高速一體化軸承實驗器結構設計
2021-2-1 來源：上海航空電器有限公司 作者：閆云雪，朱錦超，宮 偉
摘 要：一體化軸承因其優(yōu)越的性能越來越多的應用于航空領域，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于優(yōu)化軸承結構十分重要，結合已有的傳動軸承實驗機，設計高速一體化軸承實驗器，實現(xiàn)對一體化球軸承的加載試驗，校核軸承壽命。
關鍵詞：航空領域；一體化軸承；加載試驗
近些年來，一體化軸承因其優(yōu)越的性能越來越多的應用于航空領域，并且航空領域等極苛刻的工作環(huán)境對其的需求量日益增長。一體化軸承在未來的發(fā)展趨勢是外圈與軸承套合為一體，這樣在安裝時可避免軸承與軸承套的配合問題，減輕了軸承外圈的磨損；安裝時采用側(cè)面懸臂安裝方式，更加方便快捷，具有明顯的優(yōu)勢。
通過對國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和研究結果進行分析，發(fā)現(xiàn)已有的軸承實驗機在加載、供油和測試等方面做的比較粗糙，并且只能針對傳統(tǒng)軸承進行實驗，如果要對一體化軸承進行高速、高溫、重載的實驗，還需要重新設計實驗器的結構。
該論文研究的是一體化球軸承實驗器，并能兼顧一體化滾子軸承，實驗器對軸承進行惡劣工況的實驗，可以分析軸承在高速、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，延長軸承的使用壽命。
1、實驗器總體方案設計
主要考慮的是鼠籠軸承的一體化結構，實驗器可以對一體化球（滾子）軸承進行實驗，實驗器的要求是可以模擬一體化軸承在高速、高溫、重載條件下的工作條件，根據(jù)某項目提出的要求，技術指標如下：
實驗軸承的尺寸 ： 內(nèi)徑 Ф50- Φ100mm， 外徑Φ80- Φ150mm，長度 100- 400mm；
實驗載荷：徑向 500- 10000N，軸向 500- 10000N；
系統(tǒng)可以實現(xiàn)的最大轉(zhuǎn)速：24000r/min；
軸承運轉(zhuǎn)時環(huán)境溫度上限：250°C。
實驗系統(tǒng)由驅(qū)動系統(tǒng)、加載系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)、實驗器主體組成，系統(tǒng)結構圖如圖1所示，軸承工況通過傳感器對軸承的溫度、軸心位移進行監(jiān)測。
圖1：實驗器系統(tǒng)結構圖
實驗器主體是整個系統(tǒng)的核心，是系統(tǒng)的執(zhí)行部分。實驗軸承和支撐軸承安裝于實驗器的兩端，加載軸承在中間，加載力作用在加載軸承上。在軸承端蓋和軸承套上開有進回油油孔，潤滑油要噴到軸承滾動體上，回油采用重力回油方式。傳感器安裝到箱體對應位置上，傳感器的測量頭要與軸承外圈接觸。
2、實驗器主體結構設計
實驗軸承為一體化球軸承時，實驗軸承需要承受軸向力和徑向力，所以加載軸承選用承載能力較強的角接觸球軸承；為了使軸向力可以直接傳遞給實驗軸承，避免支撐軸承承受軸向力，支撐軸承選用圓柱滾子軸承。實驗器的結構見圖2。
圖2：一體化球軸承實驗器結構簡圖
實驗軸承為一體化滾子軸承時實驗軸承只需要承受徑向力，但是為了減少更換元件的麻煩，加載軸承依然選用角接觸球軸承；如果支撐軸承還選用滾子軸承，整個軸系統(tǒng)軸向無法定位，實驗過程中軸組件可能發(fā)生軸向移動，所以支撐軸承改用深溝球軸承即可。
可以看出，軸承實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，下面主要介紹這三部分結構設計。
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、軸承的潤滑、組件的密封方式。一體化球軸承的支撐組件的裝配圖見圖3。
要求最高轉(zhuǎn)速是 24000r/min，國內(nèi)生產(chǎn)的軸承不能實現(xiàn)這樣的要求，所以根據(jù)實驗室的條件，圓柱滾子軸承選用 FAG 公司生產(chǎn)的 NU209 型，F(xiàn)AG 公司生產(chǎn)的軸承相比于國內(nèi)同型號的軸承極限轉(zhuǎn)速高很多，可以滿足要求。
軸承的外圈通過法蘭端蓋與軸承套兩端定位，軸承套卡在箱體上，實現(xiàn)了軸向定位，圓錐銷可以防止支撐組件軸向旋轉(zhuǎn)。內(nèi)圈通過鎖緊螺母與主軸兩端定位。兩個滾子軸承內(nèi)圈通過一個隔套進行定位，隔套需要與噴油環(huán)一同加工，這樣可以保證精度。常溫潤滑油由液壓管接頭 5 進入支撐軸承組件，由噴油環(huán)將潤滑油噴至圓柱滾子軸承的滾動體和內(nèi)圈接觸處，這樣潤滑狀況比較好。回油方式為重力回油。
1- 支撐軸承前法蘭；2- 支撐軸承外套；3- 支撐軸承后法蘭；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（一體化球軸承）
軸承組件密封方法采用螺旋密封。螺旋密封的工作原理是當主軸旋轉(zhuǎn)時，充滿在槽內(nèi)的液體產(chǎn)生泵送壓頭，在密封室內(nèi)產(chǎn)生最高壓力，與被密封介質(zhì)壓力相平衡，從而阻止被密封介質(zhì)外漏。
一體化滾子軸承支撐組件相比于一體化球軸承實驗時的支撐組件，不同之處在于將圓柱滾子軸承 NU209 更換為深溝球軸承 6209，噴油環(huán)的噴油口位置改變，其他零件尺寸及裝配關系未變。
2.2、加載組件結構設計
一體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相似，圖中還包含了液壓加載組件。
要求的最高轉(zhuǎn)速是 24000r/min，徑向加載最大 10000N，軸向加載最大 10000N，加載軸承選用 FAG 公司生產(chǎn)的角接觸球軸承 7211 型，F(xiàn)AG 公司生產(chǎn)的軸承承載能力大，相比于國內(nèi)同型號的軸承極限轉(zhuǎn)速高很多，可以滿足要求。
軸承的外圈通過法蘭端蓋與軸承套兩端定位，軸承套通過一個定位元件實現(xiàn)軸向和徑向定位，內(nèi)圈通過鎖緊螺母與主軸兩端定位。兩個滾子軸承內(nèi)圈通過一個隔套進行定位，隔套需要與噴油環(huán)一同加工，這樣可以保證精度。
2.2.1、軸向加載原理分析
通過圖4可知，軸向加載組件由法蘭、橡膠墊、加載體、承載盤、壓頭和基座幾部分組成。
軸向加載的工作原理：高壓油從軸向加載法蘭 5 徑向的油孔進入，壓力作用在加載體 8 上。當加載力最大時，加載體是直徑為 10mm 的圓柱體，共有 10 個，呈圓周狀均勻放置在承載盤7 的 10 個孔中，若加載力變化，加載體的直徑和個數(shù)也作相應的變化。壓力作用于加載體后，加載體軸向移動，通過加載膜片8 將壓力傳遞給加載壓頭 10，壓頭與箱體接觸后，會停止移動，這時產(chǎn)生的反力就作用在了加載軸承的外圈上，由于軸承內(nèi)圈與軸雙向固定，所以軸向力通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組成，起到緩沖的作用。
1- 加載軸承前法蘭；2- 加載軸承外套；3- 角接觸球軸承 7211；4- 噴油
環(huán)；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
體；9- 軸向加載膜片；10- 軸向加載壓頭；11- 軸向加載基座；12- 鎖緊螺母；13- 彈性墊圈 D12；14- 螺栓 M12X70；15- 加載軸承隔套；16- 螺栓M8X30；17- 彈性墊圈 D8；18- 墊圈 D8。
圖4：實驗器加載組件（一體化球軸承）
軸向加載基座的圓周方向上還有通入冷卻液的孔，呈 70°分布，用于冷卻壓頭。
裝配時軸向加載組件通過加載軸承外套進行軸向定位，用螺栓進行連接，未通入高壓油時壓頭端面與箱體內(nèi)壁距離為2mm，壓頭可移動的距離是 5mm。
表1是不同壓力對應的壓強譜：
表1：軸向加載壓強譜
常溫潤滑油由液壓管接頭進入加載軸承組件，由噴油環(huán)將潤滑油噴到角接觸球軸承的滾動體和內(nèi)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，由于不需要軸向載荷，所以軸向加載組件用法蘭替換。
2.2.2、徑向加載原理分析
徑向加載組件包括法蘭、加載體、承載盤、橡膠墊、加載端蓋、壓頭、冷卻體組成。徑向加載組件的裝配圖如圖5所示。
徑向加載原理：徑向加載的原理與軸向加載相似。高壓油從法蘭油孔進入，通過嚴封墊 2 作用于加載體 9。加載力為最大161700N 時，加載體為直徑 50mm 的圓柱體，當力作用于加載體上，加載體軸向移動，通過加載膜片緩沖，將力傳至推桿 5，推桿5 與加載軸承接觸，徑向力就作用在加載軸承上了。
徑向加載法蘭 4 和推桿 5 上還有用于推桿冷卻的孔，避免溫度過高對零件造成損傷。徑向加載組件要加密封圈，防止冷卻液泄漏。
1- 徑向加載法蘭；2- 橡膠墊；3- 徑向加載承載盤；4- 徑向加載端蓋；5- 徑向加載推桿；6- 毛氈圈；7- 冷卻體組件；8- 徑向加載膜片；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，改變加載體的直徑和即可，表2是不同壓力對應的壓強譜：
表2：徑向加載壓強譜
2.3、箱體結構設計
箱體三維圖見圖6。包括箱體前蓋、后蓋和箱體底座。箱體底座通過 8 個地腳螺栓固定在實驗器平臺上，箱體底座和箱蓋之間通過螺柱進行連接。箱蓋的上方開有小孔，是用來放置傳感器或油管、冷卻液管通過的。箱體底座和箱蓋徑向側(cè)壁還有凸臺結構，凸臺上有螺紋孔，用于徑向加載組件的固定。箱體側(cè)壁還開有一些圓孔，用于通油。箱體內(nèi)部還有加強筋和排油孔。箱體底座底板上還有一圈隔板，可以阻止回油流出箱體。箱體底板長 961mm，寬 560mm，箱體總高 415mm，箱體壁厚 25mm。
圖6：箱體結構圖
對實驗器箱體進行了靜力分析和模態(tài)分析在靜力分析中，將實驗器底座和上蓋粘成一體，在近似位置上加載荷，得到了應力、應變分布和最大應力值處，對結構進行優(yōu)化，可以看出，加強筋是很有用的。
在模態(tài)分析中，分析了箱體的六階振型和對應頻率，得到了導致箱體共振的頻率對應的轉(zhuǎn)速，分別為：18328.2r/min、19687.8r/min 和21125.4r/min。在自動控制轉(zhuǎn)速的過程中，要盡快避開這些轉(zhuǎn)速。
3、結論
所設計的是集成高速、高溫、重載的一體化軸承實驗器。在設計的過程中，建立了實驗器的三維模型，具有一定的工程應用價值。實驗器箱體是實驗器最重要的組成部分。通過 Ansys 對箱體進行靜力分析和振動模態(tài)分析，可以優(yōu)化實驗器的結構設計，增強實驗器的極限實驗能力，并能獲得實驗器箱體的共振頻率等動態(tài)特性，這樣就能為自動控制轉(zhuǎn)速提供依據(jù)。
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