滾動(dòng)軸承疲勞壽命試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)

滾動(dòng)軸承疲勞壽命試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)滾動(dòng)軸承疲勞壽命試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)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?，滾動(dòng)軸承是機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)主要故障來(lái)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(duì)軸承的加速老化試驗(yàn)和加速壽命試驗(yàn)，對(duì)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(duì)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(guò)研究得到了壽命與負(fù)載的方程式，稱為L(zhǎng)-P公式。伴隨我國(guó)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(chǎng)上有幾百種不一樣型號(hào)的滾動(dòng)軸承。現(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。現(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(píng)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(duì)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(rùn)滑條件的改善，軸承能夠使用的時(shí)間越來(lái)越長(zhǎng)。來(lái)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)不間斷的十幾二十幾的小時(shí)不間斷的無(wú)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(méi)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(duì)壽命的要求相對(duì)較低的使用場(chǎng)景也要求軸承無(wú)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(lái)獲得軸承在高應(yīng)力的疲勞壽命，并且通過(guò)加速實(shí)驗(yàn)的結(jié)果來(lái)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。11.2國(guó)內(nèi)疲勞試驗(yàn)臺(tái)的現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)最早的疲勞壽命試驗(yàn)平臺(tái)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(guó)內(nèi)稱之為第一種機(jī)型。經(jīng)過(guò)改造，在我國(guó)重要的軸承試驗(yàn)臺(tái)生產(chǎn)廠先后制造出了名為ZS系列的軸承壽命試驗(yàn)臺(tái)，以滿足當(dāng)下我國(guó)軸承生產(chǎn)公司對(duì)軸承使用時(shí)間的要求，以此，同時(shí)為剛剛開(kāi)始不久的我國(guó)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(tái)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(tái)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(guò)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(tái)在我國(guó)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(tái)的優(yōu)點(diǎn)在于：容易保障試驗(yàn)精度，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；傳動(dòng)結(jié)構(gòu)是皮帶傳動(dòng)，由帶輪來(lái)改變速度，結(jié)構(gòu)單一；加載是手動(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(cè)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(tái)情況之前設(shè)計(jì)的試驗(yàn)臺(tái)如圖1-1，這個(gè)試驗(yàn)臺(tái)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(cè)軸承和支撐軸承構(gòu)成。支撐軸承安置在主軸的中心位置，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(guò)控制液壓泵對(duì)被測(cè)軸承施加徑向壓力。這個(gè)試驗(yàn)臺(tái)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(guò)帶傳動(dòng)，能夠?qū)崿F(xiàn)過(guò)載保護(hù)，主軸和被測(cè)軸承之間用錐形結(jié)構(gòu)連接，一邊實(shí)現(xiàn)軸承的快換。2圖1-1滾動(dòng)軸承試驗(yàn)臺(tái)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(cè)軸承座12、被測(cè)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、支撐軸承圖1-2試驗(yàn)臺(tái)布局圖圖1-3試驗(yàn)臺(tái)受力圖如上圖在實(shí)驗(yàn)的過(guò)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(guò)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(tái)的壽命3過(guò)短，沒(méi)有起到很大的實(shí)際作用，而且又要長(zhǎng)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?jī)?nèi)容如下：（1）研究并確定軸承試驗(yàn)臺(tái)的總體設(shè)計(jì)思路。（2）試驗(yàn)臺(tái)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(tái)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、繪制原理圖。（4）建立主軸的力學(xué)模型，來(lái)校驗(yàn)試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)是不是合理，滿足設(shè)計(jì)的要求。4第2章試驗(yàn)臺(tái)總體方案設(shè)計(jì)滾動(dòng)軸承試驗(yàn)臺(tái)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(méi)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(duì)少不了的零件，只有通過(guò)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(zhǎng)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。5a)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(rùn)滑和載荷分配能力。附帶保持架的軸承摩擦小，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(guò)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62.1.4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(kāi)來(lái)，對(duì)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(méi)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(cè)軸承的參數(shù)被測(cè)軸承參數(shù)表如下表2-1所示。被測(cè)軸承模型如圖2-4。表2-16205滾動(dòng)軸承參數(shù)表圖2-46205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。7表2-2Y系列電動(dòng)機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)圖2-5Y80M1-2電機(jī)2.4試驗(yàn)臺(tái)方案設(shè)計(jì)及選用軸承試驗(yàn)臺(tái)的機(jī)械部分重要組成結(jié)構(gòu)包括：試驗(yàn)臺(tái)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(tái)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(tái)方案一8由圖2-6所示，試驗(yàn)臺(tái)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(cè)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(guò)聯(lián)軸器傳遞給主軸。加載方式通過(guò)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(guò)來(lái)的扭矩。通過(guò)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(shì)，這不利于試驗(yàn)正常的運(yùn)行，會(huì)縮短試驗(yàn)臺(tái)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(guò)合理。圖2-7試驗(yàn)主軸受力分析圖軸承試驗(yàn)臺(tái)方案二如下圖2-8所示：圖2-8試驗(yàn)臺(tái)方案二如上圖所示，試驗(yàn)臺(tái)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9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(guò)聯(lián)軸器連接來(lái)傳遞運(yùn)動(dòng)，傳動(dòng)軸也由一對(duì)滾動(dòng)軸承支撐著，中間通過(guò)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)主軸和傳動(dòng)軸沒(méi)有直接施加任何壓力，壓力通過(guò)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(duì)滾動(dòng)軸承提供了兩個(gè)支反力。試驗(yàn)主軸由于通過(guò)傳動(dòng)軸來(lái)獲得動(dòng)力，所以所受扭矩主要由傳動(dòng)軸來(lái)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(méi)有向任何方向傾斜的趨勢(shì)，帶輪傳動(dòng)能夠起到良好的過(guò)載保護(hù)。經(jīng)過(guò)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(tái)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)模型102.5試驗(yàn)臺(tái)的測(cè)試系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)的測(cè)試結(jié)構(gòu)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(guò)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(guò)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(hào)和溫度信號(hào)。2.6加載結(jié)構(gòu)的確定滾動(dòng)軸承試驗(yàn)臺(tái)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(tái)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(lái)抉擇。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(guò)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(lái)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(tái)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(wàn)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(lái)的不好的影響。（3）容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)監(jiān)控利用計(jì)算機(jī)來(lái)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11變。能夠測(cè)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(méi)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(tái)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(zhǎng)期工作。2.6.2液壓加載液壓加載的動(dòng)力來(lái)源于電機(jī)，經(jīng)過(guò)液壓泵把機(jī)械能轉(zhuǎn)化為壓力。通過(guò)掌控各個(gè)閥門來(lái)掌管液壓油的流動(dòng)方向，從而來(lái)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(huì)造成是試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)的變形更厲害的會(huì)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，容易引起安全問(wèn)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(tái)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(zhǎng)處：杠桿操操縱簡(jiǎn)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(duì)于要施加長(zhǎng)期載荷的試驗(yàn)，這種加載方式是很不12錯(cuò)的選擇，尤其是集中應(yīng)力。鑒于本實(shí)驗(yàn)臺(tái)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)模型圖132.8本章小結(jié)滾動(dòng)軸承試驗(yàn)臺(tái)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(tái)方案的設(shè)定及測(cè)試體系、加載結(jié)構(gòu)的選擇，并畫出了試驗(yàn)臺(tái)、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(tái)的設(shè)計(jì)方案。14第3章試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)滾動(dòng)軸承試驗(yàn)臺(tái)的機(jī)械部分由試驗(yàn)臺(tái)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(hào)為6205的深溝球軸承，額定壽命計(jì)算公式：L10h公式中L10h——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；106C??()60nP（3-1）——壽命指數(shù)，球軸承??3。軸承采用脂潤(rùn)滑，極限轉(zhuǎn)速為n=12000~6000r/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=12000?40%r/min=4800r/min由于L10h計(jì)算比較麻煩，通常是在100~300小時(shí)范圍內(nèi)選擇L10h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L10h=150h。153.1.1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)載荷。依據(jù)選擇的L10h和試驗(yàn)轉(zhuǎn)速n，按照下列公式求解。P?公式中fn——轉(zhuǎn)速系數(shù)；fL——壽命系數(shù)。依據(jù)選擇的試驗(yàn)轉(zhuǎn)速查《滾動(dòng)軸承測(cè)試技術(shù)》表7-6速度系數(shù)fn=0.191，查《滾動(dòng)軸承測(cè)試技術(shù)》表7-7壽命系數(shù)fL=0.670。P?fn0.191?C=?14?3.991KNfL0.670fn?CfL（3-2）向心軸承只受徑向壓力Fr，試驗(yàn)加載的徑向壓力與計(jì)算的當(dāng)量載荷相等。即：Fr=P=4KN3.1.2額定靜載荷的驗(yàn)算之前計(jì)算的Fr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Fr代入靜載荷公式（3-3），假如算得的靜載荷P0比額定的靜載荷C0要小，那么就滿足設(shè)計(jì)要求。在《軸承手冊(cè)》上能夠查到軸承的額定靜載荷C0。靜載荷P0計(jì)算公式為：P0?X0Fr?Y0Fa（3-3）公式中P0——計(jì)算靜載荷（N）；X0——額定徑向靜載荷系數(shù)；Y0——額定軸向靜載荷系數(shù)；16Fa——軸向載荷。額定軸向靜載荷系數(shù)Y0和額定徑向靜載荷系數(shù)X0由《滾動(dòng)軸承測(cè)試技術(shù)》表7-11可以查到：X0=0.6應(yīng)為試驗(yàn)軸沒(méi)有受到任何方向的軸向力，所以Fa=0。P0?X0Fr?Y0Fa=0.6?4=2.4KNP0?C0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(tái)的重要部件，合理的選擇能夠保證試驗(yàn)臺(tái)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(duì)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?；瑒?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(kāi)安裝；滾動(dòng)軸承優(yōu)點(diǎn)在于摩擦系數(shù)小，轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的阻力也小，而且已經(jīng)是國(guó)標(biāo)化的，選擇，維護(hù)、潤(rùn)滑都很方便。所以為了使支撐結(jié)構(gòu)變的簡(jiǎn)單，還是采用滾動(dòng)軸承來(lái)支撐軸比較適合。試驗(yàn)臺(tái)的支撐軸承所受的力來(lái)自試驗(yàn)軸承所受的徑向載荷，由于軸承是對(duì)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(tái)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N210E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。17圖3-1支撐軸承模型表3-1支撐軸承特性的對(duì)比183.3試驗(yàn)主軸的設(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(tái)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(tái)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(cè)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45號(hào)鋼、40Cr和30CrMo，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(duì)照表19綜合上述，考慮到試驗(yàn)臺(tái)主軸的作用，最終選取軸材料為40Cr。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(zhǎng)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(zhǎng)度30mm；第2段軸不裝配任何東西僅起一個(gè)過(guò)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(zhǎng)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(zhǎng)度為60；第4段軸也起著定位軸肩的作用，直徑為60mm，長(zhǎng)度為100mm；第8段是和聯(lián)軸器連接的軸直徑18mm，長(zhǎng)度為40mm。203.3.3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