（机械制造及其自动化专业论文）特种工况轴承试验台的研制.pdf

特种t 况轴承试验台的研制 摘要 论文阐述了特种工况轴承试验台的研制，目的是为一种使用工况极为特殊的轴承的 开发和研制，设计并制造一个专用的试验台。此轴承是一款非标的滚动轴承，是处于研 制阶段的某设备的关键部件，其性能决定了设备能否稳定可靠的工作。轴承使用工况的 特殊之处在于它工作在高温水蒸汽环境，并在0 6 s 的时间内，从静止达到转速9 0 0 0 r p m 和径向载荷4 0 0 k n 状态，大于与其同等尺寸、同类型标准轴承的额定值的2 倍。由于某 设备在结构和使用方面的特殊性，难以找到合适的替代品，必须为其研制一款专用的轴 承。轴承的载荷类似于一个冲击载荷，传统的轴承疲劳寿命试验已经不能为其提供很好 的依据，考虑其加载情况的特殊性设计一个专用的试验台。 特种工况轴承试验台的研制是在利用了某大型轴承试验台的主体结构、原动机和部 分传动机构的基础上，针对轴承工况的特殊性设计新的传动机构、加载机构、执行部件 等实现的，是能够独立装配或拆卸的专用系统。由于大型轴承试验台也是在短暂时间内 对轴承进行加速和加载，其载荷形式也类似于一个冲击载荷，在经过了的原理试算之后， 认为其原动机可以满足特种工况轴承试验台的加载要求。 论文的主要研究内容包括以下几个方面：分析了轴承试验工况的要求和大型轴承试 验台的功能参数，完成了特种工况轴承试验台的总体方案设计及原理试算；根据轴承试 验工况的最高转速，对增速机组的传动方式和传动比进行了设计，对其传动过程进行了 分析；根据轴承试验工况的最大载荷，对加载机组的加载过程进行了分析；分别分析了 增速机组和加载机组各自的飞轮、离合器、制动器的工作状态；使用动力学方法分析了 轴承与摩擦轮在传动过程的速度变化规律；阐述了特种工况轴承试验台的主要功能部件 的设计，应用损伤线性累积理论对关键承载部件摩擦轮进行了接触疲劳接寿命设计；使 用有限元软件对主要承载部件的强度进行了分析；使用l a b v i e w 软件编写了特种工况 轴承试验台加速和加载的单轴控制程序，完成了试验台的验收试验，并对验收试验的曲 线进行了分析。对样品轴承的试验曲线进行了分析，总结了试验过程所遇到的问题，提 出了解决方案。 关键词：轴承；轴承试验台；外圈旋转轴承；线性损伤理论：接触疲劳寿命；动力学分 析；有限元分析 特种工况轴承试验台的研制 a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n to fs p e c i a lc o n d i t i o n sb e a r i n gt e s tr i gi se x p o u n d e di nt h i st h e s i si n o r d e rt o d e s i g na n dm a n u f a c t u r ead e d i c a t e dt e s tr i gw h i c hi su s e df o rd e v e l o p i n ga n d p r o d u c t i n gas p e c i a lc o n d i t i o n sb e a r i n g t h eb e a r i n gi sak i n do f n o n - s t a n d a r dr o l l i n gb e a r i n g a n di ti st h ek e yc o m p o n e n t so fs o m ee q u i p m e n tw h i c hi ss t i l li nt h ed e v e l o p i n gs t a g e w h e t h e rt h ee q u i p m e n ti ss t a b l ea n dr e l i a b l ed e p e n do nt h ep e r f o r m a n c eo ft h eb e a r i n g t h e s p e c i a lw o r k i n gc o n d i t i o no ft h eb e a r i n gi st h a ti tw o r k si nah i g ht e m p e r a t u r es t e a m e n v i r o n m e n t ，a n da s k e dt or e a c hah i g hs p e e da n dg r e a tl o a dc o n d i t i o nf r o mas m i l ec o n d i t i o n w i t h i n 0 6 s i t sh i g h e s tw o r k i n gs p e e d 一9 0 0 0 r p ma n dl a r g e s tl o a d - 4 0 0 k ni sm o r et h a nt w i c ea s t h er a t i n go ft h ee q u a ls i z ea n ds a m et y p eb e a r i n g s b e c a u s eo ft h ep a r t i c u l a r i t yo ft h e e q u i p m e n ti ns t r u c t u r ea n da p p l i c a t i o n ，i ti ss t r u g g l et of i n ds u i t a b l es u b s t i t u t e s ；t h e r e f o r e , w e m u s td e s i g nad e d i c a t e db e a r i n g t h el o a do fb e a r i n gi ss i m i l a rt oa ni m p a c tl o a d ，a n dt h e t r a d i t i o n a lb e a r i n gf a t i g u ee x p e r i m e n t sc o u l dn o ts u p p l yi tw i t hf a v o r a b l ec r i t e r i o n a sar e s u l t , w en e e dt oc o n s i d e rt h ep a r t i c u l a r i t yo fi t sl o a dt od e s i g ns p e c i a l i z e dt e s t i n ge q u i p m e n t t h er e s e a r c ho ft h es p e c i a lw o r k i n gc o n d i t i o nb e a r i n gt e s tr i gi sb a s eo nt h es t r u c t u r eo f s o m el a r g eb e a r i n gr i g ，p r i m em o v e ra n dp a r to ft h et r a n s m i s s i o nm e c h a n i s m ，a n da i m i n ga t t h es p e c i a lw o r k i n gc o n d i t i o n so ft h eb e a r i n gt od e s i g nn e wt r a n s m i s s i o nm e c h a n i s m ，l o a d i n g m e c h a n i s m ，i m p l e m e n t a t i o np a r t si m p l e m e n t a t i o n , a n di ti sad e d i c a t e ds y s t e mt h a ti sa b l et o i n d e p e n d e n t l ya s s e m b l yo rr e m o v e b e c a u s et h el a r g eb e a r i n gr i gi sa l s ot om a k eb e a r i n g a c c e l e r a t e da n dl o a d e di nas h o r tt i m e ，i t sl o a d sf o r mi ss i m i l a rt oai m p a c tl o a d a f t e rt h e p r i n c i p l et r y m gc a l c u l a t i n g ，w ec o n s i d e rt h a ti t sp r i m em o v e rc a ns a t i s f ys p e c i a lw o r k i n gl o a d b e a r i n gr i gr e q u i r e m e n t t h em a j o rs t u d yo ft h i st h e s i si n c l u d e st h ef o l l o w i n ga s p e c t s ：a n a l y z et h er e q u i r e m e n t s o ft h et r i a lm o d e sa n dt h ef u n c t i o np a r a m e t e r so fl a r g eb e a r i n gr i g f i n i s ht h ep r i n c i p l e c a l c u l a t i n ga n dt h ed e s i g ns c h e m eo ft h es p e c i a lw o r k i n gc o n d i t i o nb e a r i n gt e s tr i g a c c o r d i n gt ot h eh i g h e s ts p e e di nb e a r i n g st r i a lm o d e ，w ed e s i g nt h ed r i v i n gm o d ea n d t r a n s m i s s i o nr a t i oo f t h eb o o s t e re n g i n e ，a l s o ，a n a l y z et h et r a n s m i s s i o np r o c e s so f t h eb o o s t e r e n g i n e ；a c c o r d i n gt ot h em a x i m u ml o a di nb e a r i n g st r i a lm o d e ，t h el o a d i n gp r o c e s so ft h e l o a d i n gu n i t si sa n a l y z e d ；r e s p e c t i v e l ya n a l y z et h ew o r k i n gc o n d i t i o no ft h ef l y w h e e l ， c l u t c h e sa n db r a k e st h o s ea r er e s p e c t i v e l yl o c a t e di nt h eb o o s t e re n g i n eo rt h el o a d i n gu n i t s ； 哈尔滨工程大学硕士学位论文 u s ed y n a m i c sm e t h o dt oa n a l y z et h ec h a n g er u l e so ft h es p e e do ft h eb e a r i n ga n df r i c t i o n w h e , e li nt h et r a n s m i s s i o np r o c e s s e x p o u n dt h ed e s i g no f m a i nf u n c t i o nc o m p o n e n t si nt h e s p e c i a lc o n d i t i o n sb e a r i n gt e s tr i g u s el i n e a rd a m a g et h e o r yt od e s i g nt h et e s to fc o n t a c t f a t i g u el i f co ft h ek e yb e a r i n gp a r t - f r i c t i o nw h e e l u s et h ef i n i t ee l e m e n ts o f t w a r et oa n a l y z e t h es t r e n g t ho ft h em a i np a r t s u s i n gt h el a b v i e wt ow r i t ea p r o g r a mt oc o n t r o ls i n g l ea x i s c o m p l e t et h et e s t - r i g sa c c e p t a n c et e s t , a n da n a l y z et h et e s tc u l v e a n a l y z et h et e s t e dc u r v e so f t h es a m p l e so fb e a r i n gi nt h er u n n i n g i ne x p e r i m e n t s ，a n ds u m m a r i z e st h ep r o b l e m sd u r i n g t h ee x p e r i m e n t , a n db r i n g u ps o l u t i o n s k e yw o r d s ：b e a r i n g s ，ab e a r i n gt e s tr i g ，b e a r i n g sw i t ho u t e rr i n gr o t a t i n g ，l i n e a rd a m a g e t h e o r y , d y n a m i c s ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s 第1 章绪论 7 第1 章绪论 j 。一 1 1 刖昂 轴承是一种用途广泛的基础的机械产品，其身影在我们的日常工作和生活中随处可 见。在许多行业中，所使用轴承的品质甚至可以对整个行业的发展产生巨大的影响。随 着科学技术的不断进步和工业的飞速发展，许多行业在轴承的需求上趋向于多样化，这 主要表现在轴承使用工况的多样化上。许多轴承生产厂家将目光瞄准这一市场，为某些 有特殊需要的行业和用户开发新的轴承。这些轴承用途广泛，传统的轴承疲劳寿命试验 已经不能对轴承的各项参数( 如使用寿命等) 进行准确的测定，所以开发针对于这些新 型轴承的轴承试验就成为整个轴承工业发展的重要组成部分。 轴承试验是检验轴承性能的重要方法，在轴承的开发、研制过程中检验产品能否满 足预期的使用工况；在产品定型后的生产过程中，考核产品质量，评定产品的质量等级， 促进质量的提高。轴承试验的重要意义在于把产品的质量风险有效的控制在企业内部， 避免了把用户当作试验场【l 】。 我国的轴承工业开始于上世纪三十年代，在此后很长的一段时间里，我国的轴承制 造厂家只能按照国外的图纸照搬照抄的生产轴承，而不具备轴承研发和试验的能力，也 没有对所生产的轴承的性能进行深入细致的检测和分析。直到建国后，洛阳轴承研究所 建立了轴承寿命试验室，才拉开了我国轴承寿命试验和性能试验研究等各项工作的序 幕，标志着我国的轴承工业进入了自我摸索、逐渐发展的新阶段。我国的第一台滚动轴 承疲劳寿命试验台是从苏联引进的，我们不单引进了苏联的设备，还照搬了他们轴承试 验数据的处理方法，这种方法虽然落后，但是其在我国轴承试验的早期起到了极大的推 进作用，具有不可估量的历史意义，同时也给我们提出了很多问题，从另一个方面促进 了我国轴承试验技术的发展。在上世纪的六十年代到九十年代中期，我国的轴承试验处 于一个稳步的发展的阶段，将先进的数理方法、可靠性与轴承寿命试验联系到一起，并 提出了一些新的轴承试验理论和试验方法，如：定尾数试验寿命参数估计法、定数截尾 的极大似然法、可靠性加速寿命试验方法、最佳线性不变估计等。随着轴承试验的进行 和大量试验数据的积累，一些有关轴承试验的试验规程、评定方法的国家机械部标准相 继问世，标志着我国的轴承工业逐步进入了新的发展阶段。上世纪九十年代中期以后， 随着改革开放的不断深入，轴承行业中兴起了许多实力雄厚的民营企业，这些企业一改 以往轴承行业中国有企业一家独大的局面，他们不仅生产标准的产品，还积极引进国内 哈尔滨工程大学硕士学位论文 外的轴承试验设备，开展轴承试验工作，并努力从工艺方面提升产品质量。部分轴承生 产厂家还致力于非标轴承的研制，标志着我国的轴承工业进入了多元化发展的新纪元【1 1 。 1 2 本课题的意义 本课题为某种有特殊使用工况要求的轴承研制一个试验台，该试验台需要模拟被测 轴承在实际使用过程中的承载形式，载荷、转速变化情况，及工作环境。这种模拟真实 工况的轴承试验方法避免了传统轴承试验的局限性，其数据能够较为准确的反映被测轴 承在实际使用时的疲劳寿命和可靠性。用于试验的轴承正处于研制阶段，本课题的特种 工况轴承试验台，在现阶段可以很好的为轴承的开发和研制提供技术支持，并在产品成 型投入生产之后对其进行质量检测，为产品的更新换代提供帮助。 1 3 国内外轴承试验台技术的发展现状 轴承试验技术的发展与轴承的发展密切相关。我国的轴承工业起步较晚，基础理论 薄弱，同时受国内冶金工业和制造业限制，所以轴承工业的整体水平较国外还有一定的 差距。经过近半个世纪的不懈努力，我国的轴承试验技术和轴承技术有了长足的进步， 与国外的差距正在逐渐的缩小。 1 3 1 国内轴承试验台技术的发展现状 近几年来，国内轴承试验技术有了较快的发展，涌现出一批新型的轴承试验设备。 这些设备都是针对于某些有特殊使用工况的轴承而研制的，为轴承使用和发展的多样化 趋势提供很好的保障。下面介绍几种典型的轴承试验设备。 1 、大型轴承试验台 图1 1 大型轴承试验台 第1 苹绪论 哈尔滨工程大学于2 0 0 8 年研制了一台大型轴承试验台，如图1 1 、1 2 所示。该设 备用于某大型滚动轴承的高速重载实验，该试验台模拟了轴承在高速转动的滑轮中承受 钢索拉力的半包式的承载受力状态，并且载荷和速度上升的都很快，类似于一个冲击加 载过程【2 1 。 图1 2 大型轴承试验台控制台 2 、y z 1 型轴承试验台 y z 1 型轴承试验台是一个动载滑动轴承试验台，它采用液压加载，控制系统由定 时系统、油压控制系统、载荷控制系统与温度控制系统等组成，可准确的计量轴承的动 载荷，具有较宽的加载范围和良好的加载特性，并能测定受试轴承的一些必要的特性参 数，如图1 3 所示【3 - 5 】。 图1 3y z 一1 型轴承试验台 3 、某水润滑动密封轴承试验台 船舶在水中行进过程中，轴承的润滑油由于密封不到位会泄露到水中，不但浪费 了宝贵的资源，还给河流造成了污染。水润滑动密封轴承以天然水替代矿物油为工作介 质、以非金属替代金属为各种机械传动摩擦副材料，用于解决船舶推动系统的油泄露问 题。该试验台具有油加压系统、水加压系统、电机主轴传动装置、压力仓、计算机检测 和控制系统，能同时进行在油、水或油水混合物为工作介质三种工况下工作，并精确计 哈尔滨工程人学硕士学位论文 量动密封的泄流量 6 】。 4 、多叶油润滑铂片轴承试验台 多叶油润滑铂片轴承具有寿命长，转速高，能量损失低等优点，这种轴承通常都 使用气体进行润滑，哈尔滨工业大学提出了使用粘度较高的油作为代替气体作为润滑介 质的想法，并设计制造了一个轴承试验台进行论证，该试验台结构及组成如图1 4 、1 5 所示【7 | 。 一连气 瞒靶 出气位帅 弛 妁咎牲 西囊2 图1 4 多叶油润滑铂片轴承试验台( 左) 和传感器( 右) 伫侈 蓐嚣) 恿曩髓 善露， 位移传 矗曩1 图1 5 试验台的i 体压缩设备 5 、某航空发动机轴承试验台 某航空发动机轴承试验台采用高速电主轴代替普通电机，用高速变频器来驱动电主 轴，不需增速装置直接可拖动试验主轴获得数万转的转速，并且调速范围大、平滑性好、 4 第l 章绪论 调速精度较高。很好的模拟了航空发动机轴承的高速运转，其结构原理如图1 6 所示【乱1 0 1 。 试蚺承径由黼删承电摊 口 加t 轴承 联轴节 图1 6 某航空发动机轴承试验台结构原理简图 1 3 2 国外轴承试验台技术的发展现状 国外的轴承试验技术相对较为先进，他们的许多企业、科研机构和高等院校都具备 独立开展轴承试验的能力。下面介绍国外的几个比较有特点的轴承试验台。 1 、m t s 公司的轴承试验台 m t s 公司针对内燃机中使用的轴承开发了一套试验设备，如图1 7 所示。该试验台 模拟了内燃机在极限工作状态时，轴承的负荷情况，为轴承测试结果的可靠性提供了保 障【2 】 1 l 】。 图1 7m t s 公司的轴承试验台 2 、s i p l a n 电子研究公司研制的多轴承测试装置 s i p l a n 电子研究公司研制的多轴承测试装置，如图1 8 所示，采用了中小型试验台 常用的一机双头形式，可以一次装载多个轴承，并同时进行测试，该试验台的测试温度 从室温到1 8 0 c ，最高转速可达4 5 ，0 0 0 r p m ，加载载荷可在1 0 0 0 到6 0 0 0 n 范围内任意调 整【2 】【i2 1 。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图1 8s i p l a n 公司的轴承测试装置 3 、r t s r e x n o r d 公司的轴承耐久性测试平台 r t s r e x n o r d 公司是一家为机械产品和材料提供专业测试服务的公司，他们具备极 强的自主研发能力，曾经为某航天器所用的轴承专门研制了一个耐久性测试平台，模拟 了轴承的实际工况。如图1 9 所示 2 1 。 图1 9r t s r c x n o r d 公司的轴承耐久性测试平台 这些试验台通过不同的方法模拟了轴承的实际工况，拓展了轴承试验的试验内容 和应用范围，为轴承的开发和研制工作提供了更为可靠地参考。随着自动化控制技术、 计算机应用技术和现代化传感技术在轴承试验领域应用的深入，这些试验设备大都具备 良好的自动控制系统，性能优异的数据采集设备和监控设备，极大程度上减少了人为误 差的产生，确保了轴承试验的准确性。 1 4 本课题主要研究内容 本课题针对某种使用工况极为特殊的轴承研制了一个专用的试验台，模拟轴承在实 际工况中的加载形式，速度和载荷变化以及工作环境。本课题主要研究内容如下： 1 、特种工况轴承试验台总体方案设计。根据轴承的基本状况、测试要求和大型轴 承试验台的功能参数确定了试验台的总体设计方案。 第1 章绪论 2 、特种工况轴承试验台传动计算及运动分析。对增速机组和加载机组进行传动设 计和运动分析，应用动力学原理分析对摩擦轮传动副从静止到同步的运动状态 进行分析。 3 、特种工况轴承试验台数字化结构设计及虚拟装配。对试验台的主要功能部件进 行设计，应用u g 软件对试验台进行数字化结构设计和虚拟装配。 4 、特种工况轴承试验台关键部件的疲劳寿命分析与有限元强度分析。对关键承载 部件进行接触疲劳寿命分析，使用有限元软件进行强度校核。 5 、特种工况轴承试验台的安装、调试、验收试验及样品试验。对已制造的试验台 样机进行安装和调试工作，随后进行试验台的验收试验和样品轴承的试验，并 对试验数据进行分析和说明。 哈尔滨t 程大学硕士学何论文 2 1 引言 第2 章特种工况轴承试验台总体方案设计 本课题的特种工况轴承试验台的研制是在利用了哈尔滨工程大学研制的大型轴承 试验台的主体结构、原动机和部分传动机构的基础上，针对轴承工况的特殊性设计新的 传动机构、加载机构、执行部件、控制系统等实现的，是能够独立装配或拆卸的专用系 统，对大型轴承试验台没有任何影响。在设各研制完毕后，对某轴承厂试制的样品轴承 进行性能摸底试验，并提供试验数据。在设计工作开始之前，首先需要对本课题被测轴 承的基本状况和试验要求进行深入分析，然后对大型轴承试验台的功能参数和存在问题 进行深入分析，最后确定设计方案。下文中，将本课题特种工况轴承试验台所针对轴承 都称为被测轴承。 2 2 特种工况轴承试验台的技术要求 2 2 1 被测轴承的基本状况 本课题研究的特种工况轴承试验台是针对一种使用工况极为特殊的轴承的开发和 研制工作而进行的，该轴承的基本状况如下表2 1 所示。 表2 1 被测轴承基本状况 外形尺寸最大冲击载荷最高转速 轴承类型旋转方式工作环境 n u n斟 r p m 圆柱滚子内圈固定、2 0 0 水蒸气 1 6 0 9 0 x 3 04 0 09 0 0 0 轴承外圈旋转环境 2 2 2 轴承试验的基本要求 轴承试验过程中，需要实时采集被测轴承外圈转速、加载力和被测轴承温升等数据 并记录。极限最大载荷误差不超过5 ，极限最大转速误差不超过5 。被测轴承的加速 与加载需要同时开始，轴承外圈转速需在轴承升速o 6 s 左右之后达到最大值，同时加载 力也应在加载开始o 6 8 左右之后达到最大值，并保持大约1 4 s ，然后在大约o 5 s 后，完 全卸载，在保持最大载荷和载荷下降的过程中，被测轴承转速始终处于下降状态。本试 8 第2 章特种工况轴承试验台总体方案设计 i i - _i 验的重点是被测轴承在大约0 6 s 时，达到最大转速和最大载荷。被测轴承的加速与加载 曲线如图2 1 、2 2 所示。 图2 1 被测轴承加速的速度一时间曲线 图2 2 被测轴承加载的载荷一时间曲线 从图中2 1 、2 2 可以看出，轴承的升速和加载过程用时极短，此过程需要一个较大 的能量在极短的时间内释放，才可能实现。传统的轴承疲劳寿命试验都是恒定转速、恒 定载荷的试验方法，大都是电机驱动轴承内圈转动，并且为了确保试验结果具有普遍性， 对试验的加载方式和试验环境都有严格的规定，这些都与被测轴承的试验要求相去甚 远，所以为被测轴承设计一个专用的试验台是非常必要的。 被测轴承在试验时，需要进行多个工况的试验，以逐步检测其性能，其工况如表2 2 所列： 表2 2 被测轴承试验工况 最高转速最大载荷 试验工况 r p m娴 i 9 0 0 04 0 0 i i8 0 0 03 5 0 7 0 0 03 0 0 6 0 0 02 5 0 9 哈尔滨丁程大学硕+ 学1 1 i ) = 论文 2 3 大型轴承试验台的功能分析与存在问题 本课题的特种工况轴承试验台与大型轴承试验台有很多相似之处，它们都是针对某 种轴承的使用工况而特别研制的，都需要在较短的时间内对轴承进行加速和加载。在考 虑了两个试验台的工作状况，并进行了初步的原理试算( 文中省略了此项内容) 之后， 认为大型轴承试验台的加速和加载能力可以部分满足特种工况轴承试验台的试验需要， 可以利用其部分功能和结构进行特种工况轴承试验台的研制工作。在进行设计之前，需 要对大型轴承试验台的功能参数进行充分的分析，才能制定出合理的设计方案。 2 3 1 大型轴承试验台功能分析 大型轴承试验台是为了对某轴承进行寿命试验而研制，试验过程模拟了轴承的实际工 况，使其在较短时间内达到一个较高的转速和较大的载荷。该试验台使用了两个大功率 电机变频升速，通过链传动方式分别带动两个大型飞轮蓄能，当飞轮转速达到一定数值 之后，利用大扭矩多片干式电磁离合器的短暂吸合，瞬间释放大量动能，分别通过齿轮 增速箱和凸轮副对轴承进行加速和加载，轴承安装在模拟轮内，其机构原理图如2 3 所 示，其三维模型如图2 4 所示，其实体照片如图1 1 所示【2 】。 寸产滋泳rf _ 厂7 厂襁 錾斗 乜 z 户 l ? 一 ( 一 一 蛀孙 1 飞轮2 链传动3 电磁离合器i i4 制动器i i5 联轴器io 减速器i i7 联轴器i i8 凸轮9 从动 滚子l o 弹性加载单元1 1 齿轮增速机组1 2 联轴器1 3 玮4 动器i1 4 链传动1 5 链传动1 6 电 磁离合器i1 7 飞轮i1 8 链传动v1 9 链传动2 0 链传动i2 1 电机i2 2 模拟轮( 内装被测轴承) 2 3 加载半环2 4 电机2 5 链传动2 6 加载小棍子( 共六个) 图2 3 大型轴承试验台机构原理图 1 0 第2 章特种工况轴承试验台总体方案设计 1 凸轮机组2 弹性j u 载单元3 模拟轮和轴承4 齿轮增速箱5 轴承加载轴系6 轴承加速轴系 图2 4 大型轴承试验台三维模型 大型轴承试验台对轴承进行加速和加载的曲线如图2 5 、2 6 所示【2 】。将此图与特种 工况轴承试验台技术要求中的加速、加载时间曲线相对比，可以发现这两个试验中的曲 线非常相似，只是轴承的最高转速和最大加载力，以及加速过程所用时间不同。大型轴 承试验台的加载力是凸轮旋转推动推杆压缩弹性加载单元所产生的。在凸轮传动副中， 推杆的最大行程是固定的，弹性加载单元由8 个弹簧所组成，可以通过调节加载螺栓的 图2 5 大型试验台载荷时间曲线 1 0 0 0 r p m 图2 6 大型试验台速度时间曲线 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 旋入深度改变弹簧的预紧力，从而改变在推杆在固定行程下的最大加载力；大型轴承试 验台的最高转速太低，这是由于齿轮增速箱的增速比太低，可以采用增加增速传动机构 的方法来提高增速比，由于被测轴承的转动惯量很小，所以其达到最高转速所需要的动 能不会太大，只要传动部分的所消耗的能量不大就可以满足使用要求；特种工况轴承试 验台的加速过程时间较短，这样就需要传动部分在短时间内传递更多的扭矩传递，作为 传动主要部件的电磁离合器，它的作用就是将飞轮的动能传递给负载，在原理试算之后， 发现大型轴承试验台的电磁离合i 的额定动扭矩不够，需要使用一个更大扭矩的电磁离 合器来完成传动工作。 大型轴承试验台在进行轴承试验中，需要根据轴承的最高转速和最大加载力对试验 的多个参数进行设定，轴承试验台的操作程序如图2 7 所荆2 | 。从图中可以得知，需要 设定的几个主要参数分别是：飞轮i 、i i 的最高转速( 额定转速) ，离合器i 、i i 的吸 合、脱开时间，制动器i 、i i 的脱开、制动时间，试验循环次数，循环间隔时间等。其 中离合器的吸合时间是在制动器的脱开和制动时间之内的，这是因为制动器安装在负载 端，平时处于制动状态，当离合器传递扭矩时，必须先给制动器通电，使制动器处于脱 开状态，才可以进行传动工作。制动器丰要功能是为齿轮增速箱和轴承制动，保证凸轮 停止在试验要求的位置。当这些参数的在合适的数值时，才能获得正确的试验曲线，这 些参数的设定原则将在第3 章内叙述。 图2 7 大型轴承试验台控制程序操作界面 2 3 2 大型轴承试验台在试验过程中所发现的问题 大型轴承试验台在研制完成之后进行了大量的轴承试验，这其中发现了两个主要问 第2 章特种工况轴承试验台总体方案设计 题： 1 、摩擦片式电磁离合器在使用一段时间之后所传递的额定扭矩下降较大，离合器 的吸合时间和脱开时间较长，对准确获得试验曲线造成了很大干扰。另外，在 原理试算之后发现被测轴承加速时间极短，原有电磁离合器i ( 额定动扭矩 1 6 0 0 0 n m ) 难以满足使用要求，需要设计一个额定动扭矩为3 0 0 0 0 n m 的电磁离 合器，该离合器的设计工作不在本文研究范围之内，由其他同学完成，这里不 做赘述，仅仅使用其完成的电磁离合器的性能参数。 2 、被测轴承的加载方式会使摩擦传动存在轴向偏载。在o i - 圈旋转轴承多点加载装 置研究一文中，作者对此现象的做出了详细的描述与分析，由于零件加工精 度不高和组件装配质量不好，使模拟轮和加载轮轴线之间产生了一定的夹角， 由于轴向加载角的存在，使得加载力不垂直于加载轮表面从而产生了一定的轴 向分量，如图2 8 所示。同时，此文中还给出了解决这一问题的建议，就是将加 载装置由悬臂结构改为导轨结构，改进前与改进后的模型如图2 9 所示【l3 1 ，本 课题将考虑其建议改进加载装置。 图2 8 加载轮轴向偏载示意图 图2 9 改进前和改进后的模型对比 1 3 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 2 4 特种工况轴承试验台总体设计方案拟定 在分析了特种工况轴承试验台的技术要求和大型轴承试验台的功能参数，并进行了 初步的原理试算之后，认为大型轴承试验台在加载方式上不能满足被测轴承要求，特种 工况轴承试验台是需要模拟一个轮子在平面刚性轨道上滚动的线接触承载方式而非原 有的半包式加载方式；同时，还要求轴承安装在一个特定尺寸的外套中，轴承内圈固定、 外圈随外套旋转，实现作为一个轮子的使用要求，最大限度的模拟实际工况；大型轴承 试验台的转速太低，原有齿轮增速箱的增速比远远不够，需要在其基础上，设计出一套 合理的增速机构，满足被测轴承的最高转速要求；另外，本课题试验台的最大加载力不 到大型轴承试验台极限载荷的一半，可以通过调节弹性加载单元获得所需最大加载力， 而且凸轮的轮廓曲线经商议可以满足甲方的加载要求；原试验台使用变频电机带动飞轮 蓄能，并由电磁离合器瞬间吸合释放能量的方式可以满足被测轴承的增速和加载要求， 但离合器i 的扭矩不够，在有限的时间内传递的能量不足，不能满足被测轴承的升速要 求，所以需要制造一个最大额定动扭矩为3 0 0 0 0 n m 摩擦片式电磁离合器代替大型轴承 试验台中的离合器i 使用；特种工况轴承试验台需要一套独立的控制系统和信号采集系 统，这就需要我们在大型轴承试验台原有控制硬件的基础上编写一个新的控制程序，以 1 、飞轮i2 、变频电机i3 、离合器i4 、制动器i5 、原系统增速齿轮组6 、增速系统第一轴及齿 轮7 、增速系统第二轴及齿轮8 、过渡齿轮及轴9 、增速机组第三轴及齿轮1 0 、摩擦轮1 1 、被 测轴承及其外套1 2 、加载臂1 3 、凸轮加载机构和弹性加载单元1 4 、减速齿轮箱1 5 、制动器i i 1 7 、离合器1 8 、电机1 9 、飞轮 图2 1 0 特种工况轴承试验台原理图 1 4 第2 章特种工况轴承试验台总体方案设计 满足试验的需要，考虑到原有控制硬件的性能和被测轴承的信号采集情况，决定使用 l a b v i e w 程序编写控制软件【1 2 2 1 。根据以上情况制定了总体设计方案，并确定了系统 的原理图，如图2 1 0 所示，其中浅色部分为特种工况轴承试验台新设计的部件。 总体设计方案如下所列： 1 去除大型轴承试验台的模拟轮、加载轮等结构，保留其余部分，并将原有额定动 扭矩为1 6 0 0 0 n m 的离合器i 更换为额定动扭矩为3 0 0 0 0 n m 摩擦片式电磁离合 器； 2 采用摩擦轮传动的方式模拟被测轴承在导轨上运动的刚性线接触加载方式，并且 把轴承安装在特定外套中； 3 新增一套新的增速传动装置以满足增速要求； 4 新设计一套带导轨导向功能的加载装置以避免摩擦传动中的轴向偏载； 5 被测轴承转速较高，国产速度传感器难以满足直接测量要求，需要增加一级减速 装置以便间接测量其转速； 6 新增高温蒸汽发生装置( 该部分为外购产品，不在本文研究范围之内，不做过多 阐述) 。 7 新增一套轴承测温装置，以便测量轴承在高速运转下的温升情况。 8 使用l a b v i e w 编写试验台的控制程序，实现特种工况轴承试验台的自动控制和 被测轴承的信号采集。 2 5 本章小结 本章描述了被测轴承的概况和特种工况轴承试验台的技术要求，对大型轴承试验台 的功能和存在问题都进行了说明和分析，并对比被测轴承的试验要求，制定了特种工况 轴承试验台的总体设计方案，确定了原理图。 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 第3 章特种工况轴承试验台传动设计 特种工况轴承试验台的增速机构和加载机构需要考虑被测轴承的加速和加载需要 进行传动设计，并对传动过程进行分析，确定各个主要的控制元件的工作状态，并应用 机械动力学原理对关键部件摩擦轮传动副的运动过程进行分析。 3 1 增速部分传动设计 按被测轴承的试验要求，被测轴承由摩擦轮带动在o 6 s 内加速到r l ，所有工况中， 转速的最大值为= 9 0 0 0 r p m ，并根据转速的最大值对增速部分进行设计。对原 有系统进行分析之后，首先应确定系统总传动比，传动比的选取应依据飞轮的极限转速， 在确保飞轮转速合理的情况下，选取合适的系统传动比。然后，通过用能量守恒计算出 飞轮的最高转速，最高转速应小于飞轮的极限转速。最后，通过力矩、速度和时间的关 系，确定出实验所要求的时间。 在进行设计工作之前，我们需要对大型轴承试验台增速机组保留下来的部分和新设 计的电磁离合器的参数有个具体的了解，其参数如下所列【2 】： 1 、飞轮i 的转动惯量l = 1 9 4 5 k g m 2 ，极限转速，2 l i m = 5 8 0 r p m ； 2 、离合器i 的转动惯量i c 。= 1 0 k g m 2 ，额定动摩擦扭矩r c 。= 3 0 0 0 0 n m ，此离合器 为新设计的，代替了大型轴承试验台中的离合器i ； 3 、制动器i 的最大制动扭矩足，= 1 4 0 0 0 n m ； 4 、增速机构第一轴及轴上齿轮的转动惯量i i = 1 0 6 8 k g m 2 ；第二轴及轴上齿轮的 转动惯量厶= 5 9 8 k g m 2 ，第二轴输出齿轮齿数z 2 = 4 8 ，齿宽如= 6 0 m m ，分度 圆直径d 2 = 5 7 8 m m ；第一级增速比= 2 ；增速机组的齿轮全部为标准齿轮，模 数m = 1 2 m m 。 在进行轴承试验时，被测轴承的最高转速= 9 0 0 0 r p m ，飞轮的额定转速，当 被测轴承达到最高转速时，飞轮的最低转速，z l ，因为在被测轴承的增速过程中，飞轮释 放能量，转速降低，所以有，l l 鳖：1 5 5( 3 1 ) n a n on m 因为被测轴承外套的直径或= 2 2 0 m m ，原有系统中齿轮增速机增速比为= 2 ，如果单 单依靠摩擦轮传动的传动比，摩擦轮的直径就得大于1 6 m ，甚至会达到2 m ，这在选材 1 6 第3 章特种工况轴承试验台传动设计 和加工等方面都是不可取的，所以单靠摩擦轮传动不能完成增速任务，需要增加一级齿 轮传动。由此，整个增速部分的总的传动比为口3 】 f = i , i 2 毛 ( 3 2 ) 式中：原试验台增速机构的传动比，= 2 ； l 新增增速机构的传动比； 厶一摩擦轮传动的传动比。 3 1 1 摩擦轮传动的传动比确定 摩擦轮传动的增速比受以下几个方面的影响： 1 空间尺寸与安装方式的影响。特种工况轴承试验台利用了大型轴承试验台的主 体结构，需要在有限的空间里设计新的执行部件和增速传动部件，摩擦轮传动 副的传动比应尽量大一些，以便减少其他增速传动部分的结构尺寸。另外，特 种工况轴承试验台和大型轴承试验台随时都可能需要进行不定期的轴承试验， 这就需要该结构可以较为迅速的拆装，以满足两个试验台可以快速互换的使用 要求。 2 结构强度的影响。摩擦轮与被测轴承外套组成的摩擦轮传动，摩擦轮需要承受 4 0 吨的径向压力，这需要摩擦轮自身具有足够的强度，考虑采用锻造毛坯进行 加工，具备较好的力学性能。 3 加工方式的影响。摩擦轮传动还要有粗糙度较低的轮面，最后一道工序应为磨 削加工，所以还需要考虑到加工设备的情况。 所以，摩擦轮的尺寸应较为合理，满足以上的需求。初步选定摩擦轮的外径8 8 0 r a m ， 摩擦轮传动的传动比计算公式例： ：)3d3(1-占)(3-3 以 式中：吐摩擦轮传动的传动比，吐= 8 8 0 m m ； 矾敏测轴承外套直径，以= 2 2 0 m m ； 占摩擦轮传动副的滑动率，取值范围0 0 1 一o 0 2 ，此处取值占= 0 0 2 2 4 1 。 由此可求得摩擦轮传动的传动比厶= 3 9 2 。在确定了摩擦轮的尺寸之后，我们发现由于 摩擦轮的直径较大，大型轴承试验台齿轮增速机第二轴与摩擦轮所在轴的平行距离较 大，第二轴上的输出齿轮不能与摩擦轮所在轴上的输入齿轮直接啮合，构成增速传动， 所以，在它们中间加入一个过渡齿轮，这里将摩擦轮所在的轴命名为：第三轴。确定后 的特种工况轴承试验台增速系统传动原理图如图3 1 所示，其中浅色部分是研制试验台 哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 新设计的，深色部分是大型轴承试验台所保留的。 已知大型轴承试验台齿轮增速机的传动比l l = 2 ，因过渡齿轮不增加传动比，故新 增的增速机构传动比应该由第二轴输出齿轮与第三轴齿轮联合确定，其中第二轴输出齿 轮的齿数为乙= 4 8 ，模数为m = 1 2 。采用标准齿条型刀具切制标准齿轮时，不发生根切 的最小齿数为1 7 ，由于大型轴承试验台增速系统中的齿轮全部为标准齿轮，所以这里也 采用标准齿轮与之配合，为了避免根切，第三轴齿轮的齿数应大于等于1 7 ，为了尽可能 增加传动比，减小第三轴齿轮的尺寸，选取第三轴齿轮齿数为乙= 1 8 ，则有分度圆直径 为： 以= n z 3 = 1 2 x 1 8 = 2 1 6 r a m ( 3 - 4 ) 考虑到第三轴上安装摩擦轮，试验时需要承载4 0 吨径向载荷，所以，其轴径不宜过小， 应制成齿轮轴形式。可得其与第二轴齿轮构成的齿轮传动增速比【2 3 】： 厶：互：堡：2