关节轴承寿命试验机设计.doc

关节轴承寿命试验机设计关节轴承寿命试验机设计机械设计制造及其自动化专业小组成员：郎松 2009301386 候悦 2009301376 刘淑敏 2009301378 李楠 2009301387 刘学森 2009301388 罗文 2009301389 班 级： 05020905 目 录1 绪论12 功能原理23 方案设计64 整机结构与分析135 总结156 参考文献16关节轴承寿命试验机设计一、绪论关节轴承作为通用机械零件，由于它能满足高载荷、长寿命、转动灵活及少维护等需求，还具有结构紧凑、易于装拆等特点，已广泛应用于矿山、冶金、电力、交通、航天、轻工、医药和纺织等各类机械设备中。因此，关节轴承必须具备较高的可靠性和寿命。由于我国关节轴承的生产发展相对于国外较晚，衡量关节轴承可靠性及寿命的方法、技术还不够完善、健全、成熟，通过寿命试验明显成为了行之有效的途径。在关节轴承试验方面，我国开展这方面的研究工作仅从20世纪70年代开始，主要用于关节轴承的摩擦学性能试验。早期由原苏联引进了LI,KB16T关节轴承试验机，随后国内一些轴承研究单位相继研制和开发了SPBTM-i和SPBTM-II型关节轴承寿命试验机及关节轴承摩擦试验机ZML2000和关节轴承磨损寿命试验机 ZMS1500，个别飞机制造公司也相继引进或建立了类似的关节轴承试验台架。这些试验机一般 只适用于单一或少数几个型号的关节轴承，适用范 围窄，试验环境条件的模拟不够全面准确，测试参数缺少系统性和动态连续性，测试精度也较差，尚不能满足轴承应用的需要。由此可见，关节轴承寿命试验机在下述方面尤显迫切：(1)实现在线全程动态测量轴承的磨损量、摩擦系数、摩擦面温升、载荷、摆颧、摆角等。特别是摩 擦系数的测定对试验方法需要制定标准予以规范， 测试数据仍需降低误差。其次，近摩擦表面温度测 量方法和精度有待改进和提高。 (2)开展特殊工作环境下轴承的摩擦磨损性能试验研究，如风沙、尘土、水雾、盐雾、腐蚀介质、真空、高温等 目前试验是在室温常态下进行的，忽略 了如上所述的一种或多种特殊环境条件的影响，所 获得的试验结果应用到实际工况场合则存在差距 。 (3)提高试验机的摆频 ，实现摆动式轴承的强 化试验和长寿命轴承的高效考核试验。目前试验机停留在低频摆动水平，一般不超过 60次min 国 外军用标准中对高频摆动试验已有规定，如 200次 min，国内在这方面尚为空白 综上所述，研制开发出既可全面模拟轴承实际使用工况，又可在线全程动态同时测量磨损量、摩擦系数、摩擦面温升等性能参数的摆动式轴承摩擦磨损试验机，对全面评价和准确预测关节轴承及其它，摆动式轴承的使用性能和使用寿命，将有力促进轴承行业的发展和推动轴承的升级换代。为此我们决定设计新型关节轴承寿命试验机。要求其摆动角度1080度，可倾斜角度010度，摆动频率05Hz无级变化，轴承内径1550mm，加载范围0100KN。二、功能原理1. 试验机工作原理常见关节轴承有向心关节轴承和杆端关节轴承。本次设计我们以向心关节轴承为试件。向心关节轴承的运动形式一般是摆动，所受的载荷主要是径向载荷。因此根据题目要求按向心关节轴承在径向载荷作用下做摆动来设计实试验机。向心关节轴承杆端关节轴承（1） 摆动运动及摆动角度调节的实现能实现往复摆动的机构（装置）有：曲柄摇杆机构、曲柄滑块机构、摆动推杆盘形凸轮机构、液压摆动装置。图1 曲柄摇杆机构 图二 曲柄滑块机构 图3 摆动推杆盘形凸轮机构 图4 液压摆动装置摆动推杆盘形凸轮机构通过调节凸轮位置可改变摆杆的摆动角度，调节范围为090，不符合题目要求1080即20160。所以该机构不可取。液压摆动装置通过调节液压缸推杆位置可改变轴的摆动角度1080，但是题目要求摆动频率05Hz，这就要求液压缸能够很快地换向，这在液压装置中很难实现，即便能够实现，液压缸推杆在高速运动下可靠性不高，难以维持长时间工作。所以该装置不可取。曲柄摇杆机构通过调节曲柄或则连杆的长度，理论上可使摇杆摆角调至20160，但是摇杆摆角与曲柄或则连杆的长度之间的换算不容易，给试验机摆动角度的设定带来困难，故该机构可取但不够好。曲柄滑块机构通过调节曲柄或则连杆的长度，可改变滑块行程，从而带动摆杆摆动，摆动角度理论上可调至0180，符合题目要求。另外通过计算可得，因此通过调节曲柄长度，很容易设定试验机摆动角度。故曲柄滑块机构是以上四种方案中最优方案。（2） 摆动频率调节原理由上文可知，我们通过电动机驱动曲柄旋转，电机采用直流电机，通过晶闸管调速装置调节电机转速，通过适当的减速器，从而调节摆动频率，实现05Hz的要求。图5 摆动频率调节原理图（3） 径向加载原理欲实现轴承加载0100kN有多种方案，可以在轴承上加载，也可以在轴上加载，为了能够实现直接加载，我们采用螺旋加载，并通过拉压力传感器直接显示施加载荷的大小。图6 螺旋机构（4） 倾斜角度调节原理关节轴承实际工作时内外圈可以相对转动，产生一定倾斜角度。因此，欲实现倾斜角010的要求，可以保持关节轴承内圈不动，外圈相对内圈倾斜，也可以保持关节轴承外圈不动，内圈相对于外圈倾斜。考虑到实验机上关节轴承内圈与轴过盈连接在一起，内圈偏转会带动轴、电机、摆动装置一起偏转，过于麻烦，我们保持关节轴承内圈不动，外圈相对内圈倾斜。题目要求倾斜角010，调节范围较小，故我们采用涡轮蜗杆机构进行分度微调。 图7 涡轮蜗杆机构2. 寿命测试原理关节轴承寿命是指关节轴承的摩擦因数达到规定的极限值或轴承磨损量超过规定的极限值时轴承工作摆动的总次数。因此，关节轴承的寿命可以用两条判断依据衡量：一是磨损过度；另一是摩擦系数过大。磨损可以通过测量径向游隙的变化来反映，也可以通过测量轴承外圈的径向位移来反映，而摩擦系数不能直接测量，需要一种特殊的机构来测量。三、方案设计如上文所述，各运动实现原理已经确定，下面我们从实际出发，进行方案设计。（1）摆动运动及摆动角度调节的设计如图8所示，系统输入转矩，带动曲柄1转动，连杆2带动滑块5在水平导轨4上往复直线运动，由于滑块套在摆杆6上，滑块运动必然会带动摆杆摆动，摆杆与转轴3固连，转轴转动角度等于摆杆摆动角度，而摆杆摆动角度又与滑块行程H有关。若保持连杆长度l和曲柄中心至转轴中心距离不变，我们可以得到如下关系：所以，若保持连杆长度l和曲柄中心至转轴中心距离不变，改变曲柄长度r即可调节转轴摆动角度。令h=50mm，求解极限尺寸当=80时，r=50tan80=283.6mm，令l=600mm，则M=600+2283.6=1167.2mm，N=2283.6=567.2mm当=10时，r=50tan10=8.8mm，l=600mm，则M=600+28.8=617.6mm，N=28.8=17.6mm通过以上计算我们可以看出，保持l=600mm，当曲柄长度r从8.8mm变化到283.6mm时，转轴的摆动角度就能够从10连续变化到80。而整个系统的最大尺寸小于1.2m，能够实现。（2）摆动频率调节设计图9 摆动频率调节原理图如图9所示，电机通过带传动，带动减速器工作，减速器为曲柄1输入转矩。选取最高转速为750r/min的直流电机，通过晶闸管调速装置调节电机转速，减速器传动比为2.5，从而实现摆动频率05Hz无级变化的要求。（3）径向加载和倾斜角度调节设计如图10所示，在实验过程中，关节轴承2的内圈随芯棒3一起摆动，而外圈则固定于加载环1上且保持不动。螺母5一端为左螺纹，另一端为右螺纹，当沿某一方向旋转螺母时，就可对关节轴承施加径向载荷，载荷大小由拉压力传感器4控制，实现0100kN无级加载，利用螺纹的自锁特性，保持载荷恒定。当需要换试件（内径为1550mm的关节轴承）时，把径向加载座整体向左滑动，使得芯棒3与转轴7脱离开，换下加载环（包括关节轴承和芯棒），再将径向加载座整体向右滑动，使得芯棒3插入转轴7中进行试验。当需要改变倾斜角度进行寿命测试时，可以转动倾斜角调节手柄12，带动蜗杆10转动，蜗杆带动蜗轮9转过一定角度，从而使得关节轴承外径相对于内圈偏转角度等于蜗轮转过的的角度，倾斜角度可由倾斜角刻度盘11显示。由于蜗轮蜗杆的反向自锁性能，只要蜗杆不旋转，蜗轮就不会旋转，而且径向加载座由于受到机座水平引导轨道的限制不会转动，故试验过程倾斜角度会稳定在初始设定值。设蜗轮蜗杆传动比为180，蜗杆齿数为1，蜗轮齿数为180，则蜗杆每转一周，蜗轮转过一个齿，即偏转2。倾斜角度刻度盘与指示刻度随蜗杆转过角度呈线性变化，即可实现倾斜角度010调节。（5） 寿命测试装置设计如前文所述，关节轴承的寿命可以用两条判断依据衡量：一是磨损过度，另一是摩擦系数过大。磨损可以通过测量径向游隙的变化来反映，也可以由轴承外圈的径向位移来反映，而摩擦系数则需一种特殊的机构来测量。图11是寿命测试的原理图。图11中，关节轴承摆动产生磨损时，其径向游隙会增大，通过测微仪7读书的变化可反映关节轴承内部的磨损情况。关节轴承所受径向载荷为P，假设在某一时刻，芯棒顺时针方向转动，这时分析一下关节轴承外圈（连同套环）的受力情况。 如图11所示，根据摩擦力矩平衡原理有 （1） 式中 T测力杆测得的力，N L测力杆至轴心的距离，mm 滚动轴承内、外圈之间的摩擦力矩，Nmm M关节轴承内、外圈之间的摩擦系数，Nmm 假定轴承中的摩擦力矩满足库伦定律，则有 = （2） M= （3） 式中，滚动轴承中的摩擦系数 关节轴承中的摩擦系数 P径向载荷，N 滚动轴承内圈外滚道半径，mm R关节轴承外圈内球面半径，mm 关节轴承球面直径，mm 将（2）、（3）式代入(1)式整理后得 （4）我们知道，滚动摩擦系数比关节轴承中的滑动摩擦系数小得多，在设计时可保证值控制在3之内，在试验过程中，滚动轴承只做微动，总保持不变，只有T随时间变化，若在不同时刻测得T的变化值，则可知 （5）式中， 摩擦系数的增量 测力杆力的增量 （4）、（5）式表明，当给定某一摩擦系数值或其增量作为关节轴承寿命判断依据时，只要监测测力杆中测力的变化即可。由于关节轴承内、外圈之间的往复摆动会摩擦生热，因此，还可以通过监测关节轴承外圈上的温度来了解轴承内部摩擦力（或摩擦系数）的变化情况，温度的测量可以用热电偶或点温度计来实现。特别要指出的是，关节轴承中的摩擦力是随着摆动位置而不断变化的，而靠手动操作区控制，静态应变处理仪很难对关节轴承的某一位置的测量进行再现。为此，我们对静态应变仪进行了改造，将它与计数联接起来，利用计数器内部的触发信号实现应变仪的自动测量，只要计数器传感器的位置不变，就能在线测量关节轴承在该位置的摩擦力，从而省去了用示波器来监视摩擦力信号的麻烦，同时只要改变传感器的位置就能测出关节轴承在不同摆角处的摩擦力大小，这使研究轴承中摩擦力随位置变化的规律有了可能。四、整机结构与分析根据上文设计出的方案，把各部分连接起来，得到整机结构简图如图13所示。本次设计出的关节轴承寿命试验机的技术指标如下：被测关节轴承内径：1550mm径向载荷：0100KN摆动频率：05Hz摆动角度：1080可倾斜角度：010本关节轴承寿命试验机具有多功能、多测量参数的特点，它可以直接提供如下技术参数：关节轴承内部的摩擦力（摩擦系数）、磨损量、表面温度、径向载荷、摆动角度、倾斜角度、摆动频率以及摆动次数。有了这些参数就能有效地判断关节轴承的寿命。作为新产品，该试验机也存在不足之处。例如，本试验机测试对象为向心关节轴承，尚不能对其它类型关节轴承寿命测量。如果对对其它类型关节轴承寿命测量还需在本试验机基础上改进。图13 整机结构简图五、总结“机械产品设计”和传统的“机械设计”有很大不同，后则强调的是对构成及其的基本元器件的研究，例如研究机器中的机构、机械零件以及其中的运动学、动力学、材料、强度理论等。而产品设计则是研究产品的总体的设计问题。通过为期三周的机械设计学课程设计，我终于完成了关节轴承寿命试验机的设计，从中收获良多。作为一名机械专业的学生，我们在经过了机械原理、机械设计、机械设计学等专业课程的学习，尤其是进行了生产实习之后，应当充分利用所学到的知识，将学过的内容紧密联系起来并将所学知识充分应用于实践。因此，本学期，我们进行了机械设计学课程设计。作为将面临实际工作问题的大四学生，我们应当踏实地从最基本的做起，不断积累经验，为以后的工作和科研打下坚实的基础。本次完成机械设计学课程设计的过程中，我学到了很多平时课堂上学不到的知识，对机械设计过程有了更深一步的认识。课程设计过程中，我深刻的体会到了机械产品设计的内涵。同时，我也对平时课程所学的内容有了更加深刻的理解，发现以前学习过程中只是学习了皮毛，并没有真正理解其精髓，因此在实际设计过程中不能做到运用自如。本次机械制设计学课程设计中，我完成了以下设计内容：1、查阅相关