔体36与固定支座12之间的摩擦力，轴向旋转约束14可转换为摩擦力测量系统。

如图6所示，轴向加力总成1与径向加力总成13的结构相同，均分别包括依次连接的加载伺服电机24、加载电机驱动器25和加载联轴减速部件26，轴向加力总成1的加载联轴减速部件26与主轴机构同轴，径向加力总成13的加载联轴减速部件26的轴线与主轴机构的轴线垂直。

本发明中，轴向加力总成1和径向加力总成13用于为试验轴承17提供轴向力和径向力，主轴机构与径向加力总成13的轴线相互垂直，主轴机构与轴向加力总成1的轴线同轴，试验轴承17通过轴承固定锥夹4与真空密封腔体36相互连接，轴向加力总成1与径向加力总成13的加载伺服电机24均分别与控制器22连接，分别用于控制轴向加载、径向加载的输出载荷。轴向加力总成1通过固定支撑结构固设在固定支座12上，并且位于超低温真空密封室3的外部前端，固定支撑结构采用现有技术，比如支架；当轴向加力总成1对试验轴承17进行轴向加载时，轴向加载总成的加载联轴减速部件26与轴向加载塞37抵接，轴向加载塞37与轴向加载轴承2连接，推动轴向加载轴承2沿试样主轴10移动并通过轴承定位圆环20和轴承固定锥夹4向试验轴承17内圈施加轴向力，加载范围为50N-10000N，轴向加载轴承2采用角接触轴承、推力轴承或者圆锥滚子轴承，并且轴向加载轴承2内圈与试样主轴10配合间隙大于0.05mm,轴向加载轴承2受力后可自由左右滑移。轴向加载轴承2除实现试验轴承17的轴向加载外，还对试样主轴10起固定、支撑作用，在试验轴承17受径向加载时为径向加载平衡受力保持机构，试样主轴10与轴向加载轴承2间隙为正常轴承装配间隙，真空密封腔体36及试验轴承17轴外圈受向上的径向力时，轴向加载轴承2起到保证试验轴承17不受侧向力的作用。径向加力总成13通过固定支座12安装在真空密封腔体36外壁下方，其加载联轴减速部件26安装在固定支座12上，用于对真空密封腔体36施加径向加载，加载电机驱动器25驱动加载联轴减速部件26运动，进而径向载荷施加于真空密封腔体36外壁正下方，真空密封腔体36内部正下方与轴承固定锥夹4抵接，以对试验轴承17径向加载，加载范围为100N-30000N。径向加载时，径向加力总成13与真空密封腔体36外壁正下方抵接，真空密封腔体36与轴承固定锥夹4抵接，径向加力总成13带动轴承固定锥夹4及试验轴承17的外圈径向移动，对试验轴承17径向加载，提供径向受力，径向加力时轴向加载轴承2为径向加力平衡受力保持机构，试验完成后需要拆除试验轴承17时，先将径向加力总成13脱离轴承固定锥夹4，再拆卸试验轴承17。本实施例中，轴向加力总成1和径向加力总成13均采用电子伺服加载，在实际使用时也可采用杠杆加载。加力总成用于实现加载力从超低温真空密封室3外传递到超低温真空密封室3内，进而使得超低温真空密封室3外输出的加载力能够对真空密封腔体36内的试验轴承17进行加载，加力总成置于超低温真空密封室3外部保证了超低温真空密封室3的密封性，避免超低温真空密封室3内的环境受到外部影响，轴向加载和径向加载不同时进行，可以先后进行。

如图1至图6所示，一种全陶瓷滚动轴承性能测试装置，包括超低温真空密封结构以及双级真空系统21、自增压液氮罐29、信号采集系统、加热管、电机、控制器22和上位机23；

双级真空系统21和自增压液氮罐29通过电磁阀与液氮输入口15连通，自增压液氮罐29还与氮气输出口6连通，氮气输出口6设置有气体阻尼分配器；

信号采集系统包括测力传感器18、振动传感器5、温度传感器11和真空度传感器30，测力传感器18设置于试验轴承17外部，用于采集试验轴承17的摩擦力矩；振动传感器5设置于超低温真空密封室3的外壁，用于采集试验轴承17的振动速度；温度传感器11和真空度传感器30分别设置于超低温真空密封室3的内部，分别用于采集超低温真空密封室3内的温度和真空度；

加热管设置于超低温真空密封室3内；

电机通过联轴器与驱动主轴8远离试样主轴10的一端连接；

控制器22分别与电磁阀、电机、测力传感器18、振动传感器5、温度传感器11、真空度传感器30、气体阻尼分配器、加热管以及轴向加力总成1和径向加力总成13的加载伺服电机24连接，控制器22还与上位机23连接。

本发明中，控制器22采用PLC；电磁阀采用两位三通阀，控制器22与电磁阀连接，通过控制电磁阀实现超低温真空密封室3抽真空和输入液氮；控制器22与电机连接，用于控制电机的输出转速，进而控制试验轴承17的转速；振动传感器5与真空密封腔体36的外壁接触，控制器22分别与测力传感器18、振动传感器5、温度传感器11和真空度传感器30连接，通过测力传感器18、振动传感器5、温度传感器11和真空度传感器30对全陶瓷滚动轴承试验过程中的摩擦阻力、振动速度、温度和真空度进行测量及实时监测，并将测量信号经控制器22传输给上位机23进行分析处理，后续处理中可将振动速度转换为振动加速度、摩擦阻力转换为摩擦力矩，有效的解决目前无法实现在超低温、真空环境下进行全陶瓷滚动轴承试验、测量的问题，实现全陶瓷滚动轴承在超低温、真空环境下的摩擦、振动试验；控制器22分别与轴向加力总成1和径向加力总成13的加载伺服电机24连接，分别用于控制轴向加载、径向加载的输出载荷；控制器22与气体阻尼分配器连接，控制器22通过控制安装在氮气输出口6的气体阻尼分配器来控制氮气的输出量；控制器22与加热管连接，用于控制超低温真空密封室3内的恒温精度。

本发明中，真空密封腔体36采用双层保温结构，能够有效地隔绝外界热量，实现超低温真空密封室3内部的超低温环境；超低温真空密封室3既是试验低温室又是试验真空室，超低温真空密封室3的低温保持通过液氮输入、氮气输出来实现，具体的，液氮输入口15位于超低温真空密封室3的一侧，低温液氮通过增压方式从液氮输入口15进入真空密封腔体36内部，采用多点喷射方式对超低温真空密封室3中的试验轴承17进行降温，低温氮气通过轴承固定锥夹4中的通孔、试样主轴10内设的氮气内环通道16以及试样主轴10上与氮气内环通道16连通的通孔对试验轴承17进行降温，保证试验轴承17的内圈和外圈温降均匀，进而试验轴承17及超低温真空密封室3都处于超低温状态；通过控制器22控制安装在氮气输出口6的阻尼分配器来控制氮气的输出量，氮气输出通过真空密封腔体36内液氮的喷淋吸热生成氮气进行降温。

本发明中，双级真空系统21设置于超低温真空密封室3的外部，真空度传感器30设置于超低温真空密封室3的内部，具体的，双级真空系统21通过连接管路与超低温真空密封室3的液氮输入口15连通，对超低温真空密封室3进行抽取真空；真空度传感器30安装于真空密封腔体36内部，用于测量超低温真空密封室3内的真空度，以保证超低温真空密封室3内的真空度。当超低温真空密封室3内的真空度不能满足使用要求时，通过控制器22控制开启双级真空系统21对超低温真空密封室3进行气体抽取，使得超低温真空密封室3的内部处于真空状态，以满足试验轴承17的试验真空度要求，抽真空时氮气输出口6关闭。为了保证超低温真空密封室3内的高真空度，双级真空系统21采用串联设计与超低温真空密封室3连通；并且，采用双级真空系统21对超低温真空密封室3进行抽真空时，可以对超低温真空密封室3进行二次抽取，进一步提高超低温真空密封室3的真空度，以实现了试验轴承17在高真空5×10^-3Pa的试验环境下进行检测。真空密封腔体36、负压密封组件7和双级真空系统21共同构成真空结构，用于实现试验轴承17的相对真空试验环境，试验轴承17能够在超低温真空密封室3进行试验。

本发明中，加热管采用鳍片式不锈钢加热管，鳍片式不锈钢加热管安装在真空密封腔体36内壁进行温控辅助加热，鳍片式不锈钢加热管对真空密封腔体36内及中空结构的试样主轴10内氮气进行温控辅助加热，用于提高氮气升降温过程中温度控制恒温精度(<±1℃)，使控制温度范围更宽(77K-303K)。超低温真空密封室3、液氮输入口15、氮气输出口6、氮气内环通道16、温度传感器11和加热管构成超低温结构，用于实现降温、升温真空密封腔体36内温度，进而实现超低温环境的试验温度，使试验轴承17能够在超低温的环境下进行试验。

本发明中，测力传感器18与试验轴承17抵接，并安装于轴承固定锥夹4内，用于测量超低温、真空环境下试验轴承17旋转的摩擦力矩，测力传感器18与控制器22及上位机23连接。具体的，测力传感器18推杆与试验轴承17环式抵接，试验轴承17转动后超低温真空密封室3内的测力传感器18推杆受力，测力传感器18将所受动态力矩从超低温真空密封室3内传递到超低温真空密封室3外，实现了超低温、真空环境下试验轴承17的摩擦力矩测量，即测力传感器18测量试验轴承17进行试验时的摩擦阻力传输给控制器22及上位机23计算，进而得到摩擦力矩，通过试验轴承17摩擦力矩的大小能够评价试验轴承17运转性能的好坏。

本发明中，振动传感器5的探头抵接在真空密封腔体36外壁的正上方，并与控制器22连接，用于对试验轴承17空载、加载时的振动进行实时测量，具体的，振动传感器5对轴承固定锥夹4及试验轴承17的进行振动测量，轴承固定锥夹4与真空密封腔体36内部成过盈配合抵接，当空载时，驱动主轴8带动试样主轴10转动，试验轴承17因与试样主轴10过盈配合而一起转动，试验轴承17振动时轴承固定锥夹4随之振动，进而真空密封腔体36外壳产生振动，用于测量试验轴承17的空载振动；试验轴承17受竖直方向径向加载力时，因径向加力总成13直接作用在真空密封腔体36外壳，振动传感器5的探头与真空密封腔体36外壁抵接也可用于测量试验轴承17的加载振动；空载及加载共用同一振动传感器5，通过振动传感器5实现实时振动速度及振动加速度的监测。振动传感器5设置于真空密封腔体36的外部用于保证超低温真空密封室3良好的密封性，维持了超低温、真空环境，对研究全陶瓷滚动轴承的振动特性及分析全陶瓷滚动轴承动态性能提供依据。

本发明中，真空密封腔体36的液氮输入、氮气输出、真空抽取、温度传感器11及真空度传感器30构成测温结构。首先，双级真空系统21通过管线与液氮输入口15连接，真空度传感器30设置于超低温真空密封室3内部；其次，自增压液氮罐29通过管线与与液氮输入口15连接，温度传感器11设置于超低温真空密封室3内部，用于显示及监测超低温真空密封室3内温度范围，当控制器22的设定温度低于温度传感器11显示的超低温真空密封室3内实际温度时，控制器22输出制冷信号开启电磁阀，液氮经过输入管线从增压后的自增压液氮罐29向试验低温室内输送液氮，利用液氮的淋热和显热吸收热量进行降温；当控制器22的设定温度高于温度传感器11显示的超低温真空密封室3内实际温度时，控制器22输出加热信号，关闭电磁阀，同时给超低温真空密封室3内的加热管通电进行加热升温，达到试验轴承17所需的温度范围，恒温精度<±1℃。液氮输入、氮气输出、真空抽取通过管线、腔体与控制器22连接，用于控制液氮和氮气在腔体内的含量。控制液氮输入量采用鳍片式不锈钢加热管辅助加热及液氮喷淋吸热方式控制超低温真空腔体内试验温度。

本发明一种全陶瓷滚动轴承性能测试装置的试验过程如下：

(1)将全陶瓷滚动轴承安装于轴承固定锥夹4，并将全陶瓷滚动轴承和轴承固定锥夹4一起安装于试样主轴10；

(2)控制器控制电磁阀，通过双级真空系统21对超低温真空密封室3抽取真空，并通过真空传感器30实时采集超低温真空密封室3内的真空度，直至超低温真空密封室3内达到设定真空度；

(3)控制器控制电磁阀，通过自增压液氮罐向超低温真空密封室3充入液氮，通过控制液氮输入口15液氮的输入、氮气输出口6氮气的输出来调节氮气含量对超低温真空密封室3进行降温，控制器控制加热管和气体阻尼分配器，并通过温度传感器11实时采集超低温真空密封室3内的温度，使超低温真空密封室3内温度达到设定温度；

(4)通过轴向加力总成1和/或径向加力总成13向全陶瓷滚动轴承施加轴向和/径向载荷；

(5)启动电机，通过驱动主轴8和试样主轴10带动全陶瓷滚动轴承按照设定转速转动；

(6)通过测力传感器18采集摩擦阻力，同时通过振动传感器5采集振动速度，并上传给上位机23进行分析处理，将摩擦阻力转换为摩擦力矩，将振动速度转换为振动加速度，用以分析试验轴承在不同温度、真空度、转速、轴向载荷、径向载荷条件下的摩擦阻力、摩擦力矩、振动速度和振动加速度，进而实现对试验轴承使用性能的分析；

(7)全陶瓷滚动轴承工作至服役期结束，试验结束。

本发明超低温、真空环境下全陶瓷滚动轴承性能测试装置对全陶瓷滚动轴承进行试验时，带动全陶瓷滚动轴承的内圈进行转动，全陶瓷滚动轴承的外圈相对滑动(微移)，对全陶瓷滚动轴承施加轴向载荷及径向载荷，并通过控制超低温真空密封室3内液氮的输入及氮气的输出调节氮气含量控制全陶瓷滚动轴承环境温度、真空度；使全陶瓷滚动轴承测试装置可实现超低温(77K-303K)、真空(真空度优于5×10^-3Pa)环境下进行全陶瓷滚动轴承的摩擦试验、振动试验；实现超低温、真空环境下大尺寸(内径10mm-170mm、外径30-200mm)全陶瓷滚动轴承的摩擦、振动试验；实现了试样主轴10及全陶瓷滚动轴承在超低温、真空环境下的连续运转；实现超低温、真空全陶瓷滚动轴承测试装置在超低温、真空环境下的径向加载:100N-30000N，轴向加载:50N-10000N；实现轴承固定锥夹4及全陶瓷滚动轴承的简易拆卸；实现外置式载荷和全陶瓷滚动轴承的快速换样。

值得说明的是，本发明的全陶瓷滚动轴承性能测试装置可进行滚动轴承摩擦、振动试验，也可进行滚动轴承转速与主轴转速误差试验，只需更换增加相应的转速模块及传感器，即可进行多类型、多尺寸滚动轴承转速误差测量。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种超低温真空密封结构，其特征在于，包括固定支座以及设置于固定支座的主轴机构、超低温真空密封室和加力总成；

所述主轴机构包括相互连接的试样主轴和驱动主轴；

所述超低温真空密封室包括密封连接的真空密封腔体和轴向加载塞，所述真空密封腔体的内部设置有试样主轴，所述试样主轴套设有试验轴承，所述轴向加载塞与试样主轴通过轴向加载轴承连接；所述超低温真空密封室的一侧设置有液氮输入口，所述超低温真空密封室的另一侧设置有氮气输出口；

所述加力总成包括轴向加力总成和径向加力总成，所述轴向加力总成与轴向加载塞远离试样主轴的一端抵接，用于向试验轴承施加轴向力；所述径向加力总成与真空密封腔体的下方抵接，用于向试验轴承施加径向力。

2.根据权利要求1所述的超低温真空密封结构，其特征在于，所述试样主轴包括依次设置的直轴段、轴肩和锥形轴段，所述驱动主轴设置有与所述锥形轴段对应的锥形孔，所述试样主轴的锥形轴段穿过真空密封腔体的侧壁与驱动主轴的锥形孔通过锥形胀套连接，并且所述试样主轴与真空密封腔体的连接处设置有负压密封组件。

3.根据权利要求2所述的超低温真空密封结构，其特征在于，所述驱动主轴与试样主轴之间安装有蜂窝状三方阻散热片，用于降低试样主轴的传热效率。

4.根据权利要求2所述的超低温真空密封结构，其特征在于，所述试验轴承的左侧设置有轴承定位圆环，所述轴承定位圆环套设于试样主轴；所述试验轴承的右侧与试样主轴的轴肩抵接；所述试验轴承的外部设置有轴承固定锥夹，所述轴承固定锥夹与真空密封腔体的内壁抵接。

5.根据权利要求4所述的超低温真空密封结构，其特征在于，所述轴承固定锥夹包括轴承夹具、内锥形开口套圈和外锥形开口套圈，所述轴承夹具为环状锥面结构，其包括左夹具和右夹具，所述左夹具和右夹具结构相同并且对称设置，所述左夹具和右夹具均分别沿周向设置若干个通孔，用于螺栓连接或者氮气通过；所述外锥形开口套圈设置于试验轴承的外部，并与轴承夹具的内壁通过锥面配合；所述内锥形开口套圈设置于轴承夹具的外部，并与轴承夹具的外壁通过锥面配合。

6.根据权利要求2所述的超低温真空密封结构，其特征在于，所述试样主轴的直轴段内设有氮气内环通道，并且所述试样主轴与试验轴承内圈对应的位置沿周向设置至少两个与氮气内环通道连通的通孔，所述试样主轴的轴肩设置有一个与氮气内环通道连通的通孔。

7.根据权利要求1所述的超低温真空密封结构，其特征在于，所述驱动主轴通过卸荷座轴箱设置于固定支座，所述卸荷座轴箱可沿着驱动主轴轴向移动；所述卸荷座轴箱通过两个卸荷轴承与驱动主轴连接，两个卸荷轴承的安装方式为背对背安装。

8.根据权利要求1所述的超低温真空密封结构，其特征在于，所述超低温真空密封室通过轴向旋转约束固定于固定支座，用于防止超低温真空密封室轴向旋转。

9.根据权利要求1所述的超低温真空密封结构，其特征在于，所述轴向加力总成与径向加力总成的结构相同，均分别包括依次连接的加载伺服电机、加载电机驱动器和加载联轴减速部件，所述轴向加力总成的加载联轴减速部件与主轴机构同轴，所述径向加力总成的加载联轴减速部件的轴线与主轴机构的轴线垂直。

10.一种全陶瓷滚动轴承性能测试装置，其特征在于，包括权利要求1-9任意一项所述的超低温真空密封结构，以及双级真空系统、自增压液氮罐、信号采集系统、加热管、电机、控制器和上位机；

所述双级真空系统和自增压液氮罐通过电磁阀与液氮输入口连通，所述自增压液氮罐还与氮气输出口连通，所述氮气输出口设置有气体阻尼分配器；

所述信号采集系统包括测力传感器、振动传感器、温度传感器和真空度传感器，所述测力传感器设置于试验轴承外部，用于采集试验轴承的摩擦力矩；所述振动传感器设置于超低温真空密封室的外壁，用于采集试验轴承的振动速度；所述温度传感器和真空度传感器分别设置于超低温真空密封室的内部，分别用于采集超低温真空密封室内的温度和真空度；

所述加热管设置于超低温真空密封室内；

所述电机通过联轴器与驱动主轴远离试样主轴的一端连接；

所述控制器分别与电磁阀、电机、测力传感器、振动传感器、温度传感器、真空度传感器、气体阻尼分配器、加热管以及轴向加力总成和径向加力总成的加载伺服电机连接，所述控制器还与上位机连接。

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