CN114235402A - 一种超低温滚动轴承寿命试验装置 - Google Patents

Abstract

一种超低温滚动轴承寿命试验装置，是在超低温滚动轴承寿命试验装置是增加了径向加载机构以及摩擦力矩测量组件。为保证径向加载机构不受超低温环境的影响，在其圆周外表面包裹有柔性波纹管，将其与超低温环境有效隔离；同时为了保证摩擦力矩测量组件不受超低温环境的影响，将其设置在径向机载机构的传递路径上，通过力矩平衡法将其测量，为了保证摩擦力矩的真实性及可信度，加载机构及摩擦力矩测量组件采用柔性机构。本发明将摩擦力矩设置在径向加载机构传递路径中，使得其能对试验轴承在承受不同载荷及转速下的摩擦力矩进行测量，且测量摩擦力矩及施加径向载荷使用同一个机构，简化了结构节省了空间。

Description

一种超低温滚动轴承寿命试验装置

技术领域

本发明涉及滚动轴承寿命试验领域，具体是一种超低温滚动轴承寿命试验方法。

背景技术

随着人类对于重型运载火箭需求剧增，应用于火箭发动机的超低温滚动轴承转速与承载要求越来越高，且寿命与可靠性指标愈加苛刻，该类轴承服役于液氧或者液氢所形成超低温环境中，同时承受高速重载工况，其中轴承运转中产生摩擦力矩会导致能量损耗，从而影响轴承寿命，是轴承寿命的重要技术指标。鉴于模拟轴承超低温环境及真实工况对于火箭发动机寿命预测的重要性，因此，亟待开展能够完全模拟超低温轴承真实服役工况的试验装置及试验方法研究。

在申请号为CN202011119129.0的发明创造中公开了一种超低温滚动轴承寿命试验装置及试验方法。该发明创造包括一个装置壳体，装置壳体包括试验腔体和试验轴系，试验腔体上面为低温腔，下面为油气润滑腔，中间设置有组合密封结构，低温腔外壳与试验轴系主轴外壳固定连接，机械主轴贯穿整个油气润滑腔，机械主轴上安装有试验轴承、导流体，支撑轴承，机械主轴与轴向加载机构通过试验轴承相配合，机械主轴后端通过联轴器与驱动电机相连接，主轴外壳上设置有润滑介质入口、温度调节介质入口和温度调节介质出口，主轴后端盖上设置有润滑介质出口，加载杆上设置有低温介质入口，低温腔外壳上设置有低温介质出口。试验装置装配完成后，通过加载杆向低温腔注入低温介质预冷却，调节轴向加载机构，模拟实际工况下试验轴承所承受载荷，调节低温介质流量，模拟超低温环境，同时向油气润润滑腔注入润滑介质提供润滑，通过向机械水套中注入温度调节介质保证润滑效果；启动驱动电机调运转至试验结束，模拟轴承工作转速。综上，该试验装置能够模拟温度，轴向载荷，润滑和转速等条件，但还存在以下不足：第一，该试验装置无法实现径向加载，不能完全真实模拟轴承的实际工况；第二，该试验装置没有摩擦力矩检测装置无法检测试验轴承运转过程中的摩擦损耗情况。

发明内容

为克服现有技术中存在的不能完全真实模拟轴承的实际工况、无法检测试验轴承运转过程中的摩擦损耗情况的不足，本发明提出了一种超低温滚动轴承寿命试验装置。

本发明包括试验段、轴向加载机构和驱动电机。所述试验段包括试验腔体与试验轴系，其中的试验腔体分为低温腔和油气润滑腔体；所述低温腔位于该油气润滑腔体的上端，并通过组合密封结构将所述低温腔与油气润滑腔体密封隔离。所述试验轴系位于该试验腔体内，并使该试验轴系中的机械主轴贯穿油气润滑腔体，机械主轴上端位于低温腔内，机械主轴的下端穿过主轴后端盖，处在油气润滑腔体外部；所述驱动电机与所述机械主轴连接。所述轴向加载机构位于所述低温腔的上端，并使该轴向加载机构中的加载气缸通过一系列连接件与加载杆固连。所述加载杆的下端位于低温腔内。

所述加载杆的下端位于低温腔内。

本发明还包括径向加载机构；所述径向加载机构包括径向加载气缸、径向力传感器组件、径向加载U型杆、摩擦力矩测量组件、径向加载头、加载芯轴、径向加载顶杆、上平衡支座和下平衡支座。所述径向加载顶杆的一端穿过低温腔外壳，位于低温腔内，并装入加载机构中的载荷施加组件外表面的定位止口内；该径向加载顶杆的另一端的端面与径向加载头的端面贴合。在所述径向加载顶杆位于低温腔内部分的外圆周上包裹有柔性波纹管。所述径向加载U型杆固定在下平衡支座的上表面。该径向加载U型杆的前端安装有加载芯轴，后端通过径向力传感器前端连接件与径向力传感器的一端连接；该径向力传感器与径向加载气缸中的活塞杆固连。所述摩擦力矩测量组件通过上平衡支座和下平衡支座安装在该径向加载机构的中部，并使摩擦力矩测量臂的一端装入所述加载芯轴内，另一端装入该径向加载U型杆内。

所述加载芯轴位于径向加载轴承套内，并使该加载芯轴的轴线垂直于该径向加载U型杆的轴线；所述加载头位于加载芯轴内；两个径向加载轴承分别位于该加载芯轴的两端。该径向加载U型杆一端的端面与所述径向加载轴承套的端面通过止口配合。该径向力传感器前端连接件位于所述径向加载U型杆另一端端面中心的盲孔内。

所述加载芯轴中部设置有螺纹孔，一端用于连接径向加载头，并使该径向加载头的凸面与径向加载顶杆一端的端面点面接触；该螺纹孔的另一端与所述摩擦力矩测量臂连接。

所述径向力传感器组件包括径向力传感器前端连接件、径向力传感器后端连接件和径向力传感器。所述径向力传感器前端连接件的内端面与径向力传感器的端面之间连接；该径向力传感器的另一端与径向力传感器后端连接件连接。所述径向力传感器前端连接件靠近径向加载U型杆，在该径向力传感器前端连接件的端面有与所述径向加载U型杆连接的螺纹连接杆。所述径向力传感器后端连接件靠近径向加载气缸；该径向力传感器后端连接件的法兰上均布有与所述径向力传感器连接的连接孔。

所述径向加载U型杆中U形槽的两侧壁上有同轴的径向加载轴承套安装孔；该U形槽槽底外端面中心有轴向的连接杆，该连接杆端面的中心有用于安装径向力传感器前端连接件的盲孔。所述U形槽的上下表面均为平面，分别用于安装上平衡支座和下平衡支座。

所述摩擦力矩测量组件包括摩擦力传感器、摩擦力矩测量连接杆、弹簧连接杆、摩擦力矩测量臂和连接弹簧。所述摩擦力矩测量臂的一端与所述加载芯轴螺纹连接，另一端套装在弹簧连接杆上。该弹簧连接杆的上端与摩擦力矩测量连接杆的下端销接；该弹簧连接杆的下端与连接弹簧销。所述摩擦力矩测量连接杆的上端以干涉配合的方式与所述摩擦力传感器连接；所述弹簧连接杆的下端通过螺纹固定在所述下平衡支座下端的弹簧孔内。

所述上平衡支座与下平衡支座的结构相同、镜像对称。该上平衡支座和下平衡支座均为U形，在两侧壁之间分别形成了摩擦力传感器的安装空间和连接弹簧的安装空间。所述上平衡支座下端的底座与所述径向加载U型杆上表面固连，该下平衡支座下端的底座与该径向加载U型杆的下表面固连。

所述摩擦力矩测量臂的内端面与径向加载U型杆U型槽底表面之间有10mm的行程空间。

与现有技术相比较，本发明取得的有益效果在于：

本发明是对公开在CN202011119129.0中公开的超低温滚动轴承寿命试验装置进行改进后得到的。原有技术为保证真实模拟试验轴承的超低温环境设置了双层低温腔，一般考虑摩擦力矩测量传感器安装在载荷施加组件周向表面，径向加载机构部件设置在低温腔外腔室中。这会导致摩擦力矩测量传感器以及径向加载机构暴露在超低温环境中，影响试验的真实性及可信度，而只提供轴向力能够满足一般轴承的性能测试要求，因此没有设置摩擦力矩测量传感器及径向加载机构。

而摩擦力矩能够更加真实反映轴承动态性能，并且要真实反映轴承摩擦力矩变化情况需要提供径向加载机构。因此，为克服原有技术所面临的难题以及存在只能向试验轴承施加轴向载荷的缺陷，改进时本发明增加了径向加载机构以及摩擦力矩测量组件。为保证径向加载机构不受超低温环境的影响，在其圆周外表面包裹有柔性波纹管，将其与超低温环境有效隔离；同时为了保证摩擦力矩测量组件不受超低温环境的影响，将其设置在径向机载机构的传递路径上，通过力矩平衡法将其测量，为了保证摩擦力矩的真实性及可信度，加载机构及摩擦力矩测量组件采用柔性机构。本发明将摩擦力矩设置在径向加载机构传递路径中，使得其能对试验轴承在承受不同载荷及转速下的摩擦力矩进行测量，且测量摩擦力矩及施加径向载荷使用同一个机构，可以节省空间，简化结构。

本发明设置有载荷施加组件，该载荷施加组件内部安装测试轴承并与轴向加载杆末端配合，外侧周向设置有与径向加载机构相匹配的定位止口，通过该载荷施加组件，利用气动加载方式可以轴向加载机构以及径向加载机构可以同步向测试轴承施加载荷。同时，该载荷施加组件将测试轴承与导流体之间的空间组成低温腔内腔室，使测试轴承完全处于低温介质中。

附图说明

图1为无径向加载机构试验装置的剖视图。

图2为径向加载机构结构示意图。

图3为图2中A-A向的水平剖视图。

图4为低温腔外壳。

图5为载荷施加组件的结构示意图。

图6为载荷施加组件的剖视图。

图7为加载机构与载荷施加组件的装配关系结构示意图。

图8为加载机构与载荷施加组件的装配关系剖面图。

图9为径向加载顶杆结构示意图。

图10为柔性波纹管结构示意图。

图10为柔性波纹管剖视图。

图11为径向加载U型杆与其内部构件装配关系的示意图。

图12为图11中B-B向剖视图。

图13为图11的正视图。

图14为摩擦力矩测量组件与径向加载U型杆装配关系剖视图。

图15为摩擦力矩测量组件与加载芯轴装配关系的爆炸图。

图16为径向加载U型杆结构示意图。

图17为加载芯轴的结构示意图。

图18为图17的剖视图。

图19为摩擦力矩测量连接杆的结构示意图。

图20为弹簧连接杆的结构示意图。

图21为连接弹簧的结构示意图。

图22位摩擦力矩测量臂的结构示意图。

图23为径向力传感器组件的结构示意图。

图24为图23的剖视图。

图25为径向力传感器的结构示意图。

图26为图25的剖视图。

图27为径向力传感器前端连接件剖视图。

图28为径向力传感器后端连接件剖视图。

图29为本发明的结构示意图。

图30为图29的AA剖视图。

图中：1.轴向加载机构；2.低温腔外壳；3.低温腔密封端盖；4.组合密封结构；5.主轴外壳；6.主轴后端盖；7.机械主轴；8.试验轴承；9.载荷施加组件；10.载荷施加组件外表面定位止口；11.径向加载顶杆；12.柔性波纹管；13.波纹管端部法兰盘；14.径向载荷施加端盖；15.低温腔外壳径向过孔；16.径向加载头；17.摩擦力矩测量臂；18.加载芯轴；19.径向加载轴承；20.径向加载轴承套；21.摩擦力矩测量组件；22.摩擦力传感器；23.摩擦力矩测量连接杆；24.弹簧连接杆；25.连接弹簧；26.上平衡支座；27.下平衡支座；28.径向加载U型杆；29.径向力传感器组件；30.径向力传感器；31.径向力传感器前端连接件；32.径向力传感器后端连接件；33.径向加载气缸。

具体实施方式

一种改进的超低温滚动轴承寿命试验装置，包括试验段、轴向加载机构1、径向加载机构、驱动电机和监测系统。其中试验段、轴向加载机构1、驱动电机以及检测系统均为现有技术；在现有技术的基础上增加了径向加载机构并对关键部件进行了改进，以能够实现径向加载机构的有效运用。

所述试验段包括试验腔体与试验轴系。所述试验腔体由两部分组成，该低温腔位于油气润滑腔体的上端；所述低温腔与油气润滑腔体之间有组合密封结构4。所述低温腔为由低温腔外壳2、组合密封结构4和低温腔密封端盖3包围的腔体；油气润滑腔体为由主轴外壳5、组合密封结构4和主轴后端盖6包围的腔体。所述油气润滑腔与低温腔内部结构均采用现有技术。所述低温腔外壳2与主轴外壳5固定连接，所述机械主轴7后端通过联轴器与驱动电机连接。

所述试验轴系包括一个机械主轴7，该机械主轴7贯穿所述油气润滑腔体，所述机械主轴7前端位于所述低温腔内，后端穿过主轴后端盖6，处在所述油气润滑腔体外部。所述驱动电机与所述机械主轴7连接。所述轴向加载机构1位于所述低温腔的上端，并使该轴向加载机构1中的加载气缸通过一系列连接件与加载杆固连。所述加载杆的下端位于低温腔内。

所述轴向加载机构1采用已有技术。

所述径向加载机构包括径向加载气缸33、径向力传感器组件29、径向加载U型杆28、摩擦力矩测量组件21、径向加载头16、加载芯轴18、径向加载轴承19、径向加载轴承套20、径向加载顶杆11、上平衡支座26和下平衡支座27。所述径向加载顶杆11的一端穿过低温腔外壳2，位于低温腔内，并装入轴向加载机构1中的载荷施加组件外表面的定位止口10内；该径向加载顶杆11的另一端的端面与径向加载头16的端面贴合。在所述径向加载顶杆11位于低温腔内部分的外圆周上包裹有柔性波纹管12。所述径向加载U型杆28固定在下平衡支座27的上表面。该径向加载U型杆28的前端安装有加载芯轴18，后端通过径向力传感器前端连接件31与径向力传感器30的一端连接；该径向力传感器30的另一端通过径向力传感器后端连接件32与径向加载气缸33中的活塞杆固连。所述摩擦力矩测量组件21通过上平衡支座26和下平衡支座27安装在该径向加载机构的中部，并使摩擦力矩测量臂17的一端装入所述加载芯轴18内，另一端装入该径向加载U型杆28内。

所述低温腔为由低温腔外壳2、组合密封结构4和低温腔密封端盖3包围的腔体。所述载荷施加组件9与试验轴承8位于该低温腔内，将该低温腔的腔体分隔为内腔室与外腔室，形成了双层结构的低温腔。

所述低温腔外壳2由锥体段和直筒段组成。所述锥体段固定在直筒段的上端面。该锥体段上端中心有用于安装轴向加载机构1的过孔。所述直筒段圆周表面有用于安装径向加载顶杆11的过孔，所述直筒段的内径大于所述组合密封结构4的直径。

所述油气润滑腔为由所述主轴外壳5，所述机械主轴7及所述主轴后端盖6以及组合密封结构4包围的腔室，腔室内部结构及组合密封结构4均采用现有技术。所述主轴后端盖6固定在该主轴外壳5的下端面，通过该主轴后端盖6将所述主轴外壳5与机械主轴7固定。

所述试验装置还包括监测系统和设置在所述试验段、所述驱动电机和所述加载机构的传感器。所述监测系统与各传感器相连接，所述监测系统设置有用于显示和调整试验参数的操作界面。

本实施例中，在所述轴向加载机构1、径向加载机构和试验段配置有多个传感器，并使各传感器分别与监测系统连通。所述传感器包括力传感器、质量流量计、位移传感器、加速度传感器、温度传感器和腔压传感器。其中，除所述摩擦力传感器22及所述径向力传感器30外，其它传感器安装位置与未改进装置传感器安装位置相同；所述摩擦力传感器22通过螺栓紧固在上平衡支座中；所述径向力传感器30与径向力传感器前端连接件31和径向力传感器后端连接件32构成径向力传感器组件29位于轴向载荷传递路径之中。

所述载荷施加组件9外表面径向设置有与径向加载顶杆11相匹配的定位止口，该载荷施加组件9与径向加载顶杆11顶端阶梯状圆台干涉配合。所述轴向加载机构1末端杆件通入载荷施加组件9内，通过已有构件与载荷施加组件9干涉配合。所述试验轴承8安装在该载荷施加组件9内。试验时，轴向加载机构1经载荷施加组件9将轴向力传递至试验轴承8；同时，径向加载气缸33产生推力，该推力通过径向力传感器组件29施加给径向加载U型杆28，再经径向加载头16和径向加载顶杆11传递给载荷施加组件9，最终经载荷施加组件9传递至试验轴承8，完成加载。

所述径向加载顶杆11为圆柱状，一端有阶梯状凸台。该径向加载顶杆11阶梯状凸台在载荷施加组件9圆周表面上有与之相匹配的定位止口，两者之间形成干涉配合。该径向加载杆11外部包裹有柔性波纹管12，所述柔性波纹管12将径向加载顶杆11与低温介质隔离开，防止低温介质对零件造成损伤。所述波纹管端部法兰盘13一端与该径向加载顶杆11阶梯状凸台表面相贴合，并通过螺栓固连。所述波纹管端部法兰盘13另一端与所述径向载荷施加端盖14的表面相贴合，亦通过螺栓固连。该径向加载顶杆11一端穿过径向载荷施加端盖14中心处圆形过孔，所述径向载荷施加端盖14圆形过孔内径大于径向加载顶杆11外径，该径向载荷施加端盖14外径等于低温腔外壳7径向圆形过孔直径，两者之间干涉配合。所述径向载荷施加端盖14头部法兰盘表面与低温腔外壳7外表面贴合，并通过螺栓固连。

所述径向加载头16一端装入加载芯轴18中，另一端有一凸起的球面与径向加载顶杆11点面接触。该径向加载头16与摩擦力矩测量臂17安装在同一芯轴上。当驱动电机启动时，机械主轴18带动试验轴承8内圈发生转动，内圈由滚珠带动外圈发生转动，外圈将产生切向的摩擦力传递给所述径向加载顶杆11，该径向加载顶杆11由径向加载头16传递给加载芯轴18发生转动，带动摩擦力矩测量臂17发生一定角度偏转，该摩擦力矩测量臂17将力传递给弹簧连接杆24，该弹簧连接杆24带动弹簧拉伸同时通过摩擦力矩测量连接杆23将力传递给摩擦力传感器22，该摩擦力传感器22得到的力F与摩擦力矩测量臂17的长度L相乘得到本次实验的摩擦力矩M。

所述加载芯轴18位于径向加载轴承套20内，并使该加载芯轴18的轴线垂直于该径向加载U型杆28的轴线；所述径向加载头16位于加载芯轴18内；两个径向加载轴承19分别位于该加载芯轴18的两端。该径向加载U型杆28一端的端面与所述径向加载轴承套20的端面通过止口配合。该径向力传感器前端连接件31位于所述径向加载U型杆28另一端端面中心的盲孔内。

所述加载芯轴18中部设置有螺纹孔，一端用于连接径向加载头16，并使该径向加载头16的凸面与径向加载顶杆11一端的端面点面接触；该螺纹孔的另一端与所述摩擦力矩测量臂17连接。

所述径向力传感器组件29包括径向力传感器30、径向力传感器前端连接件31、径向力传感器后端连接件32。所述径向力传感器前端连接件31的内端面与径向力传感器30的端面之间连接；该径向力传感器30的另一端与径向力传感器后端连接件32连接。所述径向力传感器前端连接件31靠近径向加载U型杆28，在该径向力传感器前端连接件31的端面有与所述径向加载U型杆28连接的螺纹连接杆。所述径向力传感器后端连接件32靠近径向加载气缸33；该径向力传感器后端32连接件的法兰上均布有与所述径向力传感器30连接的连接孔。

所述径向力传感器30为一圆筒状，两端为用以连接的法兰，该径向力传感器30两端法兰与径向力传感器前段构件31和径向力传感器后端连接件32通过螺栓紧固连接在一起。所述径向力传感器30外表面径向位置设置有尾状线用以输出径向力信号。

所述径向力传感器前端连接件31端部为一法兰，该法兰与径向力传感器30端面贴合并用螺栓固连。所述径向力传感器后端连接件32有绕轴线360°阵列环绕的圆形过孔，每个过孔都有与用以紧固作用的螺栓相匹配的螺纹；该径向力传感器后端连接件32亦与径向力传感器30端面贴合并通过螺栓紧固连接。

所述径向加载U型杆28中U形槽的两侧壁上有同轴的径向加载轴承套20安装孔；该U形槽槽底外端面中心有轴向的连接杆，该连接杆端面的中心有用于安装径向力传感器前端连接件31的盲孔。所述U形槽的上下表面均为平面，分别用于安装上平衡支26座和下平衡支座27。

所述摩擦力矩测量组件21包括摩擦力传感器22、摩擦力矩测量连接杆23、弹簧连接杆25、摩擦力矩测量臂17和连接弹簧25。所述摩擦力矩测量臂17的一端与所述加载芯轴18螺纹连接，另一端套装在弹簧连接杆24上。该弹簧连接杆24的上端与摩擦力矩测量连接杆23的下端销接；该弹簧连接杆24的下端与连接弹簧25销接。所述摩擦力矩测量连接杆23的上端以干涉配合的方式与所述摩擦力传感器22连接；所述弹簧连接杆24的下端通过螺纹固定在所述下平衡支座27下端的弹簧孔内。

所述摩擦力矩测量臂17整体为一回转体，该摩擦力距测量臂17一端有径向的过孔，该径向过孔所处的端部上下表面有与弹簧连接杆24相匹配的切口，该弹簧连接杆24穿过所述径向过孔，上端类盘状部分下表面与弹簧连接杆24上部切口表面贴合，所述下部切口表面通过螺母与弹簧连接杆24紧固连接。

所述弹簧连接24杆亦为对称体，上下端部有径向的过孔和与测量组件相匹配的切口，所述弹簧连接杆24上端与摩擦力矩测量连接杆23销接，所述弹簧链接杆24下端以同样的方式与连接弹簧25销接。

所述摩擦力矩测量连接杆23上端为一阶梯状圆台，下端为Y字型结构。该阶梯状圆台通入摩擦力矩传感器22下端弯曲梁部分的过孔，两者之间形成干涉配合。

所述摩擦力传感器22为已有标准构件，该传感器上端过孔通过螺栓与上平衡支座26固定连接。

所述连接弹簧25上端为Y字型结构，下端为一弹簧，整体为一螺旋弹簧结构，该螺旋弹簧下端通过螺栓与下平衡支座27固定连接。

所述上平衡支座26与下平衡支座27的结构相同、镜像对称。该上平衡支座26和下平衡支座27均为U形，在两侧壁之间分别形成了摩擦力传感器22的安装空间和连接弹簧25的安装空间。所述上平衡支座26下端的底座与所述径向加载U型杆28上表面固连，该下平衡支座27下端的底座与该径向加载U型杆28的下表面固连。

所述摩擦力矩测量臂17与径向加载U型杆28U型端径向内表面之间留有10mm的行程空间，使摩擦力矩测量臂17在此空间内可以发生一定角度的偏转以实现摩擦力的传递。

本实施例中，采用气动加载方式，保证径向与轴向加载气缸同时施加载荷。径向加载气缸33施加径向加载力，经径向加载U型杆28传递到径向加载轴承19，径向加载轴承19在运转过程中将径向力传递到径向加载头16上，同时提供试验轴承8转动自由度，便于摩擦力矩测组件21对摩擦力矩的测量。摩擦力矩测量臂17与径向加载头16封装在加载芯轴内，保证结构的紧密型，使得相同空间可以设置两种功能的构件。

本实例中所述低温腔与油气润滑腔之间采用组合密封结构4分割开来，在保证试验轴承8能够完全模拟真实的超低温情况下，保证组合密封结构4下部分支撑结构不受低温环境的影响，从而保持支撑结构的可靠性。所述低温介质以及润滑介质的流动方式均为现有技术。

本实施例提出的利用所述超低温轴承寿命试验装置进行试验的具体过程是：

步骤一、根据试验大纲提出的转速与载荷要求，采用现有技术确定所述试验轴承8的低温介质流量和润滑介质流量参数。

本实施例中，所设定的试验轴承8的转速为18000rpm、轴向载荷为4000kgf、径向载荷为2000kgf；所设定的低温介质流量为10kg/s，润滑介质流量为0.03ml/min。

步骤二、装配试验轴承8。将试验轴承8安装在机械主轴7上，并通过压盖固定。将导流头安装在机械主轴7的上端面。

步骤三、开启低温介质源，通过轴向加载机构1中空的轴向加载杆向低温腔通入流量为1kg/s的低温介质，以对该低温腔进行预冷。当该低温腔的温度达到-196℃时，关闭低温介质源，预冷结束。所述低温介质为液氮。

步骤四、根据试验大纲提出的转速与载荷调整加载机构的参数，启动径向加载气缸33和轴向加载气缸，同步施加载荷，通过该加载装置中的径向加载机构和轴向加载机构1将载荷传递至试验轴承8；待所施加载荷达到试验轴承8模拟实际工况下所需载荷，停止继续加载。

步骤五、开启低温介质源，调节低温介质流量至10kg/s，模拟﹣196℃的低温环境。同时，向油气润滑腔体通入润滑介质并保持至试验结束，为机械主轴7和支承轴承提供润滑；所述润滑介质为VG68润滑油。

为保证油气润滑效果，需使油气润滑腔体内最佳工作温度保持在40℃；当其温度大于40℃时，通过温度调节介质入口向温度调节水套通入液氮降温；当其温度小于40℃时，通过温度调节介质入口向温度调节手套通入水升温。通过该温度调节手段，使其最佳工作温度恒定在40℃。

步骤六、开启驱动电机并使试验轴承8转速达到18000rpm。具体是，驱动电机带动机械主轴7转动，进而带动试验轴承8转动，以模拟该试验轴承8在工况下的工作状态，直至对完成该试验轴承的数据采集。

步骤七、通过监测系统监测试验装置运行状态并记录试验数据；所述的试验数据包括试验轴承8的摩擦力矩、温度、位移、加速度和该试验轴承8处的腔压、上支承轴承温度和下支承轴承温度。得到试验数据。

步骤八、获取所需试验数据后，关闭驱动电机，机械主轴7停止转动；停止通入所述低温介质、润滑介质和温度调节介质；关闭加载机构；卸下试验轴承8，试验结束。

Claims (8)

1.一种超低温滚动轴承寿命试验装置，包括试验段、轴向加载机构和驱动电机；所述试验段包括试验腔体与试验轴系，其中的试验腔体分为低温腔和油气润滑腔体；所述低温腔位于该油气润滑腔体的上端，并通过组合密封结构将所述低温腔与油气润滑腔体密封隔离；所述试验轴系位于该试验腔体内，并使该试验轴系中的机械主轴贯穿油气润滑腔体，机械主轴上端位于低温腔内，机械主轴的下端穿过主轴后端盖，处在油气润滑腔体外部；所述驱动电机与所述机械主轴连接；所述轴向加载机构位于所述低温腔的上端，并使该轴向加载机构中的加载气缸通过一系列连接件与加载杆固连。所述加载杆的下端位于低温腔内。

其特征在于，还包括径向加载机构；所述径向加载机构包括径向加载气缸(33)、径向力传感器组件(29)、径向加载U型杆(28)、摩擦力矩测量组件(21)、径向加载头(16)、加载芯轴(18)、径向加载顶杆(11)、上平衡支座(26)和下平衡支座(27)；所述径向加载顶杆的一端穿过低温腔外壳(2)，位于低温腔内，并装入加载机构中的载荷施加组件(9)外表面的定位止口内；该径向加载顶杆的另一端的端面与径向加载头(16)的端面贴合；在所述径向加载顶杆(11)位于低温腔内部分的外圆周上包裹有柔性波纹管(12)；所述径向加载U型杆固定在下平衡支座的上表面；该径向加载U型杆的前端安装有加载芯轴，后端通过径向力传感器前端连接件与径向力传感器(30)的一端连接；该径向力传感器与径向加载气缸(33)中的活塞杆固连；所述摩擦力矩测量组件通过上平衡支座(26)和下平衡支座(27)安装在该径向加载机构的中部，并使摩擦力矩测量臂(17)的一端装入所述加载芯轴(18)内，另一端装入该径向加载U型杆(28)内。

2.如权利要求1所述超低温滚动轴承寿命试验装置，其特征在于，所述加载芯轴(18)位于径向加载轴承套(20)内，并使该加载芯轴的轴线垂直于该径向加载U型杆的轴线；所述加载头位于加载芯轴内；两个径向加载轴承(19)分别位于该加载芯轴的两端；该径向加载U型杆(28)一端的端面与所述径向加载轴承套的端面通过止口配合；该径向力传感器前端连接件(31)位于所述径向加载U型杆另一端端面中心的盲孔内。

3.如权利要求1所述超低温滚动轴承寿命试验装置，其特征在于，所述加载芯轴(18)中部设置有螺纹孔，一端用于连接径向加载头(16)，并使该径向加载头的凸面与径向加载顶杆(11)一端的端面点面接触；该螺纹孔的另一端与所述摩擦力矩测量臂(17)连接。

4.如权利要求1所述超低温滚动轴承寿命试验装置，其特征在于，所述径向力传感器组件(29)包括径向力传感器前端连接件(31)、径向力传感器后端连接件(32)和径向力传感器(30)；所述径向力传感器前端连接件的内端面与径向力传感器的端面之间连接；该径向力传感器的另一端与径向力传感器后端连接件(32)连接；所述径向力传感器前端连接件靠近径向加载U型杆(28)，在该径向力传感器前端连接件的端面有与所述径向加载U型杆连接的螺纹连接杆；所述径向力传感器后端连接件靠近径向加载气缸(33)；该径向力传感器后端连接件的法兰上均布有与所述径向力传感器(30)连接的连接孔。

5.如权利要求2所述超低温滚动轴承寿命试验装置，其特征在于，所述径向加载U型杆(28)中U形槽的两侧壁上有同轴的径向加载轴承套安装孔；该U形槽槽底外端面中心有轴向的连接杆，该连接杆端面的中心有用于安装径向力传感器前端连接件(31)的盲孔；所述U形槽的上下表面均为平面，分别用于安装上平衡支座(26)和下平衡支座(27)。

6.如权利要求1所述超低温滚动轴承寿命试验装置，其特征在于，所述摩擦力矩测量组件(21)包括摩擦力传感器(22)、摩擦力矩测量连接杆(23)、弹簧连接杆(24)、摩擦力矩测量臂(17)和连接弹簧(25)；所述摩擦力矩测量臂的一端与所述加载芯轴(18)螺纹连接，另一端套装在弹簧连接杆(24)上；该弹簧连接杆的上端与摩擦力矩测量连接杆的下端销接；该弹簧连接杆的下端与连接弹簧(25)销；所述摩擦力矩测量连接杆的上端以干涉配合的方式与所述摩擦力传感器(22)连接；所述弹簧连接杆的下端通过螺纹固定在所述下平衡支座(27)下端的弹簧孔内。

7.如权利要求1所述超低温滚动轴承寿命试验装置，其特征在于，所述上平衡支座(26)与下平衡支座(27)的结构相同、镜像对称；该上平衡支座和下平衡支座均为U形，在两侧壁之间分别形成了摩擦力传感器(23)的安装空间和连接弹簧(25)的安装空间；所述上平衡支座下端的底座与所述径向加载U型杆(28)的上表面固连，该下平衡支座下端的底座与该径向加载U型杆的下表面固连。

8.如权利要求1所述超低温滚动轴承寿命试验装置，其特征在于，所述摩擦力矩测量臂(17)的内端面与径向加载U型杆(28)U型槽底表面之间有10mm的行程空间。

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