軸承試驗(yàn)機(jī)設(shè)計(jì)選件

1、 試驗(yàn)裝置技術(shù)指標(biāo)與單元組成轉(zhuǎn)速、直徑、載荷、等是設(shè)計(jì)試驗(yàn)裝置的依據(jù)，也是確定方案和準(zhǔn)確預(yù)算的前提。針對小型軸承的特點(diǎn)，本論文所設(shè)計(jì)的試驗(yàn)裝置，主要用于完成部分小型軸承技術(shù)性能的測試，通過監(jiān)測：軸承溫度、徑向載荷、軸向載荷、軸承振動、主軸轉(zhuǎn)速等實(shí)時參數(shù)，從而達(dá)到對軸承質(zhì)量評定的目的。試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)性能指標(biāo)如下表所示：試驗(yàn)裝置技術(shù)指標(biāo)Technical index of the test rig名稱 軸承內(nèi)徑 徑向載荷 軸向載荷 轉(zhuǎn)速 mm KN KN r/min 小型軸承 20 02 02 02500 試驗(yàn)裝置試驗(yàn)裝置要求具體如下：1. 具備手動加載、可調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的能力；2. 監(jiān)測參數(shù)：軸承溫度、

2、徑向載荷、軸向載荷、軸承振動、軸轉(zhuǎn)速；3. 實(shí)時顯示動態(tài)參數(shù)曲線和數(shù)值，記錄數(shù)據(jù)；本文軸承試驗(yàn)裝置基于單元化設(shè)計(jì)理念，其單元組成主要有：機(jī)械系統(tǒng)、電動機(jī)驅(qū)動控制系統(tǒng)、手動加載系統(tǒng)、控制及采集系統(tǒng)幾個部分。機(jī)械主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)根據(jù)已有的試驗(yàn)裝置技術(shù)要求與系統(tǒng)方案，完成試驗(yàn)裝置整體的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。電動機(jī)選取本試驗(yàn)機(jī)為小型軸承試驗(yàn)機(jī)，故電動機(jī)選取一般交流異步電動機(jī)即可，根據(jù)轉(zhuǎn)速的需求，及性能特點(diǎn)。選擇JO2型系列三相異步電動機(jī)，具有外形小、重量輕、效率高、溫升低、使用方便、運(yùn)行可靠易于檢修等優(yōu)點(diǎn)。安裝型式：A201（D2/T2）即臥式安裝，機(jī)座帶有底腳，端蓋有大凸緣。電動機(jī)具體型號為一般交流異步電動機(jī)J

3、O2-11-2，其具體參數(shù)如下表：電動機(jī)型號額定功率kW滿載時啟動電流A啟動轉(zhuǎn)矩最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量kgm2電機(jī)質(zhì)量kg參考價格元轉(zhuǎn)速電流A效率%功率因數(shù)rad/srpm220V380V滿載轉(zhuǎn)矩滿載轉(zhuǎn)矩JO2-11-20.829428103.131.8177.50.85121.82.20.0010117100主軸結(jié)構(gòu)布局對于低轉(zhuǎn)速主軸系統(tǒng)（低速軸承軸頸圓周速度v<5m/s；中速軸承軸頸圓周速度v=560m/s；高速軸承軸頸圓周速度v>60m/s），存在著多種軸承布局方案。不同的布局方式具有各自的特點(diǎn)，但以下兩種方式應(yīng)用最為廣泛：1.被試軸承中置式，即被試軸承位于前后支承軸承（組）之

4、間，其優(yōu)點(diǎn)在于主軸單元的軸向尺寸較短，且主軸剛度很大，可以承受較大的載荷，但不利于被試軸承的拆裝；2.被試軸承懸臂式，即被試軸承位于支承軸承（組）側(cè)主軸懸臂端。這種方式便于被試軸承端加載單元的配置，而且降低了被試軸承頻繁拆裝的難度。本試驗(yàn)裝置選用后種布局方式，兩組支承軸承采用固定游動的支承形式，即前支承固定，后支承游動。由于手動加載靠近前支承端，主軸受力前大后小，故前支承選用較大尺寸軸承，后支承選用較小尺寸軸承。考慮到主軸懸臂端在高速重載情況下振動大的問題，在結(jié)構(gòu)允許的情況下，盡量減小主軸前端的懸伸量。試驗(yàn)裝置主軸布局方式如下圖所示。試驗(yàn)裝置主軸布局方式Distribution of the

5、spindle軸承組配形式及選型計(jì)算主軸軸承的選用是試驗(yàn)裝置的關(guān)鍵，主軸的最高轉(zhuǎn)速取決于軸承的類型、大小、精度等級、布置和潤滑方式等，同時軸承也是決定主軸壽命和負(fù)載容量的核心部件。主軸前、后支承的軸承通?？梢酝ㄟ^不同的組配來提高其剛度和承載能力，采用正確的組配形式既可以使相同工作載荷和速度下的工作溫度更低，相同載荷下的最高速度更高，又可以在空間利用和承載能力與剛度的優(yōu)選上有較大的設(shè)計(jì)自由度。常用的軸承組配方式通常有如下三種：背對背、面對面和串聯(lián)式。本文試驗(yàn)裝置主軸軸承的整體配置形式及系統(tǒng)受力如下圖所示。軸承組配形式Configuration of the spindle本課題采用前支承軸承組串

6、聯(lián)、后支承軸承組（陪試軸承組）面對面的組配形式，其特點(diǎn)為：角接觸軸承組串聯(lián)可以允許承受徑向載荷的和一個方向的軸向重載荷，可承受的徑向載荷大小及軸向剛度取決于所施加的預(yù)載荷值；角接觸軸承組面對面配對可同時承受徑向力和兩個方向的軸向載荷，不需要承受較大的傾覆力矩，可以允許較大的軸承座同軸度誤差，缺點(diǎn)是剛度較低。計(jì)算：主軸設(shè)計(jì) 軸是組成機(jī)械的重要零件之一。它用來安裝各種傳動零件，使之繞其軸線轉(zhuǎn)動，傳遞轉(zhuǎn)矩或回轉(zhuǎn)運(yùn)動，并通過軸承與機(jī)架或機(jī)座相連結(jié)。軸與其上的零件組成一個組合體軸系部件，在軸的設(shè)計(jì)時，不能只考慮軸本身，必須和軸系零、部件的整個結(jié)構(gòu)密切聯(lián)系起來。我們所設(shè)計(jì)的軸按受載荷情況為轉(zhuǎn)軸，同時承受彎

7、矩和扭矩的作用，但是以扭矩為主。 軸的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足下列幾方面要求：在結(jié)構(gòu)上要受力合理、盡量避免或減少應(yīng)力集中，足夠的強(qiáng)度（靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度），必要的剛度，特殊情況下的耐腐蝕性和耐高溫，高速軸的振動穩(wěn)定性及良好的加工工藝性，并使零件在軸上定位可靠、裝配適當(dāng)和拆裝方便等。 應(yīng)用于軸的材料較多，根據(jù)軸的使用條件，對軸的強(qiáng)度、剛度和其他機(jī)械性能的要求，我們選擇最為常用的45號鋼來作為軸的材料，正火處理。其主要力學(xué)性能如下表：材料牌號熱處理毛坯直徑/mm硬度HB抗拉強(qiáng)度b屈服點(diǎn)s彎曲疲勞極限-1扭轉(zhuǎn)疲勞極限許用靜應(yīng)力+1p許用疲勞應(yīng)力-1p備注MPa不小于MPaMPa45正火100170217600300

8、240140240160184應(yīng)用最廣泛軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是確定軸的合理外形和全部結(jié)構(gòu)尺寸，它與軸上安裝的零件類型、尺寸及其位置、零件的固定方式，載荷的性質(zhì)、方向、大小及分布情況等有關(guān)。我們小型軸承試驗(yàn)機(jī)中的軸承上所安裝的零件較少，結(jié)構(gòu)簡單。根據(jù)所確定的支撐軸承，和聯(lián)軸器確定軸承如下圖軸承的強(qiáng)度校核。我們所設(shè)計(jì)的軸為實(shí)心軸，應(yīng)用在小型軸承試驗(yàn)機(jī)上，主要承受扭轉(zhuǎn)力矩，所以我們按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計(jì)算，公式如下： 式中 d軸端直徑，mm； T軸所傳遞的扭矩，N·m； P軸所傳遞的功率，kW； n軸的工作轉(zhuǎn)速，r/min； 需用扭轉(zhuǎn)剪切應(yīng)力，MPa； A系數(shù)。 根據(jù)上述公式得出，最小的軸徑d

9、min=7.2mm，即軸的直徑大于7.2mm即可，所以所設(shè)計(jì)的軸強(qiáng)度足夠。軸系設(shè)計(jì) 聯(lián)軸器。聯(lián)軸器的功能是將動力驅(qū)動和試驗(yàn)主軸系統(tǒng)進(jìn)行連接，起到功率和轉(zhuǎn)矩傳遞的作用。本文試驗(yàn)裝置的電主軸與試驗(yàn)主軸系統(tǒng)的同軸度與平行度要求較高，故采用平鍵聯(lián)軸器方案，將電主軸和試驗(yàn)主軸系統(tǒng)進(jìn)行連接，這樣既安裝方便，又便于加工，還可以消除電主軸與試驗(yàn)主軸系統(tǒng)的同軸度誤差對主軸系統(tǒng)造成的不良影響。根據(jù)小型軸承試驗(yàn)機(jī)的性能指標(biāo)，本文選取聯(lián)軸器為剛性凸緣聯(lián)軸器，主軸端為J1型，電機(jī)端為Y型，鍵槽形式為A型平鍵單鍵槽，其聯(lián)軸器特點(diǎn)為結(jié)構(gòu)簡單，成本低，無補(bǔ)償性能，不能緩沖減震，對兩軸安裝精度要求較高。機(jī)械式聯(lián)軸器的選用計(jì)算：

10、式中 T理論轉(zhuǎn)矩，N·m； Pw驅(qū)動功率，kW； n工作轉(zhuǎn)速，r/min； Kw動力機(jī)系數(shù)； K工況系數(shù)； Kz啟動系數(shù)； Kt溫度系數(shù)； Tn公稱轉(zhuǎn)矩，N·m。查表可知：T=2.2（N·m），Kw=1.0，K=1.00，Kz=1.0，Kt=1.0； 最終Tc=2.2（N·m） 有上述結(jié)果選定凸緣聯(lián)軸器類型為YL1型，其基本參數(shù)如下表 型號公稱轉(zhuǎn)矩Tn許用轉(zhuǎn)速np軸承直徑d（H7）軸孔長度LDD1螺栓L0轉(zhuǎn)動慣量J重量鐵鋼鐵鋼Y型J、J1型數(shù)量n直徑MY型J、J1型/kg·m2/kg/N·m/r·min-1/mm/mmYL1

11、1081001300010、11252271533（3）M654480.001812、143227685816、18、19423088642020、22523880644（4）10880 主軸跨距。軸系組件一般可以簡化為簡支梁模型進(jìn)行靜剛度計(jì)算。主軸跨距是影響主軸系統(tǒng)動靜態(tài)特性的重要因素，其選擇的合理性是軸系設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。主軸靜態(tài)剛度公式：式中K主軸靜剛度，N/m；F主軸徑向力，N；y懸伸端位移，mm；A軸端懸伸量，mm；E彈性模量，MPa；I主軸跨距部分慣性矩，m4；k1、k2前后支承軸承剛度，N/m；L主軸跨距，mm；由式可以看出，主軸剛度隨軸端懸伸量增大而減小，故在結(jié)構(gòu)允許的條件下，盡量縮

12、短軸端懸伸量可以增大主軸剛度，同時也會降低高速旋轉(zhuǎn)時軸端的振動幅度。當(dāng)軸端懸伸量確定后，由式中剛度與跨距的函數(shù)關(guān)系可以看出，存在一個最佳跨度使得主軸剛度達(dá)最大值。通過考慮跨距對固有頻率的影響，最終確定主軸跨距為 mm，軸端懸伸量為 mm。軸承潤滑。軸承的潤滑是制約主軸極限轉(zhuǎn)速和動態(tài)特性的主要因素之一。合理的選擇潤滑劑和潤滑方式，可以降低軸承摩擦阻力，減輕軸承磨損，減少軸承因摩擦發(fā)熱而引起的溫升，對于提高軸承動靜態(tài)性能以及延長使用壽命都有著十分重要的意義。密封方式。底座設(shè)計(jì)本文試驗(yàn)裝置的箱體、電主軸全部置于共同底座平臺之上，故對底座的平面度、表面光潔度、強(qiáng)度以及隔振性能都有較高的要求。綜合考慮以

13、上影響因素，本文試驗(yàn)裝置底座平臺最終選用材料為HT200，其材料的物理性能參數(shù)如下表所示。材料物理性能Physical property of HT200彈性模量E（Pa）泊松比密度（kg/m3)最大許用應(yīng)力（MPa）熱導(dǎo)率（W/（mK）線膨脹系數(shù)1（10-6/K）1.48E+110.317.33E+032504011.0試驗(yàn)機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案 小型軸承試驗(yàn)機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)釆用嵌入觸摸屏作為上位機(jī)監(jiān)測，采用組態(tài)軟件對進(jìn)行監(jiān)控，其特點(diǎn)是使用方便，功能強(qiáng)大，而且畫面豐富，采集的數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠，力傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)試驗(yàn)軸承的軸向載荷、徑向載荷的加載監(jiān)控，PC機(jī)顯示屏能夠清晰直觀的得到主軸的轉(zhuǎn)速及進(jìn)行調(diào)節(jié)，溫度測試儀能夠及時反映被試軸承和支撐軸承的溫度狀況，當(dāng)超出限定溫度時，會產(chǎn)生報(bào)警，同時采用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，與振動傳感器進(jìn)行連接，接受振動信號，搭建成軸承故障分析功能模塊，進(jìn)而對試驗(yàn)過程中軸承的振動情況行實(shí)時故障診斷分。利用上位機(jī)組態(tài)軟件完成過程且態(tài)、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)顯示及集中控制。試驗(yàn)過程中主要得出試驗(yàn)軸承的溫度和振動情況數(shù)據(jù)，根據(jù)編輯的組態(tài)畫面，試驗(yàn)機(jī)主監(jiān)控界面可以得到軸承試驗(yàn)機(jī)的工作狀態(tài)，軸向加載量，徑向加載量，主軸工作狀態(tài)等參數(shù)，觸摸屏?xí)堰@些實(shí)時數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，同時會在數(shù)據(jù)曲線監(jiān)控界面顯示試驗(yàn)軸承各個測點(diǎn)的溫度、振動情況曲線狀態(tài)，當(dāng)