滾動(dòng)軸承疲勞壽命試驗(yàn)臺的設(shè)計(jì)

1、第1章 緒論1.1課題研究的目的和意義滾動(dòng)軸承是機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)中重要的零部件，是旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)中的重要組成部分之一，具有承受載荷和傳遞動(dòng)運(yùn)動(dòng)的作用?？墒牵瑵L動(dòng)軸承是機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)主要故障來源之一，有數(shù)據(jù)結(jié)果分析表明：旋轉(zhuǎn)機(jī)器中有35%的故障都與軸承的失效相關(guān)，軸承能夠使用多久和可靠性的大小直接影響到機(jī)器系統(tǒng)的整體性能。為此在對軸承的加速老化試驗(yàn)和加速壽命試驗(yàn)，對于研究軸承的故障演變規(guī)律和失效原理有著很重要的意義。在20世紀(jì)前期，Lundberg和Palmgren對5210的滾動(dòng)軸承做了很多試驗(yàn)，根據(jù)1400多套滾子軸承、球軸承的壽命試驗(yàn)結(jié)果，在Weibull分布理論的基礎(chǔ)上，通過研究得到了壽命與負(fù)載的方程式，

2、稱為L-P公式。伴隨我國軸承制造技術(shù)的不斷發(fā)展，軸承的幾何結(jié)構(gòu)和制造精度得到了相當(dāng)高的提升和改進(jìn)。目前，在市場上有幾百種不一樣型號的滾動(dòng)軸承?，F(xiàn)在的5210軸承鋼的材料和制造精度比以前的要好，而且現(xiàn)在在材料的選擇上已近不局限于軸承鋼?，F(xiàn)在生產(chǎn)軸承的原料包括合金鋼，陶瓷，軸承鋼和塑料等。為此，為了評估新材料的處理工藝，新材料和新幾何結(jié)構(gòu)的滾動(dòng)軸承的磨損壽命，還得對滾動(dòng)軸承做疲勞壽命試驗(yàn)。另外由于加工技術(shù)的提高和材料科學(xué)的發(fā)展，使用時(shí)潤滑條件的改善，軸承能夠使用的時(shí)間越來越長。來自工業(yè)和武器等方面的需求也助推了滾動(dòng)軸承箱相當(dāng)好的方向發(fā)展。比如發(fā)電設(shè)備，排水設(shè)備等要求軸承工作時(shí)間連續(xù)不間斷的十幾二十

3、幾的小時(shí)不間斷的無故障運(yùn)行10000-20000個(gè)小時(shí)，折算一下相當(dāng)于與連續(xù)工作11-22年并且中間沒有出現(xiàn)任何故障，即使是電動(dòng)工具、一般機(jī)械和家用電器等對壽命的要求相對較低的使用場景也要求軸承無故障的間斷或不間斷的工作4000-8000小時(shí)。因此，在很多情況下，研究軸承的壽命必須利用加速疲勞壽命試驗(yàn)方法來獲得軸承在高應(yīng)力的疲勞壽命，并且通過加速實(shí)驗(yàn)的結(jié)果來估計(jì)不一樣應(yīng)力水平下的疲勞壽命，以減少試驗(yàn)時(shí)的成本和時(shí)間。 1.2 國內(nèi)疲勞試驗(yàn)臺的現(xiàn)狀 國內(nèi)最早的疲勞壽命試驗(yàn)平臺產(chǎn)品都是從前蘇聯(lián)引進(jìn)，采用剖分式試驗(yàn)主體，在國內(nèi)稱之為第一種機(jī)型。經(jīng)過改造，在我國重要的軸承試驗(yàn)臺生產(chǎn)廠先后制造出了名為系列

4、的軸承壽命試驗(yàn)臺，以滿足當(dāng)下我國軸承生產(chǎn)公司對軸承使用時(shí)間的要求，以此，同時(shí)為剛剛開始不久的我國軸承疲勞壽命試驗(yàn)累積了一定的試驗(yàn)參考依據(jù)。 第一個(gè)試驗(yàn)臺機(jī)型結(jié)構(gòu)包括徑向加載油缸、軸、中承載體、2個(gè)端承載體和試驗(yàn)主軸。試驗(yàn)臺的主要結(jié)構(gòu)拼接后安裝在主體被剖分了的底座內(nèi)，試驗(yàn)主軸由聯(lián)軸器和傳動(dòng)主軸連接，傳動(dòng)主軸的動(dòng)力經(jīng)過帶輪靠電機(jī)帶動(dòng)變速傳動(dòng)。豎向和橫向的施加載荷的油缸依次同手動(dòng)加壓缸結(jié)合，利用扭轉(zhuǎn)促使手動(dòng)加壓缸活塞得到不一樣的壓力。這種試驗(yàn)臺在我國使用比較廣泛，為軸承制造業(yè)的進(jìn)步發(fā)揮了很大的作用。這種試驗(yàn)臺的優(yōu)點(diǎn)在于：容易保障試驗(yàn)精度，結(jié)構(gòu)簡單；傳動(dòng)結(jié)構(gòu)是皮帶傳動(dòng)，由帶輪來改變速度，結(jié)構(gòu)單一；加載

5、是手動(dòng)加壓缸增加壓力，能量消耗少；試驗(yàn)主軸和傳動(dòng)主軸由聯(lián)軸器連接在一起，布局正當(dāng)，容易獲得高速轉(zhuǎn)動(dòng)，可是不好的地方：載荷和轉(zhuǎn)速的調(diào)整，溫度數(shù)據(jù)的采錄和檢測振動(dòng)都是要人工操作，試驗(yàn)員工作量較大；傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的皮帶易打滑易發(fā)熱而造成危險(xiǎn)；加壓油缸在試驗(yàn)時(shí)容易泄露從而引起壓力不足或發(fā)熱引起壓力變高時(shí)必須人為的更改，小軸承試驗(yàn)支撐之間的距離比較大，不能實(shí)現(xiàn)較大載荷實(shí)驗(yàn)。1.3 我校實(shí)驗(yàn)室的試驗(yàn)臺情況之前設(shè)計(jì)的試驗(yàn)臺如圖1-1，這個(gè)試驗(yàn)臺結(jié)構(gòu)包括主實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)、固定框架、徑向加壓結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝在固定的機(jī)架下面，主結(jié)構(gòu)安裝于機(jī)架的上面。主實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)由主軸、被測軸承和支撐軸承構(gòu)成。支撐軸承安置在主軸的中

6、心位置，試驗(yàn)軸承安置在主軸的一端，驅(qū)動(dòng)電機(jī)由同步帶帶著主軸旋轉(zhuǎn)，徑向加載依靠液壓泵提供載荷，安裝在支架的底下。通過控制液壓泵對被測軸承施加徑向壓力。這個(gè)試驗(yàn)臺采用的是液壓加載，有利于加載載荷大小的控制，主軸和電動(dòng)機(jī)通過帶傳動(dòng)，能夠?qū)崿F(xiàn)過載保護(hù)，主軸和被測軸承之間用錐形結(jié)構(gòu)連接，一邊實(shí)現(xiàn)軸承的快換。圖1-1滾動(dòng)軸承試驗(yàn)臺1、驅(qū)動(dòng)電機(jī)2、同步帶3、主軸4、支撐軸承的安裝位5、支撐軸承6、支撐軸承的安裝位7、螺栓8、軸套9、溫度傳感器10、加速度傳感器11、被測軸承座12、被測軸承13、錐型套14、軸承端蓋15、固定框架16、液壓缸17、上輸油管18、下輸油管19、二通閥20、壓力表21、液壓泵22

7、、支撐軸承圖1-2試驗(yàn)臺布局圖圖 1-3 試驗(yàn)臺受力圖如上圖在實(shí)驗(yàn)的過程中，由于受力不平衡造成了一個(gè)彎矩使支撐軸承出現(xiàn)偏移，支撐軸承的外圈出現(xiàn)過度磨損。這可能是由于布局的不規(guī)范和設(shè)計(jì)的不合理導(dǎo)致試驗(yàn)臺的壽命過短，沒有起到很大的實(shí)際作用，而且又要長時(shí)間的不間斷工作，導(dǎo)致液壓加載系統(tǒng)漏油，不能施加穩(wěn)定的載荷，是實(shí)驗(yàn)的結(jié)果得不到很好的保證。1.4 本文研究的內(nèi)容本文主要研究內(nèi)容如下：（1）研究并確定軸承試驗(yàn)臺的總體設(shè)計(jì)思路。（2）試驗(yàn)臺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：包括支撐軸承的選用，主軸設(shè)計(jì)、傳動(dòng)軸設(shè)計(jì)、帶及帶輪的設(shè)計(jì)并完成試驗(yàn)臺的PRO/E三維造型。（3）加載方式設(shè)計(jì)：確定施加載荷的形式、設(shè)計(jì)施加載荷方案、繪制原理

8、圖。（4）建立主軸的力學(xué)模型，來校驗(yàn)試驗(yàn)臺的設(shè)計(jì)是不是合理，滿足設(shè)計(jì)的要求。第2章 試驗(yàn)臺總體方案設(shè)計(jì)滾動(dòng)軸承試驗(yàn)臺應(yīng)該包括機(jī)械系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、加載系統(tǒng)及輔助設(shè)備。機(jī)械系統(tǒng)由試驗(yàn)部分、支撐部分及傳動(dòng)部分組成。2.1 軸承概況滾動(dòng)軸承通常包括外圈、內(nèi)圈、滾動(dòng)體及保持架。在特殊情況時(shí)，可以沒有外圈和內(nèi)圈，由其他相應(yīng)的零部件替代。為了需要，有的軸承裝有防塵套、安設(shè)調(diào)節(jié)用的緊定套和密封圈。2.1.1 套圈 軸承的內(nèi)圈一般裝配在軸上，和軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)。軸承外圈一般裝在機(jī)殼或軸承座內(nèi)起支撐作用，有些軸承是內(nèi)圈固定起支撐作用，外圈轉(zhuǎn)動(dòng)。比如汽車輪轂軸承。如圖2-1所示。 a)深溝球軸承內(nèi)圈 b)深溝球軸承外圈

9、圖2-1 軸承內(nèi)外圈2.1.2 滾動(dòng)體滾動(dòng)軸承中滾動(dòng)體是絕對少不了的零件，只有通過滾動(dòng)體才能形成滾動(dòng)摩擦。滾動(dòng)體的類型有圓柱滾子、鋼球、圓錐滾子、滾針和球面滾子。圓柱滾子可以分為空心圓柱滾子、長圓柱滾子和端圓柱滾子；球面滾子可以分為非球面滾子和球面滾子。滾頂體是數(shù)量及體積能夠影響到軸承的承載能力。圖2-2是滾動(dòng)軸承的滾動(dòng)體。 a)鋼球 b)圓柱滾子和滾針 c)球面滾子 d）圓錐滾子圖 2-2 滾動(dòng)體2.1.3 保持架保持架的功用是將軸承里面的滾動(dòng)體依次按比例的分離，使?jié)L動(dòng)體與內(nèi)圈或外圈獨(dú)立組成組合件，使?jié)L動(dòng)體在軌道上的運(yùn)動(dòng)時(shí)是正確的，能夠提高軸承里面的潤滑和載荷分配能力。附帶保持架的軸承摩擦小

10、，更多用于高速旋轉(zhuǎn)的情況下。保持架有兩種，一種是實(shí)體保持架，另一種是沖壓保持架。實(shí)體保持架通常用壓鑄、車制、注塑等方法制成。沖壓保持架通過金屬板材的沖壓形成，結(jié)構(gòu)有冠形、浪形、和窗形。保持架的原料一般有銅鋁合金、鑄鐵、鋼和工程塑料等。圖 2-3為普通滾動(dòng)體保持架。 圖 2-3 保持架2.1.4 密封圈和防塵蓋 密封圈的作用是將軸承內(nèi)部和外界隔離開來，對滾動(dòng)體、滾道和保持架形成封閉的環(huán)形罩。一部分可以裝配在軸承的支撐部位上，另一部分固定在墊圈或套圈上，也可以直接裝配在軸承上。結(jié)構(gòu)有兩類，一類是接觸式，另一類是非接觸式密封。接觸式密封的軸承和密封圈接觸，封閉效果良好，但是摩擦力矩比較大，溫度升高較

11、快；非接觸式密封采用的是小縫隙的封閉方式，摩擦小，因此溫度升高較慢而且沒有磨損，比較適合于高速轉(zhuǎn)動(dòng)。密封圈的取材一般為橡膠。2.2 被測軸承的參數(shù)被測軸承參數(shù)表如下表2-1所示。被測軸承模型如圖2-4。表2-1 6205滾動(dòng)軸承參數(shù)表內(nèi)徑外徑寬度基本額定動(dòng)載荷基本額定靜載荷最大工作轉(zhuǎn)速25521514.07.8812000圖 2-4 6205滾動(dòng)軸承2.3 實(shí)驗(yàn)室電機(jī)參數(shù)實(shí)驗(yàn)室電機(jī)數(shù)據(jù)表如下表2-2所示。電機(jī)模型如圖2-5。表 2-2 Y系列電動(dòng)機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)（）堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩質(zhì)量額定轉(zhuǎn)矩額定轉(zhuǎn)矩同步轉(zhuǎn)速3000r/min，2極Y80M1-20.7528252.22.316圖 2-5 Y80M1-2電機(jī)

12、2.4 試驗(yàn)臺方案設(shè)計(jì)及選用軸承試驗(yàn)臺的機(jī)械部分重要組成結(jié)構(gòu)包括：試驗(yàn)臺支架、加載結(jié)構(gòu)、傳動(dòng)體系、實(shí)驗(yàn)主軸等其他輔助設(shè)備等。軸承試驗(yàn)臺方案一如下圖2-6所示：1、 試驗(yàn)軸承 2、試驗(yàn)軸 2、支撐軸承 4、支撐軸承 5、聯(lián)軸器 6、電機(jī)圖 2-6 試驗(yàn)臺方案一由圖2-6 所示，試驗(yàn)臺選用了臥式的布局，主軸由兩個(gè)滾動(dòng)軸承支撐，左端裝上被測的實(shí)驗(yàn)軸承，右端與聯(lián)軸器連接，聯(lián)軸器和電機(jī)連接。主軸只做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，不直接加載任何壓力，載荷加載在試驗(yàn)軸承的外圈上，試驗(yàn)軸承可以更換。動(dòng)力由電機(jī)通過聯(lián)軸器傳遞給主軸。加載方式通過杠桿施加徑向載荷。受力分析如下圖2-7所示：試驗(yàn)主軸左端受向下的徑向力，由兩個(gè)支撐軸承提

13、供兩個(gè)相反的支反力。由于電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，試驗(yàn)主軸同時(shí)也受到由聯(lián)軸器傳過來的扭矩。通過分析可知，試驗(yàn)主軸受到的彎矩不平衡，試驗(yàn)主軸有向左下方傾斜的趨勢，這不利于試驗(yàn)正常的運(yùn)行，會縮短試驗(yàn)臺的壽命，使試驗(yàn)結(jié)果得不到很好的保證，所以此方案不過合理。圖 2-7 試驗(yàn)主軸受力分析圖軸承試驗(yàn)臺方案二如下圖2-8所示：圖 2-8 試驗(yàn)臺方案二如上圖所示，試驗(yàn)臺采用的也是臥式結(jié)構(gòu)，主要由試驗(yàn)部分和傳動(dòng)部分構(gòu)成。試驗(yàn)主軸被兩個(gè)滾動(dòng)軸承支撐，左右兩端各裝配了一個(gè)試驗(yàn)軸承。試驗(yàn)主軸和傳動(dòng)軸通過聯(lián)軸器連接來傳遞運(yùn)動(dòng)，傳動(dòng)軸也由一對滾動(dòng)軸承支撐著，中間通過鍵槽裝配一個(gè)帶輪，帶輪經(jīng)由皮帶與電動(dòng)機(jī)上的帶輪相連，從而傳遞運(yùn)動(dòng)。試驗(yàn)

14、主軸和傳動(dòng)軸沒有直接施加任何壓力，壓力通過杠桿加載在試驗(yàn)軸承的外圈上，載荷為徑向載荷，試驗(yàn)軸承能夠替換。試驗(yàn)主軸受力如下圖2-9所示：圖 2-9 試驗(yàn)主軸受力圖由上試驗(yàn)主軸受力圖可知，試驗(yàn)主軸兩端受到相同的向下的壓力，中間由一對滾動(dòng)軸承提供了兩個(gè)支反力。試驗(yàn)主軸由于通過傳動(dòng)軸來獲得動(dòng)力，所以所受扭矩主要由傳動(dòng)軸來承受，試驗(yàn)主軸幾乎不受任何扭矩影響。所以方案二的有點(diǎn)在于：試驗(yàn)主軸受力分布較合理，沒有向任何方向傾斜的趨勢，帶輪傳動(dòng)能夠起到良好的過載保護(hù)。經(jīng)過反復(fù)研究和討論，選用第二類方案。PRO/E三維造型如下圖2-10所示。圖 2-10 試驗(yàn)臺傳動(dòng)結(jié)構(gòu)模型2.5 試驗(yàn)臺的測試系統(tǒng)試驗(yàn)臺的測試結(jié)構(gòu)

15、由數(shù)據(jù)收集部分和數(shù)據(jù)分析部分組成。數(shù)據(jù)收集部分由加速傳感器和溫度傳感器兩部分構(gòu)成；加速度傳感器和溫度傳感器安裝在試驗(yàn)軸承箱上，通過數(shù)據(jù)線將加速度傳感器和溫度傳感器分別與加速度和溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相連接，通過數(shù)據(jù)線將加速度和溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和電腦計(jì)算機(jī)輸入接口連接，從而獲得加速度信號和溫度信號。2.6 加載結(jié)構(gòu)的確定滾動(dòng)軸承試驗(yàn)臺的實(shí)際要求是要完成在被試軸承施加徑向壓力4KN，徑向壓力的方向豎直向下，壓力穩(wěn)定不變。試驗(yàn)臺的加載種類有三種可以選擇，分別是電加載、機(jī)械加載、和液壓加載，一般都能滿足試驗(yàn)要求，不一樣的加載方法的好處和壞處不一樣，性能要求也不一樣，需要采取哪種加載方法必須根據(jù)實(shí)際的情況來抉

16、擇。2.6.1 電加載大多數(shù)情況下電加載的原理是電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)經(jīng)過帶輪傳動(dòng)或者齒輪傳動(dòng)等傳到被試驗(yàn)軸承的表面，電加載的方式振動(dòng)大，噪聲大，試驗(yàn)的轉(zhuǎn)速受到了約束并且可靠性不行?，F(xiàn)在的電加載形式主要是采用中頻交流電來驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)主軸進(jìn)行加載，這樣電機(jī)軸就變成了一臺轉(zhuǎn)速高、功率大、剛度強(qiáng)、可靠度強(qiáng)、精度高中頻電動(dòng)機(jī)。電加載有下面一些優(yōu)點(diǎn)： （1）較高的轉(zhuǎn)動(dòng)速度 這樣的電機(jī)軸轉(zhuǎn)速可以達(dá)到每分鐘十幾萬轉(zhuǎn)，這個(gè)特點(diǎn)尤其明顯。 （2）較高的傳動(dòng)精度電機(jī)軸的傳動(dòng)精度高、噪聲小，只是向試驗(yàn)主軸傳輸轉(zhuǎn)矩，如果使用的是高彈性式聯(lián)軸器，那么就能夠消除試驗(yàn)主軸和電機(jī)軸之間同軸度誤差和振動(dòng)的互相傳遞帶來的不好的影響。 （3

17、）容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)監(jiān)控利用計(jì)算機(jī)來控制電機(jī)的輸出頻率，可以使得電機(jī)軸的轉(zhuǎn)速成為有節(jié)奏的周期性改變。能夠測試出電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，向電機(jī)進(jìn)行反饋以便保證電機(jī)軸轉(zhuǎn)速和試驗(yàn)要求一樣。 （4）較高的傳動(dòng)效率電機(jī)軸和試驗(yàn)主軸的軸承連接或者是連接為一體，它們之間沒有其他任何的裝置能夠消耗功率。 （5）安裝比較方便根據(jù)實(shí)際需求，一般將電機(jī)軸裝成為立式或臥式或者和試驗(yàn)主軸連為一體。電加載一般用在需要持續(xù)回轉(zhuǎn)加載的情況下，它的不好在于加載結(jié)構(gòu)的體積龐大，當(dāng)給軸承試驗(yàn)臺加載時(shí)電機(jī)處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)，由考慮電機(jī)的散熱情況，這種加載方式不適合長期工作。2.6.2 液壓加載液壓加載的動(dòng)力來源于電機(jī)，經(jīng)過液壓泵把機(jī)械能轉(zhuǎn)化為壓力。通

18、過掌控各個(gè)閥門來掌管液壓油的流動(dòng)方向，從而來帶動(dòng)液壓缸做出有區(qū)別的行程和不一樣方向的運(yùn)動(dòng)，以便完成不同工作下的需要，液壓加載有以下優(yōu)點(diǎn)： （1）可以隨便設(shè)置試驗(yàn)軸承的速度特性，從而獲得不同工作情況下的不同性能； （2）液壓系統(tǒng)的伺服剛度很大，在有很大的沖擊或者后坐力的情況下，如果不使用液壓系統(tǒng)，也許會造成是試驗(yàn)臺結(jié)構(gòu)的變形更厲害的會損壞。為了確保試驗(yàn)的不變性和安全性，有必要使用液壓伺服系統(tǒng)； （3）在惡劣的工作情況下，液壓系統(tǒng)的真實(shí)性比較強(qiáng)； （4）在一樣的功率情況下，液壓系統(tǒng)的體積小、重量輕。液壓系統(tǒng)的缺點(diǎn)： （1）液壓系統(tǒng)容易漏油，不能提供穩(wěn)定不變的壓力； （2）液壓系統(tǒng)的油液具有易燃性，

19、容易引起安全問題； （3）油液的粘度受溫度影響較大，導(dǎo)致供油和運(yùn)動(dòng)速率不平穩(wěn)。依照本試驗(yàn)臺的工作情況和需求，不適合采用液壓加載方式。2.6.3 杠桿加載杠桿加載的長處：杠桿操操縱簡單，能將載荷等比例增加且載荷值穩(wěn)定不變，如果結(jié)構(gòu)變形，載荷也可以保持恒定，特別是對于要施加長期載荷的試驗(yàn)，這種加載方式是很不錯(cuò)的選擇，尤其是集中應(yīng)力。鑒于本實(shí)驗(yàn)臺的工作情況和要求選擇的加載方式為杠桿加載。加載原理示意圖和模型圖如下圖2-11和圖2-121、軸承加載套 2、被試軸承 3、杠桿機(jī)構(gòu)圖2-11 加載結(jié)構(gòu)圖2-12 加載結(jié)構(gòu)模型圖2.7 總方案的模型圖最終設(shè)計(jì)方案模型如下圖2-13圖 2-13 總方案設(shè)計(jì)模型

20、圖2.8 本章小結(jié) 滾動(dòng)軸承試驗(yàn)臺關(guān)鍵部分有機(jī)械結(jié)構(gòu)、傳動(dòng)結(jié)構(gòu)、加載結(jié)構(gòu)及輔助設(shè)備構(gòu)成。本章重要介紹了軸承的種類、實(shí)驗(yàn)室電機(jī)參數(shù)、實(shí)驗(yàn)臺方案的設(shè)定及測試體系、加載結(jié)構(gòu)的選擇，并畫出了試驗(yàn)臺、加載結(jié)構(gòu)、總方案的PRO/E三維模型，最后確定了試驗(yàn)臺的設(shè)計(jì)方案。第3章 試驗(yàn)臺的設(shè)計(jì)滾動(dòng)軸承試驗(yàn)臺的機(jī)械部分由試驗(yàn)臺支架、軸向加載裝置、試驗(yàn)主軸、傳動(dòng)軸、電機(jī)、帶輪等其他輔助設(shè)備。本章重要介紹了實(shí)驗(yàn)軸承相關(guān)參數(shù)的計(jì)算、支撐軸承的選用、試驗(yàn)主軸的設(shè)計(jì)及校核、聯(lián)軸器的選擇、傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì)及校核、帶及帶輪的設(shè)計(jì)、加載裝置的設(shè)計(jì)及機(jī)架的設(shè)計(jì)。3.1 試驗(yàn)軸承相關(guān)參數(shù)的計(jì)算試驗(yàn)軸承型號為6205的深溝球軸承，額定壽命

21、計(jì)算公式： （3-1）公式中 額定壽命（h）； C額定動(dòng)載荷； n軸承轉(zhuǎn)速； P當(dāng)量動(dòng)載荷； 壽命指數(shù)，球軸承。軸承采用脂潤滑，極限轉(zhuǎn)速為n=120006000r/min，取極限轉(zhuǎn)速為12000r/min被試軸承選取軸承的極限轉(zhuǎn)速的40%60%，選取極限轉(zhuǎn)速的40%，所以試驗(yàn)軸承的轉(zhuǎn)速為：n=1200040% r/min = 4800 r/min由于計(jì)算比較麻煩，通常是在100300小時(shí)范圍內(nèi)選擇的值。軸承的內(nèi)徑大于60mm 時(shí)，選擇較大的數(shù)值，當(dāng)實(shí)驗(yàn)軸承的內(nèi)徑小于60mm 時(shí)，可以選擇較小的或者中間的數(shù)值，所以選擇=150 h。3.1.1 試驗(yàn)載荷的計(jì)算試驗(yàn)時(shí)，加載在軸承上的力為計(jì)算的當(dāng)量動(dòng)

22、載荷。依據(jù)選擇的和試驗(yàn)轉(zhuǎn)速n，按照下列公式求解。 （3-2）公式中 轉(zhuǎn)速系數(shù)； 壽命系數(shù)。 依據(jù)選擇的試驗(yàn)轉(zhuǎn)速查滾動(dòng)軸承測試技術(shù)表7-6 速度系數(shù) =0.191，查滾動(dòng)軸承測試技術(shù)表7-7 壽命系數(shù) =0.670 。=3.991 KN 向心軸承只受徑向壓力，試驗(yàn)加載的徑向壓力與計(jì)算的當(dāng)量載荷相等。即： = P = 4 KN3.1.2 額定靜載荷的驗(yàn)算 之前計(jì)算的 是按照額定動(dòng)載荷求得的，是否也滿足滾動(dòng)軸承的額定靜載荷要求，那也應(yīng)該驗(yàn)算。驗(yàn)算的辦法依據(jù)：將 代入靜載荷公式（3-3），假如算得的靜載荷 比額定的靜載荷 要小，那么就滿足設(shè)計(jì)要求。在軸承手冊上能夠查到軸承的額定靜載荷 。靜載荷 計(jì)算公

23、式為： （3-3）公式中 計(jì)算靜載荷（N）； 額定徑向靜載荷系數(shù)； 額定軸向靜載荷系數(shù)； 軸向載荷。額定軸向靜載荷系數(shù) 和額定徑向靜載荷系數(shù) 由滾動(dòng)軸承測試技術(shù)表7-11可以查到：=0.6應(yīng)為試驗(yàn)軸沒有受到任何方向的軸向力，所以 = 0。 = 0.6 4 = 2.4 KN 試驗(yàn)載荷滿足額定靜載荷的要求。3.2 支撐軸承的選用支撐軸承是本試驗(yàn)臺的重要部件，合理的選擇能夠保證試驗(yàn)臺和主軸系統(tǒng)的精度和壽命。支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)一般是對被試驗(yàn)軸承和支撐軸承進(jìn)行規(guī)范的格局分配，支撐軸承一般有滾動(dòng)軸承和滑動(dòng)軸承兩種。滑動(dòng)軸承使用在具有大沖擊和震動(dòng)、高轉(zhuǎn)速的情況下，徑向的大小受到局限并且要分開安裝；滾動(dòng)軸承優(yōu)點(diǎn)在

24、于摩擦系數(shù)小，轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的阻力也小，而且已經(jīng)是國標(biāo)化的，選擇，維護(hù)、潤滑都很方便。所以為了使支撐結(jié)構(gòu)變的簡單，還是采用滾動(dòng)軸承來支撐軸比較適合。試驗(yàn)臺的支撐軸承所受的力來自試驗(yàn)軸承所受的徑向載荷，由于軸承是對稱成分布，從受力分析圖上可得知最大徑向的支反力4KN；試驗(yàn)臺主軸的最高轉(zhuǎn)動(dòng)速度為4800r/min，即要求支撐軸承的額定轉(zhuǎn)速應(yīng)該大于4800r/min支撐軸承的壽命應(yīng)大于被試驗(yàn)軸承，軸承的設(shè)計(jì)應(yīng)以他的疲勞壽命為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)，綜合以上內(nèi)容參考下表3-1，選擇的軸承為型圓柱滾子軸承，建模如下圖3-1。尺寸參數(shù)為：內(nèi)徑 150mm、外徑 90mm、厚度20mm。圖 3-1 支撐軸承模型表 3-1 支撐軸

25、承特性的對比 軸承類型一般特性 深溝球軸承1、 承載能力小2、 能承受較小的軸向壓力，但主要承受徑向壓力。在軸承的徑向移動(dòng)量變多時(shí)，能夠起到角接觸軸承的效果，能夠承載很大的軸向壓力3、 可以有一些的軸向位移，但軸向位移受到軸向移動(dòng)量范圍的限制4、 摩擦較小，極限轉(zhuǎn)速較高 角接觸軸承1、 承受載荷的能力大2、 極限轉(zhuǎn)速高3、 能夠同時(shí)承受軸向和徑向載荷4、 只能夠承受片面的軸向壓力，一般同時(shí)使用兩個(gè)，有承受徑向壓力的情況下會造成附加的軸向力 圓柱滾子軸承1、 外圈能夠分開，安裝時(shí)能夠調(diào)整軸承的移動(dòng)量2、 極限轉(zhuǎn)速高，能夠承受很大的壓力3、 可承受軸向壓力和徑向壓力，一般成對使用3.3 試驗(yàn)主軸的

26、設(shè)計(jì)及校核軸按照軸上的受力種類可以總結(jié)為心軸、轉(zhuǎn)軸、傳動(dòng)軸三種。心軸僅傳遞彎矩不可以傳遞轉(zhuǎn)矩；轉(zhuǎn)軸既能傳遞動(dòng)力也能支撐傳動(dòng)部件，既能傳遞轉(zhuǎn)矩也能承受彎矩；傳動(dòng)軸僅可以傳遞轉(zhuǎn)矩不可以受彎矩，通常僅可以承受很小的彎矩。本試驗(yàn)臺主軸即承受彎矩又承受部分的轉(zhuǎn)矩，能夠視為轉(zhuǎn)軸?？招妮S由于在運(yùn)動(dòng)中受力比較復(fù)雜，所以試驗(yàn)主軸采用實(shí)心。模型圖如下3-2圖 3-2 試驗(yàn)主軸模型3.3.1試驗(yàn)主軸材料的選擇試驗(yàn)主軸是實(shí)驗(yàn)臺的重要零件之一，具有較高的組裝和加工精度，和支撐軸承以及被測軸承之間的配合精度直接影響軸承的靜特性和動(dòng)特性以及回轉(zhuǎn)精度，考慮加工方式為單件加工，所以應(yīng)該選擇強(qiáng)度和剛度比較高的材料。主軸材料一般有

27、45號鋼、40和30，這幾種材料的力學(xué)性能如下表3-2。表 3-2 力學(xué)性能對照表材料牌號熱處理45正火162-2175702852451355540調(diào)制220-2596804883451907230調(diào)制187-36998583543121075綜合上述，考慮到試驗(yàn)臺主軸的作用，最終選取軸材料為40。3.3.2 試驗(yàn)主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)軸時(shí)應(yīng)該注意： （1）設(shè)計(jì)的主軸應(yīng)該具有較好的裝配工藝性和加工工藝性； （2）設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該確定軸承和鍵槽的種類和大小，軸和軸上的零件要有正確的工作位置； （3）設(shè)計(jì)時(shí)，為了確保軸端擋圈和彈性墊圈等軸向定位零件的功用，裝配處的軸段長度應(yīng)該較零件的輪轂端2-3mm；

28、 （4）設(shè)計(jì)時(shí)，軸上的定位軸肩h通常選用（0.07-0.1）d，d是和零件相配處的軸的直徑；（5） 改善應(yīng)力分布，減少應(yīng)力集中。根據(jù)軸上要裝配的零件及考慮到定位，所設(shè)計(jì)的軸的結(jié)構(gòu)圖如下圖3-1圖 3-3 試驗(yàn)主軸試驗(yàn)主軸從左到右共8段軸，第1,7段裝配著被試驗(yàn)軸承以及用于定位被試驗(yàn)軸承的零件，被試驗(yàn)軸承內(nèi)徑為25mm，所以這段軸徑也為25mm，長度30mm；第2段軸不裝配任何東西僅起一個(gè)過渡作用和作為被試驗(yàn)軸承的定位軸肩，按照被試驗(yàn)軸承的裝配要求，這段軸的直徑取32mm，長度為10mm；第3,5段用于裝配支撐軸承，支撐軸承內(nèi)徑50mm所以這段軸的直徑也為50mm，長度為60；第4段軸也起著定位

29、軸肩的作用，直徑為60mm，長度為100mm；第8段是和聯(lián)軸器連接的軸直徑18mm，長度為40mm。3.3.3 試驗(yàn)主軸的強(qiáng)度校核根據(jù)實(shí)驗(yàn)軸承上裝配的零件和位置以及所施加的載荷，實(shí)驗(yàn)主軸的受力圖如下圖3-4所示。a) 受力圖b) 彎矩圖c) 扭矩圖圖 3-4 試驗(yàn)主軸受力分析圖軸的最大彎矩出現(xiàn)在支撐軸承的作用點(diǎn)上，彎矩公式： M = F L （3-4）求得彎矩：M = 4 0.675 = 2.7 KNm軸承所經(jīng)受的扭矩來自軸承的轉(zhuǎn)動(dòng)，扭矩公式; (3-5)公式中： （KW） n軸承轉(zhuǎn)速（r/min）T = 9549 = 1.49 Nm計(jì)算出試驗(yàn)軸的扭矩和彎矩后，由于最危險(xiǎn)的截面出現(xiàn)在軸直徑最小

30、的地方，針對這個(gè)截面要求做校核，校驗(yàn)該段危險(xiǎn)截面的彎矩和扭矩的合成強(qiáng)度，按照第三強(qiáng)度公式計(jì)算應(yīng)力，第三強(qiáng)度理論公式： （3-6）一般情況下由于彎矩造成的彎曲應(yīng)力 是對稱循環(huán)變應(yīng)力，而通過扭矩造成的扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力 一般不是對稱的循環(huán)變應(yīng)力。綜合考慮這兩個(gè)應(yīng)力之間循環(huán)特性影響的不同，加入折合系數(shù) ，那么計(jì)算應(yīng)力的公式變?yōu)椋?（3-7）公式中彎曲應(yīng)力是對稱的循環(huán)應(yīng)力。在扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力是靜應(yīng)力情形下， 取0.3；在扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力是脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力的情形下， 取0.6；若是扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力同樣為對稱循環(huán)變應(yīng)力，那么 取1。當(dāng)截面為圓形時(shí)，扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力 ，彎曲應(yīng)力為，將和代入公式（3-7），于是軸的彎曲扭轉(zhuǎn)合成強(qiáng)度公式為： （

31、3-8）公式中：軸的計(jì)算應(yīng)力，M Pa； T軸的扭矩，Nmm； M軸的彎矩，Nmm； W軸的抗彎截面系數(shù)，。圓軸的抗彎截面系數(shù)計(jì)算公式為： （3-9）試驗(yàn)軸所受的扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力是靜應(yīng)力，彎曲應(yīng)力是對稱循環(huán)變應(yīng)力，所以取=0.3，由公式（3-9）求得截面的抗彎及屋面系數(shù)：W=0.1=1562.5（d為截面直徑）將所求得的結(jié)果全部代入公式（3-8），求出彎曲扭轉(zhuǎn)合成強(qiáng)度計(jì)算應(yīng)力。計(jì)算過程如下： = 66.5MP 2.75傳動(dòng)系統(tǒng)的載荷種類是選取聯(lián)軸器種類的依據(jù)，如果是有振動(dòng)、沖擊以及工作載荷的變化很大，應(yīng)該選取一些具有彈性元件的聯(lián)軸器，用來減少振動(dòng)、緩解沖擊、抵償軸的偏移和提高傳動(dòng)體系的工作機(jī)能。正反

32、轉(zhuǎn)、經(jīng)常啟動(dòng)、開機(jī)時(shí)的轉(zhuǎn)矩是一般情況下工作時(shí)的好幾倍，在這種工作條件下，會使得聯(lián)軸器的彈性元件的使用時(shí)間變短。聯(lián)軸器通常只容許短時(shí)間的超載，超載時(shí)轉(zhuǎn)矩不可以大于公稱轉(zhuǎn)矩的23倍。在低速工作的情況下應(yīng)該避免只選取小功率的聯(lián)軸器，比如臺輪式聯(lián)軸器、彈性套柱銷聯(lián)軸器；如果是需要起過載保護(hù)的軸或回轉(zhuǎn)件中，較適合選用安全聯(lián)軸器；工作時(shí)載荷變化比較大而且還有振動(dòng)、沖擊的軸或回轉(zhuǎn)件，應(yīng)該選擇具有緩沖和減振元件的彈性聯(lián)軸器，彈性元件材料為金屬的比不是金屬的聯(lián)軸器承載本領(lǐng)強(qiáng)，彈性元件受擠壓強(qiáng)度比受剪切強(qiáng)度高。 （2）聯(lián)軸器的許用轉(zhuǎn)速依據(jù)聯(lián)軸器所選用的原料的最大外緣大小和容許的線速度計(jì)算出聯(lián)軸器的許用轉(zhuǎn)速，不一樣

33、的規(guī)格、原料和種類的聯(lián)軸器的許用轉(zhuǎn)速的限度不一樣，通過變換聯(lián)軸器的原料可以變換聯(lián)軸器轉(zhuǎn)速的許用范圍，原料如果選取鋼材比選取鑄件的許用速度的范圍更大，如果聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)速大于5000r/min，務(wù)必考慮彈性元件變形和聯(lián)軸器外緣的離心力等影響成分，并且做合理的調(diào)整。在高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)不應(yīng)當(dāng)采用沒有彈性元件的聯(lián)軸器，應(yīng)為在高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)彈性元件容易發(fā)生形變，應(yīng)該采用高精度的撓性聯(lián)軸器。 （3）聯(lián)軸器連接軸的相對位移 因?yàn)閮蛇B接軸的安裝誤差、建造誤差、基座變形、軸受力造成的變形、軸承受損、溫度轉(zhuǎn)變等很多因素影響而造成相對位移。通常，兩軸的相對位移是不可能逃避的，但在不一樣的工況下軸轉(zhuǎn)動(dòng)所造成的偏移量的多少是不一樣的

34、，僅有撓性聯(lián)軸器具有抵償相對位移的功能，在現(xiàn)實(shí)選用中大多數(shù)采用撓性聯(lián)軸器，剛性聯(lián)軸器沒有位移抵償功能，能夠使用的范圍受到局限，所以選用很少。 （4）聯(lián)軸器的傳動(dòng)精度 傳遞運(yùn)動(dòng)和小轉(zhuǎn)矩的軸類傳動(dòng)，對傳動(dòng)精度具有非常高的要求，應(yīng)該使用金屬元件作為彈性元件的撓性聯(lián)軸器；較大轉(zhuǎn)矩的軸類傳動(dòng)，對傳動(dòng)精度的要求也非常高，早高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，不應(yīng)該選用非金屬彈性元件和可以移動(dòng)元件之間有間隙的撓性聯(lián)軸器，應(yīng)該選用的聯(lián)軸器是膜片聯(lián)軸器。 （5）聯(lián)軸器的大小，安裝和保養(yǎng)聯(lián)軸器的大小，應(yīng)該在機(jī)器的允許安裝空間范圍內(nèi)，應(yīng)該選擇不用維護(hù)保養(yǎng)，拆裝簡單，維護(hù)保養(yǎng)時(shí)間長的或者保養(yǎng)維護(hù)較為方便，更換損壞元件容易的聯(lián)軸器。在較大的機(jī)

35、器中兩軸的對中比較難。對于那些工作時(shí)間連續(xù)而且長期的工作場合，目前一般選用齒式聯(lián)軸器，雖然齒式聯(lián)軸器的理論轉(zhuǎn)矩大，但應(yīng)為要求的工作環(huán)境較高，維護(hù)保養(yǎng)要求高，工作量大而不選用。 （6）工作環(huán)境一般情況下聯(lián)軸器和其他裝配零件一起使用，周邊的工作環(huán)境比較復(fù)雜，像濕度，酸、堿。水、腐蝕性物質(zhì)等情況，這些都是選用聯(lián)軸器時(shí)應(yīng)該考慮的因素之一。對于高溫、強(qiáng)酸、堿的工作環(huán)境不該選用有橡膠材料的聯(lián)軸器。（7）經(jīng)濟(jì)性因?yàn)椴灰粯拥姆N類、規(guī)格、型式的的聯(lián)軸器的大小、原料、構(gòu)造和精度不一樣，它的造價(jià)出入都非常大。精度要求高的聯(lián)軸器造價(jià)都高于精度要求低的聯(lián)軸器；特殊材料的聯(lián)軸器比一般材料的聯(lián)軸器造價(jià)也高；金屬聯(lián)軸器成本高

36、于非金屬聯(lián)軸器，所以在采用聯(lián)軸器時(shí)造價(jià)是務(wù)必思考的成分之一。如果是在正常的工作環(huán)境下，就沒有規(guī)定必須選用昂貴的聯(lián)軸器，按照現(xiàn)實(shí)的工作情況和需求選取。根據(jù)試驗(yàn)臺的要求和實(shí)際的工作情況以及上面所說的本試驗(yàn)臺所選擇的聯(lián)軸器為：GYH1凸緣聯(lián)軸器。驅(qū)動(dòng)端：Y型軸孔、A型鍵槽、軸直徑18mm、長度42mm；從動(dòng)端：型軸孔、A型鍵槽、軸直徑18mm、長度30mm。聯(lián)軸器實(shí)體圖如下3-5所示。圖 3-5 聯(lián)軸器3.4傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì)及校核 軸按照軸上的受力類型可以分為心軸、轉(zhuǎn)軸、傳動(dòng)軸三種。心軸僅傳遞彎矩不可以傳遞轉(zhuǎn)矩；轉(zhuǎn)軸不僅可以傳遞動(dòng)力也可以支撐傳動(dòng)部件，不僅可以傳遞轉(zhuǎn)矩而且可以承受彎矩；傳動(dòng)軸盡可以傳遞轉(zhuǎn)

37、矩不可以承受彎矩或只可以承受很小彎矩。本試驗(yàn)臺主軸即承受彎矩又承受部分的轉(zhuǎn)矩，能夠視為轉(zhuǎn)軸。空心軸由于在運(yùn)動(dòng)中受力比較復(fù)雜，所以傳動(dòng)軸采用實(shí)心。模型圖如下圖3-6。圖 3-6 傳動(dòng)軸模型3.4.1試驗(yàn)主軸材料的選擇 綜合上述考慮傳動(dòng)軸的性能，最終選取主軸原料為40。3.4.2 傳動(dòng)軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)軸時(shí)應(yīng)該注意： （1）設(shè)計(jì)的主軸應(yīng)該具有較好的裝配工藝性和加工工藝性； （2）設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該確定軸承和鍵槽的類型和大小，軸和軸上的零件要有無誤的工作位置； （3）設(shè)計(jì)時(shí)，為了保證軸端擋圈和彈性墊圈等軸向定位零件的作用，裝配處的軸段長度應(yīng)該較零件的輪轂端2-3mm； （4）設(shè)計(jì)時(shí)，軸上的定位軸肩h通常選

38、用（0.07-0.1）d，d是和零件相配處的軸的直徑；（6） 改善應(yīng)力分布，減少應(yīng)力集中。根據(jù)軸上要裝配的零件及考慮到定位，所設(shè)計(jì)的軸的結(jié)構(gòu)圖如下圖3-6圖 3-7 傳動(dòng)軸試驗(yàn)主軸從左到右共5段軸，第1,3段用于裝配支撐軸承，支撐軸承內(nèi)徑50mm所以這段軸的直徑也為50mm，長度為70mm；第2段軸也起著定位軸肩的作用，直徑為60mm，長度為160mm；第4段軸起過度作用直徑30mm，長度10mm；第5段是和聯(lián)軸器連接的軸直徑18mm，長度為50mm。3.4.3 傳動(dòng)軸的強(qiáng)度校核按照傳動(dòng)軸的工作情況，下面是它的受力分析3-8所示： a） 受力圖b) 彎矩圖c) 扭矩圖圖 3-8 傳動(dòng)軸的受力分

39、析圖軸的最大彎矩出現(xiàn)在支撐軸承的作用點(diǎn)上，利用彎矩公式（3-4）：求得彎矩：M = 4 0.180 = 0.72 KNm軸承所承受的扭矩來自帶輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，根據(jù)扭矩公式（3-5）求得：T = 9549 = 1.49 Nm計(jì)算出傳動(dòng)軸的扭矩和彎矩后，由于危險(xiǎn)截面出現(xiàn)在軸徑最小的地方，針對這個(gè)危險(xiǎn)截面要求做校核，校核該段截面的彎矩和扭矩的合成強(qiáng)度，按照第三強(qiáng)度公式計(jì)算應(yīng)力，第三強(qiáng)度理論公式：一般情況下由于彎矩造成的彎曲應(yīng)力 是對稱循環(huán)變應(yīng)力，而通過扭矩造成的扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力 通常不是對稱的循環(huán)變應(yīng)力。綜合考慮這兩個(gè)應(yīng)力之間循環(huán)特性影響的不同，加入折合系數(shù) ，那么計(jì)算應(yīng)力的公式變?yōu)椋寒?dāng)截面為圓形時(shí)，扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力

40、 ，彎曲應(yīng)力為，將和代入公式（3-7），于是軸的彎曲扭轉(zhuǎn)合成強(qiáng)度公式為： 公式中：軸的計(jì)算應(yīng)力，M Pa； T軸的扭矩，Nmm； M軸的彎矩，Nmm； W軸的抗彎截面系數(shù)，。圓軸的抗彎截面系數(shù)計(jì)算公式為： 試驗(yàn)軸所受的扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力是靜應(yīng)力，彎曲應(yīng)力是對稱循環(huán)變應(yīng)力，所以取=0.3，由公式（3-9）求得截面的抗彎及屋面系數(shù)：W=0.1=21600（d為截面直徑）將所算到的結(jié)果全部代入公式（3-8），得到彎曲扭轉(zhuǎn)合成強(qiáng)度計(jì)算應(yīng)力。計(jì)算過程如下： = 33.3 MP 計(jì)算帶的根數(shù)：按照小帶輪的直徑 和轉(zhuǎn)速 查 文獻(xiàn)4表8-4a 可查到帶輪的基本額定功率 = 0.96KW。依據(jù)轉(zhuǎn)速 和傳動(dòng)比 i 查文獻(xiàn)4表8-4b可知額定功率增量=0.04KW。同樣查 查得：=0.9、=0.87，因此由公式（3-13）算得： （3-13） = （0.96+0.04）0