滚动轴承疲劳寿命试验台的设计.docx

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滚动轴承疲劳寿命试验台的设计

滚动轴承疲劳寿命试验台的设计

第1章绪论

1.1课题研究的目的和意义

滚动轴承是机器运转中重要的零部件，是旋转结构中的重要组成部分之一，具有承受

载荷和传递动运动的作用。

可是，滚动轴承是机器运转时主要故障来源之一，有数据结果分析表明：

旋转机器中有35%的故障都与轴承的失效相关，轴承能够使用多久和可靠性的大小直接影响到机器系统的整体性能。

为此在对轴承的加速老化试验和加速寿命试验，对于研究轴承的故障演变规律和失效原理有着很重要的意义。

在20世纪前期，Lundberg和Palmgren对5210的滚动轴承做了很多试验，根据1400

多套滚子轴承、球轴承的寿命试验结果，在Weibull分布理论的基础上，通过研究得到了寿命与负载的方程式，称为L-P公式。

伴随我国轴承制造技术的不断发展，轴承的几何结构和制造精度得到了相当高的提升和改进。

目前，在市场上有几百种不一样型号的滚动轴承。

现在的5210轴承钢的材料和制造精度比以前的要好，而且现在在材料的选择上已近不局限于轴承钢。

现在生产轴承的原料包括合金钢，陶瓷，轴承钢和塑料等。

为此，为了评估新材料的处理工艺，新材料和新几何结构的滚动轴承的磨损寿命，还得对滚动轴承做疲劳寿命试验。

另外由于加工技术的提高和材料科学的发展，使用时润滑条件的改善，轴承能够使用的时间越来越长。

来自工业和武器等方面的需求也助推了滚动轴承箱相当好的方向发展。

比如发电设备，排水设备等要求轴承工作时间连续不间断的十几二十几的小时不间断的无故障运行10000-20000个小时，折算一下相当于与连续工作11-22年并且中间没有出现任何故障，即使是电动工具、一般机械和家用电器等对寿命的要求相对较低的使用场景也要求轴承无故障的间断或不间断的工作4000-8000小时。

因此，在很多情况下，研究轴承的寿命必须利用加速疲劳寿命试验方法来获得轴承在高应力的疲劳寿命，并且通过加速实验的结果来估计不一样应力水平下的疲劳寿命，以减少试验时的成本和时间。

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1.2国内疲劳试验台的现状

国内最早的疲劳寿命试验平台产品都是从前苏联引进，采用剖分式试验主体，在国内称之为第一种机型。

经过改造，在我国重要的轴承试验台生产厂先后制造出了名为ZS系列的轴承寿命试验台，以满足当下我国轴承生产公司对轴承使用时间的要求，以此，同时为刚刚开始不久的我国轴承疲劳寿命试验累积了一定的试验参考依据。

第一个试验台机型结构包括径向加载油缸、轴、中承载体、2个端承载体和试验主轴。

试验台的主要结构拼接后安装在主体被剖分了的底座内，试验主轴由联轴器和传动主轴连接，传动主轴的动力经过带轮靠电机带动变速传动。

竖向和横向的施加载荷的油缸依次同手动加压缸结合，利用扭转促使手动加压缸活塞得到不一样的压力。

这种试验台在我国使用比较广泛，为轴承制造业的进步发挥了很大的作用。

这种试验台的优点在于：

容易保障试验精度，结构简单；传动结构是皮带传动，由带轮来改变速度，结构单一；加载是手动加压缸增加压力，能量消耗少；试验主轴和传动主轴由联轴器连接在一起，布局正当，容易获得高速转动，可是不好的地方：

载荷和转速的调整，温度数据的采录和检测振动都是要人工操作，试验员工作量较大；传动结构的皮带易打滑易发热而造成危险；加压油缸在试验时容易泄露从而引起压力不足或发热引起压力变高时必须人为的更改，小轴承试验支撑之间的距离比较大，不能实现较大载荷实验。

1.3我校实验室的试验台情况

之前设计的试验台如图1-1，这个试验台结构包括主实验结构、固定框架、径向加压结构和驱动电机，驱动电机安装在固定的机架下面，主结构安装于机架的上面。

主实验结构由主轴、被测轴承和支撑轴承构成。

支撑轴承安置在主轴的中心位置，试验轴承安置在主轴的一端，驱动电机由同步带带着主轴旋转，径向加载依靠液压泵提供载荷，安装在支架的底下。

通过控制液压泵对被测轴承施加径向压力。

这个试验台采用的是液压加载，有利于加载载荷大小的控制，主轴和电动机通过带传动，能够实现过载保护，主轴和被测轴承之间用锥形结构连接，一边实现轴承的快换。

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图1-1滚动轴承试验台

1、驱动电机2、同步带3、主轴4、支撑轴承的安装位5、支撑轴承6、支撑轴承的安装位7、螺栓

8、轴套9、温度传感器10、加速度传感器11、被测轴承座12、被测轴承13、锥型套14、轴承端盖15、固定框架16、液压缸17、上输油管18、下输油管19、二通阀20、压力表21、液压泵22、支撑轴承

图1-2试验台布局图

图1-3试验台受力图

如上图在实验的过程中，由于受力不平衡造成了一个弯矩使支撑轴承出现偏移，支撑轴承的外圈出现过度磨损。

这可能是由于布局的不规范和设计的不合理导致试验台的寿命

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过短，没有起到很大的实际作用，而且又要长时间的不间断工作，导致液压加载系统漏油，不能施加稳定的载荷，是实验的结果得不到很好的保证。

1.4本文研究的内容

本文主要研究内容如下：

（1）研究并确定轴承试验台的总体设计思路。

（2）试验台结构设计：

包括支撑轴承的选用，主轴设计、传动轴设计、带及带轮的设计并完成试验台的PRO/E三维造型。

（3）加载方式设计：

确定施加载荷的形式、设计施加载荷方案、绘制原理图。

（4）建立主轴的力学模型，来校验试验台的设计是不是合理，满足设计的要求。

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第2章试验台总体方案设计

滚动轴承试验台应该包括机械系统、传动系统、加载系统及辅助设备。

机械系统由试验部分、支撑部分及传动部分组成。

2.1轴承概况

滚动轴承通常包括外圈、内圈、滚动体及保持架。

在特殊情况时，可以没有外圈和内圈，由其他相应的零部件替代。

为了需要，有的轴承装有防尘套、安设调节用的紧定套和密封圈。

2.1.1套圈

轴承的内圈一般装配在轴上，和轴一起转动。

轴承外圈一般装在机壳或轴承座内起支撑作用，有些轴承是内圈固定起支撑作用，外圈转动。

比如汽车轮毂轴承。

如图2-1所示。

a）深沟球轴承内圈b）深沟球轴承外圈

图2-1轴承内外圈

2.1.2滚动体

滚动轴承中滚动体是绝对少不了的零件，只有通过滚动体才能形成滚动摩擦。

滚动体的类型有圆柱滚子、钢球、圆锥滚子、滚针和球面滚子。

圆柱滚子可以分为空心圆柱滚子、长圆柱滚子和端圆柱滚子；球面滚子可以分为非球面滚子和球面滚子。

滚顶体是数量及体积能够影响到轴承的承载能力。

图2-2是滚动轴承的滚动体。

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a）钢球b）圆柱滚子和滚针

c）球面滚子d）圆锥滚子

图2-2滚动体

2.1.3保持架

保持架的功用是将轴承里面的滚动体依次按比例的分离，使滚动体与内圈或外圈独立组成组合件，使滚动体在轨道上的运动时是正确的，能够提高轴承里面的润滑和载荷分配能力。

附带保持架的轴承摩擦小，更多用于高速旋转的情况下。

保持架有两种，一种是实体保持架，另一种是冲压保持架。

实体保持架通常用压铸、车制、注塑等方法制成。

冲压保持架通过金属板材的冲压形成，结构有冠形、浪形、和窗形。

保持架的原料一般有铜铝合金、铸铁、钢和工程塑料等。

图2-3为普通滚动体保持架。

图2-3保持架

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2.1.4密封圈和防尘盖

密封圈的作用是将轴承内部和外界隔离开来，对滚动体、滚道和保持架形成封闭的环

形罩。

一部分可以装配在轴承的支撑部位上，另一部分固定在垫圈或套圈上，也可以直接装配在轴承上。

结构有两类，一类是接触式，另一类是非接触式密封。

接触式密封的轴承和密封圈接触，封闭效果良好，但是摩擦力矩比较大，温度升高较快；非接触式密封采用的是小缝隙的封闭方式，摩擦小，因此温度升高较慢而且没有磨损，比较适合于高速转动。

密封圈的取材一般为橡胶。

2.2被测轴承的参数

被测轴承参数表如下表2-1所示。

被测轴承模型如图2-4。

表2-16205滚动轴承参数表

图2-46205滚动轴承

2.3实验室电机参数

实验室电机数据表如下表2-2所示。

电机模型如图2-5。

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表2-2Y系列电动机技术数据

图2-5Y80M1-2电机

2.4试验台方案设计及选用

轴承试验台的机械部分重要组成结构包括：

试验台支架、加载结构、传动体系、实验主轴等其他辅助设备等。

轴承试验台方案一如下图2-6所示：

1、试验轴承2、试验轴2、支撑轴承4、支撑轴承5、联轴器6、电机

图2-6试验台方案一

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由图2-6所示，试验台选用了卧式的布局，主轴由两个滚动轴承支撑，左端装上被测的实验轴承，右端与联轴器连接，联轴器和电机连接。

主轴只做旋转运动，不直接加载任何压力，载荷加载在试验轴承的外圈上，试验轴承可以更换。

动力由电机通过联轴器传递给主轴。

加载方式通过杠杆施加径向载荷。

受力分析如下图2-7所示：

试验主轴左端受向下的径向力，由两个支撑轴承提供两个相反的支反力。

由于电机转动，试验主轴同时也受到由联轴器传过来的扭矩。

通过分析可知，试验主轴受到的弯矩不平衡，试验主轴有向左下方倾斜的趋势，这不利于试验正常的运行，会缩短试验台的寿命，使试验结果得不到很好的保证，所以此方案不过合理。

图2-7试验主轴受力分析图

轴承试验台方案二如下图2-8所示：

图2-8试验台方案二

如上图所示，试验台采用的也是卧式结构，主要由试验部分和传动部分构成。

试验主9

轴被两个滚动轴承支撑，左右两端各装配了一个试验轴承。

试验主轴和传动轴通过联轴器连接来传递运动，传动轴也由一对滚动轴承支撑着，中间通过键槽装配一个带轮，带轮经由皮带与电动机上的带轮相连，从而传递运动。

试验主轴和传动轴没有直接施加任何压力，压力通过杠杆加载在试验轴承的外圈上，载荷为径向载荷，试验轴承能够替换。

试验主轴受力如下图2-9所示：

图2-9试验主轴受力图

由上试验主轴受力图可知，试验主轴两端受到相同的向下的压力，中间由一对滚动轴承提供了两个支反力。

试验主轴由于通过传动轴来获得动力，所以所受扭矩主要由传动轴来承受，试验主轴几乎不受任何扭矩影响。

所以方案二的有点在于：

试验主轴受力分布较合理，没有向任何方向倾斜的趋势，带轮传动能够起到良好的过载保护。

经过反复研究和讨论，选用第二类方案。

PRO/E三维造型如下图2-10所示。

图2-10试验台传动结构模型

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2.5试验台的测试系统

试验台的测试结构由数据收集部分和数据分析部分组成。

数据收集部分由加速传感器和温度传感器两部分构成；加速度传感器和温度传感器安装在试验轴承箱上，通过数据线将加速度传感器和温度传感器分别与加速度和温度数据采集系统相连接，通过数据线将加速度和温度数据采集系统和电脑计算机输入接口连接，从而获得加速度信号和温度信号。

2.6加载结构的确定

滚动轴承试验台的实际要求是要完成在被试轴承施加径向压力4KN，径向压力的方向竖直向下，压力稳定不变。

试验台的加载种类有三种可以选择，分别是电加载、机械加载、和液压加载，一般都能满足试验要求，不一样的加载方法的好处和坏处不一样，性能要求也不一样，需要采取哪种加载方法必须根据实际的情况来抉择。

2.6.1电加载

大多数情况下电加载的原理是电动机的旋转运动经过带轮传动或者齿轮传动等传到被试验轴承的表面，电加载的方式振动大，噪声大，试验的转速受到了约束并且可靠性不行。

现在的电加载形式主要是采用中频交流电来驱动试验主轴进行加载，这样电机轴就变成了一台转速高、功率大、刚度强、可靠度强、精度高中频电动机。

电加载有下面一些优点：

（1）较高的转动速度

这样的电机轴转速可以达到每分钟十几万转，这个特点尤其明显。

（2）较高的传动精度

电机轴的传动精度高、噪声小，只是向试验主轴传输转矩，如果使用的是高弹性式联轴器，那么就能够消除试验主轴和电机轴之间同轴度误差和振动的互相传递带来的不好的影