水潤(rùn)滑軸承試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)

1、畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）題目 水潤(rùn)滑軸承摩擦性能試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)學(xué)生姓名： 學(xué)生學(xué)號(hào)： 指導(dǎo)教師： 機(jī)械工程 學(xué)院 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 2015年6月15日青島理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書摘要水潤(rùn)滑軸承利用新型工程復(fù)合材料替代貴重金屬作為高性能傳動(dòng)件材料，用自然水替代礦物油作為潤(rùn)滑介質(zhì)，具有高可靠、低噪聲、長(zhǎng)壽命、無污染、易維護(hù)、耐磨損、高效節(jié)能等一系列顯著優(yōu)勢(shì)。但當(dāng)前針對(duì)水潤(rùn)滑軸承的綜合性能試驗(yàn)設(shè)備和測(cè)試手段還不夠完善，不能真實(shí)完整地模擬水潤(rùn)滑軸承及傳動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)際工況。針對(duì)上述問題，本文研究了一種水潤(rùn)滑軸承綜合性能實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，能模擬水潤(rùn)滑軸承及其傳動(dòng)系統(tǒng)的復(fù)雜工況，可測(cè)量水潤(rùn)滑摩擦副的多項(xiàng)

2、綜合性能參數(shù)。本文的主要研究?jī)?nèi)容如下:研究了一種水潤(rùn)滑軸承性能實(shí)驗(yàn)臺(tái)，并對(duì)其關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算，對(duì)電機(jī)型號(hào)進(jìn)行了選擇。介紹了試驗(yàn)臺(tái)的動(dòng)力與載荷傳遞過程，對(duì)實(shí)驗(yàn)中摩擦系數(shù)和軸心位移的測(cè)量方案進(jìn)行了介紹。對(duì)中空的實(shí)驗(yàn)主軸進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并對(duì)其結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了強(qiáng)度校核。設(shè)計(jì)了軸承實(shí)驗(yàn)艙以及底座的結(jié)構(gòu)，并對(duì)試驗(yàn)艙與艙體底座之間的聯(lián)接鍵進(jìn)行強(qiáng)度校核。利用三維建模軟件UG對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行了三維實(shí)體建模與虛擬裝配。快速直觀的得到了實(shí)驗(yàn)臺(tái)的整體三維模型效果圖，用于確定設(shè)計(jì)對(duì)象的結(jié)構(gòu)合理性和可裝配性。 實(shí)驗(yàn)方案中需對(duì)主軸施加徑向載荷，研究了軸端徑向載荷的加載方案。并介紹了加載系統(tǒng)的組成及其主要功能指標(biāo)，并完

3、成對(duì)軸端軸承的設(shè)計(jì)，以滿足液壓缸與旋轉(zhuǎn)軸之間的軸端聯(lián)接和試驗(yàn)加載的要求。關(guān)鍵詞：水潤(rùn)滑滑滑動(dòng)軸承，試驗(yàn)機(jī)，機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，動(dòng)力學(xué)分析，動(dòng)壓潤(rùn)滑，靜壓潤(rùn)滑。AbstractUsing a new engineering composite material in place of precious metal as its high performance transmission material, and water instead of mineral oil as its lubricant medium, water lubricated bearing has significant ad

4、vantages of high reliability, low noise, long life, no pollution, easy maintenance, wear resistance, high efficiency, energy saving and so on. But the present comprehensive performance test equipment and testing method for water lubricated bearing are not perfect enough. The actual working condition

5、 of the water lubricated bearing and its transmission system, Such as loading position, arrangement direction of shaft and bearing, testing for experimental subject of large size and high specific pressure, comprehensive simulation of the vibration loading, cannot be fully simulated.For the above pr

6、oblems, a comprehensive performance experiment platform for water lubricated bearing and its transmission system has been designed and developed in this paper. It can simulate the complex working conditions of water lubricated bearing with large size and high specific pressure and its transmission s

7、ystem. Various performance parameters of water lubricated friction pair can be tested online to study on the key scientific problems of the dynamic service behavior about such water lubricated mechanical transmission system. There are some important scientific significance and engineering practical

8、value in the research. The main research works are listed as follows: Accessing to the research status of water lubrication sliding bearing test machine in the internal and external, and analysis of the deficiencies and combined with the needs of the present and the functional model of water lubrica

9、ted sliding bearing test machine is designed. This design uses UG to draw a 3D solid diagram of the sliding bearing test machine, and carries on the virtual assembly, drawing the key parts of the 2D engineering graphics with CAD. Because the test press needs to simulate the load, the design contains

10、 the design of the load system. The composition and performance index of the load system are introduced, and the dynamic analysis of the loading system is carried out. The test machine is installed and debugged, and the problem of which is solved, and the friction coefficient is tested as the workin

11、g index of the test machine. The results show that the test machine is working correctly, the structure is reasonable, the data is reliable and the design is satisfied. The simulation analysis of the sliding bearing is carried out, and the flow field distribution and the variation of the parameters

12、are analyzed. The sliding bearing is tested under different parameters, and the results are compared and analyzed.Key words: Water-lubrication bearing, Experiment platform，Structure design，Dynamics Analysis， Hydrodynamic lubrication，Hydrostatic lubrication。目錄摘要IABSTRACTII第1章 緒論11.1課題研究背景11.2研究目的及意義1

13、1.3滑動(dòng)軸承試驗(yàn)臺(tái)的國(guó)內(nèi)外研究概況21.4 論文主要研究?jī)?nèi)容6第2章 水潤(rùn)滑動(dòng)壓軸承綜合性能試驗(yàn)臺(tái)的總體設(shè)計(jì)方案72.1 測(cè)試對(duì)象概述72.2 試驗(yàn)臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)計(jì)算82.3 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)總體方案設(shè)計(jì)102.3.1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)102.3.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試方案122.4 本章小結(jié)14第3章 軸承實(shí)驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與建模153.1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)的關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)153.1.1 試驗(yàn)主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及強(qiáng)度校核153.1.2 水潤(rùn)滑軸承實(shí)驗(yàn)艙及支座的設(shè)計(jì)183.1.3鍵的強(qiáng)度校核203.2實(shí)驗(yàn)臺(tái)的三維建模與虛擬裝配213.3 本章小結(jié)23第4章 液壓加載系統(tǒng)設(shè)計(jì)244.1 加載系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及主要指標(biāo)244.2液壓缸的參

14、數(shù)計(jì)算254.3 軸端軸承設(shè)計(jì)254.4 本章小結(jié)26結(jié)論與展望27參考文獻(xiàn)28致謝31附件132附件24646第1章 緒論1.1課題研究背景水潤(rùn)滑軸承的應(yīng)用背景，水潤(rùn)滑軸承在國(guó)內(nèi)的研究與應(yīng)用不斷擴(kuò)大。例如，中船重工七一九所在國(guó)內(nèi)首次研發(fā)成功一種平面板條式水潤(rùn)滑復(fù)合材料艉軸承1。重慶奔騰科技發(fā)展有限公司與重慶大學(xué)機(jī)械傳動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室合作，聯(lián)合研發(fā)了一系列規(guī)格的BTG水潤(rùn)滑復(fù)合橡膠軸承2，與歐美國(guó)家某些產(chǎn)品相比，其關(guān)鍵技術(shù)和性能指標(biāo)有重大突破，使用壽命比金屬軸承提高了約十倍，比國(guó)外同類產(chǎn)品使用壽命提高了約三倍3。其產(chǎn)品已成功運(yùn)用于各類船舶推進(jìn)系統(tǒng)，成批量生產(chǎn)規(guī)模，遠(yuǎn)銷海內(nèi)外，受到廣泛好評(píng)。 1

15、.2研究目的及意義純水液壓泵是純水液壓系統(tǒng)的核心元件，其性能的好壞直接影響著整個(gè)純水液壓系統(tǒng)的可靠性?；瑒?dòng)軸承作為此類元件的關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)形式及基本參數(shù)直接影響著水液壓泵和馬達(dá)的性能、可靠性和使用壽命?；瑒?dòng)軸承承載能力大，旋轉(zhuǎn)精度高，徑向尺寸小的優(yōu)點(diǎn)可使得泵或馬達(dá)的整體尺寸和結(jié)構(gòu)更為緊湊，更加方便地應(yīng)用于船艦潛艇等對(duì)尺寸空間要求嚴(yán)格的特殊場(chǎng)合。同時(shí)，滑動(dòng)軸承可以應(yīng)用在水或腐蝕性介質(zhì)的工作條件中，這一點(diǎn)使得滑動(dòng)軸承在水液壓泵或馬達(dá)上的應(yīng)用更加有利。 對(duì)于滑動(dòng)軸承來說，軸承材料、寬徑比、半徑間隙等都直接影響著滑動(dòng)軸承的承載能力、水膜厚度、水膜溫度等滑動(dòng)軸承的重要性能指標(biāo)?；瑒?dòng)軸承的性能好壞對(duì)泵的

16、性能有著十分重要的影響。針對(duì)水液壓泵的應(yīng)用環(huán)境合理的選擇滑動(dòng)軸承的結(jié)構(gòu)參數(shù)，是水液壓泵中軸承設(shè)計(jì)與選型的重要問題。這個(gè)問題如何解決成為水液壓泵研究的關(guān)鍵技術(shù)之一。 因此，針對(duì)純水液壓泵的研究，純水滑動(dòng)軸承試驗(yàn)臺(tái)的研制成為了亟待解決的問題。本課題設(shè)計(jì)研究的純水滑動(dòng)軸承試驗(yàn)臺(tái)將會(huì)對(duì)解決純水液壓泵中軸承的選擇問題提供具有一定價(jià)值的參考和依據(jù)，使得純水液壓泵的設(shè)計(jì)研究更為有效可靠。本課題旨在設(shè)計(jì)開發(fā)一種主要針對(duì)純水液壓泵或馬達(dá)中滑動(dòng)軸承性能測(cè)試研究的試驗(yàn)臺(tái)。該試驗(yàn)臺(tái)主要通過改變滑動(dòng)軸承的材料或主要結(jié)構(gòu)參數(shù)，包括寬徑比、半徑間隙等，在一定的加載力作用下，測(cè)試出不同參數(shù)下滑動(dòng)軸承的水膜厚度、水膜壓力、水膜

17、溫度等性能參數(shù)，并且對(duì)這些結(jié)果進(jìn)行比較，以得出在相同的外界條件下，使軸承的性能最優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)值。為解決純水液壓泵或馬達(dá)中滑動(dòng)軸承的選型及設(shè)計(jì)提供參考和依據(jù)。1.3滑動(dòng)軸承試驗(yàn)臺(tái)的國(guó)內(nèi)外研究概況現(xiàn)有對(duì)滑動(dòng)軸承的研究主要集中在油潤(rùn)滑滑動(dòng)軸承，針對(duì)水潤(rùn)滑的滑動(dòng)軸承試驗(yàn)臺(tái)的研究很少。西安交通大學(xué)張國(guó)淵、袁小陽4針對(duì)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪泵擬采用低粘度介質(zhì)潤(rùn)滑的滑動(dòng)軸承進(jìn)行了高速、重壓及輕載條件下的試驗(yàn)研究，設(shè)計(jì)了針對(duì)此滑動(dòng)軸承試驗(yàn)條件的水潤(rùn)滑高速動(dòng)靜壓試驗(yàn)臺(tái)。該試驗(yàn)臺(tái)采用55kW的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，滑動(dòng)軸承放置在試驗(yàn)臺(tái)的懸臂端，并用預(yù)緊的8根鋼絲定位，實(shí)現(xiàn)軸承相對(duì)于主軸做平面平行運(yùn)動(dòng)。該試驗(yàn)臺(tái)通過在試驗(yàn)軸承前后端

18、分別安裝2個(gè)成 90 度的電渦流傳感器來測(cè)試軸承水平和豎直方向的水膜厚度，從而測(cè)試出整體的水膜厚度。入口壓力和流量分別通過安裝在管道中的壓力傳感器和流量傳感器進(jìn)行測(cè)量。該試驗(yàn)臺(tái)在給定的壓力下，可以測(cè)出水膜厚度和供水壓力之間的變化，供水壓力和系統(tǒng)功耗隨轉(zhuǎn)速變化的關(guān)系。試驗(yàn)臺(tái)加載原理圖如圖1.1所示圖1.1 動(dòng)靜壓軸承實(shí)驗(yàn)裝置圖1-隔振基座 2-定位后擋板 3-試驗(yàn)用動(dòng)靜壓軸承 4-實(shí)驗(yàn)軸承附件 5-鋼絲 6-定位前擋板 7-滾動(dòng)軸承支撐裝置 8-聯(lián)軸器 9-增速箱 10-直流電機(jī) 哈爾濱大電機(jī)研究所與哈爾濱電機(jī)有限責(zé)任公司5設(shè)計(jì)了針對(duì)核電主泵、機(jī)電一體化泵組的一套水潤(rùn)滑徑向軸承試驗(yàn)裝置，采用先進(jìn)

19、的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)徑向軸承的水膜厚度進(jìn)行了測(cè)量，并進(jìn)行了1500h的磨損試驗(yàn)。由于受到泵組運(yùn)行環(huán)境的限制，軸承只能采用石墨材料。該試驗(yàn)臺(tái)通過加載砝碼和加載杠桿對(duì)軸承進(jìn)行加載，根據(jù)實(shí)際工作環(huán)境，軸承在蒸餾水中運(yùn)行，運(yùn)行水溫在9095攝氏度之間，與實(shí)際運(yùn)行工況的水粘度相近。在轉(zhuǎn)速分別為 3000r/min，1500r/min，1000r/min，600r/min 時(shí)測(cè)量軸承的水膜厚度，并且在試驗(yàn)結(jié)束后用精度為 0.001mm 的內(nèi)徑千分尺測(cè)量軸瓦的幾何尺寸變化，以測(cè)試軸承的磨損量。通過對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的分析，特種石墨試驗(yàn)軸承在工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)能夠建立連續(xù)水膜，耐磨性較好。該試驗(yàn)臺(tái)對(duì)屏蔽電機(jī)的發(fā)展起到重

20、要作用。其試驗(yàn)裝置示意圖如圖1.2所示。圖1.2 實(shí)驗(yàn)臺(tái)加載原理圖1-實(shí)驗(yàn)軸承 2-加載軸承 3-加載杠桿 4-軸 5-傳感器圖青島建筑工程學(xué)院的教師王優(yōu)強(qiáng)對(duì)潛水電泵上最常見的軸承之一八縱向溝水潤(rùn)滑橡膠軸承的潤(rùn)滑性能進(jìn)行了研究。試驗(yàn)臺(tái)由交流電動(dòng)機(jī)(3kW，2880r/min)拖動(dòng)，通過變頻器來改變電機(jī)的頻率實(shí)現(xiàn)電機(jī)的無級(jí)調(diào)速。試驗(yàn)臺(tái)加載系統(tǒng)，供水系統(tǒng)如圖 1.3所示。試驗(yàn)軸承外套材料為 45 號(hào)鋼，厚度為 2.5mm，橡膠內(nèi)層襯里厚度為 22mm，為特制的SHX-2 橡膠材料，表面粗糙度可達(dá) Ra1.6。試驗(yàn)軸頸材料為 45 號(hào)鋼，通過調(diào)節(jié)軸頸表面鍍鉻層的厚度來控制軸承的半徑間隙。該試驗(yàn)臺(tái)的試

21、驗(yàn)重點(diǎn)是測(cè)量摩擦系數(shù)。主要是在不同的速度、溫度、載荷、半徑間隙下對(duì)摩擦系數(shù)進(jìn)行測(cè)量，得出了在不同的試驗(yàn)條件下，摩擦系數(shù)隨某一參數(shù)變化的趨勢(shì)。這一研究對(duì)水潤(rùn)滑橡膠軸承摩擦性能的研究起了很大的推進(jìn)作用。趙李福、張巧英等人6對(duì)深井潛水電機(jī)用水潤(rùn)滑止推軸承的材料、工藝、結(jié)構(gòu)進(jìn)行了試驗(yàn)與應(yīng)用研究。根據(jù)水潤(rùn)滑止推軸承的工作條件，經(jīng)試驗(yàn)研究與實(shí)際應(yīng)用表明，塑料模壓軸承具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成型方便等優(yōu)點(diǎn)。此試驗(yàn)滑動(dòng)軸承材料由具有良好水潤(rùn)滑性的塑料材料如酚醛、酚醚、聚鄰苯二甲二酸二丙等，配比添加石棉、焦炭或石墨等有效的水潤(rùn)滑軸承填充材料組成。將這些配比材料的樣板進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)，并對(duì)比結(jié)果，得出耐磨性最好的塑料材料。

22、在結(jié)構(gòu)工藝方面對(duì)推力軸承進(jìn)行了改進(jìn)。將止推軸承的棱角改成了R=3mm的圓角，在軸承背面相應(yīng)地開了 12條溝槽。雖然由棱角改成圓角使工作承壓面減少了，但是由于冷卻條件改善了，水膜容易形成，軸承的容許承載能力有所增加。同時(shí)，將軸承底座進(jìn)水孔的直徑增大，數(shù)目增加，以提高軸承座孔的進(jìn)水量，便于水膜的形成。通過如圖 1.4 所示的試驗(yàn)臺(tái)對(duì)改進(jìn)結(jié)構(gòu)的軸承進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明，軸承結(jié)構(gòu)和材料的改進(jìn)對(duì)潤(rùn)滑條件、冷卻效果和軸承壽命以及摩擦磨損特性都帶來了正面的影響。圖1.4 水潤(rùn)滑軸承試驗(yàn)臺(tái)示意圖1-剛模塊 2-止推軸承 3-止推軸承座 4-砝碼 5-杠桿 6-頂尖 7-溫度保護(hù)器 8-溫度 9-流量計(jì) 10-盤

23、向管 11-溫度計(jì) 12-加熱器 13-恒溫水浴槽 14-電動(dòng)機(jī)重慶大學(xué)張瑜、王家序等人開發(fā)設(shè)計(jì)了水潤(rùn)滑動(dòng)密封軸承試驗(yàn)臺(tái)。該試驗(yàn)臺(tái)能同時(shí)在油、水或油水混合為工作介質(zhì)三種工況下工作，其中油壓達(dá)到 32MPa，水壓達(dá)到8MPa，油水混合物介于兩者之間。試驗(yàn)臺(tái)采用計(jì)量泵精確計(jì)量動(dòng)密封的泄流量，通過計(jì)算機(jī)檢測(cè)和控制系統(tǒng)對(duì)動(dòng)密封的泄漏量、壓力、溫度、摩擦力等因素進(jìn)行測(cè)控，能穩(wěn)定和快速實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)臺(tái)的實(shí)時(shí)控制和檢測(cè)。 國(guó)外對(duì)滑動(dòng)軸承及其試驗(yàn)臺(tái)做了許多研究，Ugur Ozsarac 等人開發(fā)了可以用于測(cè)量滑動(dòng)軸承摩擦磨損特性的試驗(yàn)臺(tái)。采用該試驗(yàn)臺(tái)對(duì)軸承合金材料錫青銅，錫基鉛青銅等在線速度為0.5m/s，試驗(yàn)力

24、分別為10N、20N和40N 的條件下進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)間為2小時(shí)。試驗(yàn)結(jié)束后，測(cè)量試件的磨損量，計(jì)算摩擦系數(shù)，并通過電子顯微鏡觀察表面磨損形態(tài)，探討分析軸承材料的摩擦磨損特性。Chris DellaCorte 等人研究開發(fā)了一種針對(duì)高溫高速條件下的金屬氣軸承試驗(yàn)臺(tái)7。該軸承主要應(yīng)用于溫度高達(dá) 650的渦輪機(jī)中。該試驗(yàn)臺(tái)能夠測(cè)量軸承在起停過程中的摩擦轉(zhuǎn)矩。在溫度為700，轉(zhuǎn)速高達(dá) 70000r/min的試驗(yàn)條件下，測(cè)試軸承的承載能力、耐用性等性能參數(shù)。這些性能參數(shù)能夠?yàn)闇u輪機(jī)中氣潤(rùn)滑軸承的設(shè)計(jì)提供參考。Dimond Tim，Rockwell RD 等人8研究了一種既可用于油潤(rùn)滑也可用于水

25、潤(rùn)滑的滑動(dòng)軸承試驗(yàn)臺(tái)。此試驗(yàn)臺(tái)主要針對(duì)渦輪機(jī)組，要求機(jī)組的轉(zhuǎn)速高，質(zhì)量輕，載荷穩(wěn)定。根據(jù)彈性流體潤(rùn)滑的研究分析，合理設(shè)計(jì)的傾斜墊式滑動(dòng)軸承能夠使旋轉(zhuǎn)機(jī)械的操作更為便利。油潤(rùn)滑滑動(dòng)軸承一般適用于高速的渦輪機(jī)組，水潤(rùn)滑的研究數(shù)據(jù)對(duì)于機(jī)組的研究也非常有參考作用。該試驗(yàn)臺(tái)用來測(cè)定滑動(dòng)軸承的流體潤(rùn)滑膜，以驗(yàn)證彈性流體動(dòng)力潤(rùn)滑分析的正確性，以滿足工業(yè)的需要。靜壓滑動(dòng)軸承特性由溫度傳感器、壓力傳感器和位移傳感器測(cè)量。動(dòng)壓滑動(dòng)軸承的系數(shù)通過軸承磁力驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子進(jìn)行測(cè)量。試驗(yàn)臺(tái)的轉(zhuǎn)速范圍為：9000r/min-22000r/min。試驗(yàn)軸承的尺寸為 127mm，表面線速度為60m/s-146m/s，軸承的寬徑

26、比范圍為：0.5-0.75。M.B.W. Nabha 等人9對(duì)水潤(rùn)滑動(dòng)壓滑動(dòng)軸承的特性進(jìn)行了理論分析。利用Navier-Strokes 方程研究了水潤(rùn)滑條件下，有限寬度動(dòng)壓滑動(dòng)軸承一維流場(chǎng)的分布特性。通過使用 Newton-Raphson 迭代技術(shù)得到交界面上壓力的分布情況，進(jìn)而推測(cè)出水潤(rùn)滑滑動(dòng)軸承的承載能力。此外，一些國(guó)家針對(duì)水潤(rùn)滑滑動(dòng)軸承的材料也做了一些深入的研究。英國(guó)的海沃德泰勒10公司在液壓泵中采用了水潤(rùn)滑滑動(dòng)軸承，其材料為馬氏體不銹鋼或在碳素鋼表面鍍鉻。而軸瓦材料為石棉填充酚醛樹脂，使用效果較好。德國(guó)的維克斯和米歇爾公司則在深井泵中采用水潤(rùn)滑橡膠軸承11，即以橡膠材料作軸瓦。加拿大的

27、湯姆遜戈?duì)柕怯邢薰驹诖拔草S的支承中采用了水潤(rùn)滑系統(tǒng)，在不銹鋼軸承上復(fù)合一層聚合材料做軸瓦12。日本在離心泵中廣泛采用水潤(rùn)滑軸承，軸瓦材料為滲碳合金13。1.4 論文主要研究?jī)?nèi)容本文主要開展水潤(rùn)滑軸承綜合性能實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的總體方案設(shè)計(jì)、三維建模、理論計(jì)算與分析、加載系統(tǒng)分析、等工作。主要研究?jī)?nèi)容如下： 第一章：研究背景及其目的，并列舉了國(guó)內(nèi)外的研究成果。第二章：實(shí)驗(yàn)平臺(tái)總體方案設(shè)計(jì)本章首先簡(jiǎn)要介紹了實(shí)驗(yàn)臺(tái)測(cè)試對(duì)象水潤(rùn)滑軸承的潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)、優(yōu)點(diǎn)。并通過查閱資料和計(jì)算分析確定實(shí)驗(yàn)臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，并對(duì)電機(jī)進(jìn)行了型號(hào)選擇。對(duì)水潤(rùn)滑軸承綜合性能實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的總體設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，提出實(shí)驗(yàn)臺(tái)的主要要求及實(shí)驗(yàn)?zāi)康?。?duì)系

28、統(tǒng)的動(dòng)力與載荷的傳遞過程進(jìn)行分析，并對(duì)試驗(yàn)測(cè)試方案做了簡(jiǎn)單介紹。第三章：對(duì)主軸進(jìn)行強(qiáng)度校核，對(duì)水潤(rùn)滑軸承實(shí)驗(yàn)艙及支座進(jìn)行設(shè)計(jì)。對(duì)支座中的鍵進(jìn)行強(qiáng)度校核，對(duì)實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行三維建模，并進(jìn)行虛擬裝配。第四章：主要介紹了軸端加載系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并設(shè)計(jì)了連接主軸與加載器的軸端加載塊。最后全文總結(jié)。通過對(duì)動(dòng)壓、靜壓滑動(dòng)軸承的參數(shù)的計(jì)算，確定軸承的基本設(shè)計(jì)參數(shù)。以此來選擇試驗(yàn)臺(tái)機(jī)械系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)裝置的型號(hào)，設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)軸以及軸上零件，確定試驗(yàn)臺(tái)的安裝形式，并對(duì)關(guān)鍵零件進(jìn)行強(qiáng)度校核，如主軸、鍵。提出了試驗(yàn)軸承關(guān)鍵參數(shù)的測(cè)試方案，畫出了實(shí)驗(yàn)臺(tái)的三維圖及關(guān)鍵零件的二維圖。第2章 水潤(rùn)滑動(dòng)壓軸承綜合性能試驗(yàn)臺(tái)的總體設(shè)計(jì)方案本章主要介

29、紹了水潤(rùn)滑軸承的優(yōu)點(diǎn)，測(cè)試軸承的技術(shù)參數(shù)，并根據(jù)參數(shù)選定了主軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)、彈性聯(lián)軸器。根據(jù)軸承的最大承載力確定了液壓缸的參數(shù)。設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的整體機(jī)械結(jié)構(gòu)和動(dòng)力傳遞系統(tǒng)。并給出了軸承的摩擦系數(shù)、軸心軌跡的測(cè)試方法。2.1 測(cè)試對(duì)象概述水潤(rùn)滑動(dòng)壓滑動(dòng)軸承與傳統(tǒng)的滑動(dòng)軸承相比具有較大的差別，它是一種用新型工程復(fù)合材料替代金屬作為摩擦副材料，用天然水替代潤(rùn)滑油作為潤(rùn)滑介質(zhì)，由多曲面圓弧槽襯套和金屬軸承外殼有機(jī)結(jié)合為一體的機(jī)械傳動(dòng)部件，如圖2.1所示。其內(nèi)部襯套通過模壓硫化工藝粘結(jié)在軸承外圈的內(nèi)圓周上，形成一個(gè)整體作為軸承外圈。圖2.1 各種水潤(rùn)滑軸承實(shí)物圖水潤(rùn)滑軸承的優(yōu)點(diǎn)概述：a) 摩擦系數(shù)?。嘿Y料表明，

30、水潤(rùn)滑軸承在正常工作條件下具有很小的摩擦系數(shù)，與表面加工良好的金屬軸承在油潤(rùn)滑情況下的摩擦系數(shù)很相近。b) 耐磨性好，可靠性高，軸與軸承之間的良好配對(duì)使摩擦功耗較小，表層橡膠材料柔軟而富有彈性，具有良好的包容性，可以增加軸承內(nèi)外圈的實(shí)際接觸面積。c) 在潤(rùn)滑水流和軸頸回轉(zhuǎn)的作用下使嵌入其中的雜質(zhì)能通過水溝槽被水沖走，具有良好的泥沙、雜質(zhì)排泄能力和散熱作用。因此軸承表面摩擦磨損小，軸承壽命較長(zhǎng)。d) 減振降噪：橡膠材料彈性好，內(nèi)阻尼較大，與其他金屬軸承相比，能有效防止或降低振動(dòng)、沖擊與噪音。橡膠的彈性變形能減少因軸線跳動(dòng)而引起的軸系震動(dòng)，降低由安裝誤差產(chǎn)生的附加載荷，減少了振動(dòng)的發(fā)生。e) 重量

31、輕、成本低、對(duì)安裝誤差不敏感：以非金屬代替金屬，有自動(dòng)調(diào)位的能力，降低成本，減輕重量，機(jī)械加工性好。f) 無污染，環(huán)境友好：以水作為潤(rùn)滑介質(zhì)，來源廣泛，有效減少了河道海洋的艉軸油污泄漏問題，符合綠色環(huán)保概念。尤其適合水下工作的軸承，在水下時(shí)不需要密封裝置，可大大簡(jiǎn)化設(shè)備結(jié)構(gòu)，降低運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用。從以上特點(diǎn)可以看出，水潤(rùn)滑軸承是機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)研究領(lǐng)域的前沿科技，已廣泛應(yīng)用于艦船、潛艇、魚雷、離心泵、水泵、水輪機(jī)以及數(shù)控機(jī)床等機(jī)械裝置中，引起人們的普遍關(guān)注，是高效節(jié)能機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)和科學(xué)環(huán)保研究領(lǐng)域的前沿，成為世界各大工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家競(jìng)相研究的一個(gè)熱點(diǎn)。 固體摩擦表面之間不僅存在著液體介質(zhì)還有固體顆粒使接觸面產(chǎn)

32、生的一種磨粒磨損過程，稱為濕磨粒磨損(Wet abrasion 或Hydro-abrasion)。這是水潤(rùn)滑軸承摩擦副在工作早期失效的主要原因。在含有磨粒的液體介質(zhì)中，陶瓷、塑料或橡膠軸承的磨損是由夾入軸和軸承之間的顆粒引起的，在其與軸承和軸的接觸表面產(chǎn)生很高的局部接觸應(yīng)力。顆粒雜質(zhì)嵌入相對(duì)較軟的軸承表面內(nèi)，但因材料硬度較高，顆粒僅一小部分被嵌入，而大部分則暴露在外，因此在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中可能將軸刮傷，而刮傷后的軸表面出現(xiàn)粗糙刮痕，又將軸承磨損，導(dǎo)致軸承失效17。影響磨損率的主要有載荷、速度、磨粒尺寸、磨粒濃度等18。對(duì)水潤(rùn)滑軸承的摩擦磨損機(jī)理進(jìn)行研究，可為進(jìn)一步分析與掌握水潤(rùn)滑摩擦副的失效機(jī)理提供

33、關(guān)鍵的科學(xué)依據(jù)。 本次測(cè)試對(duì)象的規(guī)格如下表所示。表2.1 水潤(rùn)滑軸承的技術(shù)參數(shù)軸承內(nèi)徑（mm）軸承外徑（mm）長(zhǎng)度（mm）轉(zhuǎn)速范圍(r/min)軸承的工作壓力p（MPa）1101908003018000.30.52.2 試驗(yàn)臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)計(jì)算本實(shí)驗(yàn)臺(tái)的主要測(cè)試對(duì)象為法蘭式大尺寸高比壓的水潤(rùn)滑軸承，選取水潤(rùn)滑軸承(110×190×800)作為實(shí)驗(yàn)臺(tái)測(cè)試對(duì)象，進(jìn)行試驗(yàn)力計(jì)算與驅(qū)動(dòng)方案設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)如圖2.2所示，技術(shù)參數(shù)見表2.2圖2.2 水潤(rùn)滑軸承示意圖參考美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)MIL-B-17901C19中關(guān)于水潤(rùn)滑軸承轉(zhuǎn)速與摩擦系數(shù)的研究，得出試驗(yàn)對(duì)象水潤(rùn)滑軸承的轉(zhuǎn)速范圍與摩擦系數(shù)的對(duì)應(yīng)

34、關(guān)系，見表 2.3。表 2.2 測(cè)試對(duì)象的轉(zhuǎn)速范圍與摩擦系數(shù)的關(guān)系轉(zhuǎn)速范圍n(rpm)105050200200400400750750120012001800摩擦系數(shù)µ0.350.20.050.020.0150.012由水膜的名義承載力19： ，得徑向名義實(shí)驗(yàn)力：Fm=(0.30.5)=2640044000， （2.1）p：水潤(rùn)滑軸承的工作壓力 （單位MPa）Fm：徑向載荷（單位N）d：軸承直徑（單位mm）：軸承寬度（單位mm）則實(shí)驗(yàn)中最大徑向力Fmmax=44000N，即加載系統(tǒng)在徑向的最大加載實(shí)驗(yàn)力為44000N。通過計(jì)算整理得到試驗(yàn)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)對(duì)應(yīng)的摩擦力矩及輸出功率，如表2.4

35、所示。表 2.3 實(shí)驗(yàn)臺(tái)的摩擦力、摩擦力矩和輸出功率(最大徑向力Fmmax=44000N)轉(zhuǎn)速n(rpm)摩擦系數(shù)（）摩擦力（N）摩擦力矩T（N·m）輸出功率P（KW）502000.0522002425.02004000.0288096.84.04007500.01566072.65.775012000.01148453.26.6120015000.00939643.66.84據(jù)此可得所需電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩量程及轉(zhuǎn)速，考慮電機(jī)的扭轉(zhuǎn)特性和實(shí)驗(yàn)條件的限制，采用變頻電機(jī)作為實(shí)驗(yàn)主動(dòng)力電機(jī)，其輸出轉(zhuǎn)矩量程：0290N·m，設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)取最大扭矩Tmax=290N·m ，并可用于

36、后續(xù)轉(zhuǎn)矩傳感器的選型。表2.5為電機(jī)的主要參數(shù)。表2.4 VFG系列的變頻電機(jī)的主要參數(shù)型號(hào)電壓基準(zhǔn)轉(zhuǎn)速額定功率額定電流恒轉(zhuǎn)矩輸出恒功率輸出VFG225M-750-22三相380v750r/min22kw44A30750r/min7502250r/min根據(jù)實(shí)驗(yàn)主軸的直徑、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速等參數(shù)，查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，選出合適的彈性連軸器，其具體參數(shù)如下表。表2.5 LT型彈性柱銷聯(lián)軸器的參數(shù)型號(hào)公稱轉(zhuǎn)矩許用轉(zhuǎn)速軸孔直徑軸孔長(zhǎng)度重量慣量LT114000N·m1800r/min110mm115mm120kg2.1kg·m22.3 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)總體方案設(shè)計(jì)針對(duì)目前水潤(rùn)滑軸承實(shí)驗(yàn)臺(tái)的不足和對(duì)綜

37、合性能實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的迫切需求，本文研究了一種水潤(rùn)滑軸承及傳動(dòng)系統(tǒng)綜合性能實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能對(duì)水潤(rùn)滑軸承與軸的滑動(dòng)摩擦副在一定轉(zhuǎn)速和載荷、閉式循環(huán)水潤(rùn)滑的條件下，模擬水潤(rùn)滑軸承及其傳動(dòng)系統(tǒng)的復(fù)雜工況，在線檢測(cè)水潤(rùn)滑軸承工作轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、摩擦特性、軸心軌跡等各項(xiàng)綜合性能技術(shù)指標(biāo)，將測(cè)試數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析、處理、存儲(chǔ)和顯示。2.3.1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)以下為試驗(yàn)臺(tái)要求:i. 試驗(yàn)對(duì)象為大尺寸高比壓水潤(rùn)滑軸承，需要加載系統(tǒng)在保證結(jié)構(gòu)安全的同時(shí)，能提供足夠的試驗(yàn)載荷；ii. 對(duì)試驗(yàn)軸的伸出端施加徑向靜態(tài)或動(dòng)態(tài)載荷，以模擬水潤(rùn)滑軸承在實(shí)際工作時(shí)，由于螺旋槳懸重而偏斜所造成的邊緣負(fù)載；iii. 底座作為其他部

38、件的主要安裝基礎(chǔ)，具有耐磨、吸振減振的特點(diǎn)，能承受較大的沖擊，適用于模擬激振加載的工況。根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，對(duì)實(shí)驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)如圖2.4所示。圖2.4 方案二的實(shí)驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖1-鑄鐵平臺(tái) 2-變頻電機(jī) 3-減速器 4-轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器 5-彈性柱銷聯(lián)軸器 6-圓錐滾子軸承 7-聯(lián)軸器 8-軸承實(shí)驗(yàn)艙 9-加載框架 10-水平方向液壓缸 11-豎直方向液壓缸在該實(shí)驗(yàn)臺(tái)方案中，加載結(jié)構(gòu)選用大型龍門框架，結(jié)構(gòu)牢固，底部與鑄鐵平臺(tái)相連接，對(duì)于施加載荷較大的試驗(yàn)測(cè)試時(shí)，安全更能得到保障。用液壓伺服系統(tǒng)作為加載動(dòng)力源，其特點(diǎn)是能提供較大的載荷，正符合本實(shí)驗(yàn)臺(tái)研究對(duì)象大尺寸高比壓水潤(rùn)滑軸承的實(shí)際受載情況。加

39、載系統(tǒng)對(duì)試驗(yàn)軸的伸出端施加徑向靜態(tài)或動(dòng)態(tài)載荷，模擬水潤(rùn)滑軸承的實(shí)際工作情況。因?qū)嶒?yàn)對(duì)象主要為軸向直槽式，而非螺旋槽式水潤(rùn)滑軸承，所受軸向載荷不是該實(shí)驗(yàn)臺(tái)的主要研究因素，此處不設(shè)置軸向加載裝置進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試。根據(jù)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行進(jìn)一步具體設(shè)計(jì)，該實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要由驅(qū)動(dòng)部分、機(jī)械傳動(dòng)部分、加載部分、測(cè)控部分以及輔助部分組成， 1. 驅(qū)動(dòng)部分采用變頻電機(jī)方案，選用變頻器對(duì)電機(jī)調(diào)速，該驅(qū)動(dòng)方案具有響應(yīng)速度快、效率高、運(yùn)行平穩(wěn)、機(jī)械部分簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。2. 機(jī)械傳動(dòng)部分包括高彈性梅花聯(lián)軸器、彈性柱銷聯(lián)軸器、試驗(yàn)軸、中間軸承、水潤(rùn)滑軸承、軸承前后密封裝置等。其中高彈性聯(lián)軸器連接于電機(jī)輸出軸和轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速檢測(cè)器，起緩沖

40、作用；中間軸承主要承受軸向力，軸承前后密封裝置對(duì)水潤(rùn)滑機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)起到密封作用。3. 加載部分采用液壓加載，選用2個(gè)直線伺服液壓缸，配備二通道全數(shù)字液壓伺服協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)相互垂直方向的徑向協(xié)調(diào)加載，包括靜態(tài)加載和動(dòng)態(tài)加載。靜態(tài)加載為施加大小范圍內(nèi)和任意方向的試驗(yàn)力。動(dòng)態(tài)加載的激振頻率為0.0120Hz，加載波形為任意常用波形以及外部輸入波形。4. 測(cè)控部分包括工控機(jī)及控制系統(tǒng)、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器、力傳感器、電渦流位移傳感器、加速度傳感器等，實(shí)現(xiàn)摩擦轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、摩擦系數(shù)、摩擦功耗、軸心軌跡等測(cè)試。5. 輔助部分主要由循環(huán)水系統(tǒng)、潤(rùn)滑泵、冷卻水塔等組成。該系統(tǒng)的主要功能有：1）能對(duì)循環(huán)水系統(tǒng)的

41、水溫進(jìn)行自動(dòng)控制；2）能對(duì)循環(huán)水系統(tǒng)的水壓和流量進(jìn)行手動(dòng)調(diào)節(jié)控制。實(shí)驗(yàn)臺(tái)工作時(shí)，系統(tǒng)動(dòng)力由變頻電機(jī)提供，通過高彈性聯(lián)軸器傳遞給轉(zhuǎn)矩傳感器，轉(zhuǎn)矩傳感器經(jīng)兩個(gè)膜片聯(lián)軸器聯(lián)接在船用齒輪箱和中間軸之間。利用中間軸承支承中間軸，再由聯(lián)軸器聯(lián)接，將動(dòng)力傳遞給軸承試驗(yàn)艙中的試驗(yàn)軸。水潤(rùn)滑軸承安裝于試驗(yàn)艙中，并支承試驗(yàn)主軸。液壓缸通過對(duì)軸端軸承的加載，實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)主軸施加徑向載荷。2.3.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試方案實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的測(cè)試系統(tǒng)主要由軸承摩擦系數(shù)測(cè)試裝置、軸心軌跡測(cè)試裝置等組成，在控制系統(tǒng)的協(xié)調(diào)下，對(duì)試驗(yàn)軸施加載荷，水潤(rùn)滑軸承與試驗(yàn)軸相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)形成摩擦副以模擬實(shí)際工況，通過各測(cè)試裝置對(duì)處于復(fù)雜工況下的水潤(rùn)滑軸承及傳動(dòng)系

42、統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。輸入工控機(jī)的數(shù)據(jù)信息經(jīng)過分析處理，可用實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)圖表直觀顯示測(cè)試結(jié)果，實(shí)現(xiàn)對(duì)水潤(rùn)滑摩擦副傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行綜合性能實(shí)驗(yàn)測(cè)試，以用于水潤(rùn)滑摩擦副的承載、失效機(jī)理與演化規(guī)律等關(guān)問題的研究。1) 摩擦系數(shù)測(cè)試本實(shí)驗(yàn)臺(tái)通過測(cè)量扭矩的方式求得摩擦系數(shù)值，摩擦系數(shù)在一定程度上反映了水潤(rùn)滑軸承材料的摩擦磨損特性，是研究其摩擦性能的重要參數(shù)指標(biāo)。它與軸承的比壓力、軸的線速度等有密切關(guān)系，能為后續(xù)水潤(rùn)滑軸承的設(shè)計(jì)與優(yōu)化改進(jìn)提供重要的參數(shù)依據(jù)。其摩擦系數(shù)表達(dá)式20為： （2.2）公式中µ摩擦系數(shù)； M、M0分別為總力矩和空載力矩；F為徑向載荷;d軸承內(nèi)徑。在轉(zhuǎn)矩傳感器兩端需分別設(shè)置彈性柱銷聯(lián)軸器，以

43、過濾傳動(dòng)過程中的沖擊和振動(dòng)，提高數(shù)據(jù)測(cè)試的準(zhǔn)確性。2) 實(shí)驗(yàn)軸軸心軌跡測(cè)試從轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)、軸承學(xué)的理論上分析，大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械的運(yùn)行狀態(tài)主要取決于其核心部件轉(zhuǎn)軸，軸心軌跡測(cè)試有利于研究軸運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)對(duì)水潤(rùn)滑軸承的承載能力、失效機(jī)理、摩擦學(xué)性能的影響。電渦流位移傳感器系統(tǒng)的工作機(jī)理是電渦流效應(yīng)，傳感器工作時(shí)在被測(cè)金屬表面產(chǎn)生電渦流效應(yīng)，當(dāng)探頭與被測(cè)金屬面之間的距離變化時(shí)，金屬表面上的電渦流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)使探頭與前置器所構(gòu)成的振蕩器的阻抗發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)其位移到電壓的信號(hào)轉(zhuǎn)換。圖2.10 軸心軌跡測(cè)試原理采用兩點(diǎn)測(cè)量法21，在水潤(rùn)滑軸承所對(duì)應(yīng)的水平和豎直方向（互成 90°）各安裝一個(gè)電渦流位移傳感

44、器，以提供位移信號(hào)，檢測(cè)試驗(yàn)軸沿 X 向和 Y 向的跳動(dòng)幅度，如圖 2.10 所示。通過軸心軌跡動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀對(duì)電渦流傳感器測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行及時(shí)記錄、存儲(chǔ)、分析，從而得到軸心軌跡的實(shí)時(shí)曲線。圖中，O、O¢分別為水潤(rùn)滑軸承軸瓦和實(shí)驗(yàn)軸的圓心，坐標(biāo) A(R,0)，B(0,R)，A，(R-a,0) ， B， (0, R-b) 。其中的 a、b 可通過傳感器測(cè)得a=m-n, b=m,-n,。其中m，m是傳感器的安裝距離，n， n是傳感器的監(jiān)測(cè)距離。將測(cè)量計(jì)算得到的A， 、B，坐標(biāo)分別帶入軸的標(biāo)準(zhǔn)圓方程 可得方程組 （2.3）求解方程組（2.3）可得軸心坐標(biāo)O(x，y)，其為軸心相對(duì)于軸承的運(yùn)動(dòng)

45、軌跡，反映了軸心的瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)狀況。則軸的偏心距為OO=e = （2.4）偏心距e的位置角為= （2.5）2.4 本章小結(jié)本章首先簡(jiǎn)要介紹了實(shí)驗(yàn)臺(tái)測(cè)試對(duì)象水潤(rùn)滑軸承的潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)、優(yōu)點(diǎn)。并通過查閱資料和計(jì)算分析確定實(shí)驗(yàn)臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，并對(duì)電機(jī)進(jìn)行了型號(hào)選擇。對(duì)水潤(rùn)滑軸承綜合性能實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的總體設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，提出實(shí)驗(yàn)臺(tái)的主要要求及實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?duì)系統(tǒng)的動(dòng)力與載荷的傳遞過程進(jìn)行分析，并對(duì)試驗(yàn)測(cè)試方案做了簡(jiǎn)單介紹。第3章 軸承實(shí)驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與建模對(duì)主軸進(jìn)行強(qiáng)度校核，對(duì)水潤(rùn)滑軸承實(shí)驗(yàn)艙及支座進(jìn)行設(shè)計(jì)。對(duì)支座中的鍵進(jìn)行強(qiáng)度校核，對(duì)實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行三維建模，并進(jìn)行虛擬裝配。3.1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)的關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的機(jī)械結(jié)構(gòu)

46、部分主要由高彈性柱銷聯(lián)軸器、膜片聯(lián)軸器、中間軸承、剛性聯(lián)軸器、試驗(yàn)主軸、密封軸、水潤(rùn)滑軸承、軸承密封裝置等組成。由變頻電機(jī)產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力通過傳動(dòng)部件傳遞到與被測(cè)對(duì)象相配合的試驗(yàn)軸上，在水潤(rùn)滑軸承與試驗(yàn)軸相對(duì)運(yùn)動(dòng)的過程中，完成對(duì)水潤(rùn)滑軸承及其傳動(dòng)系統(tǒng)不同工況的模擬，為接下來的試驗(yàn)測(cè)試提供條件。將上一章中的方案圖細(xì)化設(shè)計(jì)，得到實(shí)驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，如圖3.1所示。其中，電機(jī)、變頻器、中間軸承、水潤(rùn)滑密封裝置、傳感器等都為標(biāo)準(zhǔn)件，只要根據(jù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的技術(shù)要求進(jìn)行選取即可。而試驗(yàn)主軸、密封圈、軸承試驗(yàn)艙、試驗(yàn)艙底座、傳感器支座、鑄鐵平臺(tái)、軸端軸承等為設(shè)計(jì)加工零部件，需自行設(shè)計(jì)與加工。由于篇幅所限，本章僅介紹關(guān)

47、鍵部件中的試驗(yàn)軸、軸承試驗(yàn)艙、試驗(yàn)艙底座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。3.1.1 試驗(yàn)主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及強(qiáng)度校核試驗(yàn)軸作為傳動(dòng)部分中傳遞轉(zhuǎn)速和扭矩的關(guān)鍵部件，并與測(cè)試對(duì)象直接配合，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要考慮到強(qiáng)度要求、與前后傳動(dòng)件的聯(lián)接。同時(shí)，還要滿足一系列水潤(rùn)滑軸承的測(cè)試試驗(yàn)要求，應(yīng)引起足夠的重視，需對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度校核。1) 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的條件下，考慮節(jié)省材料，試驗(yàn)主軸的內(nèi)部采用中空結(jié)構(gòu)。考慮到實(shí)驗(yàn)過程中，試驗(yàn)軸與水潤(rùn)滑軸承之間充滿了一定壓力的自然水，在試驗(yàn)軸兩端的階梯軸設(shè)計(jì)用于安裝 O 型密封圈，防止水通過密封圈與軸之間的微小縫隙泄漏到軸承外，干擾和破壞實(shí)驗(yàn)環(huán)境.2) 中空結(jié)構(gòu)的最大內(nèi)

48、徑d軸承與軸之間充滿著水作為潤(rùn)滑劑，且軸會(huì)承受較大的載荷，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T1220-2007 和實(shí)際情況，材料選用 2Cr13Ni。它是一種屬于馬氏體的新型不銹鋼材料，其在 2Cr13 的基礎(chǔ)上加入了一定量的 Ni，提高了材料的抗腐蝕性能和綜合機(jī)械性能。其相關(guān)參數(shù)如表3.1所示。表3.1 不銹鋼2Cr13Ni 的性能參數(shù)熱處理拉伸強(qiáng)度屈服強(qiáng)度彈性模量泊松比淬火980MPa780MPa211GPa0.3假設(shè)試驗(yàn)軸的安裝配合可靠，將裝配在一起的試驗(yàn)軸作為一個(gè)整體，進(jìn)行尺寸設(shè)計(jì)和強(qiáng)度校核。進(jìn)行軸的設(shè)計(jì)時(shí)，通常先估算軸的最小外徑或軸孔的最大內(nèi)徑，作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的依據(jù)。由測(cè)試對(duì)象尺寸可確定試驗(yàn)軸的外徑為1

49、10mm，應(yīng)對(duì)中空結(jié)構(gòu)的最大內(nèi)徑d進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。對(duì)軸進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化后，繪出軸的計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖3.4所示，并標(biāo)出作用力的大小、方向和作用點(diǎn)。AD端代表整個(gè)試驗(yàn)軸，在試驗(yàn)主軸與水潤(rùn)滑軸承形成的有效摩擦副段內(nèi)產(chǎn)生摩擦力矩Tmax=5000N·m ，A 端的聯(lián)軸器對(duì)試驗(yàn)軸施加反向力矩T ；B、C 點(diǎn)為試驗(yàn)艙底座支承，其中支座反力分別為F1、F2 ；D 處為加載端，載荷為最大加載試驗(yàn)力Fmax=1.2105 N ；其中，L1=300mm，L2=800mm，L3=400mm 。試驗(yàn)軸所受彎矩遠(yuǎn)大于扭矩，所以此處運(yùn)用彎曲強(qiáng)度計(jì)算方法來估算中空結(jié)構(gòu)的最大內(nèi)徑d，計(jì)算時(shí)只考慮軸所承受的彎矩，而用降低許用

50、應(yīng)力的方法來考慮扭矩的影響。圖3.5試驗(yàn)軸的彎矩圖和扭矩圖經(jīng)分析得到試驗(yàn)主軸受到的最大扭矩Tmax=242N·m ，最大彎矩Mmax=F1·L3=44kN 400mm =17600N·m 。由材料力學(xué)的知識(shí)可得，軸受徑向載荷作用時(shí)，其彎曲強(qiáng)度條件為51 （3.1）式中：-軸的彎曲應(yīng)力M-軸受到的彎矩Wt-軸的抗扭截面模量，對(duì)于空心圓軸Wt= （3.2）d-截面處軸的內(nèi)徑：D-截面處軸的外徑；D=110mm-材料的需用彎曲應(yīng)力，此處為塑性材料的安全系數(shù)，在靜載荷情況下，ns=1.52.5，對(duì)于重要的構(gòu)件或處于動(dòng)載荷情況下，ns=39?？紤]實(shí)際情況和扭矩的影響，此處取

51、ns=8，則。 （3.3）由式（3.1）可得軸的設(shè)計(jì)公式： （3.4）帶入數(shù)據(jù)得：d66mm應(yīng)用上式求出的值，一般作為軸受載荷作用段中空結(jié)構(gòu)的最大直徑。因計(jì)算的軸段分布有內(nèi)螺紋徑向孔，一定程度會(huì)削弱軸的強(qiáng)度，作為補(bǔ)償，適當(dāng)減小軸孔內(nèi)徑理論計(jì)算值，將中空結(jié)構(gòu)內(nèi)徑圓整后，取d 66mm（1-5%）62mm。3) 試驗(yàn)軸的強(qiáng)度校核對(duì)于一般的軸，可用第三強(qiáng)度理論求出危險(xiǎn)截面的當(dāng)量應(yīng)力，其強(qiáng)度條件為 （3.5）式中：-彎矩M產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力；-是扭矩T產(chǎn)生的切應(yīng)力。對(duì)與圓軸有如下公式， （3.6）式中：W 、Wt 分別為軸的抗彎、抗扭截面模量。將式（3.4）代入式（3.3），得： （3.7）將數(shù)據(jù)帶入式（

52、3.5），得=149.7MPa<=155MPa經(jīng)校核計(jì)算，試驗(yàn)軸的強(qiáng)度滿足要求。3.1.2 水潤(rùn)滑軸承實(shí)驗(yàn)艙及支座的設(shè)計(jì)軸承試驗(yàn)艙兩端分別與水潤(rùn)滑密封裝置連接，從外至里依次安裝有軸承套筒、水潤(rùn)滑軸承、試驗(yàn)軸。試驗(yàn)艙內(nèi)徑與套筒外徑配合，水潤(rùn)滑軸承外徑與套筒內(nèi)徑配合，水潤(rùn)滑軸承內(nèi)徑與試驗(yàn)主軸外徑配合，由入水口注水，主軸相對(duì)于軸承轉(zhuǎn)動(dòng)，形成水潤(rùn)滑軸承工作環(huán)境。軸承試驗(yàn)艙中各零部件的裝配結(jié)構(gòu)如圖 3.7所示。 圖 3.7 軸承試驗(yàn)艙中各零部件的裝配結(jié)構(gòu)1-試驗(yàn)主軸 2-前端套筒 3-試驗(yàn)艙支座 4-軸承試驗(yàn)艙 5-水潤(rùn)滑軸承 6-后端套筒 7-進(jìn)水孔 8-密封圈 9-出水孔 10-隔水密封圈 軸

53、承各零件的作用簡(jiǎn)介：軸承內(nèi)圈與軸承外圈相對(duì)運(yùn)動(dòng)形成潤(rùn)滑水膜，潤(rùn)滑水從進(jìn)水孔9進(jìn)入然后從出水孔7排出，水從下往上流動(dòng)可以使整個(gè)實(shí)驗(yàn)艙充滿水，套筒在這里的作用是減小實(shí)驗(yàn)艙與軸承的接觸的接觸面從而方便軸承的安裝，密封圈8是防止水流到軸承外，密封圈10是防止水流到軸承外圈與套筒之間的間隙里，底座3是為了把實(shí)驗(yàn)軸承固定到實(shí)驗(yàn)臺(tái)上。支承軸承試驗(yàn)艙的底座采用剖分式結(jié)構(gòu)，分作上下兩部分，將試驗(yàn)艙環(huán)抱，方便軸承試驗(yàn)艙的安裝與拆卸。在試驗(yàn)艙上底座設(shè)有吊耳的安裝螺紋，方便起吊。試驗(yàn)艙下底座設(shè)有雙向 U 型槽，方便調(diào)整底座位置，然后穿過 T 型槽專用螺栓將其固定在鑄鐵平臺(tái)上。試驗(yàn)艙底座的二維圖如圖3.10所示。圖3.

54、10 實(shí)驗(yàn)艙底座的平面圖1.支座上半圓 2.支座下半圓 3.螺栓3.1.3鍵的強(qiáng)度校核在試驗(yàn)艙與其底座之間設(shè)置有鍵聯(lián)接，用于艙體的周向定位。需對(duì)鍵的強(qiáng)度進(jìn)行校核，確保聯(lián)接的安全可靠。平鍵聯(lián)接的主要失效形式為壓潰和磨損，所以通常只進(jìn)行鍵的擠壓強(qiáng)度計(jì)算。鍵為標(biāo)準(zhǔn)件，其截面尺寸按軸承實(shí)驗(yàn)艙外徑D=190mm，查閱標(biāo)準(zhǔn)知該處應(yīng)選b*h=45x25，其長(zhǎng)度可根據(jù)試驗(yàn)艙底座長(zhǎng)度來確定。此處選用L=110mm。假設(shè)工作壓力沿鍵的長(zhǎng)度和高度方向均布，則其聯(lián)接時(shí)強(qiáng)度條件為： （3.8）-鍵聯(lián)接處工作面的擠壓應(yīng)力；T-鍵所受轉(zhuǎn)矩，T=242N·md 試驗(yàn)艙的直徑， d =190mm ； 鍵的工作長(zhǎng)度，選

55、用 B型平頭鍵，則, L 為鍵長(zhǎng)，b為 鍵寬；k 鍵與轂的接觸高度，k =h/ 2 =25 / 2 =12.5mm，h為鍵高； 許用擠壓應(yīng)力，查表得=60MPa將數(shù)據(jù)代入式（3.9），得：=18.5MPa<=60MPa通過校核，所選鍵滿足強(qiáng)度要求。3.2實(shí)驗(yàn)臺(tái)的三維建模與虛擬裝配隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，使計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域得到廣泛的推廣，產(chǎn)品信息化含量和創(chuàng)新能力得到提高。虛擬裝配技術(shù)是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)研究領(lǐng)域的重要組成部分，它不需要物理實(shí)物樣機(jī)的支持，減少了對(duì)物理裝配的依賴20，只需利用計(jì)算機(jī)工具和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)理論將設(shè)計(jì)對(duì)象的三維模型進(jìn)行預(yù)裝配，全面直觀地反映出設(shè)計(jì)意圖和產(chǎn)品裝配結(jié)果。通過零件干涉檢查、運(yùn)動(dòng)配合碰撞檢查、幾何尺寸修改和結(jié)構(gòu)調(diào)整等手段來改善產(chǎn)品設(shè)計(jì)和裝配結(jié)構(gòu)，以滿足產(chǎn)品性能和功能要求，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的小批量、多樣化、柔性化、并行化、交互式的設(shè)計(jì)，提高了產(chǎn)品的質(zhì)量和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，降低了設(shè)計(jì)成本，縮短了開發(fā)周期21。虛擬裝