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高速一體化軸承實驗器結構設計

2021-2-1 來源（yuán）：上海航空電器有限公司作者：閆雲雪，朱錦超（chāo），宮偉

摘要：一體化軸承因其（qí）優越的性能越來越（yuè）多的應用於航空領域，軸承使用工況主要為高速、高溫、重載，因此研究軸承的失效模式對於（yú）優化（huà）軸承結構十分重要，結合已有的傳動軸承實驗機，設計高速一體化軸承（chéng）實驗器（qì），實現對一體（tǐ）化球軸（zhóu）承的加（jiā）載試驗，校核軸承壽命。

關鍵詞：航空領（lǐng）域；一體化（huà）軸承；加載試（shì）驗

近些年來（lái），一體化軸承因（yīn）其優越的性能越來越多的（de）應用於航（háng）空領域，並且航（háng）空領域（yù）等極（jí）苛刻的工作環境對其的需求（qiú）量日益增長。一體化軸承（chéng）在未來的發展（zhǎn）趨（qū）勢是外（wài）圈與軸承套合為一體，這樣在安裝時（shí）可避免軸承與軸承套的配合問題，減輕了（le）軸承外圈的磨（mó）損；安裝（zhuāng）時采用側麵懸臂安裝方（fāng）式，更（gèng）加（jiā）方便快捷，具有明顯的優勢。

通過對國內外研究現狀和研究結果進行分析，發現已有（yǒu）的軸承實驗機在加載、供油和測試等方麵做的比較粗糙，並且隻能針對傳統軸承進行實驗，如果要對一體化（huà）軸承進行高速、高溫、重載的實驗，還需要重新設計實驗器的結構（gòu）。

該論文（wén）研究的是一體化球軸承實驗器，並能兼顧一體（tǐ）化滾子軸承，實驗器對軸承進行惡劣工況的實驗，可（kě）以分析軸承在高速、高溫、重載等工況下的失效模式和原因，進而優（yōu）化軸承設計，提高軸承在惡劣工況下的工作能力，延長軸承的使用（yòng）壽命。

1、實驗（yàn）器總體方案（àn）設計

主要考慮的是鼠籠軸承的一體化結構，實驗器可以對一（yī）體化球（qiú）（滾子）軸承進行實驗，實驗器的要求是可以模擬（nǐ）一體化軸承在高速、高溫、重載條件下的工作條件，根據某項目提（tí）出的要求，技術指標如下：

實驗軸承的尺寸：內徑 Ф50- Φ100mm，外徑Φ80- Φ150mm，長度 100- 400mm；

實驗載荷：徑向（xiàng） 500- 10000N，軸向 500- 10000N；

係統可以實現的最大轉速：24000r/min；

軸承運（yùn）轉時環（huán）境溫度上（shàng）限：250°C。

實驗係統由驅動係統、加載係統、潤滑係統、數（shù）據采集和（hé）處理係統、實驗器主體（tǐ）組（zǔ）成，係統結構圖如圖1所（suǒ）示，軸承工況（kuàng）通過傳感器對軸承的溫度、軸心（xīn）位移進行監測（cè）。

圖1：實驗器係統結構圖

實（shí）驗器主體（tǐ）是整個係統的（de）核心，是係統的執行部分。實驗軸（zhóu）承和支撐軸承安裝於實驗器的兩端，加載軸承（chéng）在中間，加（jiā）載力作用在加載軸承上。在軸承端蓋和軸承套上（shàng）開有進回油油孔（kǒng），潤滑油要噴到軸承滾動體上，回油采用重力回油方式。傳感器安裝到（dào）箱（xiāng）體對應位置上，傳感器的測量頭（tóu）要與軸承（chéng）外圈接（jiē）觸。

2、實驗器（qì）主體（tǐ）結構設計

實驗軸承為一體化球軸（zhóu）承時（shí），實驗軸承（chéng）需要承受軸向力和徑向力，所以加載軸承選（xuǎn）用承（chéng）載（zǎi）能力較強的角接觸（chù）球軸（zhóu）承；為了使軸向力可以直接傳遞給實驗軸承，避免支撐軸（zhóu）承承受軸向力，支撐軸承選用圓柱滾子軸承。實驗器的結（jié）構見圖2。

圖2：一體化球軸承實驗器結構簡（jiǎn）圖

實驗軸承（chéng）為一體化滾子軸承時實驗軸承隻需要承受徑向力，但是為了減少（shǎo）更換元件的麻煩，加載軸承依然選用角接觸球軸承（chéng）；如果支撐軸承（chéng）還（hái）選用滾（gǔn）子（zǐ）軸承，整個軸係統軸向無法（fǎ）定位（wèi），實驗過程中軸組件可能發生軸向移動，所（suǒ）以支撐軸（zhóu）承改用深溝球（qiú）軸承即（jí）可。

可以看出（chū），軸承實（shí）驗器主體主要包括三個部分：即支撐軸承部分、加載軸承部分和箱體部分，下麵主要介紹（shào）這三部分結構設計。

2.1、支撐組件

設計支撐組件需要考慮的是軸承的選擇和定位方式、軸承的潤（rùn）滑、組件的密封方式。一體化球（qiú）軸（zhóu）承的支（zhī）撐組件的裝配圖見圖3。

要（yào）求最（zuì）高轉（zhuǎn）速是 24000r/min，國內生產（chǎn）的軸（zhóu）承不能實現（xiàn）這樣的要（yào）求，所（suǒ）以根據實驗室的條件（jiàn），圓柱滾子軸承（chéng）選（xuǎn）用 FAG 公司生產的 NU209 型，FAG 公司生產的軸承相比於國內（nèi）同（tóng）型號的（de）軸承極（jí）限轉（zhuǎn）速高（gāo）很多，可以滿足要求（qiú）。

軸承的外圈通（tōng）過法蘭端蓋與軸承（chéng）套兩端定位，軸承套卡在箱體上，實現了軸向定位，圓錐銷可以防止支撐組（zǔ）件軸向旋轉。內圈通過鎖緊螺母與主軸兩端定位。兩個滾（gǔn）子軸承內圈通過一個隔套進（jìn）行定位，隔套（tào）需要（yào）與（yǔ）噴油環一同加工，這樣可以保證精度。常溫潤滑油由液壓管接頭 5 進（jìn）入支（zhī）撐軸承組（zǔ）件，由噴油環將潤滑油噴至圓柱滾（gǔn）子軸承的滾動體和（hé）內圈接觸處，這樣潤滑狀況比較好。回油方式（shì）為重力回油。

1- 支（zhī）撐軸（zhóu）承前法蘭；2- 支撐軸承外套（tào）；3- 支撐軸承後（hòu）法蘭；4- 墊圈；D10；5- 液壓管接頭；6- 液壓管接頭螺母；7- 圓柱滾子軸承 NU209；8- 支撐軸承隔套；9- 支撐軸承噴油環（huán）。

圖3：支撐組件裝配圖（一（yī）體化球軸承）

軸承組件密封方法采用螺旋密封（fēng）。螺旋（xuán）密封的工作（zuò）原理是當主軸旋轉時，充滿在槽（cáo）內的液體產生泵送壓頭，在密封室內（nèi）產（chǎn）生最高壓力，與被密封介質壓力相平衡，從而阻止被密封介（jiè）質外漏。

一體化滾（gǔn）子軸承支撐組件相比於一體化球軸承實（shí）驗時的支撐組件，不同之處在（zài）於將圓柱滾子軸承 NU209 更換（huàn）為深溝球軸承 6209，噴油環的（de）噴油口位置改變，其他零件尺寸及裝配關係未變。

2.2、加載組件結構設計

一體（tǐ）化球軸承實驗的加載組件如圖 4 所示。加載組件在結構上與支撐軸承（chéng）相似，圖中還包含了液壓加載組件。

要求的最高轉速是 24000r/min，徑向加載最大 10000N，軸（zhóu）向加載最大 10000N，加載軸承選用 FAG 公司生產的角接觸球軸承 7211 型（xíng），FAG 公司生產的軸承承載能力大，相比於國內同型號的軸承極限轉速高很多，可以滿足要（yào）求。

軸承（chéng）的外圈通過法蘭端蓋與軸承套兩端定位，軸承（chéng）套通過一個（gè）定位元件實現軸向和徑（jìng）向定位，內圈通過鎖緊螺母與主（zhǔ）軸兩端定位。兩個滾子軸承內圈通過一個隔套進行（háng）定位，隔套需要與噴油環一同加工，這樣可以保證精（jīng）度。

2.2.1、軸（zhóu）向加載（zǎi）原理分析

通過（guò）圖4可知，軸向加（jiā）載組件由法蘭、橡膠墊、加載體、承載盤、壓（yā）頭（tóu）和基座幾部分組成。

軸向（xiàng）加載的工作原理：高壓油從軸向加載法蘭 5 徑向（xiàng）的油孔進入，壓力作用在加載體 8 上。當加載力最大時，加載體是直（zhí）徑為 10mm 的圓柱（zhù）體，共有 10 個，呈圓周狀均勻放（fàng）置在承載盤7 的 10 個孔中，若加載力變化，加載體的直徑和個數也作相應的（de）變化。壓力作用於加（jiā）載體後，加載體（tǐ）軸（zhóu）向移動，通過加（jiā）載膜片8 將壓力傳遞給（gěi）加（jiā）載壓（yā）頭 10，壓頭與箱體接觸後，會停止移動，這時產生的（de）反力就作用在了加載軸承的外圈上，由於軸承內圈與軸雙向固定，所以軸向力通（tōng）過軸傳給了實驗軸承。橡膠墊的作用是密封，防止液體泄漏。加載膜片由許多層的疊壓彈簧（huáng）組成，起（qǐ）到緩衝的作（zuò）用。

1- 加載軸承前法（fǎ）蘭；2- 加載軸承外套；3- 角接（jiē）觸（chù）球軸承 7211；4- 噴（pēn）油

環；5- 軸向加載法蘭；6- 橡膠墊；7- 軸向加載承載盤；8- 軸向加載加載（zǎi）

體；9- 軸向加載膜片；10- 軸向加載壓頭；11- 軸向加載基座（zuò）；12- 鎖緊螺母；13- 彈性墊（diàn）圈 D12；14- 螺栓 M12X70；15- 加載軸承隔套；16- 螺栓M8X30；17- 彈性（xìng）墊圈 D8；18- 墊圈（quān） D8。

圖4：實驗器加載組件（一體化球軸承（chéng））

軸向（xiàng）加載基（jī）座的圓周方向上（shàng）還（hái）有通入冷卻液（yè）的孔（kǒng），呈 70°分布，用（yòng）於冷（lěng）卻壓頭。

裝配時軸向加載組件通過加載軸承外套進（jìn）行軸向定位，用螺栓進行連接，未通入（rù）高壓油時壓頭（tóu）端麵與（yǔ）箱體內壁距離為2mm，壓頭可移動的距離（lí）是 5mm。

表1是不同壓力（lì）對應（yīng）的壓強譜：

表1：軸向加載（zǎi）壓強譜

常溫潤滑油（yóu）由液壓管（guǎn）接頭（tóu）進入加載軸承組件，由噴油（yóu）環將潤滑油噴到角接觸球軸承的滾動體和（hé）內圈接觸處，回油方式為重力回油。

當實驗軸承當實驗軸承換為圓柱滾子軸承時（shí），由於不需要軸（zhóu）向載（zǎi）荷，所以（yǐ）軸向加載組件用法蘭替換。

2.2.2、徑向加（jiā）載原理分析

徑向加載組（zǔ）件包括法蘭、加載體（tǐ）、承（chéng）載盤（pán）、橡膠墊、加載端蓋、壓（yā）頭、冷卻體組成。徑向加載組件的裝配圖如圖（tú）5所示。

徑向加載原理：徑向加載的原理與軸向加載相似（sì）。高壓油從法蘭油孔進入，通過（guò）嚴封墊 2 作用於加載體 9。加載力為最大161700N 時，加載體為直徑 50mm 的圓柱（zhù）體，當力作用於加載體上，加載體軸向移動，通過加載膜片緩衝，將力傳至推杆 5，推杆5 與加載軸承接觸，徑向力就作用（yòng）在加載軸（zhóu）承上了。

徑向加載法蘭 4 和推杆 5 上還有用於推杆冷（lěng）卻的孔，避（bì）免溫度過高對（duì）零件造成損傷（shāng）。徑向（xiàng）加載組件要加密封圈，防止冷卻液泄漏。

1- 徑向加載法蘭；2- 橡（xiàng）膠墊；3- 徑向加載（zǎi）承載盤；4- 徑向加載端蓋；5- 徑向加載推杆；6- 毛氈（zhān）圈；7- 冷卻體（tǐ）組件；8- 徑向加（jiā）載膜片；9- 軸向加載膜片；10- 螺栓 M12X80；11- 彈簧墊圈 D12。

圖5：徑向加載組件裝配圖

徑向加載的加載體也是圓柱體，當加載力變化時，改變加載體的（de）直徑和即可，表2是不同壓力對應的壓（yā）強（qiáng）譜（pǔ）：

表2：徑向加（jiā）載壓強譜

2.3、箱體結構設計

箱體三維圖見圖6。包括箱體前蓋（gài）、後蓋和箱體底座。箱體底座通過 8 個地（dì）腳螺栓固定在（zài）實驗器平台上（shàng），箱體底座和（hé）箱蓋之間通過螺柱進行連接。箱蓋的上方開有小孔，是用來放（fàng）置傳感器或油管、冷卻液管通（tōng）過的。箱體底座和箱（xiāng）蓋徑向側壁還有凸台結構，凸台上有螺紋孔，用於徑向加載（zǎi）組件的固定。箱體側壁還開有一些圓孔，用於通油。箱體內部還有加強筋和排油孔。箱（xiāng）體（tǐ）底座底板（bǎn）上還有一圈隔板，可以阻止回油（yóu）流出箱體（tǐ）。箱（xiāng）體底板長 961mm，寬 560mm，箱體（tǐ）總高 415mm，箱（xiāng）體壁厚（hòu） 25mm。

圖（tú）6：箱體結（jié）構（gòu）圖

對（duì）實驗（yàn）器箱體進行了靜力分析和模態分析（xī）在靜力（lì）分析中，將實驗器底（dǐ）座和上蓋粘成一體，在近似位置上加載荷，得到了應力、應變分（fèn）布和最大（dà）應力值處，對結構進行優（yōu）化（huà），可以看出，加強筋是很有用的。

在模態分析中（zhōng），分析了箱體的六（liù）階振型和對應頻率，得到了導致箱體（tǐ）共振的頻率對應的轉速（sù），分別為：18328.2r/min、19687.8r/min 和21125.4r/min。在自動控製轉速的過程中，要盡快避開這些轉速。

3、結論

所設計的是集成高速、高（gāo）溫、重載的一體化軸承實驗器（qì）。在設計的過程中（zhōng），建立了實（shí）驗器的三（sān）維模型，具有（yǒu）一定的工程應用價值。實驗器箱體是實驗器最（zuì）重要的組（zǔ）成部分。通過（guò） Ansys 對箱體（tǐ）進行靜力分析和振動模（mó）態分析，可以優化實驗器的（de）結構（gòu）設計（jì），增強實驗器的極限實驗能力，並能獲得實驗器箱體的共振（zhèn）頻（pín）率等動態特性，這（zhè）樣就能為自動控製轉速（sù）提（tí）供依據。

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