轉子振動試驗臺軸承加載裝置設計

葉振環　吳戍恩

摘? 要：文章針對轉子振動試驗臺完成滾動軸承性能測試的需求，在現有轉子振動試驗臺的基礎上開展了被試軸承的加載裝置的設計。通過常見加載方式的特點分析，結合轉子試驗臺結構特點和軸承測試工況要求，利用彈簧的彈性勢能作為加載力來源的機械加載方式進行了裝置的設計，并通過有限元分析驗證了結構的可靠性和穩定性。

關鍵詞：轉子振動試驗臺;滾動軸承;加載裝置設計;有限元分析

中圖分類號：TH133.33? ? ? 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）29-0030-03

Abstract： In this paper， according to the demand of the rotor vibration test-bed to complete the performance test of the rolling bearing， the design of the loading device of the tested bearing is carried out on the basis of the existing rotor vibration test-bed. Through the analysis of the characteristics of common loading modes， according to the structural characteristics of rotor test-bed and the requirements of bearing test conditions， the mechanical loading device is designed using the elastic potential energy of spring as the source of loading force. The reliability and stability of the structure are verified by finite element analysis.

Keywords： rotor vibration test-bed; rolling bearing; loading device design; finite element analysis

滾動軸承是機械傳動部分的重要零部件，其性能直接影響著整機的正常運行。在高速重載以及精密裝備中軸承運行狀態的監測以及早期故障的識別直接關系到整機的可靠性和穩定性。為預先掌握軸承在特殊工況下的性能以及故障特征，對軸承進行加載，模擬實際工作狀態下的受載情況，進行臺架試驗是一種普遍采用的有效方法。其中，軸承的加載裝置不僅直接決定了測試范圍還影響著測試的準確性和測試裝置的穩定性，因此在轉子振動試驗臺的基礎上進行改造以滿足軸承測試需求的過程中，被試軸承的加載裝置設計顯得尤為重要。

1 軸承加載方法

1.1 機械加載方式

機械加載方式主要運用的是偏心輪、凸輪、彈簧、螺栓螺母以及懸掛重物等機械結構[1]，主要利用某些特定的機械結構組合，相互配合運動實現加載。其加載方式結構簡單、可靠性高，但是加載力不連續，加載的過程有沖擊，難以實現加載力的精確控制，并且加載力不能按照要求做線性度較高的連續變化[2]。

1.2 液壓與氣壓加載

液壓與氣壓加載是以液壓油或氣體作為介質，以電機作為動力源，將一定壓力的流體輸入執行元件后再由執行元件將壓力傳遞到加載部位的加載方式[3]。其加載方式具有輸出平穩，加載力大等特點，主要運用于中大型軸承的加載領域[4]，但是液壓與氣壓需要占用的空間較大，且元件較多，不利于安裝。

1.3 電動缸加載

電動缸加載是利用伺服電機提供旋轉運動，旋轉運動由機械傳動裝置變成直線運動，并通過推桿進行加載的方式[5]。其加載方式具有清潔無污染、低噪音低速穩定性好、響應速度快、安裝使用方便等特點，但是多用于自動化控制設備中，在軸承試驗領域應用較少。

1.4 加載方式的選擇

本設計主要針對的是微小型軸承加載裝置的設計，其主要在小型振動試驗臺的基礎上進行改裝設計，為滿足設計要求，所設計的裝置主要考慮結構簡單，體積小，能夠實現不同加載力的加載且便于安裝操作。綜合以上幾種加載方式，機械加載較之其他方式有結構簡單、可靠性高、拆裝便捷、經濟性較高等優勢，所以選擇以機械加載方式進行設計。

2 軸承加載裝置的結構設計及原理

轉子振動試驗臺根據前期設計將部分轉子改裝為被試軸承的結構模型如圖1所示。為完成被試軸承的性能測試需要對試驗臺上的軸承提供徑向力加載裝置。

為了考慮整個加載裝置在轉子試驗臺上的安裝問題，考慮從水平方向在軸承的側面進行加載，并通過與轉子試驗臺的底座進行連接以保證整個加載裝置同試驗臺連接的穩定性，整體結構設計如圖2所示。底座底部設計有一個臺階，目的在于能夠準確的與試驗臺底座進行定位以保證其安裝精度。基座上安裝有螺桿支座，螺桿穿過螺桿支座上的通孔并在螺桿支座的兩面分別使用一顆螺母將螺桿進行固定，可以保證結構的穩定。螺桿上套彈簧作為一個蓄力裝置，通過壓縮彈簧產生的彈性勢能進行加載，彈簧的壓縮量由螺桿上安裝的蝶形螺母進行控制。同時，為了能夠準確反饋施加載荷的大小，在加載裝置上還安裝有壓力傳感器，壓力傳感器一端連接螺桿，一端連接接觸探頭，最后由接觸探頭與軸承外圈接觸將加載力傳遞至被試軸承。壓力傳感器下設計有支承座進行支承以防止結構變形，保證其整體結構的穩定性。

總體結構設計完成后安裝于轉子振動試驗臺上的裝配效果示意如圖3所示。

3 壓力傳感器的選擇

所需壓力傳感器的測量范圍需要結合標準規定的軸承振動測量載荷進行確定，具體見表1所示。結合轉子振動試驗臺轉軸尺寸Φ10×380mm可以確定被試軸承的內徑為10mm，外徑在30～45mm之間。根據表中給出的數據，外徑在30mm至50mm之間的圓柱滾子軸承徑向測量載荷在150N至180N之間。另外，因為圓柱滾子軸承是線接觸，深溝球軸承是點接觸，深溝球軸承的測量荷載應低于圓柱滾子軸承，故選用測量載荷高于180N的壓力傳感器可以同時滿足圓柱滾子軸承和深溝球軸承的測試載荷。

通過篩選后將型號為LLBLS-1的壓力傳感器應用于本設計中，其測量范圍為0～100kg，激勵電壓220V，輸出精度0.03%（F.S），輸出靈敏度2.002mV/V，重復性誤差e≤0.03%（F.S）。傳感器結構如圖4所示，其兩端面有兩個對稱的螺紋孔，通過這兩個螺紋孔，可以很好的與設計的加載機構進行連接。

4結構有限元分析

為滿足設計的使用性能要求，針對不同的零件選用了不同的材料，其中底座選擇304不銹鋼（06Cr18Ni10），螺桿支座、傳感器支承座、接觸探頭選擇鋁合金6061（LD30）。根據設定值參數確定彈簧加載力在150N～180N范圍，為了確保有足夠的安全余量，將力的大小設置為400N。考慮到結構自身的質量，添加一個大小為50N方向豎直向下的力。通過分析得出的應力和變形結果如圖5所示。從圖中結果可以看出，最大的應力集中在接觸探頭的左端部，大小為18.855MPa，遠小于兩種材料的屈服極限;總變形的最大變形量為0.0144mm，在允許的變形范圍內。因此，可以判斷此結構滿足可靠性和穩定性的要求。

5 結論

針對被試軸承徑向加載問題，通過對多種加載方式的對比，結合轉子振動試驗臺的結構特點和改裝需求，選用了機械加載方式進行裝置的設計，利用彈簧的彈性勢能作為加載力的來源，設計出了部分轉子改裝滾動軸承后的加載裝置，并通過有限元分析驗證了結構的可靠性和穩定性，為擴展轉子振動試驗臺的服務范圍奠定了基礎。

參考文獻：

[1]高奮武，朱孔敏，郝大慶，等.軸承摩擦力矩測量的新型軸向加載裝置[J].軸承，2010（03）：44-45.

[2]李蘭杰.小載荷軸承試驗機加載系統的設計[D].河南科技大學，2015.

[3]許福玲，陳堯明.液壓與氣壓傳動[M].北京： 機械工業出版社，2007.

[4]徐莉萍，李蘭杰.小載荷軸承試驗臺液壓加載系統的設計[J].液壓與氣動，2015（01）：82-85.

[5]徐文燦.電動缸與氣缸[J].液壓氣動與密封， 2006（02）： 19-24.

[6]GB/T 24610.1-2009/ISO 15242-1：2004.滾動軸承振動測量方法[S].