（机械工程专业论文）高温高速销盘摩擦磨损试验机高速轴系研制.pdf

山求犬学硕士学位论文 i _ 麓量舅皇鼍皇舅皇皇嘲量舅岛嘲鼻l _ 黼嘲_ 置皇囊量舅恿, t t l l _ 墨燃皇曼舅舅醚期麓暑嘣 摘要 本深纛耩子工程设洚瓷，在对离温、黼速摩撩磐豢试验穰静臻究瑗状进孬分 析的基础上，提出v 一种新的用予测量材料在高漱高速条件下的酎磨性能的测试 仪器的设计思路，重点研究了高速轴系的设计方案、高速轴承的润滑冷却方案、 鲤购 牛熬选择、窝潺炉端拳轴的冷却方案以及轴上关键零部件的加工工艺秘安装 工慧等。 蹇速辘系包糕巍个部分：砖动辘嚣圭躺。设诗中采用簸大转速毫、调速范围 宽的交流主轴电机与矢量控制变频调速系统有机结合，实现主轴的无级调遽；采 用转矩转速传感器溯董摩擦力矩秘圭轴转运；采瘸祗噪啻鹃多撰潜传动逡步鬟 高主轴转速；采用许用转速高的取向膜片弹性联轴器联接传动轴、转矩转速传感 器殿主辙；采露高速精密滚动轴承，尽可缝蟪提裔主鞑转速，藏小盘试祥矗径及 赢滠炉尺寸；高温炉采用念金电炉丝加热，热电偶测温，智能温控仪控溆，并采 用风扇使炉内气体循环流动，实现温度均匀；在保证销试样两度的前提下，尽可 戆疆夺其纛经及载药；燕力轴罴鼹蠛痒擦数壹线逡动球轴承支承；采趸蜗舱蜗轷、 螺母丝杆及压缩弹簧实现平稳加载、卸载；靠近黼温炉的童轴、加力轴殿风扇轴 采耱赛器会金，势霹其实潍强邃承冷；采躅镑电爨及多鼹穗捡投警仪检测捷动辘、 主轴、加力轴及风扇轴的轴承温发，保证运转安象；采用全封闭铸铁机庶降低振 动和嗓声。 经过用户验收靼山东省科学技术委员会组织的专家鉴定，高温高速摩擦 磨损试验机所采用的技术先谶可靠，设计方案合臻，主辅转速藏匿达弼 6 0 r m i n 1 2 0 0 0r r a i n ，摩擦覆线速度达到0 5 n d s 1 0 0r n s ，赢温炉温度墩商可达 8 0 0 ，摩擦面接触压力为o 5 m p a 3m p i t ，总体授术性能指标居予国际领先水平， 楚当今试验瓠矮壤蓉截弱嚣湿裹逮摩擦壤缦试验投。 高温商速销擞摩擦磨损试验机的研制成功，为评定禽属、非金属及复合材料 衣泼交溢发、速菠、接皴莲力、薄擦蘸耱辩、表嚣程糙壤、毒砉糕疆痊等参羧妁壤 况下尤其是极限条件下的_ 麟擦磨损性能，提供了义一种新的手段一 荚键词商温；高速；摩擦；磨撰 山东大学硕士学位论文 a b s tr a c t t h es t a t eo f t h ea r t o rr e s e a r c ho f h i g h t e m p e r a t u r e 、h i g hs p e e df r i c t i o na n d w e a r t e s t i n gm a c h i n e , p u t t i n gf o r w a r d ak i n do fi n n o v a t i v ew h o l e d e s i g nm e t h o do ft e s t i n g i n s t r o m e n tu s e dt om e a s u r et h ef e a t u r e so f r e s i s t i n gf r i c t i o nt ot h em a t e r i a l su n d e rs t a t u s o f h i g lt e m p e r a t u r e 、h i g hs p e e df r i c t i o n i tm a i n l ys t u d i e st h ed e s i g nm e t h o dt oh i g h s p e e ds h a f t ! n g 、l u b r i c a t i n ga n dc o o l i n gm e t h o do fh i 【g hs p e e db e a r i n g s 、t h ec h o i c eo f p a r t sb o u g h tf r o mo t h e r f a c t o r i e s 、t h e c o o l i n g m e t h o do fm a i ns h a f tn e a rh i g h t e m p e r a t u r ec h a m b e r a n dm a c h i n i n ga n d i n s t a l l i n gt e c h n o l o g y t ot h e k e yp a r t s t h es h a f t i n gi sm a d eu po ft w on a r t s ：d r i v i n gs h a f ta n dm a i ns h a f t a d o p t i n gt h e c o m b i n a t i o no fa cm a i ns h a f tm o t o rw i t hh i g hr o t a t es p e e da n dw i d es p e e d a d j u s t i n g r a n g ea n df r e q u e n c yc o n v e r s i o nw i t hr e c t o re o n l a o lt or e a l i z et h es t e p l e s sa d j u s t a b l e s p e e d ：a d o p t i n gt o r q u e r o t a t es p e e dt r a n s d u c e r t om e a s u r ef r i c t i o nt o r q u ea n dr o t a t e s p e e do f m a i ns h a r ；a d o p t i n gm u l t i - w e d g eb e l td r i v i n gw i t hl o wn o i s et oe n h a n c et h e s p e e do fm a i n s h a f tf u r t h e r ；a d o p t i n gd u a l - d i r e c t i o nf i l me l a s t i c c o u p l i n g w i t h a l l o w a b l eh i g hs l n 沁c lt oc o n n o c td r i v i n gs h a f t 、t o r q u e & r o t a t es p e e dt r a n s d u c e ra n d m a i ns h a f t ；a d o p t i t a gr o l l i n gb e a f i l i gw i t hh i g hs p e e da n dh i g hp r e c i s i o nt oe n h a n c et h e s p e e do f m a i ns h a f t a n da tt h e 懿i 加et i m ed e c r e a s et h ed i a m e t e ro f s p e c i m e na n dt h e d i m e n s i o n so f h i g ht e m p e r a t u r ec h a m b e r ；h i g ht e m pc h a m b e ra d o p t i n ga l l o yf u r n a c e f u s et oh e a t i n g , t h e r m a lc o u p l em e a s u r i n gt e m p e r a t u r e , i n t e l l i g e n td e v i c ec o n t r o l l i n g t e m p e r a t u r e , f a nm a k et h ea i rm o v i n gc y c l et or e a l i z eu n i f o r mt e m p e r a t u r e ；u n d e rt h e p r e m i s e so fg u a r a n t e et h er i # d i t yt od e c r e a s e t h ed i a m e t e ra n dl o a do f p i ns p e c i m e n ； l o a d - a d d i n gs h a na d o p t i n gl o w f r i c t i o nb a l ib e a r i n gw i t hl i n e a rm o v e m e n tt os u p p o r t ； a d o p t i n gw o r n lw h e e l 、n u t9 啊钾l e a da n dc o m p r e s s i o nt or e a l i z es t a b l el o a d i n ga n d u n l o a d i n g ；m a i ns h m 、1 0 a d i n gs h a f ta n df a ns h a f tn 坩c h a m b e ra r em a d eb yh i g h t e m p e r a t u r ea l l o y , a n dc o o l i n gb yw a t e rc o m p u l s i v e l y ；a d o p t i n g5p c so f t h e r m a l c o u p l e st on 埔咀融l 聆t h et e m p e r a t u r eo f5p o i n t si n a x i a ld i r e c t i o no fp i ns p e c i m e n s i m u l t a n e o u s l yt oc a l c u l a t et h ef r i c t i o ns u r f a c eo fs p e c i m e np r e c i s e l y ；a d o p t i n gc a s t i r o nb a s ec o v e r e dt od e c r e a s et h ev i b r a t i o na n d n o i s e a r 盯c h e c k i n ga n da c c e p t i n gb yu s 盯a n di n s p e c t i o nb ye x p e r t sf r o ms h a n d o n g s c i e n c ea n dt e c h n o l o g yc o m m i s s i o n , i tc a l lb ec o n c l u d e dt h eh i g ht e m p e r a t u r e 、h i g h s p e e df r i c t i o na n dw e a rt e s t i n gm a c h i n eh a s t h ea d v a n c e dt e c h n o l o g y , r e a s o n a b l ed e s i g n t h e “i t 砒es p e e dr a n g eo fm a i ns h a f tu pt o6 0 r m i n - - 1 2 0 0 0 r m i n ，t h el i n es p e e do f f r i c t i o ns u r f a c eu pt o0 5 m s 一1 0 0 m s ，t h et e m p e r a t u r eo f c h a m b e ru pt o8 0 0 * c ，c o n t a c t p r e s s u r eo f f r i c t i o ns u r f a c eu p t oo 5 m p a - - - 3 m p a , t h em a i nt e c h n i c a lp e r f o r m a n c ei n d e x c a nr e a c ht h ea d v a n c e di e v e li nt h ew o r l d ，s oi tj st h ei n i t i a t e dh i g ht e m p e r a t u r e 、h i g h s p e e df r i c t i o na n dw e a rt e s t i n gm a c h i n e i nt h ef i e l do f t e s t i n gm a c h i n e t h es a c c e s s f u lr e s e a r c ha n dm a n u f a c t u r i n go f t h i st e s t i n gm a c h i n eo f f e r st h en e w m e t h o dt oe v a l u a t em e t a l 、n o n - m e t a la n dc o m b i n e dm a t e r i a l sp e r f o r m a n c e sw h e n c h a n g i n gt h ep a r a m e t e r so ft e m p e r a t u r e 、s p e e d 、c o n t a c tp r e s s u r e 、f r i c t i o nc o u p l e m a t e r i a l s 、s u r f a c er o u g h n e s s 、m a t e r i a lr i g i d i t y , e s p e c i a l l yu n d e rt h es t a t u so f l i m i t k e yw o r d s ：h i g ht e m p e r a t u r e ；h i g hs p e e d ；f r i c t i o n ；w e a l - 附件一： 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：3 查兰丕日期：兰竺竺：兰：鲨 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 、 留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：盥导师签名日期：山铧肇，2 呈 山东大学l 受士学位论文 - 峭i i i i i _ | 罾_ 皇黼邕皇篁量曩嘲皇置_ _ _ 第1 章绪论 1 1 本课题研究的学术背景疑理论与实际意义 淳攘学建交多攀秘组成豹综合磺究领域，研究以规蠛学、表露科学与技术、 摩擦学材料、摩擦化学为主，同时也涉及流体力学、固体力学、非线性动力学、 工稔熬穆理、滚交誉、应麓数学、魏理学、曩二学、楗辩秘警、售怠理论等一系到 学术领域。摩擦学研究的仟务是从机械学、材料科学与表面科学的角度出发，不 断嗷取相关学稃鹊翔识帮最新研究成采，农筵深的臻次上掇示摩擦与润浮黪实屡， 探索耨原理、新功熊，推动摩擦学设计和减摩抗磨损技术的发展，并努力在实际 中碰用，以达到节省能量、提高黪损寿命帮机械工作性能、解决极端工况条件下 熬摩擦、磨损、澜溜闯题的毽的。 摩擦学的研究包括对机械动力学系统、润滑系统的数学物理模型的建立、求 解、实验与j 窭程镑粪；痒掇、蘑揍、淘溪状态转饯失兹分掇、混合澜游热分辑及 胶合系统动力学模拟研究；表面形貌与表面物理、表面化学特性对摩擦学过程影 响游磷究；为探索薄擦莛添、解获分子足液下酶徽橇篷系统匏表鬻力学、滤滢等 基毳出理论所进行的分子动力学、固体表面粘着接触的微观力学和碳纳米管操纵的 研究；戬解决纳米工程中鲶摩擦阔蘧为目标的畜序分子膜、超淆技术、缡米级薄 膜澜滑性熊数值计簿；与摩擦学、表面力学性能棚关的微材料力学、功能材料力 学性能研究，金刚石膜、类金刚石膜、f en 系膜制备及其性能研巍；针对磁头磁 蠹髅戆避露熬纳米黢粒耪糕、亚纳添级挞悲、磁熬表嚣改性研究；针对材料表面 改性、表谢强化两进行的准晶态合金涂层评定方法研究；电流变液应用纂础、金 霰，陶瓷瘴攘裁懿黪猿系数主动控翻臻褒；搭擦纯攀理论、爨理、设诗，激及金属 磨损力化学修复原理与技术研究；大型机械运行道程建模、失效分析与故障诊断 与罄于油液分祈的状态蓝溺研究；掰鍪l 澜港理论稻满涛鼓宋繇褒、颓壅黪攘拳耪 料鞠润滑分质的分析与研制。摩擦磨损试验机是摩擦学镁域不可残缺的研究手段 和工具，随着摩擦学研究领域的扩展，各种形式辩不雨工凝静摩擦试验梳逡应运 磷生l “2 1 。 近年张，随糟我国航必、军工发铁路提速等霪大项爵的启动，对材辩在高滠 藤送等掇聚象箨下戆蘩褰链戆挺滋了曼蠢瓣要隶，舞港( 8 0 0 8 c ) 疑逮 主辅鹾端各耀了一对背爨背辩譬静离速藏密臻按簸球辘承，橱成鬻点 支承结构，以掩巍主轴鲢簋承剐魔。 ( 3 ) 为了溅一步提黼辅承的极限转遴，袋雕了循环浦漓瀚姆冷却方式，辨魏 在靠邋爨滠炉翡溃袋瘸了2 缀糖发辫瓷赛瀑球轴承。 ( 4 ) 为减少高温炉向轴承传递热麓，一艇将主轴靠避高漱炉的一端设计为空 心绪穗戳减夺导燕穰甏积，二是在凑澈炉与皇辘辘承之鞫设鬟了冷帮拳襄霹妻赣 贸施强迫水冷。生轴部分结构豳嬲图2 4 嘲2 - 4 难轴部分结构网 山笨大学硕士学位论文 图中，盘试样( 8 ) 通过压圈( 1 1 ) 和圆螺母( 1 0 ) 安装于主轴( 1 2 ) 右端的 锥面上，随主轴( 1 2 ) 一起旋转。由于主轴( 1 2 ) 工作时按顺时针方向旋转，为 了避免盘试样( 8 ) 在试验过程中发生松动，因此圆螺母( 1 0 ) 是左旋的。因为主 轴( 1 2 ) 的右端位于高温炉内，悬伸较长，又装有直径达由1 6 0 r a m 的盘试样( 8 ) ， 并且炉内温度高达8 0 0 c ，所以为了提高主轴( 1 2 ) 本身和其支承的刚度，以提高 其临界转速，避免发生共振而导致整机设计失败，一方面主轴( 1 2 ) 直径设计的 较粗并且采用g h 2 1 4 高温合金材料制造，另一方面主轴( 1 2 ) 左端( 小端) 采用 了两个德国f a g 公司p 4 级精度的主轴轴承( 2 8 ) ，右端( 大端) 因为直径较大， p 4 级精度主轴轴承的极限转速达不到要求，p 2 级精度主轴轴承又限制向我国出口， 就采用了两个洛阳轴承研究所为该系统特殊研制的p 2 级精度的角接触陶瓷球轴承 ( 1 3 ) ，同时为了有效地增大主轴的支承跨度，每端的两个轴承均采取背对背的配 置方式，构成四点支承结构。因为轴承精度非常高，所以对轴承座的精度要求也 非常高。为了便于对轴承座进行精密磨削加工，所以轴承座被设计成圆筒形，如 图2 中的2 所示。圆筒形的轴承座( 2 ) 安装于主轴座( 1 ) 内，并用圆锥销( 2 3 ) 固定。为了提高轴承的极限转速，采取了强迫循环油润滑冷却方式。7 撑高速机械 油首先从进油管( 1 9 ) 和( 2 5 ) 分别进入轴承座( 2 ) 两端的环行槽内，再通过轴 承外隔圈( 1 7 ) 和( 2 6 ) 圆周上分布的许多小孔分别进入主轴两端背对背配置的 两个轴承中间，最后流经每个轴承，从另一端经过回油管( 3 ) 、( 3 4 ) 和( 3 5 ) 排 出。因为主轴( 1 2 ) 的右端位于高温炉内，该端轴承( 1 3 ) 离高温炉很近，为了 阻止高温炉向轴承( 1 3 ) 传递热量，在二者之间设置了一个冷却水套，该水套同 时也是轴承盖，其外层( 5 ) 采用1 c r l 8 n i 9 t i 不锈钢材料，里层( 7 ) 采用铜合金， 两者采用过盈配合永久联结。水套内孔被一个环行槽分为两段，左边靠近轴承的 一段较短并开有螺旋槽，右边靠近高温炉的一段较长为光孔，环行槽的径向位置 开有两个小孔。当主轴高速旋转时，上面的小孔用以进气，螺旋槽可将润滑油完 全密封。当主轴低速旋转或静止时，下面的小孔用以排出间隙泄露的少量油。为 了减小主轴导热面积，因此主轴伸入高温炉的一段被设计成空心结构，端部用堵 头( 9 ) 堵住，二者之间为过盈配合永久联结。冷却水从水套下面的水管( 4 ) 进 入水套内腔，从上面的水管( 1 5 ) 流出，可将高温炉从主轴传出的热量全部带走。 1 6 山东大学硕士学位论文 i i i i i i i i i i i i i i _ _ _ _ _ _ _ _ _ - i 法兰盘( 3 0 ) 的轴孔，匕开有左旋螺旋楷，用以密封润滑油。铂电阻( 1 5 ) 和( 2 4 ) 燕来蠲i 曩辘承滋凌。 传动轴结构如图知5 所示，与主年由部分相比，传动轴部分只是少了黼温冷却水 图2 - 5 传动轴部分结构圈 帮势囊，多了繁轮，其余结镌竞衾提羁。传动轴熬左端长撰费赧遴，将交漩主轴魄机 的转遵通过楔带增加2 倍后滤过弹性膜片联轴器输出到主轴，在两个弹性膜片联 轴嚣之间装裔转矩转遽传惑嚣，矮来灏量藩擦蘸豹潦擦力产蹩夔力籀帮转瀵，峦 于转矩转速传感器的糟度很搿，因此传动轴的作用主要用来减少带轮张紧力对转 矩转遴传感嚣的影响。传魂辆两端静秘对辆承与圭轴套篱酶夺过噩醚合整是势了 消除掇矩对健感器读数的影螭。精密膜片弹性联轴器是以膜片组件作为弹性元件 的一种挠性联轴器，它是由象动端通过螵检把转矩和运动传捌膜片上，膜箨必逶 过舅辩静壤捻恕转嫩秘运动传裂扶动端豹工髂原理。它具有：传递耪度离、膜片 的弹性变形研以补偿两传动轴的径向、轴向和角度误差，同时具有吸振和缓冲作 蘑、举锈镶羧舞其努缀寒豹转酸、黪壤、纺锈彝蘑，特囊| 逶窟予毫漩及腐蚀性较 强的正作场所、由于没有滑渤部件，无需润滑、无噪音、无磨损，能量损失小等 优赢。俸丽帮萌髓；传递转矩耩运动，其存减擐、缓；孛终弼耪蛰嫠辍逸、缀肉、 角向误差，熊改善传动系统的工作状况刚。 1 7 山东大学硕士学位论文 2 5 润滑方法的选择 轴承常用的润滑方式有有润滑及脂润滑两类。此外，也有使用固体润滑剂润 滑的。选用哪一类润滑方式，与轴承的速度有关，一般用滚动轴承的d n 值( d 为 滚动轴承内径，单位为m m ；n 为轴承转速，单位为r m i n ) 表示轴承的速度大小。 适用于脂润滑和有润滑的d n 值界限见表2 2 。 表2 - 2 适用于脂润滑和油润滑的血值界限( 表值1 0 4 ) 油润滑 轴承类型脂润滑 油浴滴油循环油( 喷油)油雾 角接触球轴承 1 62 54 06 0 6 0 脂润滑的特点是能承受较大的载荷，润滑膜不易流失，容易密封。但只适用 于较低的d n 值；油润滑适用于高温高速条件，其中油浴润滑的特点是不适用于高 速：滴油润滑的特点是适用于需要定量供应润滑油的轴承部件，过多的油量将引 起轴承温度的升高；喷油润滑适用于转速高，载荷大，要求润滑可靠的轴承，用 油泵将润滑油增压，通过油管或机体上特制的孔，经喷嘴将油喷射到轴承中去， 流过轴承后的润滑油，经过过滤冷却后再循环使用。为了保证油能进入高速转动 的轴承，喷嘴应对准内圈和保持架之间的间隙。油雾润滑的特点是适用于滚动体 的线速度很高的情况，润滑油在油雾发生器中变成油雾，其温度比液体润滑油的 温度低，这对冷却轴承是十分有利的【2 “”1 。 由于主轴转速n 为1 2 0 0 0 f r a i n , 轴承内径d 为1 1 8 m m d n = 1 2 0 0 0 x 1 1 8 = 1 4 0 l o 6 0 1 0 4n l m r m i n 因此方案设计中轴承采取的润滑方式理论上应为油雾润滑。 但在实际应用中油雾润滑的效果很不理想，在6 0 0 0 r m i n 时即发生了烧毁轴承 的问题。开始认为是由于油雾量小造成的，后来经过增加油雾喷嘴数量，加大油 雾量，还是没能解决问题，此时理论与实际发生了矛盾。 经过分析认为，烧毁轴承的根本原因是由于油雾润滑的冷却效果不良造成的。 于是将润滑方式改为冷却效果较好的强迫循环油润滑，问题有了根本性的好转， 主轴转速最高达到了1 1 5 0 0 r m i n ，离设计的最高转速1 2 0 0 0 r m i n 还差5 0 0 r m i n 。 i g 山东火学硕士学位论文 经过分析认为，主轴达不到设计展高转速的原因是主轴电机的功率过小。因 为主轴电机的功率是按照油雾润滑设计的，油雾润滑对轴承旋转的阻力很小，而 强迫循环油润滑对轴承旋转的阻力很大，已经超过了电机的额定载荷。要解决这 个问题，一是更换功率较大的主轴电机及其控制系统，二是减小电机的载荷。经 过分析认为，第一种方案肯定能解决问题，但是成本高，周期长。第二种方案是 通过更换粘度较低的润滑油以减小轴承旋转的阻力，从而减小电机的载荷，成本 低，周期短，但是载荷能够减小多少无法确定。由于电机功率相差不大，于是采 取了第二种方案，将粘度较高的n 3 2 # 普通机械油换成粘度较低的7 撑高速机械油， 结果不仅主轴达到了设计的最高转速1 2 0 0 0 r m i n ，而且各轴承的温度也降低了二十 多度，在1 2 0 0 0 r m i n 下连续运转一个小时，各轴承的温度均未超过8 0 ，有效地 控制了轴承高速运转温升，实际的幽值达到了1 2 6 x1 0 6 ，突破了强迫循环油润滑 的理论界限6 x1 0 5 。从此常温下运转已没有任何问题。 2 6 润滑冷却油源的设计 润滑润滑冷却油源的设计见图2 _ 6 ， 1 、7 、油泵电机；2 、滤油器：3 、溢流阀： 4 、压力表；5 、分流阀块；6 、节流管接头 图2 - 6 润滑冷却油源w 1 9 山东大学硕士学位论文 _ ii i i _ _ _ _ _ | _ ! _ _ | ! 自e ! 自自e _ 目e 目_ _ - _ _ 目! j 目目! ! g 自自| g i _ _ _ 目目l 目_ | 润滑冷却油源主要由油箱及位于油箱上面的两个油泵电机组、滤油器、溢流 阀、压力表和五通分流阀块及其上面的四个节流管接头组成。润滑对于滚动轴承 具有重要意义，轴承中的润滑剂不仅可以降低摩擦阻力，还可以起着散热、减小 接触应力、吸收振动、防止锈蚀等作用。 2 7 高速轴系轴承配置及轴承精度的选择 由于主轴高速旋转所产生的离心力远远大于销试样施加在盘试样的力对滚动 体的作用，所以，高速主轴的主要设计参数为转速，轴承的高速性能用其速度因 子“n 或d n 值来简便地衡量，( d 。表示滚动体中心圆直径，m m ；d 表示轴承 内径，m m n 表示轴承的转速，r r a i n ) ，“n 值超过0 8 1 0 6 或d n 超过0 6 1 0 6 即称为高速轴承。高速轻载的场合应选用背对背成对配置的陶瓷球轴承。另 外，主轴系统的刚性、载荷能力和高速性还取决于支承轴承的系列、精度、内部 结构和轴系的润滑与冷却方式，从表2 - 3 中可以看出，轴承的结构参数对载荷和转 速的影响很大，对同样尺寸的7 0 1 3 轴承( 基型) ，高速型h 7 0 1 3 p 4 轴承额定动载 表2 - 3 同一基型不同精度、不同系列、不同结构轴承载荷与转速 ( 内径d = 6 5 m m , 接触角a = 1 5 。) 轴承型号额定载荷( n )极限转速( r h n i n )备注 c rc o r脂油 7 0 1 3 c ，p 04 0 03 5 55 3 0 07 0 0 0 基型结构冲压金属保持架 7 2 1 3 c p 06 9 85 5 24 8 0 06 3 0 0 7 1 9 1 3 c ，p 42 5 13 1 91 3 0 0 02 0 0 0 0采用夹部布胶木保持架挡边 7 0 1 3 c ，p 43 8 94 2 91 3 0 0 02 0 0 0 0 外引导 7 2 1 3 c ，p 46 7 56 9 0l 1 0 0 01 8 0 0 0 h 7 1 9 1 3 p 41 6 81 4 51 7 0 0 02 8 0 0 0采用夹布胶木保持架，挡边外 h 7 0 1 3 ( = ，i ) 42 0 21 8 61 6 0 0 02 6 0 0 0 引导，保持架内径接近钢球中 心圆直径 1 - 1 7 1 9 1 3 p 4 i - i q l 1 6 81 4 5i1 7 0 2 0 0 0 0 保持架结构，采用陶瓷球 h 7 1 9 1 3 p 4 h q i 2 0 21 8 61 9 0 0 03 2 0 0 0 山乐大学硕士学位论文 荷是7 0 1 3 p 4 的5 21 9 ，极限转速是7 0 1 3 p 4 的l3 倍，是7 0 1 3 的3 9 倍。而装 有陶瓷球的h 7 0 t 3 p 4 极限转速则比7 0 1 3 f p 4 高6 0 。通过轴承参数的特性比较， 本轴系传动轴两端分别采用两对7 2 1 1 c p 4 、7 2 1 5 c p 4 的陶瓷球轴承，主轴的两端 一端采用一对7 0 1 7 c p 4 陶瓷球轴承，靠近高温炉的一端采用一对7 0 2 1 c p 2 陶瓷 球轴承背靠背配置b 3 1 。如外形尺寸相同的角接触球轴承，1 5 。接触角比2 5 接触角 极限转速高1 0 * o 一- - 15 ，p 0 级轴承极限转速只相当于p 4 级轴承的4 0 5 0 * 0 ，而 p 2 级轴承极限转速比p 4 级高1 0 ，脂润滑极限转速相当于油雾润滑的7 0 左右。 表2 给出了同一基型不同精度、不同系列、不同结构轴承载荷与转速的关系2 ”， 2 8 主轴冷却方案设计 在设计冷却方式时优先采取了冷却效果最好的向主轴直接喷水的方式，但是 这种方式同时也存在严重的缺陷，那就是密封问题。 主轴转速从6 0 r m i n 到1 2 0 0 0r r a i n ，任何密封方式都很难兼顾低速和高速，由 于该机主要用在高速，因此首先采取了结构简单高速密封性能较好的螺旋密封与 离心密封相结合的方式。这种密封方式的特点是非接触式的动密封，间隙越小转 速越高密封越好。 当主轴转速为3 0 0 0r m i n 时，水套间隙即不漏水，但是在炉温升到8 0 0 c 后， 当主轴转速升到8 0 0 0r r a i n 时发生了冷却水套将主轴抱死的问题。 经过加大水套与主轴的间隙后，当主轴转速为3 0 0 0r r a i n 时，水套间隙仍然不 漏水，但是在炉温升到8 0 0 1 2 后，当主轴转速升到1 0 0 0 0r r a i n 时发生了第二次冷 却水套将主轴抱死的问题。 接着再加大水套与主轴的间隙，当主轴转速为3 0 0 0r r a i n 时，水套间隙还不漏 水，但是在炉温升到8 0 0 c 后，当主轴转速升到1 2 0 0 0r m i n 运行了不到一分钟时 发生了第三次冷却水套将主轴抱死的问题。 接着再加大水套与主轴的间隙，当主轴转速为3 0 0 0r m i n 时，水套间隙还不漏 水，但是在炉温升到8 0 0 。c 后，当主轴转速升到1 2 0 0 0r m i n 运行了十七分钟时发 生了第四次冷却水套将主轴拖死的问题。 接着再加大水套与主轴的间隙，此时由于间隙太大在主轴转速为3 0 0 0r m i n 时发生了漏水，因此在高温炉加热时不得不将主轴转速提高到5 4 0 0 r m i n ，结果当 2 1 山东大学硕士学做论文 _ i i 一 炉温升到8 0 0 x 后主轴转速还没升到8 0 0 0r r a i n 时发生了第五次冷却水套将主轴抱 夏麴鞠趱。 翻2 - 7 冷击l 】承套 疑过上述几次试验后发现，直接喷水冷却方式的冷却效柴非常好好，完全阻 止了黼瀣炉舞主辘毒藿轴承翡煞鳘传遂。露果紧爱一耪冷却效鬃强差一焦夔錾 l l 瘩 套，也完全有可能解决冷却阀题，这样即使将水套与主轴的闯隙进一步加大也不 山东大学硕士学值论文 曼皇曩鼍篇_ 置麓曹蔓墨繁量曼嘲i i i i i | 鼎删蔓鼍 会漏水，还可以解决水套将主轴抱死的问题。 经过试验，结果次裁获缮了戏功，在8 0 0 、1 2 0 0 0 r m i n ”f 连续运转了3 2 m i n ， 没有发生水套将主轴抱死的问题，并且各轴承的温度均未超过8 0 。c ，一切雁常。 不仗辩诧，还弱眩解决了凌予壹接蠢主轴骥零零漉爨不稳定造残鹃颦攘力艇波动 大的问题，并且也消除了水对主轴旋转的阻力，从而减小了电机的栽荷。另外， 由予水套是封闭的，不存在漏承静闻题，因恁在加热过程审生轴不必运转，既节 省了电力又可以在任何转速下傲高温试验。从此高濑下运转也己没有任何问题。 高温黼速难鼷得到了圆满解决。 生毒垂冷却瘩套弱设诗见翻2 7 ，冷龆水套是由i c r l s n i 9 t i 不锈钢材料制 乍的法 兰盘和h 6 8 黄铜材料制作的水套过擞永久配合而成，过盈墩为o 1 2 一- 0 1 5 。 2 骛本章小结 本章介缨了高温糕速摩擦磨损试验机设计目标，总体设计方案，主机的设计方 案，高温轴系的结构简图，生轴的设计方案，传动轴的设计方案、轴承的配簧衽 辘承壤度豹逸择、以及轴承澜潺冷却方案鲍设计，经实验涟明，接韵正常，轴承 润滑冷却效果良好，靠近高漩炉端的轴承温许最高不超过8 0 ( 2 ，满足了用户的要 求。 山东大学硕士学位论文 第3 章高速轴系各部分设计计算 3 1 高速轴系的力学性能校验 ( 1 ) 传动轴的力学性能校验。” 根据设计目标的要求，摩擦副的接触正压力最大为2 4 5 牛顿，摩擦点的线速 度为1 0 0 m s ，换算为轴的转速，则n = 1 2 0 0 0 r r a i n ，输入功率p = 1 l k w ，主轴材料 为g h 2 1 4 ，则吼= 5 9 0 n r a t a 2 ，o s = 2 9 5 n m m 2 ，以l = 2 5 5 n r a m 2 。 初步确定轴端直径 取a = 1 6 5 ，则轴的输入端直径 拈a 辑= 1 6 5 靠玛4 删( 3 - 考虑轴端的其它结构，轴径应相应的增大，取d = 4 0 r a m 。 传动轴的结构设计 取轴颈处的直径为4 0 r a m ，其余各直径与其配合的轴承孔径相同；传动轴的结 构、受力图、扭矩图见图3 - 1 图3 - 1 传动轴的结构、受力图、扭矩图 传动轴的扭转强度的计算 传动轴的扭转强度的计算 皮带轮传递给轴的扣转力矩为： r = 肌= 9 5 5 0 p - - 门- = 9 5 5 0 1 2 1 _ 1 。1 。= 8 7 5 n 脚 ( 3 2 ) 门 l z u t 儿j 由于轴上各段的扭转力矩相同，都是t ，因此危险截面在e f 段上，因此需要 校核该轴段的扭转强度。 由e f 段的截面尺寸计算抗扭截面系数， 彬：一lp：生：!：!：!：1766册，(3-3)r 1 61 6 。 轴的最大剪应力为 f一：吾：黑一495mp(3-4)1761 0 “ 形，6 一9 7 材料的 t = 6 0 m p a ，即f 一么 f ，所以e f 轴段满足强度条件，即整个 传动轴满足强度条件。 ( 2 ) 主轴弯矩强度校核 传动轴的结构、受力图、扭矩图见图3 2 。传动轴的右端与住轴的左端通过联 轴器来刚性连接，作用在盘m 上的径向力p ，可对轴产生一个周向摩擦力p ，周向 力p 。向轴向化简后可得到作用于轴线上的横向力p 和力偶矩p d 2 。由平衡方 程7 ；= 0 ，可知p d 2 = m 销盘问的摩擦系数为u = 0 1 即p = 2 4 5 o 1 = 2 4 5 n 1 1 l = 2 4 5 1 6 0 0 2 1 1 0 0 0 = 2 n m 主轴的扭矩图如图所示，根据各轴段的扭矩可知，危险截面为ab 段，试对ab 段进行强度校核， 传动的右端与主轴的左端通过连轴节来刚性连接，所以主轴ab 段的扭转力 矩为： r ：m ；9 5 5 0 p ：9 5 5 0 坚一：8 7 5 n 胁( 3 - 5 ) 一1 2 0 0 山东大学硕士学位论文 】i i ii i i i i i i ii i i _ - 一 彬：冬：譬：掣= 1 7 6 6 r a m 3 ( 3 - 6 ) r1 6 1 6 轴的最大剪应力为 f 一：吾：旦；4 9 5 m p o (37)17661 0 - 9“彬 7 材料的 t = 6 0 m p a ，即f 一么 一 ，所以e f 轴段满足强度条件，即整个轴满 足强度条件。 h 图3 - 2 主轴的结构、受力图、扭矩图 3 2 轴系临界转速的计算分析 当主轴的转速接近或等于临界转速时，整个系统就会发生共振，系统振动剧 烈，严重时会造成机械结构、轴上传感器甚至测控系统的损坏。为避免出现共振， 主轴系统必须具有足够高的刚度和幅界转速街7 1 。从理论上讲，主轴悬伸越短主 轴越粗越有利于提高刚度和临界转速，但由于受高温限制，主轴悬伸不可能做到 很短，另一方面主轴越粗财所需要的轴承尺寸就越大，轴承的极限转速就越低， 导致主轴转速上不去，远不到试样要求的规定转速。当轴以某些特定的转速运转 时，由于微小不平衡量的影响或外激振力的影响，将引起剧烈的振动，造成轴承 山东大学硕士学位论文 时，由于微小不平衡量的影响或外激振力的影响，将引起剧烈的振动，造成轴承 和回转体的破坏。而当轴的转速低于这个数值时，运转就趋于平稳，这些引起剧 烈振动的特定转速，称为回转体的临界转速。当不考虑回转力矩和工作环境等因 素时，回转体的临界转速在数值上轴横向振动的各阶固有频率相同，可记为国。 国。：、，分别称为第一阶、第二阶、，临界转速，当考虑回转力矩和工作环境 等因素时，轴系的临界转速在数值上与轴横向振动的各阶固有频率不相同，为区 别起见可记为曲矿国以、。工程上习惯用n 。、n 。：、表示l i 每界转速，单位是 r m i n ，1 9 = g o ，3 0 x 。轴系有无穷多阶固有频率和相应的临界转速，在进行高速 旋转试验机的设计时应使最大工作转速n 。 1 5 0 0 b 高速精密角接触球轴承使用寿命与安装有很大关系，应注意以下事项：第一， 轴承安装应在无尘，洁净的房间内进行，轴承要经过精心选配，轴承用隔圈要经 过研磨，在保持内外圈隔圈等高的前提下，隔圈平行度应控制在l u m 以下；第二， 轴承安装前应清洗干净，清洗时内圈斜坡朝上，手感应灵活，无停滞感，晾干后， 放入规定量油脂，如属油雾润滑应放入少量的油雾油；第三，轴承安装应采用专 门工具，受力均匀，严禁敲打；第四，轴承存放应清洁通风，无腐蚀气体，相对 湿度不超过6 5 ，长期保管应定期防锈。 滚动轴承的精度分( 主要) 尺寸精度与旋转精度。精度等级已标准化，分为 p o 级、p 6 级、p 5 级、p 4 级、p 2 级五个等级。精度从0 级起依次提高1 3 3 3 4 。酗。 ( 2 ) 主轴材料的选择 g h 2 1 4 是我国最优秀的抗氧化高温合金，适合在高温、氧化、腐蚀等恶劣 环境下使用。2 1 4 型热电偶保护套管，目前已在炼铁厂热风炉和烧结炉中广泛应用， 使用温度可达1 3 0 0 1 2 ，寿命远高于用g h 3 0 ，g h 3 9 等合金或陶瓷制成的保护套管。 ( 3 ) 联轴器的选择 联轴器是联接两轴或轴和回转件，在传递运动和转矩过程中一同回转而不脱 开的一种装置，在传递过程中不改变转动方向和转矩的大小，这是各类联轴器的 共性功能。而挠性联轴器有补偿两轴相对偏移功能，弹性联轴器则有不同程度的 减振和缓冲功能，安全联轴器有过载安全保护功能。 各类联轴器在传动系统中的功能和作用不尽相同，但共同的基本作用为传递 转矩和运动。所以用量比较广泛例如：重型机械、冶金机械、矿山机械、工程机 山东大学硕士学位论文 械、农业机械、石油机械、化工机械、起重运输机械、纺织机械、轻工机械、印 刷机械、汽车、拖拉机、机车、船舶、机床、水泵、风机、压缩机等机械产品轴 系传动中使用联轴器，其主要功能是传递转矩。 刚性联轴器的作用和功能：起联结作用，只能传递运动和转矩，不具备其他 功能，结构简单，成本低。 无弹性元件挠性联轴器作用和功能：不仅能传递运动和转矩，而且具有不同 程度的轴向、径向、角向补偿功能。噪音大、需要润滑、补偿角向大，所以只适 应于重型、低速传动。 非金属弹性元件挠性联轴器：其材料主要是橡胶，工程塑料( 尼龙) 。特点： 具有较高的阻尼减振特性、消震能力强、具有结构多样及良好的绝缘性能、耐油 性、耐热性差，负荷性能不稳定、在运转中无需润滑，维护简便。作用和功能： 传递转矩和运动，有不同程度减振、缓冲作用和较小的轴向、径向、角向补偿性 能，改善传动系统工作性能。成本低，使用面广，但不能适应于有腐蚀的工况条 件。 金属弹性元件挠性联轴器：精密膜片弹性联轴器是以膜片组件作为弹性元件的 一种挠性联轴器，它是由主动端通过螺栓把转矩和运动传到膜片上，膜片又通过 另外的螺栓把转矩和运动传到从动端的工作原理。它具有：传递精度高、膜片的 弹性交形可以补偿两传动轴的径向、轴向和角度误差，同时具有吸振和缓冲作用、 不锈钢膜片具有很高的防酸、防腐、防锈作用，特别适宜于高温及腐蚀性较强的 工作场所、由于没有滑动部件，无需润滑、无噪音、无磨损，能量损失小等优点p ”。 作用和功能：传递转矩和运动，具有减振、缓冲作用和补偿轴向、径向、角向误 差，能改善传动系统的工作状况。适应于高温、有腐蚀的工况条件。并可应用于 精密机械，以及操纵、控制机构和仪表设备。这类设备转矩很小，主要功能