重载行星螺纹滚柱轴承轴向承载性能试验装置及试验方法与流程

1.本发明涉及重载行星螺纹滚柱轴承轴向承载性能试验装置及试验方法，属于机械基础件测试技术领域。


背景技术：

2.行星螺纹滚柱轴承由保持架和具有环形螺纹的轴承外圈，轴承内圈和滚柱组成，以螺纹滚柱代替滚珠作为滚动体。行星螺纹滚柱轴承的结构上与行星滚柱丝杠相似，二者均以螺纹滚柱传递载荷，螺纹牙间的接触方式均为点接触。因此相比于球轴承，行星螺纹滚柱轴承的接触方式相同，相同外形尺寸下，其接触区域的接触半径可设计，轴向上接触点数量更多，使其能够提供更大的静态极限载荷和额定动载荷。相比于普通滚子轴承，单个行星螺纹滚柱轴承可同时承受双向的轴向与径向载荷，实际应用时无需采用轴承组的形式。行星螺纹滚柱轴承因其具有高功率体积比、大承载、高刚度等特点，可作为重载直线作动装备的支撑轴承，应用于导弹发射车起竖与调平装置、战斗机起落架、大型数控机床等武器装备及工业生产设备。
3.目前，行星螺纹滚柱轴承的发展尚处于起步阶段，针对其产品研制、设计方法、性能分析和测试等相关研究几乎处于空白状态。国内外生产厂家尚未推出系列化的行星螺纹滚柱轴承成熟产品，其测试装备与评价方法同样未见公开。但目前国内外的研究机构及生产厂家对于标准轴承的测试装备及测试方法已有成熟方案，但是该类测试装置大多将输入载荷传递到台架底座，使其载荷大小受到限制。
4.重载行星螺纹滚柱轴承的静态极限载荷和极限动载荷寿命是评价其在装备领域应用的至关重要的服役性能指标。为推动重载行星螺纹滚柱轴承产品的性能评价研究的发展，本发明提供重载行星螺纹滚柱轴承轴向承载性能试验装置及试验方法，可实现各种尺寸型号的重载行星螺纹滚柱轴承静态极限载荷和极限动载荷寿命测试，为重载行星螺纹滚柱轴承的性能测试与评价提供参考方案。


技术实现要素：

5.本发明是为了解决上述技术问题，进而提供了重载行星螺纹滚柱轴承轴向承载性能试验装置及试验方法。
6.本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：
7.重载行星螺纹滚柱轴承轴向承载性能试验装置，它包括底座、加载装置、三梁四柱结构、安装工装、驱动系统及测控系统，其中所述三梁四柱结构包括相互平行且均竖直布置的第一固定梁、第二固定梁、滑动梁及四根相互平行且均水平布置的导向承力柱，第一固定梁及第二固定梁均固装在底座上，滑动梁位于第一固定梁与第二固定梁之间且滑动套装在四根导向承力柱上，四根导向承力柱的两端部均对应与第一固定梁及第二固定梁固接；
8.所述安装工装包括加载轴承座、阶梯轴及轴承适配座，所述加载轴承座固装在滑动梁的一侧且其上安装有圆锥滚子轴承，所述轴承适配座固装在第二固定梁上，被测行星
螺纹滚柱轴承安装在轴承适配座上，阶梯轴的两端部分别安装在圆锥滚子轴承及被测行星螺纹滚柱轴承内；
9.所述加载装置固装在第一固定梁上且其输出端与滑动梁固接，通过加载装置向被测行星螺纹滚柱轴承施加轴向力，所述驱动系统设置在第二固定梁的一侧且其输出端与阶梯轴的端部固接，通过测控系统实时显示及记录被测行星螺纹滚柱轴承所承受的静态载荷及动载荷。
10.进一步地，所述测控系统包括控制柜、固装在滑动梁与加载轴承座之间的拉压力传感器以及固装在阶梯轴与驱动系统输出端之间的转矩转速传感器，所述拉压力传感器及所述转矩转速传感器均与控制柜电连接。
11.进一步地，所述测控系统还包括激光位移传感器，所述激光位移传感器固定于第二固定梁上。
12.进一步地，所述驱动系统包括驱动电机、安装在驱动电机输出轴上的行星减速器以及连接转矩转速传感器与行星减速器的联轴器。
13.进一步地，每根导向承力柱的两端部均对应穿装在第一固定梁与第二固定梁上，且通过布置在每个固定梁两侧的调整螺母实现其与固定梁之间的固定连接。
14.进一步地，加载轴承座与拉压力传感器之间通过连接法兰固接。
15.进一步地，所述加载装置为液压加载装置。
16.进一步地，所述加载装置包括液压缸及液压泵站，通过所述液压泵站控制液压缸的活塞杆的伸缩动作。
17.一种采用上述试验装置的试验方法，它包括如下步骤：
18.步骤一、安装被测行星螺纹滚柱轴承；
19.步骤二、对被测行星螺纹滚柱轴承施加轴向静载荷，进行极限静态载荷测试；
20.步骤三、完成最大静载荷测试后，卸下被测行星螺纹滚柱轴承，检查其内部是否发生压溃；
21.步骤四、被测行星螺纹滚柱轴承及配套轴承在完成静态载荷试验后未发生压溃，则重新安装被测行星螺纹滚柱轴承，继续进行极限动载荷寿命寿命测试；
22.步骤五、启动驱动系统，驱动阶梯轴旋转以带动被测行星螺纹滚柱轴承旋转，对被测行星螺纹滚柱轴承施加恒定载荷，并使其保持恒定转速，进行极限动载荷寿命测试；
23.步骤六、完成一次动载荷寿命测试后，卸下被测行星螺纹滚柱轴承，对其进行检查；检查被测行星螺纹滚柱轴承的各组件间是否发生松动、错位、脱落与超出要求的变形；并对其进行拆解清洗，检查螺纹部分的磨损程度，判断被测行星螺纹滚柱轴承螺纹接触区域是否发生疲劳破坏导致失效；若被测行星螺纹滚柱轴承并未发生失效，则重复步骤五中的动载荷寿命测试，直至被测行星螺纹滚柱轴承发生失效；
24.步骤七、获取测试参数：
25.测试参数包括:静载荷试验利用拉压力传感器测量加载力的最大值、利用激光位移传感器分别测试不同轴向载荷作用下被测行星螺纹滚柱轴承内圈的轴向变形量，计算得到的行星螺纹滚柱轴承的静刚度、转矩转速传感器测得的行星减速器输出的转矩转速、拉压力传感器测得的轴向加载力、试验时测量的被测行星螺纹滚柱轴承外圈端面温度。
26.进一步地，步骤二中所施加的轴向静载荷自500kn起以50kn为增量步进增大至
1800kn，每次增加载荷后保持恒定载荷10s；步骤五中控制加载装置输出的轴向推力，使其恒定为1500kn，当被测行星螺纹滚柱轴承在轴向载荷作用下旋转2000min后，停止试验。
27.本发明与现有技术相比具有以下效果：
28.三梁四柱结构作为承载机构布置在试验装置的中部，四根导向承力柱与两个固定梁连接成整体封闭式的框架结构，使试验的轴向拉压力在封闭框架内承受，保证整体结构的强度与刚度，更安全可靠，设计原理合理，结构简单，便于安装调试。
29.所述轴承适配座可根据不同尺寸的被测行星螺纹滚柱轴承选择或重新设计加工，测试其他尺寸型号的行星螺纹滚柱轴承时，只需更换轴承适配座，可提高通用化程度，节约试验成本，大大拓展了试验装置的测试范围，提高了测试装置的利用率。
30.本技术可以实现重载工况条件下各种尺寸型号的行星螺纹滚柱轴承的极限静态载荷和极限动载荷寿命试验。试验装置结构合理、运行平稳，可实现自动化控制，并且具备良好的通用性与测量精确度。
附图说明
31.图1为重载行星螺纹滚柱轴承承载性能试验装置的立体结构示意图；
32.图2为加载轴承座的主剖视示意图；
33.图3为轴承适配座的立体结构示意图；
34.图4为第二固定梁的立体结构示意图；
35.图5为滑动梁的立体结构示意图；
36.图6为阶梯轴的立体结构示意图；
37.图7为被测行星螺纹滚柱轴承的极限静态载荷与极限动载荷寿命测试流程图。
具体实施方式
38.具体实施方式一：结合图1～7说明本实施方式，重载行星螺纹滚柱轴承轴向承载性能试验装置，它包括底座16、加载装置、三梁四柱结构、安装工装、驱动系统及测控系统，其中所述三梁四柱结构包括相互平行且均竖直布置的第一固定梁4、第二固定梁12、滑动梁8及四根相互平行且均水平布置的导向承力柱7，第一固定梁4及第二固定梁12均固装在底座16上，滑动梁8位于第一固定梁4与第二固定梁12之间且滑动套装在四根导向承力柱7上，四根导向承力柱7的两端部均对应与第一固定梁4及第二固定梁12固接；
39.所述安装工装包括加载轴承座10、阶梯轴18及轴承适配座20，所述加载轴承座10固装在滑动梁8的一侧且其上安装有圆锥滚子轴承23，所述轴承适配座20固装在第二固定梁12上，被测行星螺纹滚柱轴承11安装在轴承适配座20上，阶梯轴18的两端部分别安装在圆锥滚子轴承23及被测行星螺纹滚柱轴承11内；
40.所述加载装置固装在第一固定梁4上且其输出端与滑动梁8固接，通过加载装置向被测行星螺纹滚柱轴承11施加轴向力，所述驱动系统设置在第二固定梁12的一侧且其输出端与阶梯轴18的端部固接，通过测控系统实时显示及记录被测行星螺纹滚柱轴承11所承受的静态载荷及动载荷。
41.通过驱动系统向阶梯轴18施加扭转力，阶梯轴18带动与之配合的被测行星螺纹滚柱轴承11的内圈旋转。
42.加载轴承座10上靠近第二固定梁的一端安装有轴承透盖24，使阶梯轴从其中间的孔通过，从而与轴承内圈配合，同时还可用于轴承外圈的轴向定位与固定。
43.当加载装置采用液压缸时，第一固定梁对液压缸进行固定和支撑，滑动梁对活塞杆进行导向和支撑，第二固定梁对被测行星螺纹滚柱轴承进行固定和支撑。
44.三梁四柱结构作为承载机构布置在试验装置的中部，四根导向承力柱7与两个固定梁连接成整体封闭式的框架结构，使试验的轴向拉压力在封闭框架内承受，保证整体结构的强度与刚度，试验装置受力更加合理，运转更加平稳，系统误差小，更安全可靠，设计原理合理，结构简单，便于安装调试。
45.所述轴承适配座20可根据不同尺寸的被测行星螺纹滚柱轴承11选择或重新设计加工，测试其他尺寸型号的行星螺纹滚柱轴承时，只需更换轴承适配座20，可提高通用化程度，节约试验成本，大大拓展了试验装置的测试范围，提高了测试装置的利用率。
46.所述测控系统设有手动及自动两种控制方式，切换方便，操作简单。可实时显示传感器测得数据，并记录测试期间的所有数据，极大地减轻测试工作量，节约人工成本。
47.本技术可以实现重载工况条件下各种尺寸型号的行星螺纹滚柱轴承的极限静态载荷和极限动载荷寿命试验。试验装置结构合理、运行平稳，可实现自动化控制，并且具备良好的通用性与测量精确度。
48.加载装置输出的轴向力通过滑动梁8、加载轴承座10传递到阶梯轴18上，最终作用于被测行星螺纹滚柱轴承11。
49.所述测控系统包括控制柜22、固装在滑动梁8与加载轴承座10之间的拉压力传感器9以及固装在阶梯轴18与驱动系统输出端之间的转矩转速传感器21，所述拉压力传感器9及所述转矩转速传感器21均与控制柜22电连接。如此设计，通过拉压力传感器9测量液压缸的输出推力。通过转矩转速传感器21测量经行星减速器输出的转矩与转速，由此可以获得行星螺纹滚柱轴承的承受的轴向载荷及阶梯轴18上的转矩转速。
50.所述测控系统还包括激光位移传感器19，所述激光位移传感器19固定于第二固定梁12上。利用激光位移传感器19分别测试不同轴向载荷作用下被测行星螺纹滚柱轴承11内圈的轴向变形量，计算被测行星螺纹滚柱轴承11的静刚度。
51.所述驱动系统包括驱动电机15、安装在驱动电机15输出轴上的行星减速器14以及连接转矩转速传感器21与行星减速器14的联轴器13。驱动电机15输出的动力经行星减速器14减速增扭后，通过联轴器13与转矩转速传感器21输入到被测阶梯轴18的端部，使其与被测行星螺纹滚柱轴承11共同旋转，完成试验。
52.每根导向承力柱7的两端部均对应穿装在第一固定梁4与第二固定梁12上，且通过布置在每个固定梁两侧的调整螺母3实现其与固定梁之间的固定连接。通过设置调整螺母3，在实现导向承力柱7与固定梁之间的固定连接的同时，调整四个导向承力柱7的平行度及四个导向承力柱7和每个固定梁的垂直度，保证了滑动梁8沿导向承力柱7以较高精度轴向移动。
53.加载轴承座10与拉压力传感器9之间通过连接法兰17固接。具体的，连接法兰17的一端与拉压力传感器9的中心孔固接。
54.所述加载装置为液压加载装置。如此设计，使得本技术具备较大的轴向载荷调节范围，通过伺服电机对输出油压的精确调节，可使所施加载荷从初始值到最大值按可设定
间距逐渐步进增大。
55.所述加载装置包括液压缸2及液压泵站1，通过所述液压泵站1控制液压缸2的活塞杆6的伸缩动作。所述液压泵站1通过伺服电机驱动液压泵控制液压缸2内油液的压力，利用控制阀组改变液流方向，使活塞杆6做伸出或缩回的运动。安装被测行星螺纹滚柱轴承11时，通过液压缸2的活塞杆6的伸出或缩回动作，便于被测行星螺纹滚柱轴承11的装配与拆卸。
56.一种采用上述试验装置的试验方法，它包括如下步骤：
57.步骤一、安装被测行星螺纹滚柱轴承11；具体过程为：首先通过加载装置控制滑动梁8移动，使滑动梁8与第二固定梁12之间留出足够的安装空间，安装驱动系统(具体为驱动系统中的联轴器及转矩转速传感器)，然后将轴承适配座20装配在第二固定梁12上的相应位置；再将被测行星螺纹滚柱轴承11固定在轴承适配座20上，将阶梯轴18置于加载轴承座10与被测行星螺纹滚柱轴承11之间，再次通过加载装置控制滑动梁8移动，使阶梯轴18与加载轴承座10及被测行星螺纹滚柱轴承11紧密配合；然后将所有的安装用螺栓按规定力矩拧紧，被测行星螺纹滚柱轴承11安装完毕。
58.步骤二、对被测行星螺纹滚柱轴承11施加轴向静载荷，进行极限静态载荷测试；具体过程为：驱动系统保持锁定状态，使阶梯轴18及被测行星螺纹滚柱轴承11保持静止，启动加载装置，加载装置通过滑动梁8与阶梯轴18对被测行星螺纹滚柱轴承11施加轴向载荷，所施加载荷自500kn起以50kn为增量步进增大至1800kn，每次增加载荷后保持恒定载荷10s；利用激光位移传感器19分别测试不同轴向载荷作用下被测行星螺纹滚柱轴承11内圈的轴向变形量，计算被测行星螺纹滚柱轴承11的静刚度。
59.步骤三、完成最大静载荷测试后，卸下被测行星螺纹滚柱轴承11，检查其内部是否发生压溃；拆卸被测行星螺纹滚柱轴承11时，首先关停驱动系统，并通过加载装置控制滑动梁8移动，保证滑动梁8与第二固定梁12之间的间距，关停加载装置，卸下阶梯轴18，然后卸下被测行星螺纹滚柱轴承11。
60.步骤四、被测行星螺纹滚柱轴承11及配套轴承在完成静态载荷试验后未发生压溃，则重新安装被测行星螺纹滚柱轴承11，继续进行极限动载荷寿命寿命测试；
61.步骤五、启动驱动系统，驱动阶梯轴18旋转以带动被测行星螺纹滚柱轴承11旋转，对被测行星螺纹滚柱轴承11施加恒定载荷，并使其保持恒定转速，进行极限动载荷寿命测试；具体过程为：解除驱动系统的锁定，通过驱动系统驱动阶梯轴18使其转速在10s后加速至50rpm；利用拉压力传感器9控制加载装置输出的轴向推力，使其恒定为1500kn；当被测行星螺纹滚柱轴承11在轴向载荷作用下旋转2000min后，停止试验；试验进行中所记录的数据包括：输入转矩和转速、加载装置输出的轴向压力、被测行星螺纹滚柱轴承11外圈端面温度。
62.步骤六、完成一次动载荷寿命测试后，卸下被测行星螺纹滚柱轴承11，对其进行检查；检查被测行星螺纹滚柱轴承11的各组件间是否发生松动、错位、脱落与超出要求的变形；并对其进行拆解清洗，检查螺纹部分的磨损程度，判断被测行星螺纹滚柱轴承11螺纹接触区域是否发生疲劳破坏导致失效；若被测行星螺纹滚柱轴承11并未发生失效，则重复步骤五中的动载荷寿命测试，直至被测行星螺纹滚柱轴承11发生失效；
63.步骤七、获取测试参数：
64.测试参数包括:静载荷试验利用拉压力传感器9测量加载力的最大值、利用激光位移传感器19分别测试不同轴向载荷作用下被测行星螺纹滚柱轴承11内圈的轴向变形量，计算得到的行星螺纹滚柱轴承的静刚度、转矩转速传感器21测得的行星减速器14输出的转矩转速、拉压力传感器9测得的轴向加载力、试验时测量的被测行星螺纹滚柱轴承11外圈端面温度。上述参数可通过控制台数据记录功能，在测试期间不断记录，完成试验后可导出所有数据以便处理。
65.若行星螺纹滚柱轴承在静载荷测试期间发生压溃现象，表明其静态承载性能未达标，并且其接触区域发生破坏将导致无法进行动载荷测试，试验失败。
66.本技术的测试方法，适用于各种尺寸型号的重载行星螺纹滚柱轴承的轴向承载性能测试。