一种球盘式航空航天轴承润滑剂摩擦力试验机

1.本发明属于轴承试验机技术领域，特别涉及一种球盘式航空航天轴承润滑剂摩擦力试验机。


背景技术：

2.轴承作为航空航天机构中必不可少的重要部件，常常在高低温、高速、高压的条件下运行，与一般轴承使用条件存在较大偏差。润滑剂摩擦力（或称拖动力）的测定是研究轴承动力学工作机理的重要依据。航空航天轴承润滑剂摩擦力试验机可以获得在不同载荷、温度、转速和润滑条件下轴承摩擦力的准确数据。目前适应高低温宽温域范围的润滑剂摩擦力试验机极少。
3.国内研究轴承润滑剂摩擦力（或称拖动力）试验机大体可分为球盘式和双圆盘式。
4.专利号
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201210286084.0，介绍了一种双圆盘式润滑油摩擦力试验机。其主要试件为两个圆盘，由两台电机驱动。双圆盘的轴是平行的，无法调整角度。由于双圆盘轴无法保证绝对平行，以及很长的悬臂梁结构，会造成受载荷时，挠度变化较大，无法保证双圆盘间的线接触状态，而且加载不稳，也不能实现航空航天轴承运行时的高低温环境。
5.专利号
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201110372454.8，介绍了一种球盘式润滑剂弹流摩擦力测试仪。其电主轴b（即球试件轴）是倾斜的，不便于调整球-盘接触点位置。倾斜的球轴形成悬臂梁的结构，在加载过程中会对静压立轴形成很大的倾覆力矩，使球盘接触点的载荷不稳，且电主轴b角度调整困难、调整范围受限。其通过砝码加载，由于整体主机自重很大，使得加载载荷较小时，测量误差极大。而且加载载荷有限，且不能实现航空航天轴承运行时的苛刻环境。
6.专利号
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202011454957.5，同样采取了球盘式设计，能够在一定范围内的模拟轴承的实际运行状态，但大角度纯自旋接触状态无法模拟。采用空气轴承下方钢球支撑的结构，由于钢球受到电主轴自重和加载压力的影响，会对测量结果产生一定的影响，且设备不具备高温实验环境，并不能满足航空航天轴承的实际运行要求。
7.为此，需要设计一种能够准确测量航空航天轴承润滑剂摩擦力的试验机，具备模拟航空航天轴承的运行载荷、速度、环境等试验条件，对滚动轴承试验全过程中润滑剂的摩擦力和载荷等信息实现监控和检测。


技术实现要素：

8.本发明的目的是针对上述现有技术的不足，提供一种球盘式航空航天轴承润滑剂摩擦力试验机，模拟航天航空滚动轴承的运行载荷、速度、环境等试验条件，对滚动轴承试验全过程中润滑剂的摩擦力（或拖动力）和载荷等信息实现监控和检测。
9.为解决以上技术问题，本发明采用的技术方案是：一种球盘式航空航天轴承润滑剂摩擦力试验机，试验机整体采用立式设计并包括外部的扭矩测试系统、内部的液压加载系统、润滑剂供给装置以及高低温环境装置；所述扭矩测试系统包括气浮台、套设在气浮台外侧的轴套、扭矩测试框架及与扭
矩测试框架连接的盘试样装置，且盘试样装置与扭矩测试框架之间安装有水平布设的力传感器，而轴套与气浮台之间套设有径向空气轴承，位于轴套上方的气浮台外周还套设有推力空气轴承并与扭矩测试框架固定连接；所述液压加载系统包括固设于轴套上的支撑平台、对称设于支撑平台两侧的加载液压装置以及搭设在加载液压装置顶部的内部支架，且内部支架与加载液压装置相应的搭接处还安装有载荷传感器，载荷传感器与加载液压装置顶部接触配合，而内部支架上安装有球头旋转装置，球头旋转装置的球头试样与盘试样装置的盘试样配合并构成球盘试样区，且球头试样与盘试样可调整自旋角度，直至纯自旋状态。
10.所述润滑剂供给装置包括润滑油箱、供油电机、回油电机以及相应的供回油油路,且润滑油箱中的润滑油经过供油油路喷向球盘试样区,随后润滑油经回油油路回到润滑油箱；所述高低温环境装置与高低温环境装置控制连接并为其提供高温或低温试验环境。
11.所述扭矩测试框架包括与推力空气轴承固定的外部机架、连接固设于外部机架两端的外部支撑板以及固设于外部支撑板顶部的盘试样电机支架，且力传感器贴合顶设在外部支撑板两侧。
12.所述球头旋转装置包括相互啮合传动的旋转涡轮和旋转蜗杆、固设于旋转涡轮上的球式样电机和球头试样，且球头试样安装在球式样电机的顶部并与其转动控制连接；所述旋转蜗杆设于固定在支撑平台上的底座内并由配设的旋钮驱动其水平移动；所述旋转涡轮安装在底座上并由旋转蜗杆带动其水平偏转。
13.所述球盘试样区还包括围设在球头试样与盘试样外侧的试验箱，且试验箱通过两侧固设的试验箱支撑板固定在支撑平台上方，且加载液压装置位于试验箱支撑板内侧；所述盘试样装置包括固定安装在盘试样电机支架上的盘试样电机以及与盘试样电机控制连接的盘试样；盘试样电机的端部及球头试样电机的端部相应穿过试验箱并在结合处配设膨胀密封环密封。
14.所述试验箱包括相互拼接密封设置的上试样箱板和下试样箱板，且上试样箱板设为u型框体结构并在其一侧开设用于通入输风管的通孔；而下试样箱板设为水平板且其两端分别与试验箱支撑板固定。
15.所述高低温环境装置包括依次通过管路连接的液氮罐、电热箱和温度箱，且各管路上均相应设有电磁阀，而温度箱内还设有温度传感器、用于加热的加热管和电磁线圈以及用于抽排气体的入口循环风机和出口循环风机，且位于出口循环风机外部的输风管与试验箱连通并在管路上设置控温仪表。
16.所述盘试样设为圆盘状结构，而球头试样的端部设为球状结构。
17.所述径向空气轴承有两个，并间隔安装在轴套内侧。
18.所述高低温环境装置的控温范围为-180℃~+150℃。
19.本发明的有益效果是：（1）该航空航天轴承润滑剂摩擦力试验机，试验机整体采用立式设计并包括外部的扭矩测试系统、内部的液压加载系统、润滑剂供给装置以及高低温环境装置；扭矩测试系
统包括气浮台、套设在气浮台外侧的轴套、扭矩测试框架及与扭矩测试框架连接的盘试样装置，且盘试样装置与扭矩测试框架之间安装有水平布设的力传感器，而轴套与气浮台之间套设有径向空气轴承，位于轴套上方的气浮台外周还套设有推力空气轴承并与扭矩测试框架固定连接，气浮台能够实现径向气浮和轴向推力气浮，能够最大程度的减小系统摩擦，保证摩擦力或拖动力的测量精度。
20.（2）试验机整体采用立式设计，提高了空间利用率，球轴可以调整自旋角度，直至纯自旋状态，用以模拟航空航天轴承钢球与滚道在自旋状态下润滑剂的摩擦特性；该设备外部扭矩测试系统采用了径向气浮和轴向推力气浮支撑结构，最大程度减少了系统的基础摩擦，能够实现准确测量；同时，该设备使用双液压缸加载能够施加更稳定的载荷，并配备了高低温环境装置，可以实现实验区域的高低温环境，获得航空航天轴承的实际运行环境。
21.（3）球头旋转不仅能够提供更高的自由度使测量数据范围更广，工作范围更大，而且可以调整自旋角度，实现模拟航空航天轴承自旋状态下的运行情况；而盘试样电机和球式样电机两台电机主轴均可实现无级变速，可以模拟航空航天轴承运行时的滚动体与滚道之间存在的滚动、滑动、自旋等复杂运动状态，使航空航天轴承润滑剂摩擦力（或拖动力）测试试验更接近于航空航天轴承真实运行状态。
附图说明
22.图1是本发明的结构示意图；图2是本发明的侧视图；图3是高低温环境装置的结构示意图。
具体实施方式
23.以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
24.本发明提供了一种球盘式航空航天轴承润滑剂摩擦力试验机，如图1至图3所示。
25.一种球盘式航空航天轴承润滑剂摩擦力试验机，包括外部的扭矩测试系统、内部的液压加载系统、润滑剂供给装置以及高低温环境装置；所述扭矩测试系统包括气浮台、套设在气浮台外侧的轴套、扭矩测试框架及与扭矩测试框架连接的盘试样装置，且盘试样装置与扭矩测试框架之间安装有水平布设的力传感器，而轴套与气浮台之间套设有径向空气轴承，位于轴套上方的气浮台外周还套设有推力空气轴承并与扭矩测试框架固定连接。
26.所述液压加载系统包括固设于轴套上的支撑平台、对称设于支撑平台两侧的加载液压装置以及搭设在加载液压装置顶部的内部支架，且内部支架与加载液压装置相应的搭接处还安装有载荷传感器，载荷传感器与加载液压装置顶部接触配合，而内部支架上安装有球头旋转装置，球头旋转装置的球头试样与盘试样装置的盘试样配合并构成球盘试样区；本实施例中，所述盘试样设为圆盘状结构，而球头试样的端部设为球状结构。
27.所述润滑剂供给装置包括润滑油箱、供油电机、回油电机以及相应的供回油油路，且润滑油箱中的润滑油经过供油油路喷向球盘试样区，随后润滑油经回油油路回到润滑油箱；所述高低温环境装置与高低温环境装置控制连接并为其提供高温或低温试验环
境。本实施例中，所述高低温环境装置包括依次通过管路连接的液氮罐、电热箱和温度箱，且各管路上均相应设有电磁阀，而温度箱内还设有温度传感器、用于加热的加热管和电磁线圈以及用于抽排气体的入口循环风机和出口循环风机，且位于出口循环风机外部的输风管与试验箱连通并在管路上设置控温仪表。
28.所述扭矩测试框架包括与推力空气轴承固定的外部机架、连接固设于外部机架两端的外部支撑板以及固设于外部支撑板顶部的盘试样电机支架，且力传感器贴合顶设在外部支撑板两侧。
29.所述球头旋转装置包括相互啮合传动的旋转涡轮和旋转蜗杆、固设于旋转涡轮上的球式样电机和球头试样，且球头试样安装在球式样电机的顶部并与其转动控制连接；所述旋转蜗杆设于固定在支撑平台上的底座内并由配设的旋钮驱动其水平移动；所述旋转涡轮安装在底座上并由旋转蜗杆带动其水平偏转。
30.所述球盘试样区还包括围设在球头试样与盘试样外侧的试验箱，且试验箱通过两侧固设的试验箱支撑板固定在支撑平台22上方，且加载液压装置位于试验箱支撑板内侧；所述盘试样装置包括固定安装在盘试样电机支架上的盘试样电机以及与盘试样电机控制连接的盘试样，盘试样电机的端部及球头试样电机的端部相应穿过试验箱并在结合处配设膨胀密封环密封，确保试验箱的密封性。
31.所述试验箱包括相互拼接密封设置的上试样箱板和下试样箱板，且上试样箱板设为u型框体结构并在其一侧开设用于通入输风管的通孔；而下试样箱板设为水平板且其两端分别与试验箱支撑板固定。
32.下面结合附图及具体实施例对本发明所作进一步详细说明。
33.如图1所示，球盘式航空航天轴承润滑剂摩擦力（或拖动力）试验机包括外部扭矩测试系统、内部液压加载系统和润滑剂供给装置。
34.所述外部扭矩测试系统包括气浮台底座4、径向空气轴承5、气浮台6、轴套7、推力空气轴承9、外部机架10、外部支撑板11、力传感器12、盘试样电机支架13、盘试样电机14、盘试样27。所述径向空气轴承5有两个，间隔安装在轴套7内侧，通气后与气浮台6之间存在径向压力，两者由高压气流隔开，使其径向旋转摩擦力最小化。轴套7上方的推力空气轴承9通过螺钉与外部机架10相连，充气后，其轴向间隙内存在高压气流，在支撑外部结构的同时使其轴向摩擦力最小化。所述外部支撑板11也采用螺钉与外部支架10以及顶部的盘试样电机支架14固定连接。所述盘式样27通过螺柱固连在盘试样电机14末端，盘试样电机垂直固定在盘试样电机支架13上，当盘试样27和球头试样28之间产生摩擦力（即使此摩擦力很小），在此摩擦力作用下自身转动摩擦几乎为零的外部机构就会发生偏转，并压迫水平安装在外部支撑板11两侧的力传感器12，从而精确测量球盘试样之间的摩擦力。
35.所述内部液压加载系统包括上实验箱板15、下试验箱板16、下试验箱支撑板17、载荷传感器18、加载液压缸19、内部支架20、螺杆21、支撑平台22、固设在支撑平台22下方的内部支撑台23、球头试样28、球试样电机29、膨胀密封环26、旋转涡轮30、旋转蜗杆32、旋钮31、液压油箱24、柱塞泵25。所述内部支撑台23通过螺钉与底座8和支撑平台22固连，两个对称布设的加载液压装置均包括加载液压缸19和螺杆21，加载液压缸19通过螺杆21和支撑平台22固连，加载液压缸19顶部直接与通过螺钉连接安装在内部支架20下方的载荷转感器18接触，内部球头旋转装置通过螺钉固连在内部支架上，不进行加载时载荷传感器18（对称位置
2个）显示数值和为球头旋转装置的自重，进行加载前只需将载荷传感器示数清零，随后进行加载即可记录实际加载数值。
36.所述球头旋转装置包括旋转涡轮30、旋转蜗杆32、旋钮31、球式样电机29及球头试样28；旋转蜗杆32两端安装有旋钮31，通过旋转旋钮31可以调整固连在旋转涡轮30上的球试样电机29及球试样28与水平方向的夹角，实现球试样与盘试样直接接触点的变化，提高试样利用率的同时又可以模拟滚动轴承中滚动体自旋滑动现象。
37.所述下实验箱支撑板17通过螺柱与支撑平台22固连，下试验箱板16放置在支撑板上通过螺钉与上实验箱板15相连接，在上实验箱板15侧面开有小的通孔可以与高低温环境装置相连接，实现实验区域内高低温环境的要求。液压加载系统的液压油储存在位于设备下部的液压油箱24中，由柱塞泵25供给加载。当试验机启动后，柱塞泵25抽取液压油箱24中的液压油经液压油路进入加载液压缸19并顶升活塞进行试验加载，加载载荷由载荷传感器18测得。此时，整个球头旋转装置被顶起，球试样28与盘试样27之间产生压应力，随加载增大，两者之间由弹性变形造成初始线接触拓宽到总宽较小的椭圆面接触，接触区的润滑剂由供油油箱3中的润滑油经供油电机2通过供油油路提供，此时启动盘试样电机14和球试样电机29，两试样之间产生相对滑动，摩擦力（或拖动力）由此产生。在摩擦力（或拖动力）作用下，整个外部机构绕气浮台6发生偏转，摩擦力（或拖动力）大小由水平安装在外部支撑板11两侧的力传感器12测得。
38.如图2所示，高低温环境装置的控温范围为-180℃~+150℃，包括自增压液氮罐34、采用铜管材质的管路35、电磁阀ⅰ36、高低温温度箱37、入口循环风机38、金属加热管39、电磁线圈40、温度传感器41、出口循环风机42、控温仪表43、电磁阀ⅱ44、电热箱45、脚轮46，自增压液氮罐34提供低温液氮，经电热箱45加热后生成低温氮气经电磁阀ⅰ36流入温度箱37，后经出口循环风机42将低温氮气抽入试验箱中使其获得低温环境。也可以使用入口循环风机38将空气抽入金属加热管39中，由电磁线圈40将其加热形成高温热流气体进入温度箱37，后经出口循环风机42将高温气流抽出温度箱37使其流入试验区域获得高温环境。
39.温度箱内壁上安装有温度传感器41，可以随时监控温度箱中的实际温度，并随时向控温仪表43反馈，实现温度的精准控制。试验时，只需将高低温环境装置气流出口与试验箱的球盘试样区相连即可，可以实现航空航天轴承的极端温度环境测试。
40.相比以往的相关设备，该设备采用立式设计，提高了空间利用率，球轴可以调整自旋角度，直至纯自旋状态，用以模拟航空航天轴承钢球与滚道在自旋状态下润滑剂的摩擦特性；该设备外部扭矩测试系统采用了径向气浮和轴向推力气浮支撑结构，最大程度减少了系统的基础摩擦，能够实现准确测量；该设备使用双液压缸加载能够施加更稳定的载荷；该设备配备了高低温环境装置，可以实现实验区域的高低温环境，获得航空航天轴承的实际运行环境。
41.本专利中使用了“第一”、“第二”等词语来限定零部件的话，本领域技术人员应该知晓：“第一”、“第二”的使用仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，上述词语并没有特殊的含义。
42.以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变
化和改进都落入要求保护的发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及等同物界定。
43.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“中心”、等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗指所指的装置或元件必须具有特定的方位、为特定的方位构造和操作，因而不能理解为对本发明保护内容的限制。