CN114034455A - 一种滚动轴承保持架和滚动体碰撞恢复系数测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种滚动轴承保持架和滚动体碰撞恢复系数测量装置，包括基座、滚动体模块、保持架模块、油气润滑模块和速度测量模块；滚动体模块和保持架模块分别用于连接与支撑滚动体和保持架，使两者的碰撞发生在既定位置；油气润滑模块提供可改变流量和油气比例的油膜润滑；速度测量模块采用高速相机记录保持架和滚动体碰撞前后的图像，并经图像处理得到两者的速度；整个装置可研究物体材料、相对速度、碰撞接触面性质和润滑条件等碰撞恢复系数的影响，且适用于一般型号的滚动轴承，有普遍的适用性。
Description
技术领域
本发明属于物理性能测试设备领域，涉及一种滚动轴承保持架和滚动体碰撞恢复系数测量装置，尤其是一种高转速下保持架和滚动体碰撞恢复系数的测量装置，并以此分析碰撞对保持架及滚动轴承动力学性能的影响。
背景技术
滚动轴承作为机械中承载和传动运动的重要支撑部件，它依靠内部各元件间的动态接触来支撑转动零件，是决定整个机械系统稳定性和可靠性最重要的元件之一。由于具有摩擦阻力小、刚性好、承载能力强、工作速度范围宽和回转精度高等优点，滚动轴承在航空航天、汽车工业、机器人和数控机床等各领域内都有着广泛的应用。一般的，滚动轴承由内圈、外圈、滚动体和保持架四大基本元件组成。作为轴承内部的主要元件之一，保持架对轴承的性能有着重要的影响，其作用主要体现在以下几个方面：(1)将轴承内各滚动体等间距隔开，防止各滚动体之间产生直接接触，并降低由各部件之间摩擦产生的热量；(2)使所有滚动体均匀地分布在轴承的内外套圈之间，使轴承整体载荷分布均匀；(3)在非承载区保持架可以带动滚动体运动，以改善滚动体的滚动状态，并防止产生滚动体损坏性打滑现象；(4)对于可分离式轴承，保持架可以在轴承安装或拆卸时将滚动体和引导套圈连接为一体，以防止滚动体发生脱落。
近年来，由于对轴承转速和精度的要求越来越高以及实际工况的越来越复杂，例如某些电主轴轴承DN值要达到每分钟350万转毫米，而运动误差却要小于1微米，滚动轴承朝着高转速、高精度和长寿命的方向发展。保持架作为轴承内部最薄弱的元件，其强度、稳定性和耐磨损性能远低于套圈和滚动体。据统计，在高速、往复加速等工作环境中，例如航空发动机主轴、机器人手臂等，保持架的断裂是轴承失效的重要原因之一，随着轴承转速的增加，保持架与滚动体间碰撞更加频繁和严重，引起保持架磨损加剧，导致保持架动态稳定性降低，从而加速轴承失效，降低轴承的使用寿命。因此，在高转速下，轴承运转失稳的特征一般都会反映到保持架上，而保持架动力学性能研究意义重大。
当前，对保持架动力学分析主要是建立轴承动力学模型，通过分析轴承内部各元件之间作用力计算保持架的瞬态运动，并研究不同参数对其性能的影响，而这过程中最重要的是准确计算各元件间作用力。然而，现有轴承动力学模型很少充分考虑保持架与滚动体的相互作用，尤其是两者的碰撞作用。事实上，在轴承实际工作中，由于保持架和滚动体的公转角速度的不同，必然会引起两者间的往复碰撞，导致保持架产生磨损和振动，甚至是断裂，严重影响其动力学性能。
早在1687年，牛顿阐述了动量守恒定理并引入了碰撞恢复系数来预测物体碰撞前后的速度，奠定了碰撞现象研究的基础。碰撞恢复系数是指物体碰撞前后法向分离速度与接近速度的比值，由于其在数学表达式上具有简洁性的优点，现被广泛应用于解决碰撞问题。在经典理论中，常把碰撞恢复系数看成是只与材料有关的常数，但近年来的研究发现碰撞相对速度、接触面的几何性质和碰撞倾斜角等因素也会影响碰撞恢复系数。当前，国内外的一些学者为了通过实验测量获得碰撞恢复系数，自制了一些测试试验台，能测量不同材料和相对速度下的碰撞恢复系数，例如中国专利公开说明书CN 106289961 A公开了一种基于声波传感测定材料碰撞恢复系数的装置，可通过碰撞产生的音频随时间信息精确测定其碰撞恢复系数，CN 104198146 B公开了一种农业物料碰撞恢复系数测试平台，可对农业物料各种形式条件的碰撞和物料之间的碰撞进行测试。但鉴于保持架的结构复杂性且碰撞恢复系数受碰撞接触面性质的影响，通过现有的实验台无法获得其与滚动体间准确的碰撞恢复系数。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中的问题，提供一种测量滚动轴承保持架和滚动体碰撞恢复系数的通用实验装置。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种滚动轴承保持架和滚动体碰撞恢复系数测量装置，包括基座、滚动体模块、保持架模块和速度测量模块；
所述基座包括底板和支撑柱，支撑柱垂直连接在底板上，支撑柱远离底板的一端开设有通槽；
所述滚动体模块包括滚动体轴芯、滚动体摆臂、滚动体和连接杆，滚动体轴芯穿过通槽安装在支撑柱上，滚动体摆臂套设在滚动体轴芯上，滚动体摆臂为圆筒状，滚动体为设有中心穿孔的球体，滚动体与连接杆间隙配合连接在滚动体摆臂上；
所述保持架模块包括保持架、保持架摆臂、保持架轴芯和保持架轴承座，保持架轴芯与支撑柱连接，保持架轴承座套设在保持架轴芯上，保持架摆臂沿保持架轴承座径向安装，用于支撑保持架；
所述速度测量模块包括高速相机，高速相机位于保持架和滚动体接触位置的正对面。
本发明的进一步改进在于：
所述滚动体轴芯通过锁紧螺母安装在支撑柱上，滚动体轴芯通过通槽调整相对于底板的高度。
所述滚动体轴芯前端设置有滚动体端盖，防止滚动体摆臂旋转时发生轴向窜动。
所述保持架轴芯上安装深沟球轴承，深沟球轴承设置在保持架轴承座内部。
所述保持架轴芯前端设置有保持架端盖，后端设有圆孔，定位件穿过圆孔，将保持架轴芯固定在支撑柱上。
所述保持架摆臂支撑固定不同尺寸的保持架。
将所述滚动体与保持架在碰撞位置相邻的一个兜孔横梁截断。
所述高速相机由三脚架支撑固定。
还包括油气润滑模块，所述油气润滑模块开始工作时，液压油泵带动油箱中的润滑油进入油路，通过过滤器和单向阀进入双向作用器和油气混合器，另一方面，打开旋拧阀，气路电磁阀通电后控制气体从气罐先后通过气路过滤器、减压阀和压力计，最终流入油气混合器；气动频率发生器一端连接气路电磁阀，另一端连接双向作用器；油气混合器将润滑油和气体混合后，通过喷油嘴喷射到保持架和滚动体的接触面上。
一种滚动轴承保持架和滚动体碰撞恢复系数测量方法，包括以下测量步骤：
步骤1，调整滚动体轴芯的竖直位置以及保持架兜孔的周向位置，令保持架横梁中心静止在滚动体下落的轨迹上，且碰撞发生时滚动体处于水平位置；
步骤2，打开油气润滑模块，调节喷油嘴大小改变油气流量，并将其对准碰撞发生位置，调节气动频率发生器以改变油气比例；
步骤3，拨动滚动体，使其拥有绕连接杆的自旋角速度，释放滚动体，由于滚动体摆臂的支撑作用，滚动体沿规定的轨迹下落，与保持架发生碰撞；
步骤4，高速相机记录下碰撞前后的图像，经图像处理得到保持架和滚动体碰撞前后的速度大小，由式计算得到两者间碰撞恢复系数：
e为碰撞恢复系数，
分别表示滚动体碰撞前后的速度，
表示保持架碰撞前后的速度。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明提供一种滚动轴承保持架和滚动体碰撞恢复系数测量装置，包括基座、滚动体模块、保持架模块和速度测量模块，将滚动体模块和保持架模块安装在基座上，通过速度测量模块中的高速相机记录保持架和滚动体在碰撞前后的图像，得到保持架和滚动体在碰撞前后的速度大小，通过计算得到两者之间的碰撞恢复系数。
进一步的，本发明设置有油气润滑模块，为了尽可能的保证保持架和滚动体结构的完整性，模拟了在实际转动过程中保持架和滚动体接触碰撞时存在的油膜润滑作用，从而获取更精准的碰撞恢复系数。
本发明可用于不同型号保持架和滚动体的碰撞恢复系数的测量，可研究物体材料、相对速度、碰撞接触面性质和润滑条件等碰撞恢复系数的影响，可以为滚动轴承保持架动力学性能研究提供理论支持，适用于一般滚动轴承，有普遍的适用性。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
图1为本发明所述装置的结构原理示意图；
图2为本发明所述滚动体模块和保持架模块的三维结构示意图；
图3为本发明所述油气润滑模块的原理图。
其中：1-底板，2-滚动体轴芯，3-滚动体摆臂，4-滚动体端盖，5-锁紧螺母，6-滚动体，7-连接杆，8-保持架(为求作图简洁美观，图1只画了与滚动体接触部分)，9-保持架摆臂，10-保持架轴芯，11-深沟球轴承，12-保持架轴承座，13-保持架端盖，14-定位件，15-高速相机，16-三脚架，17-气罐，18-旋拧阀，19-气路过滤器，20-气路减压阀，21-压力计，22-气路电磁阀，23-气动频率发生器，24-双向作用器，25-油气混合器，26-喷油嘴，27-单向阀，28-油路过滤器，29-液压油泵，30-温度计，31-油箱，32-支撑柱。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“水平”、“内”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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，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。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，若出现术语“水平”，并不表示要求部件绝对水平，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“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发明中的具体含义。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参见图1、图2和图3，本发明提出的一种滚动轴承保持架和滚动体碰撞恢复系数测量装置，包括基座、滚动体模块、保持架模块、油气润滑模块和速度测量模块；
基座用于连接并固定滚动体模块和保持架模块，由于在实验中会发生保持架和滚动体的碰撞现象，可能会引起基座的振动和失稳，因此需要通过螺纹连接将基座的底板1固定在平面上；滚动体模块包括滚动体6，带动滚动体6旋转的滚动体摆臂3，连接滚动体6和滚动体摆臂3的连接杆7，与滚动体摆臂3间隙配合组成短滑动轴承的滚动体轴芯2，将滚动体轴芯2固定在支撑柱32上的锁紧螺母5，防止滚动体摆臂3旋转时发生轴向窜动而安装在滚动体轴芯2前端的滚动体端盖4；保持架模块包括保持架8，与支撑柱32过盈配合的保持架轴芯10，确定保持架轴芯10周向位置的定位件14，安装在保持架轴芯10上并通过轴肩轴向定位的深沟球轴承11，以减小保持架8旋转时受到的摩擦阻力矩，设置在深沟球轴承11外周的保持架轴承座12与保持架摆臂9通过螺纹连接，防止保持架轴承座12和深沟球轴承11旋转时发生轴向窜动而安装在保持架轴芯10前端的保持架端盖13，用于支撑保持架8的保持架摆臂9；油气润滑模块包括带动润滑油进入油路的液压油泵29，控制液压油泵29供油频率的气动频率发生器23，能均匀混合气体和润滑油的油气混合器25，将油气喷射到保持架8和滚动体6接触面上的喷油嘴26，测量油箱31温度的温度计30；速度测量模块包括安装在保持架8和滚动体6接触位置正对面的高速相机15，支撑和固定高速相机的三脚架16。
支撑柱32上沿竖置方向开设有100mm的通槽，根据保持架8和滚动体6尺寸的不同，滚动体轴芯2可沿该方向调整高度位置，使碰撞发生在保持架8横梁中心；滚动体轴芯2后端设有螺纹线，可用锁紧螺母5固定于支撑柱32上，与滚动体摆臂3间隙配合组成短滑动轴承，通过填充润滑油脂减小滚动体摆臂3转动时的摩擦阻力矩；滚动体摆臂3和滚动体轴芯2的配合处设有圆孔，当实验停止时，可在圆孔中插入长棒，使滚动体摆臂3固定不转动，滚动体摆臂3前端设有长把手，便于手动调整滚动体6高度位置；滚动体6上设置有贯穿球心的圆孔，通过与连接杆7间隙配合连接滚动体摆臂3，使滚动体绕连接杆7可以自旋转动；保持架8通过八个保持架摆臂9支撑，保持架摆臂9通过螺纹连接固定在保持架轴承座12上，通过定位销确定与保持架8的相对位置，使保持架8在碰撞前处于静止，碰撞后处于稳定转动的状态，改变保持架摆臂9的尺寸，能使其支撑与固定不同尺寸的保持架8；保持架8碰撞处横梁的前一个兜孔横梁被截断，使滚动体6转动时不与其先发生碰撞而干涉到整体实验的进行；保持架轴芯10后端设有圆孔，可通过定位件14与支撑柱32配合，使保持架轴芯10在碰撞时不发生转动；滚动体轴芯2和保持架轴芯10前端都设有过盈配合的端盖，防止滚动体摆臂3、保持架轴承座12和深沟球轴承11旋转时发生轴向窜动；深沟球轴承11选用6000型号，具有摩擦阻力小，转速高，且能够承受一定的径向和轴向载荷的优点，可以尽可能的降低保持架转动时的摩擦阻力矩；当油气润滑模块开始工作时，液压油泵29带动油箱31中的润滑油进入油路，并通过油路过滤器28和单向阀27进入双向作用器24和油气混合器25，另一方面，打开旋拧阀18，气路电磁阀22通电后控制气体从气罐17先后通过气路过滤器19、气路减压阀20和压力计21，并最终流入油气混合器25，气动频率发生器23可以控制液压泵供油频率，油气混合器25将润滑油和气体均匀混合，并通过油嘴26喷射到保持架8和滚动体6的接触面上，整个油气润滑装置可以进行油气比例调节和油气流量调节。
本发明实施的具体步骤为：
步骤1，如图2所示，调整滚动体轴芯2的竖直位置以及保持架8兜孔的周向位置，令保持架8横梁中心恰好静止在滚动体6下落的轨迹上，且碰撞发生时滚动体6恰好处于水平位置；
步骤2，如图3所示，打开油气润滑模块，调节喷油嘴26大小以改变油气流量，并将其对准碰撞发生位置，调节气动频率发生器23以改变油气比例；
步骤3，拨动滚动体6，使其拥有绕连接杆7的自旋角速度，并将滚动体6从一定高度位置释放，由于滚动体摆臂3的支撑作用，滚动体6会沿着规定的轨迹下落，与保持架8发生碰撞；
步骤4，高速相机15记录碰撞前后的图像，经图像处理得到保持架8和滚动体6碰撞前后的速度大小，根据式(1)计算得到两者间的碰撞恢复系数；
步骤5，将滚动体6从同一高度位置释放，可进行重复实验；将滚动体6从不同高度位置释放，可研究相对速度对碰撞恢复系数的影响；改变保持架8和滚动体的材料，可研究物体材料对碰撞恢复系数的影响；改变保持架8兜孔形状，可研究碰撞接触面性质对碰撞恢复系数的影响；改变油气润滑的流量和比例，可研究润滑条件对碰撞恢复系数的影响。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种滚动轴承保持架和滚动体碰撞恢复系数测量装置，其特征在于，包括基座、滚动体模块、保持架模块和速度测量模块；
所述基座包括底板(1)和支撑柱(32)，支撑柱(32)垂直连接在底板(1)上，支撑柱(32)远离底板(1)的一端开设有通槽；
所述滚动体模块包括滚动体轴芯(2)、滚动体摆臂(3)、滚动体(6)和连接杆(7)，滚动体轴芯(2)穿过通槽安装在支撑柱(32)上，滚动体摆臂(3)套设在滚动体轴芯(2)上，滚动体摆臂(3)为圆筒状，滚动体(6)为设有中心穿孔的球体，滚动体(6)与连接杆(7)间隙配合连接在滚动体摆臂(3)上；
所述保持架模块包括保持架(8)、保持架摆臂(9)、保持架轴芯(10)和保持架轴承座(12)，保持架轴芯(10)与支撑柱(32)连接，保持架轴承座(12)套设在保持架轴芯(10)上，保持架摆臂(9)沿保持架轴承座(12)径向安装，用于支撑保持架(8)；
所述速度测量模块包括高速相机(15)，高速相机(15)位于保持架(8)和滚动体(6)接触位置的正对面。
2.根据权利要求1所述的一种滚动轴承保持架和滚动体碰撞恢复系数测量装置，其特征在于，所述滚动体轴芯(2)通过锁紧螺母(5)安装在支撑柱(32)上，滚动体轴芯(2)通过通槽调整相对于底板(1)的高度。
3.根据权利要求1所述的一种滚动轴承保持架和滚动体碰撞恢复系数测量装置，其特征在于，所述滚动体轴芯(2)前端设置有滚动体端盖(4)，防止滚动体摆臂(3)旋转时发生轴向窜动。
4.根据权利要求1中所述的一种滚动轴承保持架和滚动体碰撞恢复系数测量装置，其特征在于，所述保持架轴芯(10)上安装深沟球轴承(11)，深沟球轴承(11)设置在保持架轴承座(12)内部。
5.根据权利要求1中所述的一种滚动轴承保持架和滚动体碰撞恢复系数测量装置，其特征在于，所述保持架轴芯(10)前端设置有保持架端盖(13)，后端设有圆孔，定位件(14)穿过圆孔，将保持架轴芯(10)固定在支撑柱(32)上。
6.根据权利要求1中所述的一种滚动轴承保持架和滚动体碰撞恢复系数测量装置，其特征在于，所述保持架摆臂(9)支撑固定不同尺寸的保持架(8)。
7.根据权利要求1中所述的一种滚动轴承保持架和滚动体碰撞恢复系数测量装置，其特征在于，将所述滚动体(6)与保持架(8)在碰撞位置相邻的一个兜孔横梁截断。
8.根据权利要求1中所述的一种滚动轴承保持架和滚动体碰撞恢复系数测量装置，其特征在于，所述高速相机(15)由三脚架(16)支撑固定。
9.根据权利要求1中所述的一种滚动轴承保持架和滚动体碰撞恢复系数测量装置，其特征在于，还包括油气润滑模块，所述油气润滑模块开始工作时，液压油泵(29)带动油箱(31)中的润滑油进入油路，通过过滤器(28)和单向阀(27)进入双向作用器(24)和油气混合器(25)，另一方面，打开旋拧阀(18)，气路电磁阀(22)通电后控制气体从气罐(17)先后通过气路过滤器(19)、减压阀(20)和压力计(21)，最终流入油气混合器(25)；气动频率发生器(23)一端连接气路电磁阀(22)，另一端连接双向作用器(24)；油气混合器(25)将润滑油和气体混合后，通过喷油嘴(26)喷射到保持架(8)和滚动体(6)的接触面上。
10.一种采用权利要求1-9任一项所述装置的滚动轴承保持架和滚动体碰撞恢复系数测量方法，其特征在于，包括以下测量步骤：
步骤1，调整滚动体轴芯(2)的竖直位置以及保持架(8)兜孔的周向位置，令保持架(8)横梁中心静止在滚动体(6)下落的轨迹上，且碰撞发生时滚动体(6)处于水平位置；
步骤2，打开油气润滑模块，调节喷油嘴(26)大小改变油气流量，并将其对准碰撞发生位置，调节气动频率发生器(23)以改变油气比例；
步骤3，拨动滚动体(6)，使其拥有绕连接杆(7)的自旋角速度，释放滚动体(6)，由于滚动体摆臂(3)的支撑作用，滚动体(6)沿规定的轨迹下落，与保持架(8)发生碰撞；
步骤4，高速相机(15)记录下碰撞前后的图像，经图像处理得到保持架(8)和滚动体(6)碰撞前后的速度大小，由式(1)计算得到两者间碰撞恢复系数：
e为碰撞恢复系数，
分别表示滚动体碰撞前后的速度，
表示保持架碰撞前后的速度。
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