水潤滑軸承試驗臺設計

1、畢 業(yè) 設 計（論 文）題目 水潤滑軸承摩擦性能試驗臺設計學生姓名： 學生學號： 指導教師： 機械工程 學院 機械設計制造及其自動化 2015年6月15日青島理工大學本科畢業(yè)設計（論文）說明書摘要水潤滑軸承利用新型工程復合材料替代貴重金屬作為高性能傳動件材料，用自然水替代礦物油作為潤滑介質(zhì)，具有高可靠、低噪聲、長壽命、無污染、易維護、耐磨損、高效節(jié)能等一系列顯著優(yōu)勢。但當前針對水潤滑軸承的綜合性能試驗設備和測試手段還不夠完善，不能真實完整地模擬水潤滑軸承及傳動系統(tǒng)的實際工況。針對上述問題，本文研究了一種水潤滑軸承綜合性能實驗平臺，能模擬水潤滑軸承及其傳動系統(tǒng)的復雜工況，可測量水潤滑摩擦副的多項

2、綜合性能參數(shù)。本文的主要研究內(nèi)容如下:研究了一種水潤滑軸承性能實驗臺，并對其關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)進行了計算，對電機型號進行了選擇。介紹了試驗臺的動力與載荷傳遞過程，對實驗中摩擦系數(shù)和軸心位移的測量方案進行了介紹。對中空的實驗主軸進行了結(jié)構(gòu)設計，并對其結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了強度校核。設計了軸承實驗艙以及底座的結(jié)構(gòu)，并對試驗艙與艙體底座之間的聯(lián)接鍵進行強度校核。利用三維建模軟件UG對整個實驗平臺進行了三維實體建模與虛擬裝配?？焖僦庇^的得到了實驗臺的整體三維模型效果圖，用于確定設計對象的結(jié)構(gòu)合理性和可裝配性。 實驗方案中需對主軸施加徑向載荷，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，并完

3、成對軸端軸承的設計，以滿足液壓缸與旋轉(zhuǎn)軸之間的軸端聯(lián)接和試驗加載的要求。關(guān)鍵詞：水潤滑滑滑動軸承，試驗機，機構(gòu)設計，動力學分析，動壓潤滑，靜壓潤滑。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滑動軸承試驗臺的國內(nèi)外研究概況21.4 論文主要研究內(nèi)容6第2章 水潤滑動壓軸承綜合性能試驗臺的總體設計方案72.1 測試對象概述72.2 試驗臺關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)計算82.3 實驗平臺總體方案設計102.3.1 實驗臺的結(jié)構(gòu)102.3.2 實驗測試方案122.4 本章小結(jié)14第3章 軸承實驗臺結(jié)構(gòu)設計與建模153.1 實驗臺的關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)設計153.1.1 試驗主軸的結(jié)構(gòu)設計及強度校核153.1.2 水潤滑軸承實驗艙及支座的設計183.1.3鍵的強度校核203.2實驗臺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)設計244.1 加載系統(tǒng)的設計及主要指標244.2液壓缸的參

14、數(shù)計算254.3 軸端軸承設計254.4 本章小結(jié)26結(jié)論與展望27參考文獻28致謝31附件132附件24646第1章 緒論1.1課題研究背景水潤滑軸承的應用背景，水潤滑軸承在國內(nèi)的研究與應用不斷擴大。例如，中船重工七一九所在國內(nèi)首次研發(fā)成功一種平面板條式水潤滑復合材料艉軸承1。重慶奔騰科技發(fā)展有限公司與重慶大學機械傳動國家重點實驗室合作，聯(lián)合研發(fā)了一系列規(guī)格的BTG水潤滑復合橡膠軸承2，與歐美國家某些產(chǎn)品相比，其關(guān)鍵技術(shù)和性能指標有重大突破，使用壽命比金屬軸承提高了約十倍，比國外同類產(chǎn)品使用壽命提高了約三倍3。其產(chǎn)品已成功運用于各類船舶推進系統(tǒng)，成批量生產(chǎn)規(guī)模，遠銷海內(nèi)外，受到廣泛好評。 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純水液壓系統(tǒng)的可靠性。滑動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的性能、可靠性和使用壽命?；瑒虞S承承載能力大，旋轉(zhuǎn)精度高，徑向尺寸小的優(yōu)點可使得泵或馬達的整體尺寸和結(jié)構(gòu)更為緊湊，更加方便地應用于船艦潛艇等對尺寸空間要求嚴格的特殊場合。同時，滑動軸承可以應用在水或腐蝕性介質(zhì)的工作條件中，這一點使得滑動軸承在水液壓泵或馬達上的應用更加有利。 對于滑動軸承來說，軸承材料、寬徑比、半徑間隙等都直接影響著滑動軸承的承載能力、水膜厚度、水膜溫度等滑動軸承的重要性能指標。滑動軸承的性能好壞對泵的

16、性能有著十分重要的影響。針對水液壓泵的應用環(huán)境合理的選擇滑動軸承的結(jié)構(gòu)參數(shù)，是水液壓泵中軸承設計與選型的重要問題。這個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，針對純水液壓泵的研究，純水滑動軸承試驗臺的研制成為了亟待解決的問題。本課題設計研究的純水滑動軸承試驗臺將會對解決純水液壓泵中軸承的選擇問題提供具有一定價值的參考和依據(jù)，使得純水液壓泵的設計研究更為有效可靠。本課題旨在設計開發(fā)一種主要針對純水液壓泵或馬達中滑動軸承性能測試研究的試驗臺。該試驗臺主要通過改變滑動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，測試出不同參數(shù)下滑動軸承的水膜厚度、水膜壓力、水膜

17、溫度等性能參數(shù)，并且對這些結(jié)果進行比較，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中滑動軸承的選型及設計提供參考和依據(jù)。1.3滑動軸承試驗臺的國內(nèi)外研究概況現(xiàn)有對滑動軸承的研究主要集中在油潤滑滑動軸承，針對水潤滑的滑動軸承試驗臺的研究很少。西安交通大學張國淵、袁小陽4針對火箭發(fā)動機渦輪泵擬采用低粘度介質(zhì)潤滑的滑動軸承進行了高速、重壓及輕載條件下的試驗研究，設計了針對此滑動軸承試驗條件的水潤滑高速動靜壓試驗臺。該試驗臺采用55kW的直流電機驅(qū)動，滑動軸承放置在試驗臺的懸臂端，并用預緊的8根鋼絲定位，實現(xiàn)軸承相對于主軸做平面平行運動。該試驗臺通過在試驗軸承前后端

18、分別安裝2個成 90 度的電渦流傳感器來測試軸承水平和豎直方向的水膜厚度，從而測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行測量。該試驗臺在給定的壓力下，可以測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。試驗臺加載原理圖如圖1.1所示圖1.1 動靜壓軸承實驗裝置圖1-隔振基座 2-定位后擋板 3-試驗用動靜壓軸承 4-實驗軸承附件 5-鋼絲 6-定位前擋板 7-滾動軸承支撐裝置 8-聯(lián)軸器 9-增速箱 10-直流電機 哈爾濱大電機研究所與哈爾濱電機有限責任公司5設計了針對核電主泵、機電一體化泵組的一套水潤滑徑向軸承試驗裝置，采用先進

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

20、要作用。其試驗裝置示意圖如圖1.2所示。圖1.2 實驗臺加載原理圖1-實驗軸承 2-加載軸承 3-加載杠桿 4-軸 5-傳感器圖青島建筑工程學院的教師王優(yōu)強對潛水電泵上最常見的軸承之一八縱向溝水潤滑橡膠軸承的潤滑性能進行了研究。試驗臺由交流電動機(3kW，2880r/min)拖動，通過變頻器來改變電機的頻率實現(xiàn)電機的無級調(diào)速。試驗臺加載系統(tǒng)，供水系統(tǒng)如圖 1.3所示。試驗軸承外套材料為 45 號鋼，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 Ra1.6。試驗軸頸材料為 45 號鋼，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。該試驗臺的試

21、驗重點是測量摩擦系數(shù)。主要是在不同的速度、溫度、載荷、半徑間隙下對摩擦系數(shù)進行測量，得出了在不同的試驗條件下，摩擦系數(shù)隨某一參數(shù)變化的趨勢。這一研究對水潤滑橡膠軸承摩擦性能的研究起了很大的推進作用。趙李福、張巧英等人6對深井潛水電機用水潤滑止推軸承的材料、工藝、結(jié)構(gòu)進行了試驗與應用研究。根據(jù)水潤滑止推軸承的工作條件，經(jīng)試驗研究與實際應用表明，塑料模壓軸承具有結(jié)構(gòu)簡單、成型方便等優(yōu)點。此試驗滑動軸承材料由具有良好水潤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滑軸承填充材料組成。將這些配比材料的樣板進行摩擦磨損試驗，并對比結(jié)果，得出耐磨性最好的塑料材料。

22、在結(jié)構(gòu)工藝方面對推力軸承進行了改進。將止推軸承的棱角改成了R=3mm的圓角，在軸承背面相應地開了 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，將軸承底座進水孔的直徑增大，數(shù)目增加，以提高軸承座孔的進水量，便于水膜的形成。通過如圖 1.4 所示的試驗臺對改進結(jié)構(gòu)的軸承進行試驗，結(jié)果表明，軸承結(jié)構(gòu)和材料的改進對潤滑條件、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 水潤滑軸承試驗臺示意圖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-溫度保護器 8-溫度 9-流量計 10-盤

23、向管 11-溫度計 12-加熱器 13-恒溫水浴槽 14-電動機重慶大學張瑜、王家序等人開發(fā)設計了水潤滑動密封軸承試驗臺。該試驗臺能同時在油、水或油水混合為工作介質(zhì)三種工況下工作，其中油壓達到 32MPa，水壓達到8MPa，油水混合物介于兩者之間。試驗臺采用計量泵精確計量動密封的泄流量，通過計算機檢測和控制系統(tǒng)對動密封的泄漏量、壓力、溫度、摩擦力等因素進行測控，能穩(wěn)定和快速實現(xiàn)對試驗臺的實時控制和檢測。 國外對滑動軸承及其試驗臺做了許多研究，Ugur Ozsarac 等人開發(fā)了可以用于測量滑動軸承摩擦磨損特性的試驗臺。采用該試驗臺對軸承合金材料錫青銅，錫基鉛青銅等在線速度為0.5m/s，試驗力

24、分別為10N、20N和40N 的條件下進行摩擦磨損試驗。試驗時間為2小時。試驗結(jié)束后，測量試件的磨損量，計算摩擦系數(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)了一種針對高溫高速條件下的金屬氣軸承試驗臺7。該軸承主要應用于溫度高達 650的渦輪機中。該試驗臺能夠測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 70000r/min的試驗條件下，測試軸承的承載能力、耐用性等性能參數(shù)。這些性能參數(shù)能夠為渦輪機中氣潤滑軸承的設計提供參考。Dimond Tim，Rockwell RD 等人8研究了一種既可用于油潤滑也可用于水

25、潤滑的滑動軸承試驗臺。此試驗臺主要針對渦輪機組，要求機組的轉(zhuǎn)速高，質(zhì)量輕，載荷穩(wěn)定。根據(jù)彈性流體潤滑的研究分析，合理設計的傾斜墊式滑動軸承能夠使旋轉(zhuǎn)機械的操作更為便利。油潤滑滑動軸承一般適用于高速的渦輪機組，水潤滑的研究數(shù)據(jù)對于機組的研究也非常有參考作用。該試驗臺用來測定滑動軸承的流體潤滑膜，以驗證彈性流體動力潤滑分析的正確性，以滿足工業(yè)的需要。靜壓滑動軸承特性由溫度傳感器、壓力傳感器和位移傳感器測量。動壓滑動軸承的系數(shù)通過軸承磁力驅(qū)動器驅(qū)動轉(zhuǎn)子進行測量。試驗臺的轉(zhuǎn)速范圍為：9000r/min-22000r/min。試驗軸承的尺寸為 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對水潤滑動壓滑動軸承的特性進行了理論分析。利用Navier-Strokes 方程研究了水潤滑條件下，有限寬度動壓滑動軸承一維流場的分布特性。通過使用 Newton-Raphson 迭代技術(shù)得到交界面上壓力的分布情況，進而推測出水潤滑滑動軸承的承載能力。此外，一些國家針對水潤滑滑動軸承的材料也做了一些深入的研究。英國的海沃德泰勒10公司在液壓泵中采用了水潤滑滑動軸承，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。德國的維克斯和米歇爾公司則在深井泵中采用水潤滑橡膠軸承11，即以橡膠材料作軸瓦。加拿大的

27、湯姆遜戈爾登有限公司在船舶尾軸的支承中采用了水潤滑系統(tǒng)，在不銹鋼軸承上復合一層聚合材料做軸瓦12。日本在離心泵中廣泛采用水潤滑軸承，軸瓦材料為滲碳合金13。1.4 論文主要研究內(nèi)容本文主要開展水潤滑軸承綜合性能實驗平臺的總體方案設計、三維建模、理論計算與分析、加載系統(tǒng)分析、等工作。主要研究內(nèi)容如下： 第一章：研究背景及其目的，并列舉了國內(nèi)外的研究成果。第二章：實驗平臺總體方案設計本章首先簡要介紹了實驗臺測試對象水潤滑軸承的潤滑結(jié)構(gòu)、優(yōu)點。并通過查閱資料和計算分析確定實驗臺關(guān)鍵技術(shù)指標，并對電機進行了型號選擇。對水潤滑軸承綜合性能實驗平臺的總體設計進行了研究，提出實驗臺的主要要求及實驗目的。對系

28、統(tǒng)的動力與載荷的傳遞過程進行分析，并對試驗測試方案做了簡單介紹。第三章：對主軸進行強度校核，對水潤滑軸承實驗艙及支座進行設計。對支座中的鍵進行強度校核，對實驗臺進行三維建模，并進行虛擬裝配。第四章：主要介紹了軸端加載系統(tǒng)的設計，并設計了連接主軸與加載器的軸端加載塊。最后全文總結(jié)。通過對動壓、靜壓滑動軸承的參數(shù)的計算，確定軸承的基本設計參數(shù)。以此來選擇試驗臺機械系統(tǒng)驅(qū)動裝置的型號，設計驅(qū)動軸以及軸上零件，確定試驗臺的安裝形式，并對關(guān)鍵零件進行強度校核，如主軸、鍵。提出了試驗軸承關(guān)鍵參數(shù)的測試方案，畫出了實驗臺的三維圖及關(guān)鍵零件的二維圖。第2章 水潤滑動壓軸承綜合性能試驗臺的總體設計方案本章主要介

29、紹了水潤滑軸承的優(yōu)點，測試軸承的技術(shù)參數(shù)，并根據(jù)參數(shù)選定了主軸驅(qū)動電機、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)。設計實驗臺的整體機械結(jié)構(gòu)和動力傳遞系統(tǒng)。并給出了軸承的摩擦系數(shù)、軸心軌跡的測試方法。2.1 測試對象概述水潤滑動壓滑動軸承與傳統(tǒng)的滑動軸承相比具有較大的差別，它是一種用新型工程復合材料替代金屬作為摩擦副材料，用天然水替代潤滑油作為潤滑介質(zhì)，由多曲面圓弧槽襯套和金屬軸承外殼有機結(jié)合為一體的機械傳動部件，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，形成一個整體作為軸承外圈。圖2.1 各種水潤滑軸承實物圖水潤滑軸承的優(yōu)點概述：a) 摩擦系數(shù)?。嘿Y料表明，

30、水潤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)外圈的實際接觸面積。c) 在潤滑水流和軸頸回轉(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。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、沖擊與噪音。橡膠的彈性變形能減少因軸線跳動而引起的軸系震動，降低由安裝誤差產(chǎn)生的附加載荷，減少了振動的發(fā)生。e) 重量

31、輕、成本低、對安裝誤差不敏感：以非金屬代替金屬，有自動調(diào)位的能力，降低成本，減輕重量，機械加工性好。f) 無污染，環(huán)境友好：以水作為潤滑介質(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，在水下時不需要密封裝置，可大大簡化設備結(jié)構(gòu)，降低運轉(zhuǎn)費用。從以上特點可以看出，水潤滑軸承是機械傳動系統(tǒng)研究領(lǐng)域的前沿科技，已廣泛應用于艦船、潛艇、魚雷、離心泵、水泵、水輪機以及數(shù)控機床等機械裝置中，引起人們的普遍關(guān)注，是高效節(jié)能機械傳動系統(tǒng)和科學環(huán)保研究領(lǐng)域的前沿，成為世界各大工業(yè)發(fā)達國家競相研究的一個熱點。 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力。顆粒雜質(zhì)嵌入相對較軟的軸承表面內(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。對水潤滑軸承的摩擦磨損機理進行研究，可為進一步分析與掌握水潤滑摩擦副的失效機理提供

33、關(guān)鍵的科學依據(jù)。 本次測試對象的規(guī)格如下表所示。表2.1 水潤滑軸承的技術(shù)參數(shù)軸承內(nèi)徑（mm）軸承外徑（mm）長度（mm）轉(zhuǎn)速范圍(r/min)軸承的工作壓力p（MPa）1101908003018000.30.52.2 試驗臺關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)計算本實驗臺的主要測試對象為法蘭式大尺寸高比壓的水潤滑軸承，選取水潤滑軸承(110×190×800)作為實驗臺測試對象，進行試驗力計算與驅(qū)動方案設計，其結(jié)構(gòu)如圖2.2所示，技術(shù)參數(shù)見表2.2圖2.2 水潤滑軸承示意圖參考美國標準MIL-B-17901C19中關(guān)于水潤滑軸承轉(zhuǎn)速與摩擦系數(shù)的研究，得出試驗對象水潤滑軸承的轉(zhuǎn)速范圍與摩擦系數(shù)的對應

34、關(guān)系，見表 2.3。表 2.2 測試對象的轉(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： ，得徑向名義實驗力：Fm=(0.30.5)=2640044000， （2.1）p：水潤滑軸承的工作壓力 （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）則實驗中最大徑向力Fmmax=44000N，即加載系統(tǒng)在徑向的最大加載實驗力為44000N。通過計算整理得到試驗轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)對應的摩擦力矩及輸出功率，如表2.4

35、所示。表 2.3 實驗臺的摩擦力、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)此可得所需電機輸出轉(zhuǎn)矩量程及轉(zhuǎn)速，考慮電機的扭轉(zhuǎn)特性和實驗條件的限制，采用變頻電機作為實驗主動力電機，其輸出轉(zhuǎn)矩量程：0290N·m，設計計算時取最大扭矩Tmax=290N·m ，并可用于

36、后續(xù)轉(zhuǎn)矩傳感器的選型。表2.5為電機的主要參數(shù)。表2.4 VFG系列的變頻電機的主要參數(shù)型號電壓基準轉(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)實驗主軸的直徑、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速等參數(shù)，查閱機械設計手冊，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)型號公稱轉(zhuǎn)矩許用轉(zhuǎn)速軸孔直徑軸孔長度重量慣量LT114000N·m1800r/min110mm115mm120kg2.1kg·m22.3 實驗平臺總體方案設計針對目前水潤滑軸承實驗臺的不足和對綜

37、合性能實驗平臺的迫切需求，本文研究了一種水潤滑軸承及傳動系統(tǒng)綜合性能實驗平臺。該實驗平臺能對水潤滑軸承與軸的滑動摩擦副在一定轉(zhuǎn)速和載荷、閉式循環(huán)水潤滑的條件下，模擬水潤滑軸承及其傳動系統(tǒng)的復雜工況，在線檢測水潤滑軸承工作轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、摩擦特性、軸心軌跡等各項綜合性能技術(shù)指標，將測試數(shù)據(jù)輸入計算機進行分析、處理、存儲和顯示。2.3.1 實驗臺的結(jié)構(gòu)以下為試驗臺要求:i. 試驗對象為大尺寸高比壓水潤滑軸承，需要加載系統(tǒng)在保證結(jié)構(gòu)安全的同時，能提供足夠的試驗載荷；ii. 對試驗軸的伸出端施加徑向靜態(tài)或動態(tài)載荷，以模擬水潤滑軸承在實際工作時，由于螺旋槳懸重而偏斜所造成的邊緣負載；iii. 底座作為其他部

38、件的主要安裝基礎，具有耐磨、吸振減振的特點，能承受較大的沖擊，適用于模擬激振加載的工況。根據(jù)實驗要求，對實驗臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行設計如圖2.4所示。圖2.4 方案二的實驗臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖1-鑄鐵平臺 2-變頻電機 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-軸承實驗艙 9-加載框架 10-水平方向液壓缸 11-豎直方向液壓缸在該實驗臺方案中，加載結(jié)構(gòu)選用大型龍門框架，結(jié)構(gòu)牢固，底部與鑄鐵平臺相連接，對于施加載荷較大的試驗測試時，安全更能得到保障。用液壓伺服系統(tǒng)作為加載動力源，其特點是能提供較大的載荷，正符合本實驗臺研究對象大尺寸高比壓水潤滑軸承的實際受載情況。加

39、載系統(tǒng)對試驗軸的伸出端施加徑向靜態(tài)或動態(tài)載荷，模擬水潤滑軸承的實際工作情況。因?qū)嶒瀸ο笾饕獮檩S向直槽式，而非螺旋槽式水潤滑軸承，所受軸向載荷不是該實驗臺的主要研究因素，此處不設置軸向加載裝置進行試驗測試。根據(jù)實驗臺的設計方案進行進一步具體設計，該實驗臺主要由驅(qū)動部分、機械傳動部分、加載部分、測控部分以及輔助部分組成， 1. 驅(qū)動部分采用變頻電機方案，選用變頻器對電機調(diào)速，該驅(qū)動方案具有響應速度快、效率高、運行平穩(wěn)、機械部分簡單等優(yōu)點。2. 機械傳動部分包括高彈性梅花聯(lián)軸器、彈性柱銷聯(lián)軸器、試驗軸、中間軸承、水潤滑軸承、軸承前后密封裝置等。其中高彈性聯(lián)軸器連接于電機輸出軸和轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速檢測器，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水潤滑機械傳動系統(tǒng)起到密封作用。3. 加載部分采用液壓加載，選用2個直線伺服液壓缸，配備二通道全數(shù)字液壓伺服協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，實現(xiàn)兩個相互垂直方向的徑向協(xié)調(diào)加載，包括靜態(tài)加載和動態(tài)加載。靜態(tài)加載為施加大小范圍內(nèi)和任意方向的試驗力。動態(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. 測控部分包括工控機及控制系統(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、軸心軌跡等測試。5. 輔助部分主要由循環(huán)水系統(tǒng)、潤滑泵、冷卻水塔等組成。該系統(tǒng)的主要功能有：1）能對循環(huán)水系統(tǒng)的

41、水溫進行自動控制；2）能對循環(huán)水系統(tǒng)的水壓和流量進行手動調(diào)節(jié)控制。實驗臺工作時，系統(tǒng)動力由變頻電機提供，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，將動力傳遞給軸承試驗艙中的試驗軸。水潤滑軸承安裝于試驗艙中，并支承試驗主軸。液壓缸通過對軸端軸承的加載，實現(xiàn)對試驗主軸施加徑向載荷。2.3.2 實驗測試方案實驗平臺的測試系統(tǒng)主要由軸承摩擦系數(shù)測試裝置、軸心軌跡測試裝置等組成，在控制系統(tǒng)的協(xié)調(diào)下，對試驗軸施加載荷，水潤滑軸承與試驗軸相對轉(zhuǎn)動形成摩擦副以模擬實際工況，通過各測試裝置對處于復雜工況下的水潤滑軸承及傳動系

42、統(tǒng)進行測試。輸入工控機的數(shù)據(jù)信息經(jīng)過分析處理，可用實時動態(tài)圖表直觀顯示測試結(jié)果，實現(xiàn)對水潤滑摩擦副傳動系統(tǒng)進行綜合性能實驗測試，以用于水潤滑摩擦副的承載、失效機理與演化規(guī)律等關(guān)問題的研究。1) 摩擦系數(shù)測試本實驗臺通過測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。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)水潤滑軸承的設計與優(yōu)化改進提供重要的參數(shù)依據(jù)。其摩擦系數(shù)表達式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置彈性柱銷聯(lián)軸器，以

43、過濾傳動過程中的沖擊和振動，提高數(shù)據(jù)測試的準確性。2) 實驗軸軸心軌跡測試從轉(zhuǎn)子動力學、軸承學的理論上分析，大型旋轉(zhuǎn)機械的運行狀態(tài)主要取決于其核心部件轉(zhuǎn)軸，軸心軌跡測試有利于研究軸運轉(zhuǎn)狀態(tài)對水潤滑軸承的承載能力、失效機理、摩擦學性能的影響。電渦流位移傳感器系統(tǒng)的工作機理是電渦流效應，傳感器工作時在被測金屬表面產(chǎn)生電渦流效應，當探頭與被測金屬面之間的距離變化時，金屬表面上的電渦流所產(chǎn)生的磁場使探頭與前置器所構(gòu)成的振蕩器的阻抗發(fā)生變化，從而實現(xiàn)其位移到電壓的信號轉(zhuǎn)換。圖2.10 軸心軌跡測試原理采用兩點測量法21，在水潤滑軸承所對應的水平和豎直方向（互成 90°）各安裝一個電渦流位移傳感

44、器，以提供位移信號，檢測試驗軸沿 X 向和 Y 向的跳動幅度，如圖 2.10 所示。通過軸心軌跡動態(tài)信號分析儀對電渦流傳感器測得的數(shù)據(jù)進行及時記錄、存儲、分析，從而得到軸心軌跡的實時曲線。圖中，O、O¢分別為水潤滑軸承軸瓦和實驗軸的圓心，坐標 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)測距離。將測量計算得到的A， 、B，坐標分別帶入軸的標準圓方程 可得方程組 （2.3）求解方程組（2.3）可得軸心坐標O(x，y)，其為軸心相對于軸承的運動

45、軌跡，反映了軸心的瞬時運動狀況。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)本章首先簡要介紹了實驗臺測試對象水潤滑軸承的潤滑結(jié)構(gòu)、優(yōu)點。并通過查閱資料和計算分析確定實驗臺關(guān)鍵技術(shù)指標，并對電機進行了型號選擇。對水潤滑軸承綜合性能實驗平臺的總體設計進行了研究，提出實驗臺的主要要求及實驗目的。對系統(tǒng)的動力與載荷的傳遞過程進行分析，并對試驗測試方案做了簡單介紹。第3章 軸承實驗臺結(jié)構(gòu)設計與建模對主軸進行強度校核，對水潤滑軸承實驗艙及支座進行設計。對支座中的鍵進行強度校核，對實驗臺進行三維建模，并進行虛擬裝配。3.1 實驗臺的關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)設計實驗平臺的機械結(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、試驗主軸、密封軸、水潤滑軸承、軸承密封裝置等組成。由變頻電機產(chǎn)生的驅(qū)動力通過傳動部件傳遞到與被測對象相配合的試驗軸上，在水潤滑軸承與試驗軸相對運動的過程中，完成對水潤滑軸承及其傳動系統(tǒng)不同工況的模擬，為接下來的試驗測試提供條件。將上一章中的方案圖細化設計，得到實驗臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，如圖3.1所示。其中，電機、變頻器、中間軸承、水潤滑密封裝置、傳感器等都為標準件，只要根據(jù)實驗平臺的技術(shù)要求進行選取即可。而試驗主軸、密封圈、軸承試驗艙、試驗艙底座、傳感器支座、鑄鐵平臺、軸端軸承等為設計加工零部件，需自行設計與加工。由于篇幅所限，本章僅介紹關(guān)

47、鍵部件中的試驗軸、軸承試驗艙、試驗艙底座的結(jié)構(gòu)設計。3.1.1 試驗主軸的結(jié)構(gòu)設計及強度校核試驗軸作為傳動部分中傳遞轉(zhuǎn)速和扭矩的關(guān)鍵部件，并與測試對象直接配合，其結(jié)構(gòu)設計要考慮到強度要求、與前后傳動件的聯(lián)接。同時，還要滿足一系列水潤滑軸承的測試試驗要求，應引起足夠的重視，需對其進行詳細的結(jié)構(gòu)設計與強度校核。1) 軸的結(jié)構(gòu)設計在滿足結(jié)構(gòu)強度和剛度的條件下，考慮節(jié)省材料，試驗主軸的內(nèi)部采用中空結(jié)構(gòu)?？紤]到實驗過程中，試驗軸與水潤滑軸承之間充滿了一定壓力的自然水，在試驗軸兩端的階梯軸設計用于安裝 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，干擾和破壞實驗環(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滑劑，且軸會承受較大的載荷，根據(jù)標準GB/T1220-2007 和實際情況，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 的基礎上加入了一定量的 Ni，提高了材料的抗腐蝕性能和綜合機械性能。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)熱處理拉伸強度屈服強度彈性模量泊松比淬火980MPa780MPa211GPa0.3假設試驗軸的安裝配合可靠，將裝配在一起的試驗軸作為一個整體，進行尺寸設計和強度校核。進行軸的設計時，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)設計的依據(jù)。由測試對象尺寸可確定試驗軸的外徑為1

49、10mm，應對中空結(jié)構(gòu)的最大內(nèi)徑d進行設計計算。對軸進行必要的簡化后，繪出軸的計算簡圖如圖3.4所示，并標出作用力的大小、方向和作用點。AD端代表整個試驗軸，在試驗主軸與水潤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)軸器對試驗軸施加反向力矩T ；B、C 點為試驗艙底座支承，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力Fmax=1.2105 N ；其中，L1=300mm，L2=800mm，L3=400mm 。試驗軸所受彎矩遠大于扭矩，所以此處運用彎曲強度計算方法來估算中空結(jié)構(gòu)的最大內(nèi)徑d，計算時只考慮軸所承受的彎矩，而用降低許用

50、應力的方法來考慮扭矩的影響。圖3.5試驗軸的彎矩圖和扭矩圖經(jīng)分析得到試驗主軸受到的最大扭矩Tmax=242N·m ，最大彎矩Mmax=F1·L3=44kN 400mm =17600N·m 。由材料力學的知識可得，軸受徑向載荷作用時，其彎曲強度條件為51 （3.1）式中：-軸的彎曲應力M-軸受到的彎矩Wt-軸的抗扭截面模量，對于空心圓軸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，對于重要的構(gòu)件或處于動載荷情況下，ns=39?？紤]實際情況和扭矩的影響，此處取

51、ns=8，則。 （3.3）由式（3.1）可得軸的設計公式： （3.4）帶入數(shù)據(jù)得：d66mm應用上式求出的值，一般作為軸受載荷作用段中空結(jié)構(gòu)的最大直徑。因計算的軸段分布有內(nèi)螺紋徑向孔，一定程度會削弱軸的強度，作為補償，適當減小軸孔內(nèi)徑理論計算值，將中空結(jié)構(gòu)內(nèi)徑圓整后，取d 66mm（1-5%）62mm。3) 試驗軸的強度校核對于一般的軸，可用第三強度理論求出危險截面的當量應力，其強度條件為 （3.5）式中：-彎矩M產(chǎn)生的彎曲應力；-是扭矩T產(chǎn)生的切應力。對與圓軸有如下公式， （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)校核計算，試驗軸的強度滿足要求。3.1.2 水潤滑軸承實驗艙及支座的設計軸承試驗艙兩端分別與水潤滑密封裝置連接，從外至里依次安裝有軸承套筒、水潤滑軸承、試驗軸。試驗艙內(nèi)徑與套筒外徑配合，水潤滑軸承外徑與套筒內(nèi)徑配合，水潤滑軸承內(nèi)徑與試驗主軸外徑配合，由入水口注水，主軸相對于軸承轉(zhuǎn)動，形成水潤滑軸承工作環(huán)境。軸承試驗艙中各零部件的裝配結(jié)構(gòu)如圖 3.7所示。 圖 3.7 軸承試驗艙中各零部件的裝配結(jié)構(gòu)1-試驗主軸 2-前端套筒 3-試驗艙支座 4-軸承試驗艙 5-水潤滑軸承 6-后端套筒 7-進水孔 8-密封圈 9-出水孔 10-隔水密封圈 軸

53、承各零件的作用簡介：軸承內(nèi)圈與軸承外圈相對運動形成潤滑水膜，潤滑水從進水孔9進入然后從出水孔7排出，水從下往上流動可以使整個實驗艙充滿水，套筒在這里的作用是減小實驗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是為了把實驗軸承固定到實驗臺上。支承軸承試驗艙的底座采用剖分式結(jié)構(gòu)，分作上下兩部分，將試驗艙環(huán)抱，方便軸承試驗艙的安裝與拆卸。在試驗艙上底座設有吊耳的安裝螺紋，方便起吊。試驗艙下底座設有雙向 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上。試驗艙底座的二維圖如圖3.10所示。圖3.

54、10 實驗艙底座的平面圖1.支座上半圓 2.支座下半圓 3.螺栓3.1.3鍵的強度校核在試驗艙與其底座之間設置有鍵聯(lián)接，用于艙體的周向定位。需對鍵的強度進行校核，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，所以通常只進行鍵的擠壓強度計算。鍵為標準件，其截面尺寸按軸承實驗艙外徑D=190mm，查閱標準知該處應選b*h=45x25，其長度可根據(jù)試驗艙底座長度來確定。此處選用L=110mm。假設工作壓力沿鍵的長度和高度方向均布，則其聯(lián)接時強度條件為： （3.8）-鍵聯(lián)接處工作面的擠壓應力；T-鍵所受轉(zhuǎn)矩，T=242N·md 試驗艙的直徑， d =190mm ； 鍵的工作長度，選

55、用 B型平頭鍵，則, L 為鍵長，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，所選鍵滿足強度要求。3.2實驗臺的三維建模與虛擬裝配隨著計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，使計算機輔助設計技術(shù)在機械設計領(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)是計算機輔助設計研究領(lǐng)域的重要組成部分，它不需要物理實物樣機的支持，減少了對物理裝配的依賴20，只需利用計算機工具和虛擬現(xiàn)實技術(shù)理論將設計對象的三維模型進行預裝配，全面直觀地反映出設計意圖和產(chǎn)品裝配結(jié)果。通過零件干涉檢查、運動配合碰撞檢查、幾何尺寸修改和結(jié)構(gòu)調(diào)整等手段來改善產(chǎn)品設計和裝配結(jié)構(gòu)，以滿足產(chǎn)品性能和功能要求，實現(xiàn)產(chǎn)品的小批量、多樣化、柔性化、并行化、交互式的設計，提高了產(chǎn)品的質(zhì)量和市場競爭力，降低了設計成本，縮短了開發(fā)周期21。虛擬裝