葉振環(huán)　吳戍恩

摘? 要：文章針對(duì)轉(zhuǎn)子振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)完成滾動(dòng)軸承性能測試的需求，在現(xiàn)有轉(zhuǎn)子振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的基礎(chǔ)上開展了被試軸承的加載裝置的設(shè)計(jì)。通過常見加載方式的特點(diǎn)分析，結(jié)合轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和軸承測試工況要求，利用彈簧的彈性勢(shì)能作為加載力來源的機(jī)械加載方式進(jìn)行了裝置的設(shè)計(jì)，并通過有限元分析驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)的可靠性和穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)子振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái);滾動(dòng)軸承;加載裝置設(shè)計(jì);有限元分析

中圖分類號(hào)：TH133.33? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2019）29-0030-03

Abstract： In this paper， according to the demand of the rotor vibration test-bed to complete the performance test of the rolling bearing， the design of the loading device of the tested bearing is carried out on the basis of the existing rotor vibration test-bed. Through the analysis of the characteristics of common loading modes， according to the structural characteristics of rotor test-bed and the requirements of bearing test conditions， the mechanical loading device is designed using the elastic potential energy of spring as the source of loading force. The reliability and stability of the structure are verified by finite element analysis.

Keywords： rotor vibration test-bed; rolling bearing; loading device design; finite element analysis

滾動(dòng)軸承是機(jī)械傳動(dòng)部分的重要零部件，其性能直接影響著整機(jī)的正常運(yùn)行。在高速重載以及精密裝備中軸承運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測以及早期故障的識(shí)別直接關(guān)系到整機(jī)的可靠性和穩(wěn)定性。為預(yù)先掌握軸承在特殊工況下的性能以及故障特征，對(duì)軸承進(jìn)行加載，模擬實(shí)際工作狀態(tài)下的受載情況，進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)是一種普遍采用的有效方法。其中，軸承的加載裝置不僅直接決定了測試范圍還影響著測試的準(zhǔn)確性和測試裝置的穩(wěn)定性，因此在轉(zhuǎn)子振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造以滿足軸承測試需求的過程中，被試軸承的加載裝置設(shè)計(jì)顯得尤為重要。

1 軸承加載方法

1.1 機(jī)械加載方式

機(jī)械加載方式主要運(yùn)用的是偏心輪、凸輪、彈簧、螺栓螺母以及懸掛重物等機(jī)械結(jié)構(gòu)[1]，主要利用某些特定的機(jī)械結(jié)構(gòu)組合，相互配合運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)加載。其加載方式結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高，但是加載力不連續(xù)，加載的過程有沖擊，難以實(shí)現(xiàn)加載力的精確控制，并且加載力不能按照要求做線性度較高的連續(xù)變化[2]。

1.2 液壓與氣壓加載

液壓與氣壓加載是以液壓油或氣體作為介質(zhì)，以電機(jī)作為動(dòng)力源，將一定壓力的流體輸入執(zhí)行元件后再由執(zhí)行元件將壓力傳遞到加載部位的加載方式[3]。其加載方式具有輸出平穩(wěn)，加載力大等特點(diǎn)，主要運(yùn)用于中大型軸承的加載領(lǐng)域[4]，但是液壓與氣壓需要占用的空間較大，且元件較多，不利于安裝。

1.3 電動(dòng)缸加載

電動(dòng)缸加載是利用伺服電機(jī)提供旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)由機(jī)械傳動(dòng)裝置變成直線運(yùn)動(dòng)，并通過推桿進(jìn)行加載的方式[5]。其加載方式具有清潔無污染、低噪音低速穩(wěn)定性好、響應(yīng)速度快、安裝使用方便等特點(diǎn)，但是多用于自動(dòng)化控制設(shè)備中，在軸承試驗(yàn)領(lǐng)域應(yīng)用較少。

1.4 加載方式的選擇

本設(shè)計(jì)主要針對(duì)的是微小型軸承加載裝置的設(shè)計(jì)，其主要在小型振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改裝設(shè)計(jì)，為滿足設(shè)計(jì)要求，所設(shè)計(jì)的裝置主要考慮結(jié)構(gòu)簡單，體積小，能夠?qū)崿F(xiàn)不同加載力的加載且便于安裝操作。綜合以上幾種加載方式，機(jī)械加載較之其他方式有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、拆裝便捷、經(jīng)濟(jì)性較高等優(yōu)勢(shì)，所以選擇以機(jī)械加載方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2 軸承加載裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及原理

轉(zhuǎn)子振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)根據(jù)前期設(shè)計(jì)將部分轉(zhuǎn)子改裝為被試軸承的結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。為完成被試軸承的性能測試需要對(duì)試驗(yàn)臺(tái)上的軸承提供徑向力加載裝置。

為了考慮整個(gè)加載裝置在轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺(tái)上的安裝問題，考慮從水平方向在軸承的側(cè)面進(jìn)行加載，并通過與轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺(tái)的底座進(jìn)行連接以保證整個(gè)加載裝置同試驗(yàn)臺(tái)連接的穩(wěn)定性，整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。底座底部設(shè)計(jì)有一個(gè)臺(tái)階，目的在于能夠準(zhǔn)確的與試驗(yàn)臺(tái)底座進(jìn)行定位以保證其安裝精度?；习惭b有螺桿支座，螺桿穿過螺桿支座上的通孔并在螺桿支座的兩面分別使用一顆螺母將螺桿進(jìn)行固定，可以保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。螺桿上套彈簧作為一個(gè)蓄力裝置，通過壓縮彈簧產(chǎn)生的彈性勢(shì)能進(jìn)行加載，彈簧的壓縮量由螺桿上安裝的蝶形螺母進(jìn)行控制。同時(shí)，為了能夠準(zhǔn)確反饋施加載荷的大小，在加載裝置上還安裝有壓力傳感器，壓力傳感器一端連接螺桿，一端連接接觸探頭，最后由接觸探頭與軸承外圈接觸將加載力傳遞至被試軸承。壓力傳感器下設(shè)計(jì)有支承座進(jìn)行支承以防止結(jié)構(gòu)變形，保證其整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后安裝于轉(zhuǎn)子振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)上的裝配效果示意如圖3所示。

3 壓力傳感器的選擇

所需壓力傳感器的測量范圍需要結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的軸承振動(dòng)測量載荷進(jìn)行確定，具體見表1所示。結(jié)合轉(zhuǎn)子振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)轉(zhuǎn)軸尺寸Φ10×380mm可以確定被試軸承的內(nèi)徑為10mm，外徑在30～45mm之間。根據(jù)表中給出的數(shù)據(jù)，外徑在30mm至50mm之間的圓柱滾子軸承徑向測量載荷在150N至180N之間。另外，因?yàn)閳A柱滾子軸承是線接觸，深溝球軸承是點(diǎn)接觸，深溝球軸承的測量荷載應(yīng)低于圓柱滾子軸承，故選用測量載荷高于180N的壓力傳感器可以同時(shí)滿足圓柱滾子軸承和深溝球軸承的測試載荷。

通過篩選后將型號(hào)為LLBLS-1的壓力傳感器應(yīng)用于本設(shè)計(jì)中，其測量范圍為0～100kg，激勵(lì)電壓220V，輸出精度0.03%（F.S），輸出靈敏度2.002mV/V，重復(fù)性誤差e≤0.03%（F.S）。傳感器結(jié)構(gòu)如圖4所示，其兩端面有兩個(gè)對(duì)稱的螺紋孔，通過這兩個(gè)螺紋孔，可以很好的與設(shè)計(jì)的加載機(jī)構(gòu)進(jìn)行連接。

4結(jié)構(gòu)有限元分析

為滿足設(shè)計(jì)的使用性能要求，針對(duì)不同的零件選用了不同的材料，其中底座選擇304不銹鋼（06Cr18Ni10），螺桿支座、傳感器支承座、接觸探頭選擇鋁合金6061（LD30）。根據(jù)設(shè)定值參數(shù)確定彈簧加載力在150N～180N范圍，為了確保有足夠的安全余量，將力的大小設(shè)置為400N?？紤]到結(jié)構(gòu)自身的質(zhì)量，添加一個(gè)大小為50N方向豎直向下的力。通過分析得出的應(yīng)力和變形結(jié)果如圖5所示。從圖中結(jié)果可以看出，最大的應(yīng)力集中在接觸探頭的左端部，大小為18.855MPa，遠(yuǎn)小于兩種材料的屈服極限;總變形的最大變形量為0.0144mm，在允許的變形范圍內(nèi)。因此，可以判斷此結(jié)構(gòu)滿足可靠性和穩(wěn)定性的要求。

5 結(jié)論

針對(duì)被試軸承徑向加載問題，通過對(duì)多種加載方式的對(duì)比，結(jié)合轉(zhuǎn)子振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和改裝需求，選用了機(jī)械加載方式進(jìn)行裝置的設(shè)計(jì)，利用彈簧的彈性勢(shì)能作為加載力的來源，設(shè)計(jì)出了部分轉(zhuǎn)子改裝滾動(dòng)軸承后的加載裝置，并通過有限元分析驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)的可靠性和穩(wěn)定性，為擴(kuò)展轉(zhuǎn)子振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的服務(wù)范圍奠定了基礎(chǔ)。

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