轴承试验机设计选件

试验装置技术指标与单元组成

转速、直径、载荷、等是设计试验装置的依据，也是确定方案和准确预算的前提。针对小型轴承的特点，本论文所设计的试验装置，主要用于完成部分小型轴承技术性能的测试，通过监测：轴承温度、径向载荷、轴向载荷、轴承振动、主轴转速等实时参数，从而达到对轴承质量评定的目的。试验装置设计性能指标如下表所示：

试验装置技术指标

Technical index of the test rig

名称轴承内径径向载荷轴向载荷转速

mm KN KN r/min 小型轴承20 0~2 0~2 0~2500

试验装置

试验装置要求具体如下：

1.具备手动加载、可调节转速的能力；

2.监测参数：轴承温度、径向载荷、轴向载荷、轴承振动、轴转速；

3.实时显示动态参数曲线和数值，记录数据；

本文轴承试验装置基于单元化设计理念，其单元组成主要有：机械系统、电动机驱动控制系统、手动加载系统、控制及采集系统几个部分。

机械主体结构设计

根据已有的试验装置技术要求与系统方案，完成试验装置整体的机械结构设计。

电动机选取

本试验机为小型轴承试验机，故电动机选取一般交流异步电动机即可，根据转速的需求，及性能特点。选择JO2型系列三相异步电动机，具有外形小、重量轻、效率高、温升低、使用方便、运行可靠易于检修等优点。安装型式：A201（D2/T2）即卧式安装，机座带有底脚，端盖有大凸缘。

电动机具体型号为一般交流异步电动机JO2-11-2，其具体参数如下表：

电动机型号额

定

功

率

kW

满载时启

动

电

流

A

启

动

转

矩

最

大

转

矩

转子转

动惯量

kgm2

电

机

质

量

kg

参

考

价

格

元转速电流A 效

率

%

功

率

因

数

rad/s rpm 220V 380V 满

载

转

矩

满

载

转

矩

JO2-11-2 0.8 294 2810 3.13 1.81 77.5 0.85 12 1.8 2.2 0.00101 17 100

主轴结构布局

对于低转速主轴系统（低速轴承轴颈圆周速度v<5m/s；中速轴承轴颈圆周速度v=5~60m/s；高速轴承轴颈圆周速度v>60m/s），存在着多种轴承布局方案。不同的布局方式具有各自的特点，但以下两种方式应用最为广泛：

1.被试轴承中置式，即被试轴承位于前后支承轴承（组）之间，其优点在于主轴单元的轴向尺寸较短，且主轴刚度很大，可以承受较大的载荷，但不利于被试轴承的拆装；

2.被试轴承悬臂式，即被试轴承位于支承轴承（组）侧主轴悬臂端。这种方式便于被试轴承端加载单元的配置，而且降低了被试轴承频繁拆装的难度。

本试验装置选用后种布局方式，两组支承轴承采用固定游动的支承形式，即前支承固定，后支承游动。由于手动加载靠近前支承端，主轴受力前大后小，故前支承选用较大尺寸轴承，后支承选用较小尺寸轴承。考虑到主轴悬臂端在高速重载情况下振动大的问题，在结构允许的情况下，尽量减小主轴前端的悬伸量。试验装置主轴布局方式如下图所示。

试验装置主轴布局方式

Distribution of the spindle

轴承组配形式及选型计算

主轴轴承的选用是试验装置的关键，主轴的最高转速取决于轴承的类型、大小、精度等级、布置和润滑方式等，同时轴承也是决定主轴寿命和负载容量的核心部件。主轴前、后支承的轴承通常可以通过不同的组配来提高其刚度和承载能力，采用正确的组配形式既可以使相同工作载荷和速度下的工作温度更低，相同载荷下的最高速度更高，又可以在空间利用和承载能力与刚度的优选上有较大的设计自由度。常用的轴承组配方式通常有如下三种：背对背、面对面和串联式。本文试验装置主轴轴承的整体配置形式及系统受力如下图所示。

轴承组配形式

Configuration of the spindle

本课题采用前支承轴承组串联、后支承轴承组（陪试轴承组）面对面的组配形式，其特点为：角接触轴承组串联可以允许承受径向载荷的和一个方向的轴向重载荷，可承受的径向载荷大小及轴向刚度取决于所施加的预载荷值；角接触轴承组面对面配对可同时承受径向力和两个方向的轴向载荷，不需要承受较大的倾覆力矩，可以允许较大的轴承座同轴度误差，缺点是刚度较低。

计算：

主轴设计

轴是组成机械的重要零件之一。它用来安装各种传动零件，使之绕其轴线转动，传递转矩或回转运动，并通过轴承与机架或机座相连结。轴与其上的零件组成一个组合体——轴系部件，在轴的设计时，不能只考虑轴本身，必须和轴系零、部件的整个结构密切联系起来。我们所设计的轴按受载荷情况为转轴，同时承受弯矩和扭矩的作用，但是以扭矩为主。

轴的设计应满足下列几方面要求：在结构上要受力合理、尽量避免或减少应力集中，足够的强度（静强度和疲劳强度），必要的刚度，特殊情况下的耐腐蚀性和耐高温，高速轴的振动稳定性及良好的加工工艺性，并使零件在轴上定位可靠、装配适当和拆装方便等。

应用于轴的材料较多，根据轴的使用条件，对轴的强度、刚度和其他机械性能的要求，我们选择最为常用的45号钢来作为轴的材料，正火处理。其主要力学性能如下表：

材料牌号

热处理

毛坯直径/mm

硬度 HB

抗拉强度σ

b

屈服点 σ

s

弯曲疲劳极限σ

-1

扭转疲劳极限

许用静应力 σ

+1p

许用疲劳应力 σ

-1p

备注

MPa 不小于

MPa MPa

45

正火

≤100 170~217

600

300

240

140

240

160~184 应用最

广泛

轴的结构设计。轴的结构设计是确定轴的合理外形和全部结构尺寸，它与轴上安装的零件类型、尺寸及其位置、零件的固定方式，载荷的性质、方向、大小及分布情况等有关。我们小型轴承试验机中的轴承上所安装的零件较少，结构简单。根据所确定的支撑轴承，和联轴器确定轴承如下图

轴承的强度校核。我们所设计的轴为实心轴，应用在小型轴承试验机上，主要承受扭转力矩，所以我们按扭转强度计算，公式如下：

n

P

T

d A

p

3

3

2.17=

=τ

式中 d ——轴端直径，mm ； T ——轴所传递的扭矩，N ·m ；

P ——轴所传递的功率，kW ； n ——轴的工作转速，r/min ；

p τ——需用扭转剪切应力，MPa ；

A ——系数。

根据上述公式得出，最小的轴径d min =7.2mm ，即轴的直径大于7.2mm 即可，所以所设计的轴强度足够。 轴系设计

联轴器。联轴器的功能是将动力驱动和试验主轴系统进行连接，起到功率和转矩传递的作用。本文试验装置的电主轴与试验主轴系统的同轴度与平行度要求较高，故采用平键联轴器方案，将电主轴和试验主轴系统进行连接，这样既安装方便，又便于加工，还可以消除电主轴与试验主轴系统的同轴度误差对主轴系统造成的不良影响。

根据小型轴承试验机的性能指标，本文选取联轴器为刚性凸缘联轴器，主轴端为J 1型，电机端为Y 型，键槽形式为A 型——平键单键槽，其联轴器特点为结构简单，成本低，无补偿性能，不能缓冲减震，对两轴安装精度要求较高。 机械式联轴器的选用计算：

n t z w w

t z w c T K KK K n

P K KK TK T ≤==9550

式中 T ——理论转矩，N ·m ；

P w ——驱动功率，kW ； n ——工作转速，r/min ； K w ——动力机系数； K ——工况系数； K z ——启动系数； K t ——温度系数；

T n ——公称转矩，N ·m 。 查表可知：T=2.2（N ·m ），K w =1.0，K=1.00，K z =1.0，K t =1.0； 最终T c =2.2（N ·m ）

有上述结果选定凸缘联轴器类型为YL1型，其基本参数如下表

型号

公称转矩T n

许用 转速 n p

轴承 直径 d （H7）

轴孔 长度 L D

D 1

螺栓

L 0

转动惯量 J

重量

铁

钢

铁 钢

Y

型

J 、J 1型 数量 n

直径 M

Y 型

J 、J 1型

/kg ·m 2

/kg

/N ·m /r ·min -1

/mm

/mm

YL1 10 8100 13000 10、11 25 22 71

53

3

（3）

M6

54

48 0.0018

12、14

32 27 68 58 16、18、19

42

30

88

64

20

20、22

52 38 80 64

4 （4）

108 80

主轴跨距。轴系组件一般可以简化为简支梁模型进行静刚度计算。主轴跨距是影响主轴系统动静态特性的重要因素，其选择的合理性是轴系设计的关键。主轴静态刚度公式：

??

?

???++???? ??++??? ??+==121113F y 1222113L A L A k k k A L EI A K 式中K ——主轴静刚度，N/m ；

F ——主轴径向力，N ； y ——悬伸端位移，mm ； A ——轴端悬伸量，mm ； E ——弹性模量，MPa ；

I ——主轴跨距部分惯性矩，m 4； k 1、k 2——前后支承轴承刚度，N/m ； L ——主轴跨距，mm ；

由式可以看出，主轴刚度随轴端悬伸量增大而减小，故在结构允许的条件下，尽量缩短轴端悬伸量可以增大主轴刚度，同时也会降低高速旋转时轴端的振动幅度。当轴端悬伸量确定后，由式中刚度与跨距的函数关系可以看出，存在一个最

佳跨度使得主轴刚度达最大值。通过考虑跨距对固有频率的影响，最终确定主轴跨距为 mm，轴端悬伸量为 mm。

轴承润滑。轴承的润滑是制约主轴极限转速和动态特性的主要因素之一。合理的选择润滑剂和润滑方式，可以降低轴承摩擦阻力，减轻轴承磨损，减少轴承因摩擦发热而引起的温升，对于提高轴承动静态性能以及延长使用寿命都有着十分重要的意义。

密封方式。

底座设计

本文试验装置的箱体、电主轴全部置于共同底座平台之上，故对底座的平面度、表面光洁度、强度以及隔振性能都有较高的要求。综合考虑以上影响因素，本文试验装置底座平台最终选用材料为HT200，其材料的物理性能参数如下表所示。

材料物理性能

Physical property of HT200

弹性模量E（Pa）泊松比

μ

密度

Ρ（kg/m3)

最大许用应

力σ（MPa）

热导率

λ（W/（mK））

线膨胀系数

α1（10-6/K）

1.48E+11 0.31 7.33E+03 250 40 11.0

试验机监测系统的总体设计方案

小型轴承试验机监测系统釆用嵌入触摸屏作为上位机监测，采用组态软件对进行监控，其特点是使用方便，功能强大，而且画面丰富，采集的数据稳定可靠，力传感器能够实现试验轴承的轴向载荷、径向载荷的加载监控，PC机显示屏能够清晰直观的得到主轴的转速及进行调节，温度测试仪能够及时反映被试轴承和支撑轴承的温度状况，当超出限定温度时，会产生报警，同时采用工业控制计算机，与振动传感器进行连接，接受振动信号，搭建成轴承故障分析功能模块，进而对试验过程中轴承的振动情况行实时故障诊断分。利用上位机组态软件完成过程且态、数据采集、数据显示及集中控制。试验过程中主要得出试验轴承的温度和振动情况数据，根据编辑的组态画面，试验机主监控界面可以得到轴承试验机的工作状态，轴向加载量，径向加载量，主轴工作状态等参数，触摸屏会把这些实时数据进行保存，同时会在数据曲线监控界面显示试验轴承各个测点的温度、振动情况曲线状态，当某测点的数值超过事先确定的限值值吋，在实时报警界面会发出报警信号显示。通过触摸屏的组态画面可以良好的达到人机交互效果，良好的实现本套测控系统的自动化功能。

小载荷轴承试验机控制系统的软件设计

硬件设备连接好后，需要按照加载要求以及软件特性进行相应的测控系统的设计，包含人机交互界面的设计、控制程序的编制以及传输信号的分析处理等，做到操作简单、功能齐全、外观美观等特点。本实验采用欧姆龙CX-P,PLC编程系统，Mcgs组态软件操控系统等软件。