(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202011153469.0
(22)申请日 2020.10.26
(71)申请人 西北工业大学深圳研究院
地址 518057 广东省深圳市南山区高新南
九道45号
申请人 西北工业大学
西安固泽机电设备有限公司
(72)发明人 杨朝晖 李崇赫 杨宏章 南凯刚
(74)专利代理机构 西北工业大学专利中心
61204
代理人 慕安荣
(51)Int.Cl.
G01M 13/04(2019.01)
(54)发明名称
方法
(57)摘要
一种超低温滚动轴承寿命试验装置及试验
方法，采用油气润滑的高速重载机械主轴拖动试
验轴承旋转，试验轴承处在超低温环境下的低温
腔，支承轴承处在常温的油气润滑腔体内，相对
于检索文献中被试轴承和支承工艺轴承均处在
高，能够实现测试装置对于超低温试验轴承的长
时间测试，从而实现对被试轴承全生命周期的数
据监测，为火箭发动机涡轮泵轴承的优化设计提
供支撑数据。同时，支承轴承寿命长，无需频繁拆
卸更换，大幅降低试验成本，
提高试验效率。权利要求书4页 说明书12页 附图11页CN 112345242 A 2021.02.09
C N 112345242
A
1.一种超低温滚动轴承寿命试验装置，其特征在于，包括驱动电机、加载机构、监测系统和试验段；所述试验段包括试验腔体与试验轴系，其中的试验腔体分为低温腔和油气润滑腔体；所述低温腔位于该油气润滑腔体的上端，并通过组合密封结构将所述低温腔与油气润滑腔体密封隔离；所述试验轴系位于该试验腔体内，并使该试验轴系中的机械主轴贯穿油气润滑腔体，机械主轴上端位于低温腔内，机械主轴的下端穿过主轴后端盖，处在油气润滑腔体外部；所述驱动电机与所述机械主轴连接；所述监测系统的各输入端口分别与分布在加载机构、试验腔体内、试验轴承和支承轴承处的各传感器通过数据线连通；所述加载机构位于所述低温腔的上端，并使该加载机构中的加载气缸与加载杆固连；所述加载杆的下端位于低温腔内，并通过加载轴承与载荷施加组件中的第三载荷施加件连接；所述加载轴承位于第三载荷施加件内；
所述低温腔的腔体由低温腔外壳、组合密封结构和低温腔密封端盖组成，载荷施加组件与试验轴承均位于该低温腔的腔体内，并由该载荷施加组件与试验轴承将该低温腔的腔体分隔为内腔室与外腔室，形成了双层结构；所述试验轴承套装在该机械主轴的上端，并位于载荷施加组件的第一载荷施加件内；导流头位于载荷施加组件内，固定在该机械主轴的上端面，并使该导流头下端面与所述机械主轴
的上端面和压盖的上端面贴合；在低温腔外壳上端端面有低温腔密封端盖；所述试验轴承位于低温腔内并套装在所述机械主轴上；该低温腔外壳上有低温介质出口；
所述油气润滑腔体包括主轴外壳、温度调节水套、主轴后端盖、内隔圈、外隔圈和轴承间隔环；所述内隔圈位于该油气润滑腔体内，并套装在该机械主轴的外圆周表面上；所述外隔圈套装在该内隔圈的外圆周表面上，并使该内隔圈的外圆周表面与该外隔圈的内圆周表面之间有4mm的间隙，形成了润滑介质流动通道的上段；所述温度调节水套位于主轴外壳内，套装在所述外隔圈的外圆周表面上，并使该温度调节水套的外表面与主轴外壳的内表面之间干涉配合；由位于该温度调节水套外表面的温度调节介质通道形成了温度调节介质的流动通道；所述温度调节水套的内表面与所述外隔圈的外表面、套装在机械主轴上的支承轴承的外表面和轴承间隔环的外表面干涉配合。
2.如权利要求1所述超低温滚动轴承寿命试验装置，其特征在于，所述组合密封结构包括分离盘、密封盘和叶封轮，并使该分离盘、密封盘和叶封轮均套装在所述机械主轴上，其中：分离盘固定在所述主轴外壳的上端面；该分离盘的内表面与该机械主轴的外表面之间间隙配合，并使该分离盘的内表面与该机械主轴的外表面之间构成两个轴向排列的环形密封槽；密封盘固定在该分离盘的上端面；该密封盘的内表面与该机械主轴的外表面之间间隙配合，并使该密封盘的内表面与该机械主轴的外表面之间构成一个环形密封槽；所述密封盘与分离盘相贴合的表面之间有密封圈安装槽；所述分离盘与主轴外壳的上端面之间亦有密封圈安装槽；所述叶封轮与所述机械主轴键连接，使该叶封轮能够随该机械主
轴转动；该叶封轮的下端位于该密封盘上表面的凹槽内，并使该叶封轮的外圆周表面与该密封盘的内圆周表面之间间隙配合；并与轴向排布在所述密封盘凹槽内表面的环形密封槽构成了该密封盘与叶封轮之间的迷宫式密封；在该叶封轮的上表面与位于所述第一载荷施加件内的所述试验轴承之间安装有垫片，该垫片的内圆周表面与机械主轴的外圆周表面干涉配合。
3.如权利要求1所述超低温滚动轴承寿命试验装置，其特征在于，所述载荷施加组件包括第一载荷施加件、第二载荷施加件、第三载荷施加件和加载轴承；其中：所述第三载荷施
加件位于第二载荷施加件的上端，并通过螺栓将二者固连；所述第一载荷施加件位于该第二载荷施加件的下端，并通过螺栓将二者固连；两个加载轴承位于所述第三载荷施加件的内；所述加载杆的下端装入加载轴承内，并伸入至第二载荷施加件上端的轴孔内；所述第二载荷施加件上端的轴孔表面与该加载杆外圆周表面之间安装有加载衬套；该加载衬套的外圆周表面与第二载荷施加件上端的轴孔的内表面干涉配合，加载衬套的内圆周表面与加载杆的外圆周表面间隙配合；所述试验轴承安放在该第一载荷施加件内；试验时，加载机构向加载杆施加拉力；该加载杆通过加载轴承将力传递给第三载荷施加件，再经第二载荷施加件和第一载荷施加件传递至试验轴承，完成加载；
所述第一载荷施加件下端的内圆周表面有径向凸出的定位止口，用于试验轴承的定位和载荷施加；该第一载荷施加件的外径与所述第二载荷施加件的最大外径相同，该第一载荷施加件的内径与所述试验轴承外圈的外径相同；
所述第二载荷施加件的下端形成了与所述第一载荷施加件配合的定位止口；所述第二载荷施加件的内径大于所述导流头的最大外径，在该导流头与第二载荷施加件内表面之间形成了低温介质的流动通道；
所述第三载荷施加件下端外圆周表面有连接所述第二载荷施加件的法兰；所述第三载荷施加件的内径与所述加载轴承外圈的外径相同。
4.如权利要求1所述超低温滚动轴承寿命试验装置，其特征在于，所述传感器包括力传感器、质量流量计、位移传感器、加速度传感器、温度传感器和腔压传感器；其中：所述加载机构与加载杆连接处设置有力传感器；所述低温介质入口处设置有低温介质质量流量计；所述位移传感器、加速度传感器、温度传感器和腔压传感器分别穿过所述低温腔外壳、第一载荷施加件和第二载荷施加件上的传感器过孔安置在所述试验轴承保持架的上端面；在上支承轴承内和下支承轴承内分别安装有温度传感器，使各温度传感器穿过位于所述主轴外壳和温度调节水套上传感器过孔装入。
5.如权利要求1所述超低温滚动轴承寿命试验装置，其特征在于，所述试验轴系包括机械主轴、压盖、试验轴承和支承轴承；压盖套装并固定在该机械主轴的上端，通过该压盖实现对试验轴承的定位；机械主轴的上端端面连接有导流头，通过该导流头将低温介质导入试验轴承；机械主轴位于油气润滑腔体内的下端通过两个上支承轴承和两个下支承轴承支承；该机械主轴通过联轴器与驱动电机连接；所
述试验轴承位于所述载荷施加组件内，并使该试验轴承外圈的外圆周表面与载荷施加组件中第一载荷施加件的内圆周表面间隙配合；
所述上支承轴承位于油气润滑腔体内的上端，下支承轴承位于油气润滑腔体内的下端；所述上支承轴承与下支承轴承均套装在机械主轴上，并使该上支承轴承位于所述内隔圈和外隔圈的上方，使下支承轴承位于所述内隔圈和外隔圈的下方；两个上支承轴承之间安装有轴承间隔环，两个下支承轴承之间亦安装有轴承间隔环；各所述轴承间隔环均分为内环与外环，并且该外环的内径比内环的外径大1.5mm，由该外环的内表面与内环的外表面之间的圆环状空腔形成了润滑介质的流动通道；各所述轴承间隔环外环上端面的外缘处与该轴承间隔环外环下端面的外缘处分别有与所配合的支承轴承端面贴合的凸台，在该轴承间隔环外环的上端面和下端面分别形成凹面；各所述的凹面分别形成了润滑介质的流动通道。
6.如权利要求1所述超低温滚动轴承寿命试验装置，其特征在于，所述主轴后端盖固定
在该主轴外壳的下端面，通过该主轴后端盖将所述主轴外壳与温度调节水套固定；所述主轴后端盖内表面与锁紧螺母外表面之间形成了润滑介质流动通道的下段；该主轴后端盖与所述主轴外壳连接一端的外径与温度调节水套的内径相同；所述主轴后端盖法兰端中心孔的内表面有径向的密封凹槽；在所述法兰端中心孔的周边均布有四个润滑介质出口，并使各润滑介质出口分别与位于油气润滑腔体内的润滑介质流动通道贯通；各润滑介质出口的中心线平行于所述主轴后端盖的中心线。
7.如权利要求1所述超低温滚动轴承寿命试验装置，其特征在于，所述主轴外壳上端有温度调节介质出口，并使该温度调节介质出口与由所述温度调节介质通道形成的温度调节介质的流动通道贯通；该温度调节介质出口的中心线垂直于所述温度调节水套外表面；主轴外壳下端的壳体上有温度调节介质入口，并使该温度调节介质入口与由所述温度调节介质通道形成的温度调节介质的流动通道贯通；该温度调节介质入口的中心线垂直于所述温度调节水套外表面；在该主轴外壳上端壳体的圆周上均布有八个内径为8mm的润滑介质入口，并使各所述润滑介质入口与所述位于该机械主轴上端的上支承轴承的内腔连通，使润滑介质进入该上支承轴承的内腔，进而由位于该油气润滑腔体内的润滑介质流动通道的上段进入位于该机械主轴下端的下支承轴承的内腔；所述下支承轴承的内腔与润滑介质流动通道的下段连通。
8.如权利要求1所述超低温滚动轴承寿命试验装置，其特征在于，所述润滑介质流动通道由所述上支承轴承的内腔、下支承轴承的内腔、轴承间隔环的内腔、润滑介质流动通道的上段和润滑介质流动通道的下段组成；其中，所述润滑介质流动通道的上段位于所述外隔圈上下两端的支承轴承之间，由外隔圈的内表面与内隔圈的外表面之间的圆环状空腔构成；所述外隔圈内表面与内隔圈外表面之间的间距为4mm；所述润滑介质流动通道的下段位于外隔圈下端的支承轴承的下方，由下支承轴承下方的锁紧螺母的外表面与所述主轴后端盖的套管内表面之间的圆环状空腔构成；所述锁紧螺母外表面与所述套管内表面之间的最小间距为12mm；所述锁紧螺母套装在机械主轴上；
所述外隔圈为中空回转体，其内径比内隔圈的外径大4mm，外隔圈的外径与温度调节水套的内径相同，并使二者之间干涉配合；所述外隔圈的上端面与上支承轴承的下端面贴合；所述外隔圈的下端面与下支承轴承的上端面贴合；该外隔圈的壁厚为20mm；
所述内隔圈亦为中空回转体，其内径与机械主轴的外径相同，并使二者之间干涉配合；所述内隔圈的上端面与所述上支承轴承的下端面贴合；所述内隔圈的下端面与下支承轴承的上端面贴合；该内隔圈的壁厚为6mm。
9.如权利要求1所述超低温滚动轴承寿命试验装置，其特征在于，所述加载杆为一端封闭的中空杆状；该加载杆的内孔为低温介质的流动通道，在该加载杆上设置有低温介质入口；所述加载杆下端开口的中心与固定在机械主轴的上端端面的导流头的中心相对应；在靠近该加载杆下端的外圆周表面有径向凸出的加载传力凸台；该加载传力凸台的上表面与所述加载轴承的下表面贴合；该加载传力凸台的外径与该加载轴承内圈的外径相同；所述加载杆上有低温介质入口；
所述导流头上端的外圆周表面为锥段；该锥段的锥度为102°；在该锥段下表面的中心有轴向的等径段，该等径段的直径与所述压盖的外径相同；在该导流头下端面的中心有与机械主轴连接的连接杆；
所述温度调节水套的内径与外隔圈的外径相同，并使二者之间干涉配合；该温度调节水套的外径与所述主轴外壳的外径相同，并使二者之间干涉配合；在所述温度调节水套的外圆周表面有螺旋状的温度
调节介质通道；该温度调节介质通道的横截面为矩形，其宽度为18mm，深度为5mm，螺旋角为5°。
10.一种利用权利要求1所述超低温滚动轴承寿命试验装置进行加载试验的方法，其特征在于，具体过程是：
步骤一、根据试验大纲提出的转速与载荷要求，确定所述试验轴承的低温介质流量和润滑介质流量参数；所设定的试验轴承的转速为18000rpm、载荷为2000kgf；
所设定的低温介质流量为10kg/s，润滑介质流量为0.03ml/min；
步骤二、装配试验轴承；将试验轴承安装在机械主轴上，并通过压盖固定；将导流头安装在机械主轴的上端面；
步骤三、开启低温介质源，通过中空的加载杆向低温腔通入流量为1kg/s的低温介质，以对该低温腔进行预冷；当该低温腔的温度达到-196℃时，关闭低温介质源，预冷结束；所述低温介质为液氮；
步骤四、根据试验大纲提出的转速与载荷调整加载机构的参数，通过该加载机构向所述试验轴承施加载荷；所施加的载荷模拟实际工况下该试验轴承所受载荷；
步骤五、开启低温介质源，调节低温介质流量至10kg/s，模拟﹣196℃的低温环境；同时，向油气润滑
腔体通入润滑介质并保持至试验结束，为机械主轴和支承轴承提供润滑；所述润滑介质为VG68润滑油；
为保证油气润滑效果，当油气润滑腔体内温度高于润滑介质最佳工作温度时，通过温度调节介质入口向机械水套中通入液氮降温，使该油气润滑腔体内温度保持在40℃；当油气润滑腔体温度低于润滑介质最佳工作温度时，通过温度调节介质入口向机械水套中通入水升温，保持油气润滑腔体温度恒定在40℃；
步骤六、开启驱动电机并使试验轴承转速达到18000rpm，驱动电机带动机械主轴转动，进而带动试验轴承转动，模拟试验轴承工作转速至完成数据采集；
步骤七、通过监测系统监测试验装置运行状态并记录试验数据；所述的试验数据包括试验轴承温度、试验轴承位移、试验轴承加速度、试验轴承处的腔压、上支承轴承温度和下支承轴承温度；
步骤七、获取所需试验数据后，关闭驱动电机，机械主轴停止转动；停止通入所述低温介质、润滑介质和温度调节介质；关闭加载机构；卸下试验轴承，试验结束。
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