高速一体化轴承实验器结构设计
2021-2-1 来源：上海航空电器有限公司 作者：闫云雪，朱锦超，宫 伟
摘 要：一体化轴承因其优越的性能越来越多的应用于航空领域，轴承使用工况主要为高速、高温、重载，因此研究轴承的失效模式对于优化轴承结构十分重要，结合已有的传动轴承实验机，设计高速一体化轴承实验器，实现对一体化球轴承的加载试验，校核轴承寿命。
关键词：航空领域；一体化轴承；加载试验
近些年来，一体化轴承因其优越的性能越来越多的应用于航空领域，并且航空领域等极苛刻的工作环境对其的需求量日益增长。一体化轴承在未来的发展趋势是外圈与轴承套合为一体，这样在安装时可避免轴承与轴承套的配合问题，减轻了轴承外圈的磨损；安装时采用侧面悬臂安装方式，更加方便快捷，具有明显的优势。
通过对国内外研究现状和研究结果进行分析，发现已有的轴承实验机在加载、供油和测试等方面做的比较粗糙，并且只能针对传统轴承进行实验，如果要对一体化轴承进行高速、高温、重载的实验，还需要重新设计实验器的结构。
该论文研究的是一体化球轴承实验器，并能兼顾一体化滚子轴承，实验器对轴承进行恶劣工况的实验，可以分析轴承在高速、高温、重载等工况下的失效模式和原因，进而优化轴承设计，提高轴承在恶劣工况下的工作能力，延长轴承的使用寿命。
1、实验器总体方案设计
主要考虑的是鼠笼轴承的一体化结构，实验器可以对一体化球（滚子）轴承进行实验，实验器的要求是可以模拟一体化轴承在高速、高温、重载条件下的工作条件，根据某项目提出的要求，技术指标如下：
实验轴承的尺寸 ： 内径 Ф50- Φ100mm， 外径Φ80- Φ150mm，长度 100- 400mm；
实验载荷：径向 500- 10000N，轴向 500- 10000N；
系统可以实现的最大转速：24000r/min；
轴承运转时环境温度上限：250°C。
实验系统由驱动系统、加载系统、润滑系统、数据采集和处理系统、实验器主体组成，系统结构图如图1所示，轴承工况通过传感器对轴承的温度、轴心位移进行监测。
图1：实验器系统结构图
实验器主体是整个系统的核心，是系统的执行部分。实验轴承和支撑轴承安装于实验器的两端，加载轴承在中间，加载力作用在加载轴承上。在轴承端盖和轴承套上开有进回油油孔，润滑油要喷到轴承滚动体上，回油采用重力回油方式。传感器安装到箱体对应位置上，传感器的测量头要与轴承外圈接触。
2、实验器主体结构设计
实验轴承为一体化球轴承时，实验轴承需要承受轴向力和径向力，所以加载轴承选用承载能力较强的角接触球轴承；为了使轴向力可以直接传递给实验轴承，避免支撑轴承承受轴向力，支撑轴承选用圆柱滚子轴承。实验器的结构见图2。
图2：一体化球轴承实验器结构简图
实验轴承为一体化滚子轴承时实验轴承只需要承受径向力，但是为了减少更换元件的麻烦，加载轴承依然选用角接触球轴承；如果支撑轴承还选用滚子轴承，整个轴系统轴向无法定位，实验过程中轴组件可能发生轴向移动，所以支撑轴承改用深沟球轴承即可。
可以看出，轴承实验器主体主要包括三个部分：即支撑轴承部分、加载轴承部分和箱体部分，下面主要介绍这三部分结构设计。
2.1、支撑组件
设计支撑组件需要考虑的是轴承的选择和定位方式、轴承的润滑、组件的密封方式。一体化球轴承的支撑组件的装配图见图3。
要求最高转速是 24000r/min，国内生产的轴承不能实现这样的要求，所以根据实验室的条件，圆柱滚子轴承选用 FAG 公司生产的 NU209 型，FAG 公司生产的轴承相比于国内同型号的轴承极限转速高很多，可以满足要求。
轴承的外圈通过法兰端盖与轴承套两端定位，轴承套卡在箱体上，实现了轴向定位，圆锥销可以防止支撑组件轴向旋转。内圈通过锁紧螺母与主轴两端定位。两个滚子轴承内圈通过一个隔套进行定位，隔套需要与喷油环一同加工，这样可以保证精度。常温润滑油由液压管接头 5 进入支撑轴承组件，由喷油环将润滑油喷至圆柱滚子轴承的滚动体和内圈接触处，这样润滑状况比较好。回油方式为重力回油。
1- 支撑轴承前法兰；2- 支撑轴承外套；3- 支撑轴承后法兰；4- 垫圈；D10；5- 液压管接头；6- 液压管接头螺母；7- 圆柱滚子轴承 NU209；8- 支撑轴承隔套；9- 支撑轴承喷油环。
图3：支撑组件装配图（一体化球轴承）
轴承组件密封方法采用螺旋密封。螺旋密封的工作原理是当主轴旋转时，充满在槽内的液体产生泵送压头，在密封室内产生最高压力，与被密封介质压力相平衡，从而阻止被密封介质外漏。
一体化滚子轴承支撑组件相比于一体化球轴承实验时的支撑组件，不同之处在于将圆柱滚子轴承 NU209 更换为深沟球轴承 6209，喷油环的喷油口位置改变，其他零件尺寸及装配关系未变。
2.2、加载组件结构设计
一体化球轴承实验的加载组件如图 4 所示。加载组件在结构上与支撑轴承相似，图中还包含了液压加载组件。
要求的最高转速是 24000r/min，径向加载最大 10000N，轴向加载最大 10000N，加载轴承选用 FAG 公司生产的角接触球轴承 7211 型，FAG 公司生产的轴承承载能力大，相比于国内同型号的轴承极限转速高很多，可以满足要求。
轴承的外圈通过法兰端盖与轴承套两端定位，轴承套通过一个定位元件实现轴向和径向定位，内圈通过锁紧螺母与主轴两端定位。两个滚子轴承内圈通过一个隔套进行定位，隔套需要与喷油环一同加工，这样可以保证精度。
2.2.1、轴向加载原理分析
通过图4可知，轴向加载组件由法兰、橡胶垫、加载体、承载盘、压头和基座几部分组成。
轴向加载的工作原理：高压油从轴向加载法兰 5 径向的油孔进入，压力作用在加载体 8 上。当加载力最大时，加载体是直径为 10mm 的圆柱体，共有 10 个，呈圆周状均匀放置在承载盘7 的 10 个孔中，若加载力变化，加载体的直径和个数也作相应的变化。压力作用于加载体后，加载体轴向移动，通过加载膜片8 将压力传递给加载压头 10，压头与箱体接触后，会停止移动，这时产生的反力就作用在了加载轴承的外圈上，由于轴承内圈与轴双向固定，所以轴向力通过轴传给了实验轴承。橡胶垫的作用是密封，防止液体泄漏。加载膜片由许多层的叠压弹簧组成，起到缓冲的作用。
1- 加载轴承前法兰；2- 加载轴承外套；3- 角接触球轴承 7211；4- 喷油
环；5- 轴向加载法兰；6- 橡胶垫；7- 轴向加载承载盘；8- 轴向加载加载
体；9- 轴向加载膜片；10- 轴向加载压头；11- 轴向加载基座；12- 锁紧螺母；13- 弹性垫圈 D12；14- 螺栓 M12X70；15- 加载轴承隔套；16- 螺栓M8X30；17- 弹性垫圈 D8；18- 垫圈 D8。
图4：实验器加载组件（一体化球轴承）
轴向加载基座的圆周方向上还有通入冷却液的孔，呈 70°分布，用于冷却压头。
装配时轴向加载组件通过加载轴承外套进行轴向定位，用螺栓进行连接，未通入高压油时压头端面与箱体内壁距离为2mm，压头可移动的距离是 5mm。
表1是不同压力对应的压强谱：
表1：轴向加载压强谱
常温润滑油由液压管接头进入加载轴承组件，由喷油环将润滑油喷到角接触球轴承的滚动体和内圈接触处，回油方式为重力回油。
当实验轴承当实验轴承换为圆柱滚子轴承时，由于不需要轴向载荷，所以轴向加载组件用法兰替换。
2.2.2、径向加载原理分析
径向加载组件包括法兰、加载体、承载盘、橡胶垫、加载端盖、压头、冷却体组成。径向加载组件的装配图如图5所示。
径向加载原理：径向加载的原理与轴向加载相似。高压油从法兰油孔进入，通过严封垫 2 作用于加载体 9。加载力为最大161700N 时，加载体为直径 50mm 的圆柱体，当力作用于加载体上，加载体轴向移动，通过加载膜片缓冲，将力传至推杆 5，推杆5 与加载轴承接触，径向力就作用在加载轴承上了。
径向加载法兰 4 和推杆 5 上还有用于推杆冷却的孔，避免温度过高对零件造成损伤。径向加载组件要加密封圈，防止冷却液泄漏。
1- 径向加载法兰；2- 橡胶垫；3- 径向加载承载盘；4- 径向加载端盖；5- 径向加载推杆；6- 毛毡圈；7- 冷却体组件；8- 径向加载膜片；9- 轴向加载膜片；10- 螺栓 M12X80；11- 弹簧垫圈 D12。
图5：径向加载组件装配图
径向加载的加载体也是圆柱体，当加载力变化时，改变加载体的直径和即可，表2是不同压力对应的压强谱：
表2：径向加载压强谱
2.3、箱体结构设计
箱体三维图见图6。包括箱体前盖、后盖和箱体底座。箱体底座通过 8 个地脚螺栓固定在实验器平台上，箱体底座和箱盖之间通过螺柱进行连接。箱盖的上方开有小孔，是用来放置传感器或油管、冷却液管通过的。箱体底座和箱盖径向侧壁还有凸台结构，凸台上有螺纹孔，用于径向加载组件的固定。箱体侧壁还开有一些圆孔，用于通油。箱体内部还有加强筋和排油孔。箱体底座底板上还有一圈隔板，可以阻止回油流出箱体。箱体底板长 961mm，宽 560mm，箱体总高 415mm，箱体壁厚 25mm。
图6：箱体结构图
对实验器箱体进行了静力分析和模态分析在静力分析中，将实验器底座和上盖粘成一体，在近似位置上加载荷，得到了应力、应变分布和最大应力值处，对结构进行优化，可以看出，加强筋是很有用的。
在模态分析中，分析了箱体的六阶振型和对应频率，得到了导致箱体共振的频率对应的转速，分别为：18328.2r/min、19687.8r/min 和21125.4r/min。在自动控制转速的过程中，要尽快避开这些转速。
3、结论
所设计的是集成高速、高温、重载的一体化轴承实验器。在设计的过程中，建立了实验器的三维模型，具有一定的工程应用价值。实验器箱体是实验器最重要的组成部分。通过 Ansys 对箱体进行静力分析和振动模态分析，可以优化实验器的结构设计，增强实验器的极限实验能力，并能获得实验器箱体的共振频率等动态特性，这样就能为自动控制转速提供依据。
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