[發明專利]一種滾動軸承的微動磨損試驗裝置及磨損計算方法

有效

• 申請號: 202011025160.3
• 申請日: 2020-09-25
• 公開（公告）號: CN112179796B
• 公開（公告）日: 2021-11-12
• 發明（設計）人: 盧敏;陳志豪;李政民卿;葛紫璇
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: G01N3/56
• 分類號: G01N3/56;G01N3/06;G01B15/00;G01B15/04;G01M13/04
• 代理公司: 北京盛凡智榮知識產權代理有限公司 11616
• 代理人: 王勇

1.一種滾動軸承的微動磨損試驗裝置，包括底板(9)和驅動電源控制器(23)，其特征在于：所述底板(9)上設有相互對應布置的軸承座(13)，所述軸承座(13)上設有軸承蓋(12)，所述軸承蓋(12)和軸承座(13)之間設有扭振軸(16)，所述扭振軸(16)上設有不少于一個的軸承試驗件(19)，所述扭振軸(16)的兩端均開有接觸槽(21)，兩側所述軸承蓋(12)之間設有和軸承試驗件(19)相配合的軸承壓蓋(17)，所述軸承壓蓋(17)上端設有軸承壓板(15)，所述底板(9)的一側設有杠桿支柱(2)，所述杠桿支柱(2)上端鉸接有和軸承壓板(15)配合的杠桿(10)，所述杠桿(10)的另一端設有砝碼桿(14)，所述底板(9)上位于軸承座(13)的兩側均設有矩形支座(5)，所述矩形支座(5)上分別設有位于扭振軸(16)端部上下方的壓桿(4)和壓電陶瓷促動器(7)，所述壓電陶瓷促動器(7)和驅動電源控制器(23)連接，所述壓桿(4)和矩形支座(5)之間設有蝶形彈簧(3)，所述矩形支座(5)上端設有和壓桿(4)螺紋連接的調節螺母(24)，所述壓電陶瓷促動器(7)上端設有動力連接件(6)，所述動力連接件(6)上端以及壓桿(4)下端均設有插接到接觸槽(21)中的球頭(22)。

2.根據權利要求1所述的一種滾動軸承的微動磨損試驗裝置，其特征在于：所述扭振軸(16)上設有用于固定軸承試驗件(19)的軸用彈性擋圈(18)以及用于分隔相鄰兩所述軸承試驗件(19)的軸套(20)。

3.根據權利要求1所述的一種滾動軸承的微動磨損試驗裝置，其特征在于：所述杠桿(10)和杠桿支柱(2)之間通過軸銷(1)鉸接連接。

4.根據權利要求1所述的一種滾動軸承的微動磨損試驗裝置，其特征在于：所述壓電陶瓷促動器(7)下端設有墊板(8)，所述墊板(8)通過螺絲固接在矩形支座(5)下端面上。

5.根據權利要求1所述的一種滾動軸承的微動磨損試驗裝置，其特征在于：兩側所述軸承蓋(12)的相對面上端內壁上均開有插槽，所述軸承壓板(15)兩側均設有插接到對應側插槽中的插塊，所述軸承壓板(15)上端開有凹槽，所述杠桿(10)下端設有插接到凹槽中的定位凸緣。

6.根據權利要求1所述的一種滾動軸承的微動磨損試驗裝置，其特征在于：所述調節螺母(24)和矩形支座(5)上端面之間設有波形彈簧(11)。

7.根據權利要求1所述的一種滾動軸承的微動磨損試驗裝置的磨損計算方法，其特征在于：包括以下步驟：

步驟一：滾動軸承微動磨損試驗

1)根據微動磨損試驗要求選取合適的試驗件；

2)啟動微動磨損試驗裝置電源開關與軟件；

3)根據試驗工況設置參數：通過驅動電源控制器軟件對試驗工況的位移、頻率、微動磨損時間進行設定；通過選取合適的砝碼，施加不同的徑向載荷；通過外部潤滑系統對試驗工況中的潤滑狀況進行設定；

4)每隔一段時間，即設定的分步微動磨損時間，暫停設備運行，進入測量環節：卸去砝碼和杠桿載荷部件，在扭振軸適當位置設定測量點，運用測量儀器測量磨損試驗前后該點處的高度變化，結合磨損位置的幾何結構，求得微動磨損量，并記錄數據；

5)測量完成后，重新啟動試驗裝置繼續進行微動磨損試驗；

6)待微動磨損總時間達到理論計算的總時間或測量值達到理論計算值時，結束試驗；

步驟二：滾動軸承微動磨損計算

基于滾動軸承微動磨損試驗方法所獲得的試驗數據，修正微動磨損深度模型并使之可用之于其他滾動軸承微動磨損工況，具體步驟包括如下：

1)建立基于修正Archard模型的球-平面微動磨損深度計算模型：

Archard磨損模型的公式如下：

式中，V為磨損體積，P為接觸面的法向載荷，S為微動磨損接觸面之間的相對滑移距離，H為接觸面之間較軟面的硬度；K為磨損因子；

基于摩擦能耗的原理，建立微動磨損體積修正公式：

V＝α∫dW

式中，α為摩擦能耗系數，dW為摩擦能耗微元，∫dW為累計摩擦能耗；

二維平面截面中，任意截面的微動磨損深度用微動磨損體積與微動磨損截面面積來表示，公式如下：

式中，V_d是微動磨損深度，A為某一微動深度截面面積；

對微動磨損深度和微動累計摩擦滑移距離進行微分，并代入微動磨損截面面積，公式如下：

式中，μ為摩擦系數，P為接觸面的法向載荷，R為接觸球的半徑；

滾動軸承徑向載荷的分析：當軸承在徑向載荷F_r作用下，上半圈滾動體不受載，下半圈滾動體由于各個接觸點上的彈性變形不同而承受不同大小的載荷，處于F_r作用線最下方的滾動體承載最大，當為點接觸軸承時，其值近似為：

式中，Z為軸承滾動體總數；

對微動磨損深度微分公式進行積分，求得累計微動磨損深度公式：

式中，在微動磨損中忽略初始赫茲變形，初始S＝0，V_d＝0，則C＝0；

2)基于滾動軸承等效參數，建立滾動軸承微動磨損深度計算模型：

式中，r為軸承微動磨損的接觸處到軸線半徑，θ為扭轉振動角度，f為扭轉振動頻率，t為微動磨損時間；

滾動軸承中內外圈接觸處皆存在微動磨損，故軸承的微動磨損為兩處微動磨損之和：

式中，r₁為內滾道微動磨損處到軸承軸線的半徑，r₂為外滾道微動磨損處到軸承軸線的半徑，V_d1為內滾道微動磨損處磨損深度，V_d2為外滾道微動磨損處磨損深度，V_d為內、外滾道微動磨損處微動磨損深度之和；

測量獲得磨損深度，并據此結合磨損形貌計算磨損量，在此基礎上可逆向求得磨損系數；

拆開試驗件，進行電鏡掃描，觀察微動磨損深度V_d1和V_d2、長度a、寬度b參數；根據試驗數據繪制微動磨損深度-時間曲線，結合試驗件微動磨損形貌與微動磨損模型進行對比，逆向修正微動磨損模型的摩擦能耗系數。