一種基於界面摩擦性能監測的滾滑摩擦全壽命測試裝置的製作方法

2023-04-29 18:03:37 2

本發明屬於滾滑基礎性能實驗裝置，具體涉及一種基於界面摩擦性能監測的滾滑摩擦全壽命測試裝置。

背景技術：

滾動軸承是航空發動機承力傳動系統中必不可少的組成部分，其性能和質量的好壞直接影響航空發動機的使用壽命和可靠性。隨著滾動軸承在理論研究、結構設計、製造工藝等方面的發展，軸承性能和可靠性有了較大的提高，但與此同時，航空技術發展迅速，發動機推重比和功率也越來越大，其主軸軸承的工作條件朝著高溫、高速、重載等複雜、惡劣的工況發展，對軸承的性能和可靠性也提出了更高的要求。在航空發動機以往所發生的各類重大機械故障中，轉動部件的故障高達80％以上，其中大約有30％的故障與軸承有關，可以說航空滾動軸承的性能是決定飛機飛行安全的重要因素之一。而圓柱滾子軸承是滾動軸承中的一種典型的摩擦學元件，其負載能力大、摩擦係數小的特點使得圓柱滾子軸承成為應用極為廣泛的重要機械基礎件。圓柱滾子軸承以滾動運動為主，為避免或減少邊緣載荷，滾子和滾道是帶有凸度的，在載荷的作用下，通過軸承旋轉軸線和滾動接觸中心的接觸面是一個曲面。只有在接觸微元不存在相對運動的那些瞬時中心上，才會出現純滾動，而其餘各點都會發生滑動，而高轉速條件下滾動軸承的打滑與蹭傷一直是構成滾動軸承摩擦的主要部分，是影響軸承使用壽命的關鍵因素。因此，對高速圓柱滾子軸承進行打滑失效導致磨損的機理研究對於保證飛機適航性、降低飛機維修費用和減少飛行事故具有十分重要的意義，而試驗裝置作為機理研究的載體是機理研究順利進展的先決條件，顯得尤為重要。

自19世紀60年代開始滾動軸承運動學及動力學開始被研究，其中Jones基於滾道控制假設理論為滾動軸承的打滑分析做出了重要貢獻。Harris提出了一種能夠預測滾動軸承打滑的簡化理論方法，並得到了增加徑向載荷可以有效抑制打滑的重要結論。Chang基於一種完全彈流潤滑模型研究了圓柱滾子的動力學特性，隨後Laniado-Jacome建立了一個滾動軸承力學仿真模型，採用有限元法分析了滾動體和滾道之間的滑動機理，Tu則建立了一種用於研究加速工況下滾動軸承打滑的分析模型。上述基於理論分析方法實現了滾動軸承在理想工況條件下的動力學特性分析，從而有助於得到滾動軸承的打滑結果，由於滾動軸承影響因素的複雜性及滾動體在軸承中運動的不確定性，上述方法得到的結果與實踐過程中結果相比往往不太精確，因此需要藉助試驗過程研究。Cocks的研究表明滾動體的滑動是滾動軸承擦傷失效中的一個關鍵影響因素，Hamer則指出擦傷失效是大型滾動軸承低速失效現象，並通過試驗研究了滾動軸承擦傷失效的邊界問題。2006年葛世榮等發明了一種滾動摩擦磨損試驗機專利，該試驗機能模擬環狀類摩擦副滾動條件下的摩擦磨損試驗，但該裝置系統較為複雜，且只能用於環類摩擦副，無法有效模擬滾動軸承實際摩擦磨損過程。2011年陳渭等發明了高速滾動軸承滑差裝置專利，李軍寧在其博士論文中應用該實驗裝置率先研究了不同滑差因子、轉速、徑向載荷對油膜厚度的影響，但由於其加載系統以高速電主軸中心為支點，加載時容易造成偏載，載荷越高，偏載情況越明顯。2014年魏靜等發明了一種變載荷滾動摩擦磨損試驗機專利，該裝置在陳渭所發明的裝置基礎上改變了加載方式和增加了潤滑油控溫方式，但其摩擦副也局限在了環狀摩擦副，對於滾動軸承的實際狀態模擬並不是特別合適。

技術實現要素：

為了克服上述現有技術的缺陷，本發明的目的在於提供一種基於界面摩擦性能監測的滾滑摩擦全壽命測試裝置，將圓柱滾子軸承的關鍵摩擦副內圈-滾動體分離出來，基於變載、變速、變潤滑油量等條件採用多傳感信息在線監測技術獲取摩擦副的動態性能，用以研究確定滑差組合條件下的滾動軸承關鍵摩擦副內圈-滾動體的全壽命界面摩擦磨損健康狀態，對圓柱滾子軸承的設計以及使用過程中提高滾動軸承的可靠性，實現按需維修都有著重要的指導意義。

為達到上述目的，本發明的技術方案為：

一種基於界面摩擦性能監測的滾滑摩擦全壽命測試裝置，包括支架5，支架5的一端固定有升降臺1，升降臺1上設置有高速電主軸23，高速電主軸23的前端與扭矩傳感器22一端相連；扭矩傳感器22的另一端通過彈性聯軸器21連接被測對象中可調換的滾動體14；滾動體14的兩端設置有滾動軸承28且滾動軸承28相對於滾動體14的接觸區域中心對稱；滾動軸承28放置在豎直導軌20中且上方放置一塊壓板16；在壓板16的上表面的中間位置有一個放置圓球的凹槽，圓球上方與壓杆17的支點平面接觸；槓桿18設置在立柱27上，槓桿18的末端通過鋼絲繩29與支架5上的傳感器32的螺母連接；

支架5的另一端設置有低速電主軸11，低速電主軸11的前端安裝有一個過渡套筒2，過渡套筒2上採用過盈配合的方式安裝有被測對象的軸承內圈12。

所述的升降臺1上設置有平動板1-1。

所述的鋼絲繩29與過渡塊31的螺母連接，過渡塊下方設置有通孔，傳感器32上的螺栓穿過通孔且其螺母與過渡塊31中間設置有彈簧30。

所述的槓桿18另一端設置有調平螺母26，用於保證槓桿18初始狀態為水平。

所述的高速電主軸23採用第一變頻器25控制，低速電主軸11採用第二變頻器6控制，滾動體14徑向方向接觸區域的45°方向與一端的45°方向均設置有位移傳感器19，軸承內圈12的下方的回油裝置出油口連接在線磨粒圖像傳感器4，軸承內圈12內貼有超聲傳感器13；第一變頻器25、第二變頻器6、位移傳感器19、在線磨粒圖像傳感器4、超聲傳感器13和扭矩傳感器22均與數據採集處理系統8連接受其控制。

所述的滾動體14與軸承內圈12之間設置有潤滑裝置15，滾動體14與軸承內圈12之間的油膜溫度通過紅外測溫儀3測量，紅外測溫儀3為手持式測溫儀器。

所述的高速電主軸23和低速電主軸11分別採用冷卻裝置24、7冷卻。

有益效果：

本發明應用於圓柱滾子軸承關鍵摩擦副內圈-滾動體的全壽命界面摩擦磨損狀態評價研究，與所查閱文獻中的相關打滑研究試驗臺相比，具有以下有益效果：

1.能夠通過控制不同滾滑及潤滑工況，並藉助實時摩擦、膜厚、磨損測量，實現從固體接觸、邊界潤滑、動力潤滑的不同潤滑狀態的準確控制；

2.能夠模擬滾動軸承摩擦副實際工況運行，實現不同尺寸圓柱滾子軸承滾動體-內圈磨損試驗；

3.槓桿加載系統結構簡單，但加載端採用傳感器與其他力傳遞結構替代砝碼使得加載力值更加準確以及自動化；

4.平動裝置保證了滾動體與內圈軸心的平行度，改善了偏載現象；

5.電主軸軸端直接夾裝摩擦副能儘量降低裝置變形對磨損結果的影響；

6.槓桿加載機構採用槓桿系統與稱重傳感器結合，結構更加簡單有效且準確；

7.採用扭矩傳感器測量摩擦力矩，評價滾動體與內圈的實際接觸狀態；

8採集振動信號、磨粒信息、油膜厚度、摩擦係數、溫度等數據，可用於實時獲取摩擦副狀態，實現滾動軸承的在線健康狀態監測，同時也可以為後期數據處理提取不同磨損階段的故障特徵進行磨損機理分析提供良好的數據基礎。

本發明通過模擬圓柱滾子軸承內圈與滾動體的動態接觸情況，分析各參數作用下的滾動軸承關鍵摩擦副的界面摩擦磨損狀態，進而得到影響軸承磨損的最優使用條件，為優化滾動軸承的設計與提高使用過程中的可靠性提供依據。

附圖說明

圖1是本發明裝置的結構原理圖。

圖2是本發明裝置的槓桿加載機構結構原理圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明做詳細敘述。

參照圖1，一種基於界面摩擦性能監測的滾滑摩擦全壽命測試裝置，包括支架5，支架5的一端固定有升降臺1，升降臺1上設置有高速電主軸23，高速電主軸23的前端與扭矩傳感器22一端相連；高速電主軸23和扭矩傳感器22一起固定在升降臺1的檯面上，可以隨升降臺的調節而上下移動；扭矩傳感器22的另一端通過彈性聯軸器21連接被測對象中可調換的滾動體14；在安裝的過程中需要保證高速電主軸23的軸心、扭矩傳感器22的軸心以及滾動體14的軸心的同軸度，這可以通過調整升降臺1在支架5上的安裝位置和升降臺1的高度來實現；採用彈性聯軸器21可以減緩扭矩傳感器22所受到的振動，且當滾動體14發生微量偏載時能夠保證扭矩傳遞的穩定。扭矩傳感器22用於測量運行過程中的摩擦力矩，計算實時摩擦係數，用以評價接觸狀態；滾動體14的兩端設置有滾動軸承28且滾動軸承28相對於滾動體14的接觸區域中心對稱；滾動軸承28放置在豎直導軌20中且上方放置一塊壓板16；安裝過程中要保證滾動軸承28和壓板16都能夠在豎直導軌20中上下自由滑動；在壓板16上表面中間的位置設置有一個圓形的凹槽，凹槽中放置一顆圓球，圓球上方與壓杆17的支點平面接觸；通過圓球施加載荷可以降低由於壓杆17偏斜對徑向加載載荷準確性和穩定性的影響；壓杆17作為槓桿18的受力支承，採用螺紋的形式穿過槓桿18，可以調整壓杆17伸出的長度，從而調節槓桿18初始位置的水平；槓桿18採用一個螺栓安裝在立柱27上；槓桿18的平衡端裝有調平螺母26；通過調節調平螺母26可以平衡槓桿加載系統的自重，實現槓桿加載系統在未加載時對滾動體14的壓力幾乎為零；在槓桿18的加載端通過鋼絲繩29與過渡塊31的加載螺栓相連；過渡塊31的下表面通過一個螺栓與稱重傳感器32相連；螺栓貫穿過渡塊31的下表面，且在螺頭和過渡塊31之間安裝有一個彈簧30；彈簧30可以保證加載力的穩定，減小加載力的波動；螺栓固定在稱重傳感器32上；通過調整加載端加載螺母來實現徑向加載載荷的施加，經過換算可以獲得準確的實際加載力。

支架5的另一端設置有低速電主軸11，低速電主軸11的前端安裝有一個過渡套筒2，過渡套筒2上採用過盈配合的方式安裝有被測對象的軸承內圈12，過渡套筒2通過拉杆9裝配在低速電主軸11上；軸承內圈12的安裝採用熱安裝的方式，先將軸承內圈加熱至70攝氏度，再迅速將其壓裝到過渡套筒2上；低速電主軸11的軸心高度不可調節。

所述的高速電主軸23採用第一變頻器25控制其轉速，低速電主軸11採用第二變頻器6控制其轉速；高、低速電主軸23、11分別採用水冷裝置24、7進行冷卻。

在滾動體14接觸區域沿其徑向方向且與水平面成45°角的方向上與其中一端沿其徑向方向且與水平面成45°角的方向上均設置有位移傳感器19；位移傳感器19用來測量滾動體14的振動信號；在滾動體14和軸承內圈12的接觸區域附近布置有潤滑裝置15；潤滑裝置15為試驗接觸區域提供潤滑油，用於冷卻運行過程中的摩擦副，同時帶走磨屑；在軸承內圈12的下方布置有回油箱，在出油口處連接有在線磨粒圖像傳感器4，用來提取潤滑油中磨粒的相關數據；軸承內圈12內貼有超聲傳感器13，用來採集摩擦副間的油膜厚度數據；在滾動體14和軸承內圈12的接觸區域附近還布置有紅外測溫儀3，用來測量接觸副間油膜的溫度數據；第一變頻器25、第二變頻器6、位移傳感器19、在線磨粒圖像傳感器4、超聲傳感器13和扭矩傳感器22均與數據採集處理系統8連接，並受其控制。

所述的豎直導軌20、能在豎直導軌20中上下自由滑動的壓板16和滾動軸承28、壓杆17、槓桿18、立柱27、鋼絲繩29、過渡塊31以及彈簧30構成一個槓桿加載機構；通過轉動過渡塊31處的加載螺母，使鋼絲繩29向下受力，進而使槓桿18的加載端受到向下的拉力，通過壓杆17、圓球、壓板16和滾動軸承28將力傳遞到滾動體14上，實現在滾動體14上徑向力的加載；通過控制加載螺母轉動圈數可以控制滾動體14上徑向加載力的大小。徑向加載的標定包括槓桿加載機構自重測量以及精密升降臺初始位置的標定。槓桿加載機構自重測量是將小型稱重傳感器置於壓杆支點平面與壓板之間，通過測控軟體獲取讀數，後續加載的實際值為砝碼值加上槓桿系統的自重值；精密升降臺初始位置標定是將應變片貼在承載滾動體的棒料上，通過調整升降臺位置，使得應變片測量應變處於突變之前，標記升降臺刻度，該位置為當前滾動體直徑的初始位置，如更換不同直徑的滾動體，則需要重新標定；工作時，與本發明配套使用的還有平動裝置，平動裝置包括精密升降臺、電機支架、固定地板等，精密升降臺保證電機與本發明中扭矩傳感器22的同心度，保證高速電主軸與低速電主軸軸心平行，保證試驗用滾動體與內圈軸心平行。

本發明的工作原理為：

軸承內圈—滾動體磨損試驗，要求滾動體和軸承內圈之間要實現不同的滑差組合，本發明通過數據採集處理系統8發送電壓信號給變頻器6、25，從而通過變頻器6、25分別控制低、高速電主軸11、23的轉速；低、高速電主軸11、23分別採用水冷裝置7、24進行電主軸的冷卻；扭矩傳感器22可以實時測量高速電主軸23軸端的扭矩，並將測得的數據輸送至數據採集處理系統8，經過數據的處理和換算可以得到軸承內圈—滾動體摩擦副實時的摩擦係數；在滾動體14的上方位置安裝有位移傳感器19，通過變送器10將採集到的軸承內圈-滾動體摩擦副中滾動體的振動信號傳遞給數據採集處理系統8；在過渡套筒2的內部安裝有超聲傳感器13，通過超聲傳感器13實時採集軸承內圈—滾動體摩擦副之間油膜的厚度信息，並將之傳輸至數據採集處理系統8；安裝過渡套筒過程中，要保證超聲傳感器13所處的位置在軸承內圈—滾動體摩擦副的正下方；在軸承內圈—滾動體摩擦副的附近還設置有潤滑裝置15，潤滑裝置15主要靠蠕動泵提供動力進行油液的輸送，可以通過控制油液流量的大小來實現軸承內圈—滾動體摩擦副不同的潤滑情況，潤滑液還起到冷卻的作用，同時潤滑液不僅帶走了軸承內圈—滾動體摩擦副產生的熱量，還帶走了摩擦副之間產生的磨粒，為在線磨粒圖像傳感器4採集磨粒數據提供了便利；在軸承內圈—滾動體摩擦副的附近還設置有紅外測溫儀3，採用紅外測溫技術實時測量並記錄軸承內圈—滾動體摩擦副的表面溫度數據；為了對軸承內圈—滾動體磨損狀況進行更好的分析，採用了在線磨粒監測技術，在軸承內圈—滾動體摩擦副的正下方布置了在線磨粒圖像傳感器4，實時採集潤滑液中磨粒數據信息，並傳遞給數據採集處理系統8進行在線磨粒分析。

為了保證試驗中徑向加載載荷的準確性，需要對徑向加載載荷進行初始標定。徑向加載載荷的標定包括槓桿加載系統自重的測量和升降臺1初始位置的標定。槓桿加載系統自重的測量過程是將一個小型稱重傳感器置於壓杆17的支點平面與壓板16之間，通過調節調平螺母26和調整壓杆17向下伸出的長度，使槓桿18儘量保持水平，同時通過測控軟體獲取承壓傳感器的測量數據，得到由於槓桿加載系統本身自重所引起的預加載載荷值，故在試驗中的實際加載載荷即為所加載荷與預加載載荷值之和；升降臺1初始位置的標定需要將應變片貼在滾動體棒料上，慢慢調整升降臺1的高度，觀察應變片測量值的變化，在應變片測量值發生突變所對應的升降臺高度位置的附近反覆調整，保證升降臺的高度位置剛好是即將引發應變片測量值發生突變的位置，從而保證滾動體軸心與軸承內圈的軸心的平行度；由於不同的滾動體的直徑或者不同的軸承內圈的外徑不同，每次更換不同的軸承內圈—滾動體摩擦副，都需要對升降臺1進行一次初始位置的標定。

升降臺1的上表面要保證一定的平面度；安裝過程中要保證高速電主軸23的軸心與扭矩傳感器22的軸心的同軸度，保證高速電主軸23與低速電主軸11軸心的平行度，且需要保證高、低速電主軸的軸心處在同一豎直平面內；保證試驗用滾動體軸心與軸承內圈軸心的平行度。