毕业设计（论文）-电主轴-轴承特性试验台设计.doc

北京信息科技大学毕业设计（论文）电主轴-轴承特性试验台设计机电工程学院题 目：_机械设计制造及其自动化S系 别：_专 业：_学生姓名：_班级/学号_2015年2月20日 至 2015年6月15日指导老师/督导老师：_起止时间：_2012年2月20日 至 2012年6月15日IV摘要摘 要电主轴是目前数控机床的核心组件，整个机床的工作效率和工作性能都取决于它，目前电主轴的优点有很多，比如重量轻，同时造成的振动很小，响应快。目前很多国家都在开展针对电主轴的一系列研究，其中对于电主轴轴承的研究是最重要的几个项目之一，因为轴承对于主轴和整个轴系的功能起到了决定性的作用，整个机床的工作精度，运行时的稳定性也受到轴承的影响。根据电主轴陶瓷球轴承的工作环境和运行特点及原理，本文设计了一种高速主轴-轴承试验台，用他来进行电主轴轴承的仿真模拟，并进行轴承特性的试验。试验台由动力系统，加载系统以及试验台主体组成，本论文还将针对试验台的特点以及要研究的轴承特性设计一个能够采集数据，显示实时数据，分析数据和存储数据的虚拟仪器系统，该系统将与试验台组合成一个完整的高速主轴轴承测试系统。关键词：电主轴；陶瓷滚动球轴承；轴承试验台；动特性全套图纸加扣3012250582 AbstractAbstractElectric spindle is the core component of current numerical control machine tool. The working efficiency and working performance of the machine tool depends on it. At present there are many advantages of electric spindle, such as light weight, small vibration and response fast. Now many countries are to develop a series of studies on electric spindle. The investigations of the electric spindle bearing is one of the most important of these projects. Because of the bearing for the spindle and the function of the whole shafting has played a decisive role in the whole working precision of the machine tool. And the stability of the runtime is also affected by the bearing.According to the working environment and the operation characteristics and principles of motorized spindle ceramic ball bearings and. This paper designed a kind of high-speed spindle - bearing test rig and use it for simulation of electric spindle bearing. and bearing characteristics of the experiment was carried out. The test tag consist of power system, loading system and main body test tig. This thesis will also according to the characteristics of the test bed and to study the bearing characteristics to design virtual instrument system which can collect data, display real-time data, analyze data and store the data of. The system will be combined with test bench into a complete high-speed spindle bearing test system.Keywords: Electric spindle, Ceramic rolling ball bearing, Bearing test rig, Dynamic characteristics目录目 录摘要（中文） （英文） 第一章 绪论 1.1 课题的研究背景和研究意义 1.2 主轴轴承特性试验台的研究现状 1.3 本次课题的研究内容 第二章 实验台的总体设计 2.1 实验台的设计要求和功能要求 2.1.1实验台的设计 2.1.2实验台的功能 2.2 实验台总体方案 2.3 本章小结 第三章 实验台结构设计 3.1 试验台的总体结构设计 3.2 轴的设计 3.2.1轴系的结构设计 3.2.2轴系的校核 3.3 驱动系统设计 3.4 加载系统设计 3.5本章小结 第四章 测试采集软件的程序设计 4.1 系统的硬件选配 4.1.1传感器的选用 4.1.2采集卡的选用 4.2系统软件设计 4.3系统实际运行效果 4.4本章小结 11124444456666811111617171719192428 第五章 轴承特性试验设计 5.1试验目的 5.2试验方法 5.3本章小结 第六章 结论与展望 6.1结论 6.2研究展望 参考文献 致谢 292929303131313335电主轴-轴承特性试验台设计第一章 绪 论1.1课题的研究背景和研究意义 主轴是机床的重要部分，它的好坏决定着机床的整体性能。伴随科技的发展，数控机床也变得更加快速，更有效率，精度也是越来越高，这就要求电主轴需要更高的转速和刚度来匹配它，不仅如此，机床同时要求点主要还可以在短时间内完成精准启停，升降速等更为苛刻的能力。因此，电主轴的稳定性和可靠性的提升就成为了当今机床产业的重中之重，而轴承的设计就成为了实现电主轴高稳定性高可靠性的重要一环，因为轴承的材质，类型，尺寸充分地影响了主轴的转速、刚度等诸多关系着机床工作效率的因素，还会影响机床的稳定性和加工精度，有些失败的设计甚至会导致机床的寿命减短，因此，在设计轴承的阶段就必须特别注意。 现在的高速电主轴基本上都装配的是角接触球轴承，他是一种经典设计，其良好的性能从上世纪一直沿用至今，但是要将这种轴承应用在精度和转速要求极高的电主轴上，经过试验，本论文发现电主轴在运行时，这种钢制轴承产生的离心力和陀螺力矩会严重地增大轴承外圈与托架的接触应力，这就意味着摩擦力的上升，同时摩擦生热导致整个系统的温度也急剧上升，这会使得整个系统的工作环境变得异常恶劣，工作效率也会下降，这是本论文不希望看到的。而陶瓷球轴承作为一种新兴材料轴承，它的优点有允许转速高，温度上升地慢，同时不导电不导磁，是钢制球轴承的理想替代品，把它用在电主轴中，不仅保证了刚度，同时还能突破原来装配钢制球轴承时的电主轴转速临界。 对于如何知道轴承是否能有效提高机床的工作效率这个问题，最有效的办法就是对轴承进行轴承实验，通过轴承实验本论文可以清楚地了解被测轴承的寿命和性能好坏。轴承在设计就必须安排进行轴承，因为没有轴承实验，轴承的效果便不得而知。目前市面上的滚动轴承试验台不能完整地模拟出装备了陶瓷球轴承的电主轴的工作环境和实际工作情况。 除此之外，目前进行的电主轴-轴承测试试验一般都是在电主轴空载下进行的，虽然这种方法简单易操作，但它也存在着弊端，比如很难反映电主轴的实际工作环境，也无法模拟实际电主轴在运行过程中所收到的轴向载荷和径向载荷，因此其数值的说服力不高。 鉴于此，设计并制造出一种可以能模拟出一般情况下电主轴的实际工况的试验台，并且能够配合测试软件进行详尽的数据采集和精密的数据分析就变得格外重要。 1.2主轴-轴承特性试验台的研究现状1.2.1 主轴轴承系统动态特性研究 (1) 主轴轴承系统的发展 相比于现在的电主轴，主轴-轴承系统在上世纪的研发早期时结构非常简单，早期常用的轴承配合就是利用圆锥棍子轴承，两套轴承面对面配置并加载预紧力，这样的构造在当时是非常新颖且非常实用的，因为这样的安装法可以承受很大的轴向的，径向的加载力。但是，随着研发的不断递进，主轴的速度要求也越来越高，高速情况下摩擦使得主轴产生了严重的热位移，最先波及的就是接触载荷快速增大，在这种恶劣条件下主轴的速度研究也就被制约了。所以在现在的研发过程中，这种主轴与轴承的装配方式已经不被采用了。 20世纪中期，瑞典著名的滚珠轴承制造研发商，思凯孚公司（Svenska Kullager-Fabriken）推出并使用了新式的主轴-轴承系统。不仅通过装配双列圆柱滚子轴承来承受系统所受的径向载荷，而且次装配方式在施加了径向预紧载荷之后还可以减少径向的游隙；轴向载荷则依靠双向推力角接触球轴承来完成职称。同时困扰了一代人的主轴热位移的问题也通过在传动端安装双列圆柱滚子轴承而得到了有效的解决。虽然这种系统有很多优点，但是该系统的转速仍然受到结构的限制。 在上世纪90年代的时候，又一次的技术变革使得主轴-轴承系统的性能有了提升，如图1-1，灵活的可以变换的支撑方式，不仅可以使用两个轴承来支撑，甚至可以再增加轴承数量，这样的好处就是提高了轴承可以适应各种刚度要求，同时也突破了原有的对主轴的转速限制。图1-1 典型主轴系统示意图(2) 主轴轴承的发展 轴承是轴系的关键部件之一，它从机械结构上减少了主轴直接与箱体等粗糙件直接接触的机会，从而减少了巨大的摩擦力，减少了发热，同时他还可以根据型号组合，排列的不同，达到不同的功能和性能的要求，目前所有的主轴安装方式都是由最初的背对背安装形式型（英文简称：DB），或者面对面型安装（英文简称：DF）演化而来。图1-2（a）就是一种6个轴承两两组合的组配形式，图1-2（b）则是3个轴承的组配形式。 a)两个轴承的组配形式 b）三个轴承的组配形式 图 1-2 轴承配对方式1.3课题的研究内容 本文以某主轴-轴承系统为研究对象，该轴承系统采用B7009C/P2 SU 陶瓷角接触球轴承为支撑件，根据电主轴的工作特点和工作环境，建立一个电主轴-轴承特性试验台，用以仿真电主轴的工作，利用软件对相关轴承数据的采集与分析，研究轴承的特性对电主轴工作的影响，为以后电主轴-轴承系统的研究和优化提供有力的证据。论文的论述框架如图 1-3 所示，具体包括以下几个内容： （1） 阐述了自己做这个实验的主要目的，并展示国内外主轴-轴承系统的历史研究情况。 （2） 介绍了自己设计的试验台，说明它的具体结构，并且说明他可以完成的实验，并对其可以完成的试验进行设计。（3） 介绍了自行设计的一套测试程序，并运用该程序对试验台的数据进行采集和分析。得出试验结论。第1章 绪论第2章 试验台的总体设计 第3章 试验台的结构设计第4章 测试采集程序设计第5章 设计电主轴-轴承试验图 1-3 总体框架图第2章 试验台的总体设计2.1试验台的设计要求和功能要求在本章中，本论文将从分析电主轴装配的陶瓷球轴承的工况和运转特点开始，逐步制定出本实验台需要模拟的工作条件，按照这个条件，宏观得制定出本实验台的功能要求，以及基本的设计尺寸，为下一章的具体设计要求做准备。2.1.1试验台的总体设计 根据电主轴-轴承系统实际工况和运转特点，本文制定的电主轴-轴承特性试验台的设计要求如下： 1.试验台转速为 3000r/min； 2.根据轴承手册，被测轴承的内径半径 22.5mm、外径半径是37.5mm、宽度16mm，润滑方式初定为脂润滑； 3. 装配有轴向预加载系统，加载方式为机械加载；4. 径向加载系统为液压加载； 5. 试验测控方式为手动控制，计算机负责进行采样处理和数据分析； 6. 试件应拆装简单，操作方便。 2.1.2 试验台的功能 本试验台的设计初衷是为了模拟轴承在电主轴中的工作条件以及高速加工时的受力，以便对轴承系统进行轴承试验和相应的研究，为今后主轴-轴承系统的设计改进提供有效的参考数据。通过调查研究目前市面上的滚动轴承试验台的基本数据，再结合所学知识，如滚动轴承技术，信号处理技术等，制定除了试验台应满足功能要求如下：（1） 能够尽可能完整的模拟出轴承在电主轴运行过程中的工作环境和受力情况；（2） 可以通过手动设定相关参数，还可以保存为报表的形式；（3） 可以直观的看到实时的动态的各项数据，例如转速，载荷等重要数据，还可以对数据进行时频域分析，最后可以从程序中直接保存。打印出来。2.2 试验台的总体方案设计 总体方案设计就好比是远航前所做的航线设计一样，它是之后如何进行设计知道的指向性要求，故是产品设计之关键所在。本论文在仔细分析了电主轴-轴承系统的运行环境以及极限工况的基础上，根据试验台对其功能的需求与设计的需求，试制定了实验台的总体设计之方案： 其中，本轴承试验台主要有试验台主体，支撑系统，动力系统，加载系统等组成。本试验台的工作框形图如图2-1所示，还有三维装配图（通过CREO完成）如图2-2所示图 2-1 试验台系统工作原理框图图2-2 整个系统的三维装配图（Creo） 1. 试验台主体：本文试验台是由，试验台及滑轨，滑动导轨平台，主轴托架，主轴和被测轴承组成。这之中，主轴是实验的重中之重，所以要求主轴的加工、装配精度和动平衡均很高，主轴与轴承的配合精度将直接影响到轴承的动静特性，这关系到试验台的性能，并决定了本次试验是否能成功进行。 2. 驱动系统 驱动系统由主轴，电机和联轴器决定，通过控制电机的电流可以对电机的速度进行调节。 3. 加载系统：本次试验台设计的加载系统是通过液压来完成加载的，轴向载荷可以通过弹簧预加载组件将载荷直接加载到轴承外圈上，径向载荷是通过液压径向加载组件将将载荷施加在主轴上，再有主轴将载荷传递到左右试验轴承。液压载荷是通过液压系统中调节比例减压阀实现的。 4. 测试系统：测试系统是先将本次试验需要监测的轴承温度，振动，主轴的转速，振动以及电机转速等多种信号通过传感器汇集到采集卡中，再通过LabView软件对这些信号进行处理和分析，并以曲线或者表格的形式显示。2.3本章小结 为了能够模拟出电主轴轴承系统的实际情况，初步制定了轴承试验台的大体功能要求和结构要求。本文试验台是由，试验台及滑轨，滑动导轨平台，主轴托架，主轴和被测轴承组成。第3章 试验台的结构设计 本章是在仔细分析了上一张试验台的功能和结构设计要求的前提之下，结合所学的机械制造方面的知识，对整个试验台系统进行了更为详尽的设计，其中主要包括试验台的结构，动力系统的选择，加载系统的具体设计。3.1试验台的总体结构设计 图3-1 试验台总体结构简图 由电机驱动主轴，装在主轴，轴承，以及主轴架上的振动传感器和可以传输所采集的振动信号，温度传感器被安装在了轴系端盖的一边，负责对被测轴承以及另外的两个受加载轴承进行温度的监测和采集。径向载荷和轴向载荷分别由其相对应的加载组件，加载到受加载轴承外圈和主轴上，在通过主轴传递到被测轴承上，完成对被测轴承的加载。 试验台拟采用油脂的润滑方式，只需要在轴承内部涂抹油脂就可以完成，相对于喷枪润滑更为简单可行。3.2轴的设计3.2.1轴系的结构设计 轴系的支撑设计 轴系的平稳运行对整个试验有着重要的意义，所以本文这部分将选择如何完成对轴系的支撑，以保证试验的平稳进行，以及数据的可靠合理。通过所学习的知识可以知道，轴系的结构多采用悬臂式或者对称式。（1） 悬臂式：悬臂式轴系结构是将被测轴承安装在主轴的尾部，轴向载荷直接加载到轴承外圈，径向载荷将加载先加载到加载轴承的轴承套上，再借由主轴传递到被测轴承上。这种结构的最大优点就是极易操作，而且轴承好安装，而且轴承的尺寸可以不一致。但是这种结构的缺点也非常明显：主轴在受到载荷时，弯曲变形非常大，而且轴承前段的承受载荷也非常大，在高速情况下，如果加载过大就会有危险。悬臂式结构如图3-2（a）所示。（2） 对称式：对称式轴系结构就是将被测轴承安装在了主轴的两端，径向载荷和轴向载荷都是通过加载组件先将载荷加载到轴承外圈上，不同的是，轴向载荷可以直接加载到被测轴承的轴承外圈上，径向载荷需要先把载荷加载到受载荷轴承外圈上，之后通过主轴的传递，将载荷传递到位于主轴两侧的被测轴承上，这种结构可以弥补悬臂式的不足，减少主轴的偏斜所带来的安全隐患，同时整个轴系的刚性也会提升，如果采用更长的主轴尺寸就可以胜任更多种不同轴承，不同支撑距离的轴承测试，一举多得。对称式结构如图3-2（b）所示。 图3-2 轴系支撑结构示意图 对比两种支撑结构的优缺点之后，本论文决定在轴系中选用对称式支撑结构，因为该结构刚度高，性变小，尤其是本次试验实在高速的情况下完成的，选用对称式结构安全可靠，得出的数据也更有说服力。 在具体设计之后，对称式结构的实际装配图如图3-3所示。图 3-3 轴系结构简图 轴系是由包括主轴，试验轴承和受加载轴承等组成的。因为在前文中本文选择了对称式的支撑结构。同时采用一组弹簧和一个套筒固定在T型钢上对两套加载轴承的外圈实现预紧，这么做的好处就是提高了轴承的刚度，同时让轴承更匹配主轴的高转速。位于主轴两侧的被测轴承采用的是背靠背式安装，使得轴向载荷更好滴施加在了被测轴承上。3.2.2轴系的校核 主轴对本试验能否顺利进行起到了非常重要的作用，轴承试验的成败都由其工作性能的好坏将决定。因此对轴系的校核也尤为重要。由于试验台要求的极限转速非常高，在进入高速转动状态时，如果主轴不合适，或者转动不平衡，就会导致整个试验台的运转，得到的数据也无法作为试验的有效数据。因此本论文需要严格把控主轴的动平衡精度。 本试验台使用滚动导轨来实现主轴托架的移动，也在一定层面上保证了同轴度，同时也提高了主轴的动平衡精度。但是主轴除了满足动平衡和加工精度等限制，本论文还通过ANSYS14.5 进行了主轴的建模并对其的刚度和强度等一系列属性进行了校核，ANSYS是一种工程模拟软件，在以前的有限元分析课上学到过，通过ANSYS可以进行有限元分析，通过建立工件的有限元分析方程组，可以进行各种分析实验，仿真模拟。ANSYS的一般有限元分析的流程图如图3-4所示。分析规划问题，综合考虑问题的特点，计算精度，时间前处理（指定单元类型，实常数，材料模型，监理有限元模型，丁一接触，边界条件，施加载荷） 结果是否合理？ 否 是加载与求解（设置求解参数并求解） 结果后处理及分析 得到分析报告或改进处理图3-4 ANSYS分析流程图 1. 对主轴进行刚度和强度校核 本次建模时，为了提高运算效率同时又不影响计算结果，在建模的时候没有做退刀槽和倒角。通过ANSYS APDL14.5 生成的有限元模型如图3-5所示。 图3-5 主轴有限元模型 在建模之后开始对模型添加约束，根据轴承的安装情况，分别在左右两边安装的被测轴承的位置上添加了全约束；加载的时候，在轴中间的两个被加载轴承的位置施加最大径向里1000N，分析的结果如图3-6。从得到的力变形图可以得出结论，主轴在当这种加载情况下，变形比较小，须用应力和最大变形量均处于安全范围之内，因此这跟轴可以被用来进行本文的轴承性能试验。图3-6 主轴受力形变图 2. 对主轴进行振动分析 本次建模时，为了提高运算效率同时又不影响计算结果，本论文在建模的时候没有做退刀槽和倒角。在对模型进行划分网格的时候，采用了SOLID65单元，它可以有效地帮助显示模型在受到振动时所发生的塑性形变，应力刚化等。该单元的材料参数可以从表3-1中查得，在对主轴模型进行扫掠式网格划分之后，得到了有限元模型，如图3-7。表3-1 SOLID45单元材料参数图 3-7 经过扫掠式网格划分后的主轴有限元模型 通过了解发现，主轴的轴向刚度非常大，所以振动微乎其微，鉴于此，出于节省计算时间的考虑，本论文只关注径向刚度对有主轴模型的影响，利用四个同截面周向均布的弹簧-阻尼单元COMBIN14模拟试验轴承的弹性支承，其刚度为。同时还在主轴的四个节点上添加了X方向的约束。并且还限制了阻尼单元的四个节点的全部自由度。接着本论文开始对主轴进行振动分析，通过采用SUBSPACE提取方法求解，得到了主轴的振型图如图3-8所示。图 3-8 主轴的一阶振型图3.3 动力系统设计 动力系统是驱动整个试验台运转的装置，电机和传动装置选择的是否合理，将影响到整个试验能否达到预期要求。3.3.1 电机的选择 根据电主轴-轴承系统的工作特点与实际工况，联系总体的设计要求，本论文采用Y160L-2三相异步电动机，额定功率为18.5KW，满载转速3000r/min。3.3.2 联轴器的选择 本次试验台因为要求高度同心度，所以采用的联轴器要求同心度高，所以采用了GY型刚性联轴器，它的优点是结构简单，制造成本低，装拆和维护均较简单，能保证两轴有较高的对中性，传递转矩较大，应用较广，但不能消除冲击和由于两轴的不对中而引起的不良后果。3.4 加载系统设计 加载方式有很多种方法，从某种程度上来说都能按照要求完成加载任务。但不同的加载方式的性能也不尽相同，各自有好坏，下文中将就机械加载，液压加载，电加载这三种加载方式进行解释和比较，并最终选择出最优解。 1.机械加载 机械加载是最为常见的加载方式，它利用我们所学的机械结构来完成加载，比如凸轮机构又比如螺旋千斤顶等，结构非常简单，但是机械加载组建的基本上都很大，不仅如此，在对力进行精确控制方面，机械加载有着与生俱来的弊病，这使得加载无法稳定的可控的执行，如若控制不好，很有可能在瞬间导致严重过载，致使试验台上的零件发生不可弥补的损毁。 2.电加载 电加载是一种通过电动或者电磁组件来完成加载的一种形式，常被使用在连续回转的系统中。电加载的优点就是其静态加特性优异。但是如果到了动态环境下会很大程度上影响电加载的稳定性以及精度。除此之外，还具有其他一些缺点，例如：系统的加载装置的体积比较大，并且电加载系统不适合长时间使用。 3.液压加载 液压加载是依靠流体作为工作介质，通过将液体的压力能转化为机械能以完成加载。这里要说明的是，液压加载也需要电机提供动力，因此在下面本论文将单独为液压系统配备一个电机。液压加载组件就是通过控制各种阀门改变工作流体的流向，从而达到控制液压缸以实现不同加载载荷的。 液压缸的具体优点有： （1）因为液压设备多数都是靠软管相连接的，因此整个加载设备可以灵活地摆放位置，更加方便，也节省了空间。在这点上，机械加载是做不到的。 （2）液压加载组件的零件都是中空的，供液压油流过，阀类零件甚至可以用塑料的产品，这就有了第二个优点：重量轻。可以很快地实现搬运与转移，为试验提供了方便。电加载需要大量的电磁或电动设备，十分笨拙 （3）液压系统最主要的特点还是其快速的响应能力，启停的控制十分便捷，加载的载荷能立刻施加的位，而且液压加载的性质决定了它可以胜任无级变速。 （4）通过装在溢流阀，系统能够轻松的实现过载保护，保护了整个系统的安全运行。综合对比以上三种加载组件的优劣，本论文最后还是决定选择用液压加载的方式来作为加载部分。3.4.1 液压加载系统的组成及原理 液压加载系统就是一个完整的液压系统，它由五部分组成：动力元件，执行元件、控制元件、辅助元件和工作介质（液压油） 1.动力元件：动力元件通常就是指的是液压泵，它的作用就是把机械能转化为液压能，是液压系统的心脏。 2.执行元件：执行元件恰恰与动力元件的功能相反，它的作用是将液压能转化为机械能。 3.控制元件：控制元件就是在系统中，控制液压油的流量大小，流动方向和压力的装置。常见的控制阀就是控制元件的一种，它是整个系统中不可缺少的控制部分。 4.辅助元件：辅助元件包括管接头、冷却器、油箱等。他们虽然不是不可或缺的重要部件，但是有了他们液压系统才能胜任各种不同条件，不同要求的工作，同样不可或缺。 5.工作介质：工作介质最常见的就是液压油，它负责将能量传递，好比是血液，是组成系统的最基本条件。 本次试验设计的液压系统拥有这五种基本元件。液压加载的系统原理图如图3-10所示。电机带动液压泵工作，之后进入溢流阀调节成为工作压力，随后流入轴向和径向加载装置前的减压比例阀中，调节成测试需要的压力之后，随后真正进入加载组件中对轴承外圈进行加载。1.油箱 2.吸油口过滤器 3.电机 4.液压泵 5.空气滤清器 6.液位计 7.冷却器 8.滤油器 9.溢流阀 10.压力表 11.比例减压阀 12.压力传感器 13.液压表 14.油缸 图 3-10 液压加载系统原理图 3.4.2 加载组件结构设计 加载组件是由轴向加载组件、径向加载组件和预加载组件组成的。径向加载组件是这三个组成部分中最有典型意义的，它的结构如图3-12所示。它的油缸是由端盖和轴系压盖组合代替的，活塞的往复运动是依靠油压的推送来完成的，推送是间接完成的，因为油压需要通过橡胶垫。为了减小可以预见的由活塞往复运动所带来的摩擦，在活塞和压盖之间装了一个小铜套，为了排除在安装或者拆卸过程中跑人的空气，在端盖上打了一个排气孔出来，方便排气。轴向加载与径向加载类似，只不过就是卧式放置了。1.轴系压盖 2.橡胶垫 3.进油口 4.端盖 5.排气螺栓 6.活塞 7.隔套图 3-12 径向加载组件结构图3.4.3 主要液 压元件的 选 型计 算 液压系 统主要参 数为：轴 向载 荷范围为0 2000N，径 向最 大载 荷载 荷范 围为02000N。 1.液 压泵型号的选择 （1）液 压泵工作 压力的确 定 式中 液压缸的最 高工作压力，； 管 路中从液压泵出到液压 缸入之间总的损失。 因 为本系 统中有两个油 缸，其中轴向活 塞和径 向活塞的有 效直 径分 别取15mm、 18mm，那么两个油 缸的最 大工作压 力就为 式中 轴向压 力，； 轴向活 塞面 积，； 径 向 压力，； 径向活 塞面 积，。 故 取。从系统原 理图上可知，从液压 泵出到液 压 缸之间接有比 例有比例 减 压阀，取 。 液压泵工作压力为 （2） 确 定液压泵的流量 式中 系统的泄 漏系数，一般取=1.11.3； 液压缸的最大总 流 量，。 再设计加载 系统的时候本论文设计 了比例减压阀市 委为了避免失误 操作使得在加载 时对轴 承造成严重地冲击，让整个 加载过程 呈缓 慢增加而不是一下 子变大。取活 塞的 运行速 度为 通过油 缸的液体流量 其中 活塞运 行速度，； 活 塞的作用 面积（有效）， 如果取 K=1.2， 则液 压泵流 量为 根据上 述计算所得的 液压泵的流量 和工作压力， 本系统选用YB1-2. 5叶片泵。该泵排 量为2.5ml/r，额定压 力为6.3MPa ，满足系统要求 。当压力为 3.8MPa时， 泵的流量为 14.7L/min。 2. 电动机的选择 电动机是 液压加载系统 的动力来源 。它的功能 是将电能转换 成为机械能 从而实现驱 动液压泵 的工作。 在本系统中， 电动机的功率为 式中 液压泵的 供油压力，； 液压泵 的流量，； 液压泵的效率。 根据上面求得的一系列性能要求，在查表之后本论文决定选用选用 Y-90L-2型电动机，它额定 功率为2.2kW，满足设计 使用的要求。 3. 液压阀的类型与型号的选择 设计时，液压加载系统用到了两种液压阀，他们分别是溢流阀和比例减压阀。溢流阀装在装在与油箱出游并联的线路上，如果从油箱中出来的工作介质压力过大，超过了溢流阀设定的安全值时，溢流阀就开始起作用，他会使超出设定安全值的那部分工作介质走掉，从而达到保护加载系统的作用，比例减压阀则安装在油液分开走向轴向，径向加载装置的之路上，比例减压器就是讲压力降低至组件可以接受的压力范围只能，使得所有压力值可调。根据上面得到的数据，即油缸内的压力是3.0MPa，系统压力在3.82MPa左右，最大流量是14.7L/min，选取了溢流阀和比例减压阀，他们的规格可查表3-3。表 3-3 液压阀规格表3.5本章小结 在本章中本论文详细地以试验台的总体设计要求为根据，设计了试验台的每一个功能单元的结构设计，以及器材的选择。本章中重点的对轴系进行了设计和校核，其中在校核过程中应用了SNSYS APDL 14.5对主轴进行了有限元分析并对其进行了重点的叙述。同时在本章中还对试验台的动力系统，轴向和径向的加载组件进行了选择并完成应有的计算任务。第四章 主轴-轴承特性分析系统程序设计主轴-轴承特性分析系统是本文的设计重点之一，它将对本论文前文提到的试验台的重要试验指标进行采集，处理和分析，本文设计的分分析程序是通过LabVIEW软件来完成的。4.1 系统的硬件选配 本次试验本论文要针对试验台的转速，温度，振动等多种不同种类的信号进行采集和分析，所以就要选择不同的传感器来进行相关数据的采集，同时还要根据要采集数据的多少确定采集卡的通道数，按照这个指标来选择需要的数据卡。4.1.1 传感器选择与装配 1. 转速传感器 转速传感器的种类有很多，采集的手段也有很多，常用的就有磁电式是传感器，电容式传感器等等。 光电式转速传感器也是其中的一种，他的优点有抗干扰能力强，性能稳定，测量范围广，但是他的价格不菲，对于这种轴承性能试验来说采用光电式转速传感器也过于奢侈了，不仅如此，光电式传感器还过对周围环境过于敏感，不利于测算。 电容式转速传感器是一种数字式传感器，它具有动态响应特性好，灵敏度高，价格便宜，过载能力强，结构简单等优点，能处于强振、辐射、高温等环境下依旧顺利运行，但是缺点是，因为他的传感原理，导致了它的输出是非线性的，其次这种传感器的电路复杂，一点出现问题需要长时间调试或修理。 磁电式传感器的优点优点主要有抗干扰性能好，功耗小，性能稳定，安装方便，不需要供电，寿命长等等，并且能够在各种不同的环境下进行工作。但是他在低转速的情况下工作效果极差。 在分析过这三种不同类型的转速传感器的优点和缺点之后，本论文选择使用磁电式的测量方法。即通过在电主轴壳体的尾部插入霍尔元件传感器，且将两个磁块均匀的粘贴在主轴尾部两端，通过转动时电磁的变化获得一个脉冲信号，通过将其转换为电压信号完成对转速的测量。本测试中将对应关系设定为04000Hz 映射 05V。因为贴了两块霍尔传感器，因此在计算的时候，主轴转一圈应对应两个脉冲，由基础的公式可以推导出本实验转速的公式： 其中，U是磁电式传感器电压转换电路中的输出电压。 2. 温度传感器的选择与配装 温度传感器不仅在科技领域应用广泛，在实际生活中也有很多用处，常见的温度传感器有很多，比如热敏电阻，热电偶等。其中热电偶传感器巧妙地将温度变化，转化为了电势的改变，一次来完成数据收集，它的优点是便于远距离传输或者信号转换，热惯性性小，测量范围宽，输出信号为电信号，结构简单等众多优点。而且热电偶传感器使用起来十分便捷。但是热电偶的缺点也不少：不稳定，在高温下容易老化，最主要的还是其灵敏度有点低。 热电阻的优点是可以和多种仪表组合使用，连接方便而且方便自动记录。除此之外他还可以自动控制温度，自动调节温度。它是一种在中温区较为常见的温度传感器。 热敏电阻的优点是具有很高的电阻温度系数，而且体积小不会影响设计，但是它的缺点就是同种传感器之间的质量差别巨大，如果想换一个新的热敏电阻传感器，之前的数据都无法使用了。 因为本次研究主要是要测量轴承温度，因此不仅需要精准的测量，更需要明显地表现出轴承温度的细微变化，这就需要传感器的响应特别快，同时传感器本身也要尽可能的小尽可能的请。权衡之后本论文选了则Pt100铂电阻一体化的温度传感器。 Pt100铂电阻一体化的温度传感器是接触式的，和二次仪表配套使用或者连接电脑完成采集工作是该传感器的主要作用，它的测量范围非常大，从-200850均可完成正常工作，同时它的测量精度还很高，响应快，稳定性强。在什么地方都非常适用 3.压力传感器 压力传感器作为最早被开除发出来的几种传感器之一，其自身的技术已经非常成熟了，不仅可以测试的压力种类多样，还可以胜任于各种领域之中。常见的压力传感器有应变式，压电式等等。 压电式压力传感器是应用范围最广的一种压力传感器，能够胜任很多领域的测试工作，但是它的缺点是不能对静态参数进行测量。虽然如此，但是压电式传感器的重量轻体积小，简单易操作，动态特性好等优点。 应变式压力传感器相比于压电式传感器而言，能够适应静态和动态两种情况下的测量，不仅速度高而且灵敏度高，应用比较广泛。 4.振动传感器 振动传感器是一种用来测量振动技术的一种传感器。被分为位移传感器，加速传感器等类型。上世纪人们发现，振动传感器所传回的振动信号与振动速度呈正比关系。在诸多种类的振动传感器中，加速度振动传感器的应用是最广的，它的优点在于它的体积小分量轻，而且性能十分稳定。 通过参考市面上的加速度传感器的性能以及价格，本次试验本论文选择使用ZC-1型压电式加速度传感器。选择它的主要原因是因为他的灵敏度高，性能稳定。而且他能测的环境非常多。 5.力传感器 力传感器是将力学信号转换成电信号传递的设备，常用到的力传感器有应变管式，膜片式，应变梁式等不同类型，本次实验中主要是用力传感器来测量径向加载组件中的加载力，为之后的轴承刚度的计算做准备，因此本论文采用了应变管式力传感器，它的优点有很多，结构简单且价格低廉。 6.应变片 应变片可以将形变量的数据转换成电信号的变化进行传输，这些收集的数据可以用来用来进行轴承刚度的测量。4.1.2采集卡的选择 数据采集卡选择 数据采集卡是将多种交/直流转换器还有采集/保持器等多种元件机场到一起的一种计算机接口。它不仅仅是联接传感器和计算机的通道，它也要把传感器收集到的不同种信号，转变成计算机可以识别并计算的数字信号。4.2系统软件设计本文中的测试采集系统软件，是利用LabVIEW软件编写的，它的优点是利用了图形化语言，更加简单，可视化高，所以适合工程上编程。我开发的这套测试采集系统包含了5个模块：主页模块，参数设定模块，数据采集模块，数据分析模块（分为主轴分析和轴承分析）。整个实验过程流程图如图4-1。图 4-1 主程序流程图4.2.1 主页界面 主页界面单元主要是本文所设计的测试系统地主窗体，除了可以显示部分数据之外，还可以由它转向其他单元来完成数据的采集或分析。 主页模块软件的主页界面如图4-2所示。他需要完成以下功能： 1.可以跳转至参数设置模块进行数据的录入，表头的写入。 2.可以跳转至数据分析界面完成所有数据的分析。图4-2 主页模块系统 为了完成跳转至其他VI程序的功能，本论文决定采用了事件结构框来进行编程，后面板程序如图4-3所示，事件框体是可以通过设置按钮，再设置框体的“值改变”在完成出发的结构。图4-3 事件框体结构图 在图4-3中，当前面板中的按钮“数据采集”的值发生改变时（即按钮被触发），事件结构框（1）开始运行，系统自动搜寻子VI程序“数据采集”，并且运行该子程序。通过设置不同的按钮，在主页模块上完成了与其他子VI的事件框体联接，这样就可以随时点击进入其他程序进行相关运算和运行了。4.2.2实时采集模块 实时采集模块的界面主要是由仪表和波形图表组成，这个单元的目的是能让实验人员更直观地看到当前系统各部件的工作情况，工作状态等等，并且可以将这些数据保存在电脑中，在以后可以调用放入数据分析模块进行分析，既方便又好用。 数据采集模块界面如图4-4所示。 图4-4 数据采集模块在数据采集过程时，本论文还加上了数据保存的功能，可以将采集的数据随时保存下来，并能够新建文件并且命名。图4-5就是我设计的数据保存小模块。实时采集的数据先通过“创建矩阵”功能，被转化为了数组，在通过“数组转化为表格形式字符串”功能，变成了表形式的字符串，这时通过安装按钮并设置条件语句，即当“数据采集”按钮被按下的时候，条件框体判定为“真”，数组中的数据被以“取小数点后3位”的字符串格式被存入文件，通过加入路径，可以自由地选择文件被保存的位置。这样就完成了数据采集并保存的过程。 同时还要注意的是，在设计的软件中，有许多的按钮，他们的功能决定着如何选择他们的机械动作，如图中的“确定按钮”即前面板的“数据采集按钮”，因为想要保存的是当前滚动数据中的一瞬间的