CN111896259B - 一种用于低温真空环境的陶瓷滚子轴承的加载及测试系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于低温真空环境的陶瓷滚子轴承的加载及测试系统，包括外壳、主轴驱动控制装置、加载装置、低温真空冷却系统、数据监测系统、主控机、真空机、变频器、驱动电机，外壳上开有真空抽气孔，真空机、变频器、驱动电机与主控机电连接，所述主轴驱动控制装置包括测试主轴，测试主轴外部套设有轴模块、固定锥夹；加载装置包括工作台、横向加载机构和纵向加载机构；低温真空冷却系统包括内嵌在外壳上的液氮通道、真空腔温度传感器和真空度传感器；数据监测系统包括与主控机的可编辑控制器电连接的测试轴承温度传感器、速度传感器、振动传感器、噪声传感器。本发明能够对陶瓷滚子轴承在低温真空条件下的服役性能进行评估。
Description
技术领域
本发明属于陶瓷滚子轴承测试试验设备技术领域，尤其涉及一种用于低温真空环境的陶瓷滚子轴承的加载及测试系统。
背景技术
随着经济技术的发展，陶瓷滚子轴承的应用越来越广泛，由于陶瓷材料的耐低温、抗氧化、耐腐蚀、不导磁、不导电等优良特性，抗压强度高、自润滑性能好等诸多特点，使得陶瓷轴承在高精密数控机床、航空航天领域、海洋科技领域等高端领域广泛应用。轴承的服役性能的测试还没有跟上发展的需求，目前陶瓷轴承在普通工况下的服役性能的研究在国内很多高校和科研机构正在开展，以便于推动陶瓷轴承的应用与推广。但是目前在一些极端工况条件陶瓷轴承的服役性能的测试和研究才刚刚开始，因此亟需一种用于低温真空环境的陶瓷滚子轴承的加载及测试系统，低温真空环境下的陶瓷轴承性能的测试试验系统的建立能够为陶瓷滚子轴承的推广和应用起到巨大的促进作用。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明提供一种用于低温真空环境的陶瓷滚子轴承的加载及测试系统，适用于低温真空条件下的陶瓷滚子轴承的加载以及应力应变、振动、温升、噪声以及转速数据的测试与采集，实现对陶瓷滚子轴承在低温真空条件下的服役性能进行评估。
一种用于低温真空环境的陶瓷滚子轴承的加载及测试系统，包括外壳、主轴驱动控制装置、加载装置、低温真空冷却系统、数据监测系统、主控机、真空机、变频器、驱动电机，外壳上开有真空抽气孔，真空机、变频器、驱动电机与主控机电连接，主控机内置可编辑控制器，所述主轴驱动控制装置包括测试主轴，测试主轴水平设置在外壳内部的低温真空腔内，测试主轴一端连接有锥形连接轴，锥形连接轴穿过外壳与驱动电机主轴连接，测试主轴另一端设置有加载轴承；测试主轴外部套设有轴模块，测试轴承套设在轴模块外部，测试轴承外部套设有固定锥夹；所述测试轴承一端面与测试主轴的轴肩间设置有套筒，测试轴承另一端面与锥形连接轴端面间设置有轴承挡圈；
所述加载装置包括工作台、横向加载机构和纵向加载机构，外壳放置在工作台上，横向加载机构包括轴向加载液压缸，设置在外壳外部，轴向加载液压缸的活塞杆的径向端面与外壳侧面接触，其活塞杆与测试主轴同轴；纵向加载机构包括纵向加载液压缸，设置在外壳外部，纵向加载液压缸的径向端面与外壳底面接触，其活塞杆与测试主轴垂直；
所述低温真空冷却系统包括内嵌在外壳上的液氮通道、真空腔温度传感器和真空度传感器，低温真空腔右下方预留有测试孔，真空腔温度传感器封装在测试孔内，与主控机的可编程控制器电连接；真空度传感器安装在低温真空腔内部，与主控机的可编程控制器电连接；
所述数据监测系统包括与主控机的可编辑控制器电连接的测试轴承温度传感器、速度传感器、振动传感器、噪声传感器，轴承温度传感器使用非接触式温度传感器，封装在预留在低温真空腔右下方的测试孔内，速度传感器与变频器和主控机电连接，采用激光非接触式速度传感器；振动传感器安装于真空腔的外部，噪声传感器封装在预留在低温真空腔右下方的测试孔内。
所述锥形轴承和外壳间设置有密封圈，将外壳内部密封为一个密封结构。
所述轴模块包括内套和轴承配合内套，内套外表面和轴承配合内套内表面通过齿和凹槽的啮合实现配合连接。
所述液氮通道是内嵌入低温空腔外部的的液氮循环沟道。
所述工作台上设置有支撑架，支撑架设置在驱动电机主轴外部，支撑架和驱动电机主轴间设置有支撑轴承。
一种低温真空环境的陶瓷滚子轴承的加载及测试方法，采用上述的一种用于低温真空环境的陶瓷滚子轴承的加载及测试系统进行，具体包括以下步骤：
步骤一：使驱动电机主轴旋转，在运行过程中，将轴模块、测试轴承、固定锥夹放入低温真空腔内后密封，采用真空机真空，保证测试轴承的真空测试环境；
步骤二：将液氮通入液氮通道进行降温，保证测试轴承的低温测试环境；
步骤三：步骤三：通过轴向加载液压缸和/或径向加在液压缸对测试轴承施加载荷，真空腔温度传感器、轴承温度传感器、真空度传感器、噪声传感器、振动传感器、速度传感器将采集的信号传递给可编辑控制器，可编辑控制器传递给主控机，根据实验条件主控机对反馈的数据进行分析并处理，实现对测试轴承应力应变、振动、噪声、转速的数据采集与测量。
本发明的有益效果是：本发明用于低温真空环境下不同外径、内径的陶瓷滚子轴承的载荷施加和应力应变的测量，能够在低温真空环境条件下实现载荷的施加，通过主控机与可编程控制器的作用，实现变载荷的施加；能够进行实验温度、驱动电机转速的调控以及数据的采集和处理，基于主控机的数据采集计算与分析，计算出轴承承受应力应变的大小；同时基于轴承型号尺寸的不同，设置有固定锥夹，利用固定锥夹实现不同型号轴承的测试，为适应不同直径大小的轴承，通过调整测试轴承外圈与真空腔之间的固定锥夹的大小，结合轴模块、测试主轴尺寸的选择，能够实现对不同型号陶瓷滚子轴承的真空低温试验测试，提高试应用性与广泛性；基于真空腔温度传感器、真空度传感器与可编程控制器的共同作用，实现低温真空环境；根据噪声传感器、振动传感器以及速度传感器，深入探究低温真空环境下的陶瓷滚子轴承的服役性能。
附图说明
图1为实施例1提供的加载及测试系统的整体结构示意图；
图2为本发明中测试主轴的主视图；
图3为图2的侧视图；
图4为本发明中内套的俯视图；
图5为本发明中内套的立体图；
图6为本发明中轴承配合内套的俯视图；
图7为本发明中轴承配合内套的主视图；
图8为本发明中轴承配合内套的立体图；
图9为本发明中轴承挡圈的立体图；
图10为图9的俯视图；
其中，
1固定锥夹，2测试轴承，3低温真空腔，4液氮通道，5轴向加载液压缸，6测试主轴，7液氮出口，8径向加载液压缸，9工作台，10振动传感器，11支撑轴承，12锥形连接轴，13驱动电机主轴，14密封圈，15测试孔，16内套，17轴承配合内套，18轴承挡圈，19套筒，20支撑架，21外壳，22加载轴承，23真空抽气孔，24液氮进口。
具体实施方式
为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明的技术方案和效果作详细描述。
实施例1
如图1所示，一种用于低温真空环境的陶瓷滚子轴承的加载及测试系统，包括外壳21、主轴驱动控制装置、加载装置、低温真空冷却系统、数据监测系统、主控机、真空机(图中未显示)、变频器(图中未显示)、驱动电机(图中未显示)，外壳21上开有真空抽气孔23，主控机内置可编辑控制器。所述主轴驱动控制装置包括测试主轴6，如图2-3所示，测试主轴6水平设置在外壳21内部的低温真空腔3内，测试主轴6一端连接有锥形连接轴12，锥形连接轴12穿过外壳21与驱动电机主轴13连接，测试主轴6另一端设置有加载轴承22；测试主轴6外部套设有轴模块，测试轴承2套设在轴模块外部，测试轴承2外部套设有固定锥夹1；所述测试轴承2一端面与测试主轴6的轴肩间设置有套筒19，测试轴承2另一端面与锥形连接轴12端面间设置有轴承挡圈18，如图9-10所示，套筒19和轴承挡圈18用于对测试轴承2轴向定位。锥形轴承和外壳21间设置有密封圈14，将外壳21内部密封为一个密封结构。
如图4-8所示，所述轴模块包括内套16和轴承配合内套17，内套16外表面和轴承配合内套17内表面通过齿和凹槽的啮合实现配合连接。
所述固定锥夹1在于适应不同直径大小的测试轴承2的测试，轴承外径大小的范围是30～200mm，轴承内径大小的范围是10～170mm，可通过调整固定锥夹1上的螺栓将固定锥夹1调整到测试轴承2外圈大小。
所述加载装置包括工作台9、横向加载机构和纵向加载机构，能够提供轴向加载和径向加载方式，实现低温真空环境对测试轴承2的加载。外壳21放置在工作台9上，横向加载机构包括轴向加载液压缸5，设置在外壳21外部，轴向加载液压缸5的活塞杆的径向端面与外壳21侧面接触，其活塞杆与测试主轴6同轴，能够从左往右对测试轴承2施加载荷；纵向加载机构包括径向加载液压缸8，设置在外壳21外部，径向加载液压缸8设置在工作台9上，径向加载液压缸8的径向端面与外壳21底面接触，其活塞杆与测试主轴6垂直，与固定锥夹1位置相对应，能够自下向上对测试轴承2施加载荷。本实施例中轴向加载液压缸5顶住外壳21左侧，加载时低温真空腔3推动测试主轴6向左移动，测试轴承2与加载轴承22之间通过轴套将力传递给测试轴承2，从而实现轴向力的加载；径向加载液压缸8在加载时顶住固定锥夹1，通过固定锥夹1将径向力传递给测试轴承2。
测试轴承2为轴向受力轴承，如角接触轴承、推力轴承、圆锥滚子，轴向加载液压缸5对外壳21施加力，测试轴承2受力后可自由左右滑移；纵向加载液压缸对外壳21施加力时，测试轴承2径向受力，测试轴承2外圈与真空腔之间通过固定锥夹1连接。
所述低温真空冷却系统包括内嵌在外壳21上的液氮通道4、真空腔温度传感器和真空度传感器，液氮通道4是内嵌入低温空腔外部的的液氮循环沟道，实现对低温真空腔3的降温；低温真空腔3右下方预留有测试孔15，真空腔温度传感器封装在测试孔15内，与主控机的可编程控制器电连接，用于监测低温真空腔3内的温度，并将监测的信号传递给主控机的可编程控制器，可编程控制器传递给主控机；真空度传感器安装在低温真空腔3内部，与主控机的可编程控制器电连接，真空机真空抽气孔23对低温真空腔3抽真空，真空度传感器用于监测低温真空腔3内的真空度，并将监测的信号传递给主控机的可编程控制器，可编程控制器传递给主控机。外壳21上部和下部分别开有与液氮通道4相连通的液氮进口24和液氮出口7。主控机根据真空腔温度传感器传递来的信号发出相应指令，调节液氮的排放量来控制低温真空腔3内的温度，实现低温的控制，低温真空腔3内的温度最低可达-130℃；主控机根据真空度传感器传递的低温真空腔3内的真空度信号发出指令，使真空机工作或者停止来实现内部真空度的改变，从而来保证稳定低温真空试验条件。
所述数据监测系统包括与主控机的可编辑控制器电连接的测试轴承2温度传感器、速度传感器、振动传感器10、噪声传感器，轴承温度传感器使用非接触式温度传感器，封装在预留在低温真空腔3右下方的测试孔15内，以便于检测测试轴承2内外圈的温度，并将检测到的温度信号传递给主控机；速度传感器与变频器和主控机电连接，优选的，由于低温真空条件下陶瓷轴承运行过程中容易产生丢转速，因此在测试轴承2的内圈端面采用激光非接触式速度传感器，实现对测试轴承2转速的准确测量；速度传感器将速度动态信号传递给主控机，主控机控制可编程控制器及变频器，用来准确测量测试轴承2的转速并根据试验条件实时调整驱动电机主轴13的转速，从而实现低温真空腔3内的测试轴承2转速的调节，避免因环境因素导致的陶瓷轴承丢转速，保证试验的真实性和可靠性。振动传感器10安装于真空腔的外部，噪声传感器封装在预留在低温真空腔3右下方的测试孔15内，应用于低温真空环境下振动与噪声数据的采集与分析，用于分析陶瓷轴承的服役性能。所述数据监测系统，主要监测测试轴承2在测试过程中的稳定性以及服役性能，避免轴承损伤带来不必要的损失，探究振动、噪声与陶瓷轴承的服役性能之间的关系。
主控机控制对测试轴承2施加载荷，通过施加的轴向力、径向力以及固定锥夹1与测试轴承2的受力接触面积，可编辑控制器通过内部的数据处理器进行计算，在主控机上显示陶瓷轴承实验过程中的承受的应力应变。所述的加载系统与可编程控制器连接，实现对陶瓷轴承应力应变的调整。
所述工作台9上设置有支撑架20，支撑架20设置在驱动电机主轴13外部，支撑架20和驱动电机主轴13间设置有支撑轴承11。
低温真空环境的陶瓷滚子轴承的加载及测试方法，采用上述一种用于低温真空环境的陶瓷滚子轴承的加载及测试系统进行，具体包括以下步骤：
步骤一：使驱动电机主轴13旋转，在运行过程中，将轴模块、测试轴承2、固定锥夹1放入低温真空腔3内后密封，采用真空机真空，保证测试轴承2的真空测试环境；
步骤二：将液氮通入液氮通道4进行降温，保证测试轴承2的低温测试环境；
步骤三：通过轴向加载液压缸5和/或径向加在液压缸对测试轴承2施加载荷，真空腔温度传感器、轴承温度传感器、真空度传感器、噪声传感器、振动传感器10、速度传感器将采集的信号传递给可编辑控制器，可编辑控制器传递给主控机，根据实验条件主控机对反馈的数据进行分析并处理，实现对测试轴承2应力应变、振动、噪声、转速的数据采集与测量。
实施例2
本实施例与实施例1的区别在于，本实施例中测试轴承2的直径发生了变化，但低温真空腔3的尺寸没有发生变化，只改变了固定锥夹1、内套16和轴承配合内套17的尺寸，从而实现不同直径型号的陶瓷轴承的试验测试，其余设置以及工作原理及方法与实施例1相同。
Claims (3)
1.一种用于低温真空环境的陶瓷滚子轴承的加载及测试系统，其特征在于：包括外壳、主轴驱动控制装置、加载装置、低温真空冷却系统、数据监测系统、主控机、真空机、变频器、驱动电机，外壳上开有真空抽气孔，真空机、变频器、驱动电机与主控机电连接，主控机内置可编辑控制器，所述主轴驱动控制装置包括测试主轴，测试主轴水平设置在外壳内部的低温真空腔内，测试主轴一端连接有锥形连接轴，锥形连接轴穿过外壳与驱动电机主轴连接，所述锥形连接轴和外壳间设置有密封圈，将外壳内部密封为一个密封结构；测试主轴另一端设置有加载轴承；测试主轴外部套设有轴模块，测试轴承套设在轴模块外部，测试轴承外部套设有固定锥夹；所述测试轴承一端面与测试主轴的轴肩间设置有套筒，测试轴承另一端面与锥形连接轴端面间设置有轴承挡圈；
所述加载装置包括工作台、横向加载机构和纵向加载机构，外壳放置在工作台上，横向加载机构包括轴向加载液压缸，设置在外壳外部，轴向加载液压缸的活塞杆的径向端面与外壳侧面接触，其活塞杆与测试主轴同轴；纵向加载机构包括纵向加载液压缸，设置在外壳外部，纵向加载液压缸的径向端面与外壳底面接触，其活塞杆与测试主轴垂直，与固定锥夹位置相对应，能够自下向上对测试轴承施加载荷；轴向加载液压缸顶住外壳左侧，加载时低温真空腔推动测试主轴向左移动，测试轴承与加载轴承之间通过轴套将力传递给测试轴承，从而实现轴向力的加载；径向加载液压缸在加载时顶住固定锥夹，通过固定锥夹将径向力传递给测试轴承；
所述低温真空冷却系统包括内嵌在外壳上的液氮通道、真空腔温度传感器和真空度传感器，低温真空腔右下方预留有测试孔，真空腔温度传感器封装在测试孔内，与主控机的可编程控制器电连接；真空度传感器安装在低温真空腔内部，与主控机的可编程控制器电连接；
所述数据监测系统包括与主控机的可编辑控制器电连接的测试轴承温度传感器、速度传感器、振动传感器、噪声传感器，轴承温度传感器使用非接触式温度传感器，封装在预留在低温真空腔右下方的测试孔内，速度传感器与变频器和主控机电连接，采用激光非接触式速度传感器；振动传感器安装于真空腔的外部，噪声传感器封装在预留在低温真空腔右下方的测试孔内；
所述轴模块包括内套和轴承配合内套，内套外表面和轴承配合内套内表面通过齿和凹槽的啮合实现配合连接；
所述液氮通道是内嵌入低温空腔外部的液氮循环沟道，低温真空腔内的温度最低可达-130℃。
2.根据权利要求1所述的一种用于低温真空环境的陶瓷滚子轴承的加载及测试系统，其特征在于：所述工作台上设置有支撑架，支撑架设置在驱动电机主轴外部，支撑架和驱动电机主轴间设置有支撑轴承。
3.一种低温真空环境的陶瓷滚子轴承的加载及测试方法，采用权利要求1~2任一项所述的一种用于低温真空环境的陶瓷滚子轴承的加载及测试系统进行，其特征在于：具体包括以下步骤：
步骤一：使驱动电机主轴旋转，在运行过程中，将轴模块、测试轴承、固定锥夹放入低温真空腔内后密封，采用真空机真空，保证测试轴承的真空测试环境；
步骤二：将液氮通入液氮通道进行降温，保证测试轴承的低温测试环境；
步骤三：通过轴向加载液压缸和/或径向加在液压缸对测试轴承施加载荷，真空腔温度传感器、轴承温度传感器、真空度传感器、噪声传感器、振动传感器、速度传感器将采集的信号传递给可编辑控制器，可编辑控制器传递给主控机，根据实验条件主控机对反馈的数据进行分析并处理，实现对测试轴承应力应变、振动、噪声、转速的数据采集与测量。
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