高速轴承试验机偏心加载的可靠性分析

1、高速轴承试验机偏心加载的可靠性分析（洛阳轴研科技股份有限公司，河南 洛阳 471039）摘要: 以偏心加载对轴系振动及刚性研究为主要目的，在经典离心力公式指导下，对轴系的自由振动频率和刚性进行分析，得出如何确定偏心套的关键尺寸以提高试验轴系的可靠性。关键词：偏心加载；离心力；振动；刚性目前滚动轴承试验机载荷一般采用液压加载方式，在通用的试验头装置中，载荷通过液压系统作用在活塞上，活塞通过一个轴向加载套直接作用在试验轴承上施加轴向载荷，而径向载荷则需要加载到陪试轴承上，通过力矩的换算计算出试验轴承上承受的径向载荷。在高速轴承试验时，若整个轴系功耗不大，径向载荷加载系统的陪试轴承一般有两套。而高速

2、特殊介质冷却轴承试验时，由于冷却介质充满轴承座空腔，在轴高速旋转的情况下，该介质在腔体里搅拌，每套轴承的功耗较大，若采用一般通用的加载方式，势必增大整个轴系的功耗。在高速电主轴功率不能满足要求的情况下，特殊介质冷却轴承试验台架径向载荷可采用偏心加载，即利用偏心套在高速旋转时产生的离心力对试验轴承加载。1 试验轴系的结构形式试验轴承要求在某一特定转速下承受一额定径向载荷和一个额定轴向载荷，轴向载荷可通过液压加载系统实现，径向载荷则需通过偏心轴系在旋转时产生的离心力实现，离心力为 (1)式中：F为离心力；m为偏心套质量；r为偏心距；为主轴的角速度。试验机的试验头结构示意图如图1所示，在此试验系统中

3、，偏心套和主轴组成一个动不平衡系统，试验轴在偏心套质量和试验轴自身质量的影响下有一个自由振动频率，电主轴带动试验轴系转动，相当于给试验轴一个干扰力，此干扰力的频率为。在振动系统中，当干扰力的频率和转轴自由振动的频率相同时会发生共振现象。在共振的情形下，强迫振动在相位上落后90°；如果没有阻尼，共振振动的振幅就会无限制的增大，以致损坏试验轴系。此试验轴系要求在一个额定转速下工作，因此为避免系统内共振的发生，在试验轴的干扰力频率一定的情况下应尽量提高试验轴的自由振动频率；同时，为提高试验轴系的可靠性，还应提高试验轴的刚性，还应分析偏心套的尺寸参数对轴系刚性的影响。1试验轴承；2偏心套；3

4、试验轴；4试验轴承图1 偏心加载试验轴系示意图2 自由振动频率的计算对于图1所示的轴系结构，试验轴在偏心套自重下的静挠度为 (2)式中：q为偏心套作用在试验轴上的均布载荷，；m为偏心套的质量；l为偏心套的长度；E为试验轴材料的弹性模量，2.01×1011Pa；I为试验轴的惯性矩。试验轴的刚度系数为 (3)则试验轴在偏心套影响下的自由振动频率为 (4)由(4)式可知，若要提高自由振动频率f0，则需要减少偏心套的质量或长度（试验轴承的跨距）。3 偏心套尺寸对试验轴系刚性的影响在计算中将偏心套的质量全部集中到其质心O上，试验轴受偏心套的质量而引起的不变静挠度很小，因此不予考虑；偏心套以等角

5、速度转动时，不平衡离心力使转轴弯曲，转轴将在弯曲状态下转动（图2）。图2 试验轴系工作时示意图在试验轴系高速旋转时，偏心套产生的不平衡离心力F等于弯曲的试验轴的弹性反作用力，即 (5)式中： r为偏心距，；x为试验轴的弹性挠度；为偏心套转动的角速度。则 (6)本试验轴系在设计时要求试验轴的自由振动频率远大于轴系的振动频率，即，以避免轴系在转动时发生共振而损坏试验轴承，对于自由振动频率远小于振动频率的情况不做过多讨论。则（6）式可变为 (7)又 （8）故可推导出 （9）由(9)式可知在的任意取值范围内为增函数，即增大偏心套长度，则轴系的弹性挠度增大。因此，为增大试验轴的刚性，在试验轴系的设计时应尽可能的减小偏心套的长度。4 结束语通过上面的计算可看出，为提高试验轴系运行的可靠性，在设计试验头时应考虑以下几点：(1) 由(1)式可知，在F和一定的情况下为提高试验轴自由振动频率就必须减小m的值，在(9)式的推导中忽略了试验轴受偏心套的质量而引起的不变静挠度，若考虑此因素，减少m的值同时也可增大试验轴系的刚性；(2) 由(9)式可看出为提高试验轴的刚性应减少偏心套的长度；(3) 由试验轴承的安装尺寸可确定偏心套的最小质量，在轴承跨距选定的情况下，由式(1)和式(12)可确定偏心套的偏心套半径，根据实际情况进行微量调整即可得偏心套尺寸；(4) 为提高试验的可行性，仅优化偏心套的设计是