为机床工具企业提供深度市场分析                     

用户名:   密码:         免费注册  |   申请VIP  |  

English  |   German  |   Japanese  |   添加收藏  |  
洛阳轴研
功能部件

车床 铣床 钻床 数控系统 加工中心 锻压机床 刨插拉床 螺纹加工机床 齿轮加工机床
磨床 镗床 刀具 功能部件 配件附件 检验测量 机床电器 特种加工 机器人

功能部件

电工电力 工程机械 航空航天 汽车 模具
仪器仪表 通用机械 轨道交通 船舶

搜索
热门关键字:

数控机床

 | 数控车床 | 数控系统 | 滚齿机 | 数控铣床 | 铣刀 | 主轴 | 立式加工中心 | 机器人
您现在的位置:功能部件网> 技术前沿>高速一体化轴承实验器结构设计
高速一体化轴承实验器结构设计
Feb 1, 2021  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。
    投稿箱:
        如果您有机床行业、企业相关新闻稿件发表,或进行资讯合作,欢迎联系本网编辑部, 邮箱:skjcsc@vip.sina.com