CN112304610A - 一种低温用轴承试验装置 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种低温用轴承试验装置，涉及航天试验器设计应用领域。本装置中的壳体包括一内腔，内腔内设有用于驱动参试轴承转动的驱动轴，密封组件设于内腔中并用于将内腔分别划分为相互隔断的轴载腔、径载腔和轴承腔，轴承腔用于收容参试轴承和驱动轴，加载设备包括轴向加载组件和径向加载组件，轴向加载组件设于轴载腔远离驱动轴的一侧，并用于通过轴载腔对参试轴承施加轴向载荷，径向密封组件设于径载腔远离驱动轴的一侧，并用于对参试轴承施加径向载荷。本申请提供的低温用轴承试验装置，整体结构简单紧凑，承压能力强，能较好地模拟超低温、高转速、对应方向施加载荷的应用环境，为轴承提供良好试验环境，得到精确的试验结果。

Description

一种低温用轴承试验装置

技术领域

本申请涉及航天试验器设计应用领域，特别涉及一种低温用轴承试验装置。

背景技术

涡轮泵是液体火箭发动机的核心部件，其通过涡轮燃气驱动泵高速旋转实现液体介质高效增压的功能，集成了高温、低温、高转速以及大载荷等恶劣工况，因此往往是故障多发点，其故障约占整个发动机故障的60％以上。

目前，液体火箭发动机涡轮泵中大多使用滚动轴承，其中，对轴承首要要求就是在寿命期内工作绝对可靠，轴承的寿命期指的即为疲劳寿命。在轴承业界，轴承寿命指疲劳寿命，其定义为在内圈或外圈滚动体或滚到首次出现金属疲劳或剥落之前，轴承以一定速度运转所能达到的旋转次数。在旋转机械中大约30％的机械故障均由轴承失效引起，因此研究轴承疲劳寿命对提高涡轮泵的工作可靠性来说至关重要。

相关技术中，在滚动轴承发展初期，轴承寿命主要以经验为依据，20世纪40年代至今，经过对轴承疲劳寿命进行大量的理论分析发现，由于影响轴承寿命的因素太多，过程比较复杂，轴承寿命理论仍需进一步完善，目前试验仍是研究轴承疲劳寿命的主要手段。如今已经出现了很多轴承试验机，并一直在对其进行不断改良和试验技术的提升，然而液体火箭发动机涡轮泵轴承使用工况恶劣，尤其是其超高转速(≥10000r/min)和超低温(-200℃)的使用工况，已经远远超出了常规轴承试验机的要求，目前已有的针对航天用涡轮泵轴承的高速低温特性设计的轴承试验系统，大部分均多少存在结构复杂、成本贵、承压能力有限的问题，不能为轴承提供一个良好的试验环境。

发明内容

本申请实施例提供一种低温用轴承试验装置，以解决相关技术中的轴承试验系统承压能力有限且不能为轴承提供尽可能相似真实环境的试验环境的问题。

本申请提供了一种低温用轴承试验装置，其包括：

壳体，其包括一内腔，所述内腔内设有用于驱动参试轴承转动的驱动轴；

密封组件，其设于所述内腔中并用于将所述内腔分别划分为相互隔断的轴载腔、径载腔和轴承腔，所述轴承腔用于收容所述参试轴承和驱动轴；

加载设备，其包括轴向加载组件和径向加载组件，所述轴向加载组件设于所述轴载腔远离所述驱动轴的一侧，并用于通过所述轴载腔对所述参试轴承施加轴向载荷，所述径向密封组件设于所述径载腔远离所述驱动轴的一侧，并用于通过所述径载腔对所述参试轴承施加径向载荷。

一些实施例中，所述密封组件包括：

第一密封件，其设于所述驱动轴远离驱动电机的一端端部，并用于将所述内腔隔断以形成所述轴载腔，所述第一密封件还用于将所述轴向载荷传递至所述参试轴承；

第二密封件，其设于所述驱动轴的一侧中部，并用于将所述内腔隔断以形成所述径载腔，所述第二密封件还用于将所述径向载荷传递至所述参试轴承。

一些实施例中，所述第一密封件包括用于将所述轴向载荷传递至所述参试轴承的轴向传力件，所述轴向传力件的外侧壁上嵌设有至少一轴向密封圈，所述第二密封件包括用于将所述径向载荷传递至所述参试轴承的径向传力件，所述径向传力件的外侧壁上嵌设有至少一径向密封圈，所述轴向密封圈和径向密封圈均为泛塞密封圈。

一些实施例中，所述低温用轴承试验装置还包括第一副轴承和第二副轴承，所述第一副轴承设于所述驱动轴靠近所述驱动电机的一端侧面，所述第二副轴承用于设于所述参试轴承和第一副轴承之间，且位于所述径向传力件的下方，所述第二副轴承用于将所述径向载荷传递至所述参试轴承。

一些实施例中，所述轴向密封圈和径向密封圈的数量均为4个，其中两个所述轴向密封圈的设置方向朝向所述轴载腔，剩余两个所述轴向密封圈的设置方向朝向所述轴承腔，其中两个径向密封圈的设置方向朝向所述径载腔，剩余两个所述径向密封圈的设置方向朝向所述轴承腔。

一些实施例中，所述轴向传力件和径向传力件与壳体之间的间隙均不大于0.02mm。

一些实施例中，所述密封组件还包括设于所述驱动轴靠近所述驱动电机一端端部的第三密封件，所述第三密封件包括：

液封轮，其活动套设于所述驱动轴的一端端部，所述液封轮用于随所述驱动轴的转动而转动，并可以在转动时与所述驱动轴之间形成液封；

至少一唇形密封件，所述唇形密封件设于所述液封轮靠近所述驱动电机的一侧，所述唇形密封件与驱动轴之间过盈配合，以辅助所述液封轮共同对所述轴承腔的对应端部进行密封。

一些实施例中，所述轴向加载组件包括轴向端盖，所述轴向端盖嵌设于所述壳体上并用于对所述轴载腔进行密封，所述轴向端盖上设有均与所述轴载腔连通的轴向测压口和轴向充气口，所述径向加载组件包括径向端盖，所述径向端盖嵌设于所述壳体上并用于对所述径载腔进行密封，所述径向端盖上设有均与所述径载腔连通的径向测压口和径向充气口。

一些实施例中，所述壳体两端的侧面上分别设有至少一进液管和出液管，所述进液管和出液管均与所述轴承腔连通，并分别用于将低温介质引入及引出所述轴承腔。

一些实施例中，所述轴向充气口和径向充气口内充入的气体为氮气、氦气、氧气和甲烷中的其中一种，所述进液管引流至所述轴承腔的低温介质为液氮、液氦、液氧和液态甲烷中的其中一种。

本申请提供的技术方案带来的有益效果包括：

本申请实施例提供了一种低温用轴承试验装置，由于密封组件将内腔分别划分为相互隔断的轴载腔、径载腔和轴承腔，设于轴载腔一侧的轴向加载组件通过轴载腔对参试轴承施加轴向载荷，设于径载腔一侧的径向密封组件通过径载腔对参试轴承施加径向载荷。本装置相比于现有技术中无法提供不同方向载荷以及承压能力低的试验装置而言，本装置可以较好地模拟超低温、高转速、对应方向施加载荷的应用环境，为轴承提供良好试验环境，从而得到精确的试验结果，解决了相关技术中的轴承试验系统承压能力有限且不能为轴承提供尽可能相似真实环境的试验环境的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的低温用轴承试验装置的剖视图。

图中：1-壳体，11-轴载腔，12-径载腔，13-轴承腔，2-驱动轴，3-参试轴承，40-轴向传力件，41-轴向密封圈，42-径向传力件，43-径向密封圈，44-液封轮，45-唇形密封件，50-轴向端盖，51-轴向测压口，52-轴向充气口，53-径向端盖，54-径向测压口，55-径向充气口，60-进液管，61-出液管，70-第一副轴承，71-第二副轴承。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请实施例提供了一种低温用轴承试验装置，其能解决相关技术中的轴承试验系统承压能力有限且不能为轴承提供尽可能相似真实环境的试验环境的问题。

参见图1所示，本低温用轴承试验装置包括壳体1、密封组件和加载设备，壳体1包括一内腔，内腔内设有用于驱动参试轴承3转动的驱动轴2，密封组件设于内腔中并用于将内腔分别划分为相互隔断的轴载腔11、径载腔12和轴承腔13，轴承腔13用于收容参试轴承3和驱动轴2，加载设备包括轴向加载组件和径向加载组件，轴向加载组件设于轴载腔11远离驱动轴2的一侧，并用于通过轴载腔11对参试轴承3施加轴向载荷，径向密封组件设于径载腔12远离驱动轴2的一侧，并用于通过径载腔12对参试轴承3施加径向载荷。

进一步的，密封组件包括第一密封件和第二密封件，第一密封件设于驱动轴2远离驱动电机的一端端部，并用于将内腔隔断以形成轴载腔11，第一密封件还用于将轴向载荷传递至参试轴承3；第二密封件设于驱动轴2的一侧中部，并用于将内腔隔断以形成径载腔12，第二密封件还用于将径向载荷传递至参试轴承3，以实现参试轴承3承受载荷的试验环境。

进一步的，第一密封件包括用于将轴向载荷传递至参试轴承3的轴向传力件40，轴向传力件40的外侧壁上嵌设有至少一轴向密封圈41，第二密封件包括用于将径向载荷传递至参试轴承3的径向传力件42，径向传力件42的外侧壁上嵌设有至少一径向密封圈43，轴向密封圈41和径向密封圈43均为泛塞密封圈，轴向传力件40和径向传力件42与壳体1之间的间隙均不大于0.02mm。从结构设计的角度出发，轴向密封圈41和径向密封圈43的数量均为4个，其中两个轴向密封圈41的设置方向与剩余两个轴向密封圈41的设置方向相反，其中两个径向密封圈43的设置方向与剩余两个径向密封圈43的设置方向相反，以尽可能的提高密封的效果。具体的，其中两个轴向密封圈41的设置方向朝向轴载腔11，剩余两个轴向密封圈41的设置方向朝向轴承腔13，其中两个径向密封圈43的设置方向朝向径载腔12，剩余两个径向密封圈43的设置方向朝向轴承腔13。另外，轴向密封圈41和径向传力件42的个数也可以为两个，均同向设置，泛塞密封圈相比于之前从常用的波纹管，可以满足低温高压的环境，且成本低，更换方便，相比于波纹管复杂的密封结构，大大提高了轴承试验装置的耐低温、耐高压性能。

进一步的，低温用轴承试验装置还包括第一副轴承70和第二副轴承71，第一副轴承70设于驱动轴2靠近驱动电机的一端侧面，第二副轴承71用于设于参试轴承3和第一副轴承70之间，且位于径向传力件42的下方，第一副轴承70和第二副轴承71为辅助驱动轴2转动的辅助轴承。其中，第二副轴承71位于径向传力件42的下方，而径向传力件42又位于驱动轴2的中间位置，因此第二副轴承71还用于将径向载荷传递至参试轴承3，具体的传递路径为：径载腔12通过径向传力件42将径向载荷传递至第二副轴承71，由于第二副轴承71位于驱动轴2的中间位置，第二副轴承71将径向载荷传递至驱动轴2的时候，驱动轴2会产生两端往上的微形变，于是驱动轴2将径向载荷传递至位于其两端上方的参试轴承3上，实现对参试轴承3对应方向的加载。

进一步的，密封组件还包括设于驱动轴2靠近驱动电机一端端部的第三密封件，第三密封件依次包括液封轮44和至少一唇形密封件45，其中，液封轮44活动套设于驱动轴2的一端端部，液封轮44用于随驱动轴2的转动而转动，并可以在转动时与驱动轴2之间形成液封，唇形密封件45则设于液封轮44靠近驱动电机的一侧，唇形密封件45与驱动轴2之间过盈配合，以辅助液封轮44共同对轴承腔13的对应端部进行密封，避免轴承腔13内的低温液体泄漏。

进一步的，轴向加载组件包括轴向端盖50，轴向端盖50嵌设于壳体1上并用于对轴载腔11进行密封，轴向端盖50上设有均与轴载腔11连通的轴向测压口51和轴向充气口52，径向加载组件包括径向端盖53，径向端盖53嵌设于壳体1上并用于对径载腔12进行密封，径向端盖53上设有均与径载腔12连通的径向测压口54和径向充气口55。壳体1两端的侧面上分别设有至少一进液管60和出液管61，进液管60和出液管61均与轴承腔13连通，并分别用于将低温介质引入及引出轴承腔13，一般。其中进液管60和出液管61的数量均为多根，以有利于提高低温介质入口和出口流场的稳定性，轴向充气口52和径向充气口55内充入的气体相同，为氮气、氦气、氧气和甲烷中的其中一种，对应的，进液管60引流至轴承腔13的低温介质为液氮、液氦、液氧和液态甲烷中的其中一种。其中，低温介质还可以是其他常用的液体介质，对应的气体也更换成对应的气体。

具体的，壳体1的内腔被分割成三个独立且相互隔断的轴载腔11、径载腔12和轴承腔13，驱动轴2贯穿壳体1的内腔，且一端与电机联轴器固定实现高速传动，轴承腔13内通过进液管60引进低温液体介质，并通过出液管61流出，通入超低温介质模拟低温的冷却润滑氛围，轴向充气口52和径向充气口55内均充入高压气体，气体分别进入轴载腔11和径载腔12，随着气体的不断进入，轴载腔11和径载腔12内的压力逐渐变大，根据参试轴承3所需要的载荷大小预先计算好轴载腔11和径载腔12内分别所需达到的压力值，同时分别通过轴向测压口51和径向测压口54腔内的压力进行实时监测和调节，直至达到所需的压力值。

本低温用轴承试验装置通过密封组件将内腔分别划分为相互隔断的轴载腔11、径载腔12和轴承腔13，设于轴载腔11一侧的轴向加载组件通过轴载腔11对参试轴承3施加轴向载荷，设于径载腔12一侧的径向密封组件通过径载腔12对参试轴承3施加径向载荷，能够同时模拟超低温轴承的转速、轴载以及介质环境等核心因素，尽可能提供相似真实环境的试验环境，且具有结构紧凑，试验实施简单等特点，可以用于液体火箭发动机涡轮泵用轴承的试验，承压能力好，可以提供给参试轴承3不同对应方位的载荷，成本低，试验结果精确，较好地解决了相关技术中的轴承试验系统承压能力有限且不能为轴承提供尽可能相似真实环境的试验环境的问题。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”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申请和简化描述，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申请的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。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在本申请中的具体含义。

需要说明的是，在本申请中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的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申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请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申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种低温用轴承试验装置，其特征在于，其包括：

壳体(1)，其包括一内腔，所述内腔内设有用于驱动参试轴承(3)转动的驱动轴(2)；

密封组件，其设于所述内腔中并用于将所述内腔分别划分为相互隔断的轴载腔(11)、径载腔(12)和轴承腔(13)，所述轴承腔(13)用于收容所述参试轴承(3)和驱动轴(2)；

加载设备，其包括轴向加载组件和径向加载组件，所述轴向加载组件设于所述轴载腔(11)远离所述驱动轴(2)的一侧，并用于通过所述轴载腔(11)对所述参试轴承(3)施加轴向载荷，所述径向密封组件设于所述径载腔(12)远离所述驱动轴(2)的一侧，并用于通过所述径载腔(12)对所述参试轴承(3)施加径向载荷。

2.如权利要求1所述的一种低温用轴承试验装置，其特征在于，所述密封组件包括：

第一密封件，其设于所述驱动轴(2)远离驱动电机的一端端部，并用于将所述内腔隔断以形成所述轴载腔(11)，所述第一密封件还用于将所述轴向载荷传递至所述参试轴承(3)；

第二密封件，其设于所述驱动轴(2)的一侧中部，并用于将所述内腔隔断以形成所述径载腔(12)，所述第二密封件还用于将所述径向载荷传递至所述参试轴承(3)。

3.如权利要求2所述的一种低温用轴承试验装置，其特征在于：所述第一密封件包括用于将所述轴向载荷传递至所述参试轴承(3)的轴向传力件(40)，所述轴向传力件(40)的外侧壁上嵌设有至少一轴向密封圈(41)，所述第二密封件包括用于将所述径向载荷传递至所述参试轴承(3)的径向传力件(42)，所述径向传力件(42)的外侧壁上嵌设有至少一径向密封圈(43)，所述轴向密封圈(41)和径向密封圈(43)均为泛塞密封圈。

4.如权利要求3所述的一种低温用轴承试验装置，其特征在于：所述低温用轴承试验装置还包括第一副轴承(70)和第二副轴承(71)，所述第一副轴承(70)设于所述驱动轴(2)靠近所述驱动电机的一端侧面，所述第二副轴承(71)用于设于所述参试轴承(3)和第一副轴承(70)之间，且位于所述径向传力件(42)的下方，所述第二副轴承(71)用于将所述径向载荷传递至所述参试轴承(3)。

5.如权利要求3所述的一种低温用轴承试验装置，其特征在于：所述轴向密封圈(41)和径向密封圈(43)的数量均为4个，其中两个所述轴向密封圈(41)的设置方向朝向所述轴载腔(11)，剩余两个所述轴向密封圈(41)的设置方向朝向所述轴承腔(13)，其中两个径向密封圈(43)的设置方向朝向所述径载腔(12)，剩余两个所述径向密封圈(43)的设置方向朝向所述轴承腔(13)。

6.如权利要求3所述的一种低温用轴承试验装置，其特征在于：所述轴向传力件(40)和径向传力件(42)与壳体(1)之间的间隙均不大于0.02mm。

7.如权利要求2所述的一种低温用轴承试验装置，其特征在于，所述密封组件还包括设于所述驱动轴(2)靠近所述驱动电机一端端部的第三密封件，所述第三密封件包括：

液封轮(44)，其活动套设于所述驱动轴(2)的一端端部，所述液封轮(44)用于随所述驱动轴(2)的转动而转动，并可以在转动时与所述驱动轴(2)之间形成液封；

至少一唇形密封件(45)，所述唇形密封件(45)设于所述液封轮(44)靠近所述驱动电机的一侧，所述唇形密封件(45)与驱动轴(2)之间过盈配合，以辅助所述液封轮(44)共同对所述轴承腔(13)的对应端部进行密封。

8.如权利要求1所述的一种低温用轴承试验装置，其特征在于：所述轴向加载组件包括轴向端盖(50)，所述轴向端盖(50)嵌设于所述壳体(1)上并用于对所述轴载腔(11)进行密封，所述轴向端盖(50)上设有均与所述轴载腔(11)连通的轴向测压口(51)和轴向充气口(52)，所述径向加载组件包括径向端盖(53)，所述径向端盖(53)嵌设于所述壳体(1)上并用于对所述径载腔(12)进行密封，所述径向端盖(53)上设有均与所述径载腔(12)连通的径向测压口(54)和径向充气口(55)。

9.如权利要求8所述的一种低温用轴承试验装置，其特征在于：所述壳体(1)两端的侧面上分别设有至少一进液管(60)和出液管(61)，所述进液管(60)和出液管(61)均与所述轴承腔(13)连通，并分别用于将低温介质引入及引出所述轴承腔(13)。

10.如权利要求9所述的一种低温用轴承试验装置，其特征在于：所述轴向充气口(52)和径向充气口(55)内充入的气体为氮气、氦气、氧气和甲烷中的其中一种，所述进液管(60)引流至所述轴承腔(13)的低温介质为液氮、液氦、液氧和液态甲烷中的其中一种。

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