角接触球轴承动、静态特性参数测试装置

技术领域

本发明涉及一种角接触球轴承动、静态特性参数测试装置，特别适用于测试 内径Φ30～Φ60、外径Φ55～Φ110范围内的角接触球轴承在不同径向载荷和轴向 载荷作用下的动、静态特性参数。

背景技术

在各种机械结构中大量存在着不同的结合面形式，这些结合面的动、静态接 触特性参数对机械结构的整体性能具有重要的影响。C.F.Beads的研究表明在大 多数的结构中，大约90%的动、静态性能产生于结合面，可以大大地影响机械结 构特性。轴承滚动结合面是多种结合面形式之一。

目前，虽然有许多研究学者对角接触球轴承的动、静态特性进行了深入的研 究分析，但多半停留在理论分析计算与软件仿真方面，与实际状况存在误差，因 此从实验的角度研究不同工况对角接触球轴承动、静态特性的影响显得格外重 要。

文献1：中国专利：轴承动态特性参数测试装置，专利申请号： 201310024031.6。设计了一种可简化成单自由度系统的轴承动态特性参数测试装 置，该装置结构紧凑，测试原理清晰，可以测试不同轴向力、径向力和预紧力载 荷状态下的轴承动态特性参数。但该装置不能测试轴承在不同载荷条件下的静态 特性参数。

由上可知，目前在测试角接触球轴承动、静态特性参数方面，尚无兼备同时 测试轴承动、静态特性参数的试验装置。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于提供一种具有测试装置简单、测试原理正确、 测试精度高、通用性强并能测试轴向与径向动、静态特性参数等特点的角接触球 轴承动、静态特性参数测试装置。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种角接触球轴承动、静态特性参数测 试装置，包括垫铁、实验基体、微位移调节及测试机构、T型基板、下轴承座、 圆头导向平键、圆柱销、上轴承座、阻抗头、激振器、激振器悬挂架、轴承组件、 压电式振动传感器、轴向加载及测试机构、径向加载及测试机构、信号调理仪、 数据采集器、电子计算机、功率放大器；其中，微位移调节及测试机构包括位移 计垫板、位移计滑块、位移计进给螺杆、位移计进给固定板、位移计施力杆、 CHR控制器、位移计探头、位移计保持环、位移计支架、位移计缆线；其中， 轴承组件包括顶紧螺母、轴承套、心轴、轴承；其中，轴向加载及测试机构包括 轴向橡胶环、轴向橡胶环垫板、轴向右螺杆、轴向加载螺母、轴向左螺杆、轴向 力传感器垫板、轴向力传感器、轴向加载杆、轴向CHB数字显示仪；其中，径 向加载及测试机构包括径向橡胶环、径向橡胶环垫板、径向右螺杆、径向加载杆、 径向加载螺母、径向左螺杆、径向力传感器垫板、径向力传感器、滚柱、滚柱槽 板、径向CHB数字显示仪；

实验基体位于垫铁的上方，T型基板固连在实验基体上，下轴承座通过防转 螺栓固连在T型基板上，在下轴承座与T型基板之间设置圆头导向平键和四个 圆柱销，该四个圆柱销均匀分布在下轴承座的四个角上，圆头导向平键位于四个 圆柱销之间，该下轴承座通过圆头导向平键、圆柱销提高其轴向的导向精度和降 低水平面内的扭转误差；

下轴承座的上方设置上轴承座和微位移调节及测试机构，微位移调节及测试 机构中的位移计垫板固连在下轴承座上，位移计进给固定板固连在位移计垫板端 面上，位移计进给螺杆与位移计固定板螺纹联接，位移计进给螺杆一端与位移计 施力杆固定，另一端与位移计滑块固定，位移计支架螺纹联接在位移计滑块上， 位移计保持环螺纹联接在位移计支架上，位移计探头位于位移计保持环内，位移 计探头通过位移计缆线与CHR控制器连接；

轴承组件位于上轴承座和下轴承座之间，所述轴承组件中的轴承套通过螺钉 和销钉固连在上轴承座和下轴承座上，轴承的外圈与轴承套过盈配合，内圈与心 轴过盈配合，顶紧螺母与心轴螺纹联接，该顶紧螺母将轴承顶紧；

轴承套的端面上设置轴向加载及测试机构，该轴向加载及测试机构采用不同 螺纹旋向的双螺杆形式，轴向橡胶环垫板与轴向右螺杆间隙配合，轴向橡胶环垫 在轴向橡胶环垫板一端并套在轴向右螺杆上，轴向右螺杆一端插在轴承套内端面 的小孔内，使得轴向橡胶环紧贴在轴承套内端面上，轴向右螺杆的另一端与轴向 加载螺母的一端螺纹联接，轴向加载杆插在轴向加载螺母周围的小孔内，轴向左 螺杆的一端螺纹联接在轴向加载螺母的另一端，轴向左螺杆的另一端与轴向力传 感器垫板的中间孔间隙配合，轴向力传感器的端面通过螺钉固连在轴向力传感器 垫板上，轴向力传感器另一端的球形曲面顶在轴承套内端面的球面凹槽内，轴向 力传感器的输出端与轴向CHB数字显示仪的输入端相连；

径向加载及测试机构位于心轴和下轴承座之间，该径向加载及测试机构采用 不同螺纹旋向的双螺杆形式，径向橡胶环垫板与径向右螺杆间隙配合，径向橡胶 环垫在径向橡胶环垫板一端并套在径向右螺杆上，径向右螺杆一端插在轴承套内 端面的小孔内，使得径向橡胶环紧贴在轴承套内端面上，径向右螺杆的另一端与 径向加载螺母的一端螺纹联接，径向加载杆插在径向加载螺母周围的小孔内，径 向左螺杆的一端螺纹联接在径向加载螺母的另一端，径向左螺杆的另一端与径向 力传感器垫板的中间孔间隙配合，径向力传感器的端面通过螺钉固连在径向力传 感器垫板上，径向力传感器另一端的球形曲面顶在滚柱槽板下端面的球面凹槽 内，滚柱的数量为三个，该三个滚柱并排安放在滚柱槽板的矩形槽内，径向力传 感器的输出端与径向CHB数字显示仪的输入端相连；

激振器悬挂架位于实验基体的正上方，激振器悬挂架上通过弹性绳悬挂激振 器，激振器的前端连接阻抗头，阻抗头通过螺柱与心轴上的法向螺纹孔联接，所 述的法向螺纹孔位于心轴上端铣平面的中心位置，压电式振动传感器通过磁性吸 盘分别安放在轴承套和心轴上，阻抗头的力信号输出端和压电式振动传感器的输 出端与信号调理仪的输入端相连，信号调理仪的输出端与数据采集器的输入端相 连，数据采集器的USB接口与电子计算机通过数据线相连，数据采集器的输出 端与功率放大器的输入端，功率放大器的输出端与激振器的输入端相连。

优选的，圆头导向平键与下轴承座下端面的键槽侧面间隙配合。圆柱销与下 轴承座过盈配合，与T型基板间隙配合。轴向右螺杆为右旋螺纹，轴向左螺杆 为左旋螺纹，同时轴向加载螺母的一端内螺纹为右旋，另一端内螺纹为左旋。垂 直于滚柱槽板下端面且过球面凹槽球心的垂线与垂直于滚柱槽板上端面且过滚 柱槽板上端面矩形凹槽几何中心的垂线，同轴度在0.5mm以内。位移计滑块的 凸台侧面与位移计垫板的凹槽侧面间隙配合，且位移计滑块与位移计垫板水平配 合的上、下端面的表面粗糙度R_a在0.32～1.25μm范围内。压电式振动传感器的 数量为十二个，其中，四个位于轴承套上，其余的位于心轴上。

本发明与现有技术相比，其显著优点是：（1）轴向及径向加载结构简单、操 作方便，定位精度高，可以施加在力传感器额定载荷内的任意大小载荷；（2）无 论轴向加载机构，还是径向加载机构，该测试装置均采用两套且对称加载方式， 可以实现左右两个轴承的受载工况一致，以使获取更好的动、静态特性参数数据； （3）下轴承座与T型垫板之间采用两种定位方式，一是在两者中间结合面处安 装圆头导向平键，二是在两者结合面的两侧安装对称布置的四个圆柱销，这两种 方式足够实现下轴承座在心轴受到较大载荷作用时较高的轴向导向精度和在水 平面内的扭转精度；（4）心轴的尺寸足够大，其模态频率或静力变形相对于轴承 的目标固有频率和变形可以忽略不计；（5）进行轴承动态特性参数模态实验时， 将轴承组件简化为考虑基础响应的单自由度振动系统，利用自主编写的有理多项 式法程序识别出轴承的动态刚度和阻尼值，同时可以通过CHR控制器获取轴承 轴向和径向变形值；（6）采用轴承组件的形式，测试其他尺寸的轴承时，只需更 换轴承套、心轴、顶紧螺母即可，操作方便、降低成本。

附图说明

图1是本发明的角接触球轴承动、静态特性参数测试装置总体结构图。

图2为本发明的轴承受载时静态力学模型简化示意图。

图3为本发明的轴承受载时轴向动态特性参数识别力学模型简化示意图。

图4为本发明的轴承受载时径向动态特性参数识别力学模型简化示意图。

图5是本发明的角接触球轴承动、静态特性参数测试装置中轴向加载及测试 机构结构图。

图6是本发明的角接触球轴承动、静态特性参数测试装置中径向加载及测试 机构结构图。

图7是本发明的角接触球轴承动、静态特性参数测试装置中微位移调节及测 试机构结构图。

图8是本发明的角接触球轴承动、静态特性参数测试装置中轴承组件结构 图，图（a）为三维轴测图，图（b）为主方向剖视图。

图9是本发明的CRAS模态分析测试系统线框图。

具体实施方式

结合图1，本发明的一种角接触球轴承动、静态特性参数测试装置，包括垫 铁1、实验基体2、微位移调节及测试机构3、T型基板4、下轴承座5、圆头导 向平键6、圆柱销7、上轴承座8、阻抗头9、激振器10、激振器悬挂架11、轴 承组件12、压电式振动传感器13、轴向加载及测试机构14、径向加载及测试机 构15、信号调理仪16、数据采集器17、电子计算机18、功率放大器19；其中， 微位移调节及测试机构3包括位移计垫板3a、位移计滑块3b、位移计进给螺杆 3c、位移计进给固定板3d、位移计施力杆3e、CHR控制器3f、位移计探头3g、 位移计保持环3h、位移计支架3i、位移计缆线3j；其中，轴承组件12包括顶紧 螺母12a、轴承套12b、心轴12c、轴承12d；其中，轴向加载及测试机构14包 括轴向橡胶环14a、轴向橡胶环垫板14b、轴向右螺杆14c、轴向加载螺母14d、 轴向左螺杆14e、轴向力传感器垫板14f、轴向力传感器14g、轴向加载杆14h、 轴向CHB数字显示仪14i；其中，径向加载及测试机构15包括径向橡胶环15a、 径向橡胶环垫板15b、径向右螺杆15c、径向加载杆15d、径向加载螺母15e、径 向左螺杆15f、径向力传感器垫板15g、径向力传感器15h、滚柱15i、滚柱槽板 15j、径向CHB数字显示仪15k；

实验基体2位于垫铁1的上方，T型基板4固连在实验基体2上，下轴承座 5通过防转螺栓固连在T型基板4上，在下轴承座5与T型基板4之间设置圆头 导向平键6和四个圆柱销7，该四个圆柱销7均匀分布在下轴承座5的四个角上， 圆头导向平键6位于四个圆柱销7之间，该下轴承座5通过圆头导向平键6、圆 柱销7提高其轴向的导向精度和降低水平面内的扭转误差；

下轴承座5的上方设置上轴承座8和微位移调节及测试机构3，微位移调节 及测试机构3中的位移计垫板3a固连在下轴承座5上，位移计进给固定板3d固 连在位移计垫板3a端面上，位移计进给螺杆3c与位移计固定板3d螺纹联接， 位移计进给螺杆3c一端与位移计施力杆3e固定，另一端与位移计滑块3b固定， 位移计支架3i螺纹联接在位移计滑块3b上，位移计保持环3h螺纹联接在位移 计支架3i上，位移计探头3g位于位移计保持环3h内，位移计探头3g通过位移 计缆线3j与CHR控制器3f连接；

轴承组件12位于上轴承座8和下轴承座5之间，所述轴承组件12中的轴承 套12b通过螺钉和销钉固连在上轴承座8和下轴承座5上，轴承12d的外圈与轴 承套12b过盈配合，内圈与心轴12c过盈配合，顶紧螺母12a与心轴12c螺纹联 接，该顶紧螺母12a将轴承12d顶紧；

轴承套12b的端面上设置轴向加载及测试机构14，该轴向加载及测试机构 14采用不同螺纹旋向的双螺杆形式，轴向橡胶环垫板14b与轴向右螺杆14c间 隙配合，轴向橡胶环14a垫在轴向橡胶环垫板14b一端并套在轴向右螺杆14c上， 轴向右螺杆14c一端插在轴承套12b内端面的小孔内，使得轴向橡胶环14a紧贴 在轴承套12b内端面上，轴向右螺杆14c的另一端与轴向加载螺母14d的一端螺 纹联接，轴向加载杆14h插在轴向加载螺母14d周围的小孔内，轴向左螺杆14e 的一端螺纹联接在轴向加载螺母14d的另一端，轴向左螺杆14e的另一端与轴向 力传感器垫板14f的中间孔间隙配合，轴向力传感器14g的端面通过螺钉固连在 轴向力传感器垫板14f上，轴向力传感器14g另一端的球形曲面顶在轴承套12b 内端面的球面凹槽内，轴向力传感器14g的输出端与轴向CHB数字显示仪14i 的输入端相连；

径向加载及测试机构15位于心轴12c和下轴承座5之间，该径向加载及测 试机构15采用不同螺纹旋向的双螺杆形式，径向橡胶环垫板15b与径向右螺杆 15c间隙配合，径向橡胶环15a垫在径向橡胶环垫板15b一端并套在径向右螺杆 15c上，径向右螺杆15c一端插在轴承套12b内端面的小孔内，使得径向橡胶环 15a紧贴在轴承套12b内端面上，径向右螺杆15c的另一端与径向加载螺母15e 的一端螺纹联接，径向加载杆15d插在径向加载螺母15e周围的小孔内，径向左 螺杆15f的一端螺纹联接在径向加载螺母15e的另一端，径向左螺杆15f的另一 端与径向力传感器垫板15g的中间孔间隙配合，径向力传感器15h的端面通过螺 钉固连在径向力传感器垫板15g上，径向力传感器15h另一端的球形曲面顶在滚 柱槽板15j下端面的球面凹槽内，滚柱15i的数量为三个，该三个滚柱并排安放 在滚柱槽板15i的矩形槽内，径向力传感器15h的输出端与径向CHB数字显示 仪15k的输入端相连；

激振器悬挂架11位于实验基体2的正上方，激振器悬挂架11上通过弹性绳 悬挂激振器10，激振器10的前端连接阻抗头9，阻抗头9通过螺柱与心轴12c 上的法向螺纹孔联接，所述的法向螺纹孔位于心轴12c上端铣平面的中心位置， 压电式振动传感器13通过磁性吸盘分别安放在轴承套12b和心轴12c上，阻抗 头9的力信号输出端和压电式振动传感器13的输出端与信号调理仪16的输入端 相连，信号调理仪16的输出端与数据采集器17的输入端相连，数据采集器17 的USB接口与电子计算机18通过数据线相连，数据采集器17的输出端与功率 放大器19的输入端，功率放大器19的输出端与激振器10的输入端相连。

所述圆头导向平键6与下轴承座5下端面的键槽侧面间隙配合。圆柱销7 与下轴承座5过盈配合，与T型基板4间隙配合。轴向右螺杆14c为右旋螺纹， 轴向左螺杆14e为左旋螺纹，同时轴向加载螺母14d的一端内螺纹为右旋，另一 端内螺纹为左旋。垂直于滚柱槽板15j下端面且过球面凹槽球心的垂线与垂直于 滚柱槽板15j上端面且过滚柱槽板15j上端面矩形凹槽几何中心的垂线，同轴度 在0.5mm以内。

位移计滑块3b的凸台侧面与位移计垫板3a的凹槽侧面间隙配合，且位移计 滑块3b与位移计垫板3a水平配合的上、下端面的表面粗糙度R_a在0.32～1.25μm 范围内。

压电式振动传感器13的数量为十二个，其中，四个位于轴承套12b上，其 余的位于心轴12c上。

具体而言，实验基体2和T型基板4是由两个整体铸铁件通过20个M20 螺栓联接固连在一起；下轴承座5和T型基板4是由8个M18防转螺栓联接固 连在一起；上轴承座8和下轴承座5是由4个M18螺栓联接固连在一起，且联 接处的上下平面间距为2mm，目的是为了使上轴承座8与下轴承座5同轴承套 12b充分地紧密配合；轴承套12b同上轴承座8、下轴承座5之间安装2个Φ8 的圆柱销定位，目的是提高轴向加载及测试机构14的加载精度；位移计支架3i 和位移计滑块3b之间是螺纹联接，当调节好位移计探头3g位置时，旋紧位移计 支架3i上的2个M12螺母和位移计进给螺杆3c上的2个M12螺母，目的是防 止模态实验过程中的振动或其他因素引起位移计探头3g位置的变化；当轴向和 径向力加载完毕后，首先进行轴承的静态特性参数实验，从CHR控制器3f获取 轴承的径向和轴向的变形量，之后再进行轴承的动态特性参数模态实验，对获取 的原始实验数据文件“*.FRF”利用自主编写的有理多项式法程序识别出轴承的 轴向、径向动态刚度和阻尼。

结合图1和图2，角接触球轴承动、静态特性参数测试装置静态特性实验测 试的基本原理是基于静力作用下的结构变形理论，将轴承套12b、上轴承座8与 下轴承座5等部件在静力作用下视为无变形，并且忽略心轴12c的静力变形，即 认为在轴向载荷F_a、径向载荷F_r作用下仅左右轴承产生了轴向变形δ_a和径向变 形δ_r。此时，有

单个轴承的轴向静态刚度K_As可以表述为

$K_{\mathrm{As}}=\frac{F_a}{{\delta }_a}---\left(1\right)$

单个轴承的径向静态刚度K_Rs可以表述为

$K_{\mathrm{Rs}}=\frac{F_r}{{\delta }_r}---\left(2\right)$

结合图1、图3和图4，角接触球轴承动、静态特性参数测试装置动态特性 实验测试的基本原理是考虑基础响应的单自由度振动力学模型，将轴承套12b 的振动视为基础响应，将心轴12c和轴承12d视为刚体，将轴承12d内部的滚动 接触特性等效为粘弹性弹簧阻尼元件。

结合图3，当质量块M受到轴向简谐激振力f(t)作用时，其振动微分方程 可以表述为

$M\stackrel{..}{x}\left(t\right)+C_A(\stackrel{.}{x}\left(t\right)-\stackrel{.}{y}\left(t\right))+K_A(x\left(t\right)-y\left(t\right))=f\left(t\right)---\left(3\right)$

式中：M为心轴、轴承内圈和一半轴承滚珠的质量之和，K_A、C_A分别为 滚动结合面的轴向动态刚度和阻尼，x(t)、y(t)分别为心轴、基础的轴向响应位 移。

对式（3）进行傅立叶变换和简化，可得由质量M、刚度K_A、阻尼C_A组成 的单自由度振动系统位移频响函数H(ω)为

$H\left(\omega \right)=\frac{H_{X-Y}\left(\omega \right)}{1+M{\omega }^2{H}_Y\left(\omega \right)}---\left(4\right)$

式中：

为心轴与基础的频响函数矢量差；

为基础位移频响函数。

因此，轴承滚动结合面的轴向刚度和阻尼可以由下式得到

$K_A=M{\omega }_n^2---\left(5\right)$

C_A=2Mω_nξ    （6）

式中：固有频率ω_n、阻尼比ξ为H(ω)的对应模态峰值频率和模态阻尼比， 由式（4）利用有理多项式法程序识别获取。

结合图4，当质量块M受到径向简谐激振力f(t)作用时，其振动微分方程 可以表述为

$M\stackrel{..}{x}\left(t\right)+C_R(\stackrel{.}{x}\left(t\right)-\stackrel{.}{y}\left(t\right))+K_R(x\left(t\right)-y\left(t\right))=f\left(t\right)---\left(7\right)$

式中：M为心轴、轴承内圈和一半轴承滚珠的质量之和，K_R、C_R分别为 滚动结合面的径向动态刚度和阻尼，x(t)、y(t)分别为心轴、基础（轴承套）的 径向响应位移。

对式（7）进行傅立叶变换和简化，可得

$H\left(\omega \right)=\frac{H_{X-Y}\left(\omega \right)}{1+M{\omega }^2{H}_Y\left(\omega \right)}---\left(8\right)$

式中：

为心轴与基础的频响函数矢量差；

为基础位移频响函数。

因此，轴承滚动结合面的径向刚度和阻尼可由下式得到

$K_R=M{\omega }_n^2---\left(9\right)$

C_R=2Mω_nξ    （10）

式中：固有频率ω_n、阻尼比ξ为H(ω)的对应模态峰值频率和模态阻尼比， 由式（8）利用有理多项式法程序识别获取。

由上可知，本发明装置的机械结构简单，加载方式新颖、定位精度高，测试 原理清晰，通用性强，操作方便，满足简便测试不同载荷条件作用下不同尺寸系 列的角接触球轴承动、静态特性参数的要求。