双轴加载四线接触纯滚动圆柱滚子疲劳寿命试验机的制作方法

本发明涉及一种接触疲劳寿命试验机，特别涉及一种双轴加载四线接触纯滚动圆柱滚子疲劳寿命试验机。其目的是针对已授权实用新型专利“轴承滚子滚动接触疲劳寿命试验机”ZL-2011-20060989.7存在的问题加以改进，以提高试验机加载准确性和试验的可靠性，属于技术领域。

背景技术：

滚动轴承是广泛应用于现代机电设备中的一种高可靠性的基础元件，即使在理想(例如正确的设计、选型、安装和调试、良好的润滑、密封以及较轻的载荷)条件下，由于滚动轴承表面材料受到高接触应力的反复作用，表面或亚表面处便会产生裂纹，最终导致滚动轴承失效，即滚动轴承疲劳失效。轴承滚子的滚动接触疲劳寿命是在标准工况条件下，评价轴承材料性能和加工工艺优劣的主要手段之一，目前单独对滚子接触疲劳寿命性能进行研究的试验机主要有：推力盘试验机、三滚子试验机、轴承滚子滚动接触疲劳寿命试验机。推力盘试验机是二线接触，三滚子试验机是三线接触，其受力点在几何上不对称，线速度关系不恒定；轴承滚子滚动接触疲劳寿命试验机虽为四线接触，但其加载方式为单轴，针对不同直径规格滚子试验时需更换偏心套，操作麻烦；其滚子轴向定位采用驱动滚轮轮辐和顶针，滚轮轮辐与陪试滚子端面接触面积大，对滚子实现纯滚动有影响；其驱动方式为两轴驱动，另外两轴需通过滚子接触副从动，所以会导致试验滚子与陪试滚子之间存在滚/滑现象，这会显著降低试验滚子的滚动接触疲劳寿命，导致试验结果不能反映真实结果。尤其是在进行重载轴承滚子疲劳寿命试验时，由于轴承滚子滚动接触疲劳寿命试验机中的试验滚子的受力点非几何对称，滚子间的滚滑现象导致试验滚子在试验中发生过多的滑动摩擦，最终使得纯滚动接触疲劳寿命被低估。

单独对轴承滚子进行疲劳寿命试验可以剔除轴承内众多因素相互影响，能够可靠的验证滚子的疲劳寿命，并为研究轴承滚子材料性能、制造工艺、几何优化设计、特定工况等影响因素的疲劳失效机理提供可靠的试验依据，更好的分析轴承滚子失效原因，提高其使用寿命的可靠性。研制一种高效的对数圆柱滚子滚动接触疲劳寿命试验机，对轴承滚子的接触疲劳寿命性能研究是非常有价值的，尤其是工程对数圆柱滚子。

技术实现要素：

本发明的目的是为了弥补目前针对单个圆柱滚子寿命试验研究的不足，和克服传统轴承疲劳寿命试验机中的针对不同尺寸待测滚子的受力点在几何上不对称问题，并满足滚子在载荷和转速不断提高的条件下运转的要求，提供一种双轴加载、四线接触、纯滚动圆柱滚子疲劳寿命试验机，其机械结构简单，试验效率高，被试滚子尺寸范围宽且稳定性高；其核心是针对已授权实用新型专利“轴承滚子滚动接触疲劳寿命试验机”ZL-2011-20060989.7存在的问题加以改进，以提高试验机加载准确性和试验的可靠性。

为了达到上述目的，本发明的构思是：四个尺寸相等的陪试滚子对称分布于试验滚子四周，使得试验滚子处于四个陪试滚子的几何中心，载荷通过加载机构垂直加在两箱体上盖，经加载轴作用在陪试滚子，从而传递到试验滚子，试验滚子沿母线方向受力，试验滚子每转一周受到四次相等的载荷作用；电机通过同步带驱动两根支撑轴，由双联同步带轮带动两根加载轴，保证四根主轴转速相等，从而确保四根轴同时带动陪试滚子和试验滚子时做纯滚动；转速传感器用来测量电机输出轴转速，以此换算成试验滚子的转速并计算试验滚子应力循环次数；压力传感器可实时检测所加载荷，压力数据及试验滚子尺寸数据输入系统，可换算成试验滚子最大接触应力；振动加速度传感器安装在加载轴上方，以测试试验机的振动信号；热电偶传感器可测出试验滚子甩出的润滑液油温；当试验滚子或相关滚动体出现疲劳失效时，振动值和温升值都会增大，当振动值增大至预定值，或温升达到设定值时，或温升梯度改变并维持一定时间，试验机测控系统会立即终止试验。

根据上述发明构思，本发明采用如下技术方案：

一种双轴加载四线接触纯滚动圆柱滚子疲劳寿命试验机，包括机座，油箱，油泵，电机，试验核心装置，加载机构，传动机构和数据采集系统。所述机座内安置油箱，油泵和电机，机座上面装有一个上支架；所述试验核心装置是一个对试验滚子实现四线接触纯滚动接触试验核心机构，安置在上支架内；所述油箱经油泵连接试验核心装置，对其供油润滑；所述加载机构安置在上支架上部而连接试验核心装置，实现试验加载；所述电机经传动机构连接驱动试验核心装置，实现圆柱滚子滚动疲劳试验。

所述试验核心装置包括两根加载轴、两根支撑轴、四个陪试滚子、试验滚子；所述四个陪试滚子对称分布于一个试验滚子圆侧面四周，并分别与所述试验滚子的圆周面线接触；所述两根加载轴分别通过轴承安装在两个箱体上盖的下方，加载轴的轮缘面分别与两个陪试滚子的圆侧面线接触；两根支撑轴分别通过轴承安装在一个下箱体上，支撑轴的轮缘面分别与两个陪试滚子的圆侧面线接触；载荷通过两根加载轴施加在陪试滚子上，再传递到试验滚子上；电机通过两根同步带驱动两根加载轴和两根支撑轴同时转动，四根轴驱动陪试滚子并间接驱动试验滚子；试验核心装置采取两根加载轴和两根支撑轴分别处于同一水平线上，且两加载轴可随箱体上盖转动，采取这种两轴同时加载可保证针对不同尺寸滚子试验时，有效调节陪试滚子与被试滚子的对中性。

所述传动系统包括电机座、电机底板、变频电机、电机调节螺栓、同步带轮、同步带、双联同步带轮、支撑轴、加载轴、张紧轮机构、球头顶螺栓；所述电机座固定连接在机座第二层；所述电机底板通过铰链安装在电机座上；所述电机固定连接在电机底板上，通过电机调节螺栓调整电机上下位置，以保证同步带张紧；所述同步带轮安装在电机输出轴上，通过主同步带驱动两个所述双联同步带轮，以驱动两根所述支撑轴，再由次同步带带动两从动同步带轮，以驱动两根加载轴，确保四根主轴同步转动，从而消除滚子间的相对滑动，实现接触副的纯滚动；所述张紧轮机构通过铰链安装与张紧轮座上，并固定连接在上支架，通过所述球头顶螺栓调整张紧轮支架角度以此对次同步带起到张紧作用。

所述加载系统包括剪式千斤顶、弹簧垫块一（二）、碟形弹簧、压力传感器、球头加载杆、压力块、压力块导向槽；所述碟形弹簧、弹簧垫块一（二）及压力传感器均为圆环结构，轴向套在球头加载杆上；所述球头加载杆固定连接在千斤顶正下方；所述剪式千斤顶固定连接于上支架的正下方；所述两个压力块导向槽分别固定连接在两箱体上盖上，所述压力块放置在导向槽内，以保证加载压力对称；两轴同时加载可保证针对不同尺寸滚子试验时，有效调节陪试滚子与被试滚子的对中性。

所述数据采集系统包括压力传感器、转速传感器、温度传感器、加速度传感器；所述压力传感器安装在加载系统的碟形弹簧下方，以保证试验所需压力数据的准确性和实时监测试验过程中所加载荷的变化；所述转速传感器安装在电机输出轴处，用以测量四根主轴的转速；所述温度传感器安装在试验滚子的甩油处，以测量润滑油油温的变化；所述加速度传感器安装在箱体上盖的顶部，以测试实验过程中的振动频率信号。

所述滚子轴向定位装置包括定位珠、定位珠面板、定位珠支承板、定位楔块、定位楔形套、细牙螺套、定位拉杆、定位套；所述定位珠（单面5颗）对称安装在所述定位珠面板（径向定位）和所述定位珠支承板（轴向定位）上；所述定位楔块固定连接着定位珠支承板，由所述定位拉杆固定在所述定位楔形套上；所述细牙螺套螺纹连接于所述定位套上，并位于定位楔形套外侧，可通过细牙螺套调整定位楔形套轴向位置；所述定位套支撑着整个轴向定位装置固定连接于试验机下箱体侧面，以避免陪试滚子及试验滚子的轴向窜动。

本发明与现有技术比较，具有显而易见的实质性特点和优点：

本发明可针对单个圆柱滚子进行疲劳寿命试验，采取两轴同时加载以实现被试滚子和陪试滚子对中性的有效调节；采取四轴同步运动以实现滚轮与滚子之间做线接触纯滚动；滚子轴向定位采取点接触对准滚子中心，从而消除滚子端面与滚轮挡边间的线接触运动；陪试滚子轴向长度长于试验滚子，故被试滚子仅在滚子母线上受力，并保证被试滚子沿着圆周作纯滚动，能比较精确测试出实际对数滚子滚动接触疲劳寿命；可实现不同尺寸、不同凸度量、不同材料滚子在不同转速、不同载荷、不同润滑油工况下疲劳寿命的测试与评价，为对数滚子的材料性能、制造工艺、几何优化设计、特定工况等影响因素的疲劳失效机理提供可靠的试验依据。

避免滚子轴向窜动的关键是保证滚子轴向定位装置的定位珠与每个滚子同轴度一致，为了达到此目的，安装定位珠的面板与支承板通过楔形块固定连接在楔形套上，以保证陪试滚子端面处于同平面内，并且连接处有定位销定位，可实现各滚子轴心与定位珠球心同轴，同时定位装置核心部分可有细牙螺套调节其轴向位置，滚子轴向定位采取点接触对准滚子中心，从而消除滚子端面与滚轮挡边间的线接触运动。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明中传动系统的结构示意图。

图3为本发明中加载系统的结构示意图。

图4为本发明中试验核心装置的轴向剖面图。

图5为本发明中试验核心装置的径向剖面图。

图6为本发明中滚子接触局部放大图。

图7为数据采集系统结构框图。

具体实施方式

本发明的实施方案结合附图详述如下：

实施例一：参见图1，本双轴加载四线接触纯滚动圆柱滚子疲劳寿命试验机包括机座1，油箱2，油泵3，电机32，试验核心装置，加载机构，传动机构和数据采集系统。所述机座1内安置油箱2，油泵3和电机32，机座1上面装有一个上支架6；所述试验核心装置是一个对试验滚子实现四线接触纯滚动接触试验核心机构，安置在上6内；所述油箱2经油泵3连接试验核心装置，对其供油润滑；所述加载机构安置在上支架6上部而连接试验核心装置，实现试验加载；所述电机32经传动机构连接驱动试验核心装置，实现圆柱滚子滚动疲劳试验。

实施例二：参见图2，所述传动机构包括：电机座4、电机底板34、电机32、转速传感器支架35、转速传感器33、旋转挡板51、输出轴同步带轮50、主同步带31、两个支撑轴双联同步带轮28、两根支撑轴27、次同步带46、两个加载轴同步带轮47、两根加载轴23、张紧轮25、张紧轮支架29、张紧轮座30、球头顶螺栓26、球头顶螺栓锁紧螺栓48；所述电机座由螺纹连接在机座1的第二层，所述电机底板34通过铰链轴安装在电机座4上；所述电机32螺纹连接在电机底板34上，由螺栓调节电机32的上下位置；所述输出轴同步带轮50由键连接安装在电机32的输出轴端；所述两个支撑轴双联同步带轮28分别通过键连接安装在两根支撑轴27上；所述主同步带31连接着输出轴同步带轮50和两个支撑轴双联同步带轮28，由电机32驱动两根支撑轴27；所述两个加载轴同步带轮47分别通过键连接安装在两根加载轴23上，所述次同步带46连接着两个支撑轴双联同步带轮28和两个加载轴同步带轮47，由两根支撑轴27带动两根加载轴23，实现四根主轴同步转动；所述张紧轮25由轴安装在张紧轮支架29上，所述张紧轮支架29通过铰链安装在张紧轮座30上，所述张紧轮座30通过螺纹连接在上支架6上，所述球头顶螺栓26螺纹连接在上支架6侧面，由球头顶螺栓26调节张紧轮支架29的角度，以实现次同步带46的张紧。

实施例三：参见图3，所述加载机构包括：剪式千斤顶16、弹簧垫块一15、碟形弹簧17、弹簧垫块二18、压力传感器19、球头加载杆20、压力块14、两个压力块导向槽13；所述剪式千斤顶16通过螺纹连接在上支架6顶部；所述球头加载 20由螺纹安装在剪式千斤顶16正下方；所述弹簧垫块一15、碟形弹簧17、弹簧垫块二18、压力传感器19以此叠放在球头加载杆20的中心轴上；所述两个压力块导向槽13分别螺纹连接在两箱体上盖21上，所述压力块14放置在两个压力块导向槽13内，加载时通过球头加载杆20的球头与压力块14上方的凹球面接触，再由压力块14下方的凸球面施加压力在两个压力块导向槽13上，点接触加载使得载荷对称分布。

实施例四：参见图4，所述滚子轴向定位装置包括：定位珠43、定位珠面板42、定位珠支承板41、定位楔块40、定位楔形套39、细牙螺套38、定位拉杆37、定位套36；。所述定位珠43（单面5颗）对称安装在所述定位珠面板42和所述定位珠支承板41上，定位珠面板42起到对定位珠的周向定位，定位珠支承板41起到对定位珠的轴向定位；所述定位楔块40固定连接着定位珠支承板41，由所述定位拉杆37固定在所述定位楔形套39上；所述细牙螺套38螺纹连接于所述定位套36上，并位于定位楔形套外侧，可通过细牙螺套调整定位楔形套轴向位置；所述定位套36支撑着整个轴向定位装置固定连接于试验机下箱体9的侧面，以避免陪试滚子及试验滚子的轴向窜动。

实施例五：参见图5和图6，所述试验核心装置包括：两根加载轴23、两根支撑轴27、四个陪试滚子44、试验滚子45；四个所述陪试滚子44对称分布于一个试验滚子45圆侧面四周，并分别与所述试验滚子45的圆周面线接触；所述两根加载轴23分别通过轴承安装在两个箱体上盖21的下方，加载轴23的轮缘面分别与两个陪试滚子44的圆侧面线接触；两根支撑轴27分别通过轴承安装在下箱体9上，支撑轴27的轮缘面分别与两个陪试滚子44的圆侧面线接触；载荷通过两根加载轴23施加在陪试滚子44上，再传递到试验滚子45上；电机32通过两根同步带驱动两根加载轴23和两根支撑轴27同时转动，四根轴驱动陪试滚子44并间接驱动试验滚子45。

实施例六：所述数据采集系统包括压力传感器19、转速传感器33、温度传感器7、加速度传感器12；所述压力传感器19安装在加载系统的碟形弹簧17下方，以保证试验所需压力数据的准确性和实时监测试验过程中所加载荷的变化；所述转速传感器33安装在电机32输出轴处，用以测量四根主轴的转速；所述温度传感器7安装在试验滚子的甩油处，以测量润滑油油温的变化；所述加速度传感器12安装在箱体上盖21的顶部，以测试实验过程中的振动频率信号,四种传感器19、33、7、12各经一个调理电路后经采集卡连接到计算机（如图7）。本系统主要参考两个信号量指标来作失效诊断，一是温度信号检测：通过检测喷油处的温度来判断疲劳试验机工作是否正常，温度检测对圆柱滚子的载荷、速度和润滑情况的变化反映比较敏感。二是振动信号诊断：通过加速度传感器采集的振动信号，计算机对振动信号提取峰值、均方根、峭度系数等特征参量进行时域分析，并运用FFT分析法、小波分析法、HHT分析法对振动信号进行频域分析。

单独对轴承滚子进行疲劳寿命试验可以剔除轴承内众多因素相互影响，能够可靠的验证滚子的疲劳寿命，并为研究轴承滚子材料性能、制造工艺、几何优化设计、特定工况等影响因素的疲劳失效机理提供可靠的试验依据，更好的分析轴承滚子失效原因，提高其使用寿命的可靠性。本试验机可使轴承滚子的转速为0~26250r/min，接触载荷最高可达30KN，接触应力达到4GPa，通过改变载荷和转速实现不同工况下对数滚子的疲劳寿命试验。在试验过程中，使用加速的传感器在线测量振动信号，试验滚子的温升用热电偶测量。当被试轴承滚子失效时，以突变的振动频率输出信号软件分析后自动停机，当温升达到一定阈值，也可自动终止试验。