一、實(shí)驗(yàn)臺介紹
    1．概述
    GZ-50A雙控滾動軸承性能測試分析實(shí)驗(yàn)臺，結(jié)構(gòu)新穎、系統(tǒng)科學(xué)、20路傳感信號輸出、可直接測量滾動體實(shí)際受力狀況，突破了滾動軸承滾動體實(shí)際受力信號傳輸?shù)膰鴥?nèi)技術(shù)難題，*了國內(nèi)外的空白。
    該實(shí)驗(yàn)臺由一對可移動的滾動軸承座、多維靈活調(diào)節(jié)的徑向加載系統(tǒng)、軸向加載系統(tǒng)、自動對中傳感系統(tǒng)、信號采集調(diào)控系統(tǒng)、測試軟件系統(tǒng)組成。
    可測量滾動軸承工作狀況下，滾動軸承滾動體對外圈的壓力及變化情況，滾動軸承在軸向載荷、徑向載
荷作用下，滾動軸承徑向載荷分布變化情況。
    測量滾動軸承內(nèi)部軸向載荷，軸向載荷和總軸向載荷的變化關(guān)系，并與理會論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較分析。
    在動、靜載荷綜合作用時，測試分析滾動軸承的綜合性能和*受力狀況。
    該實(shí)驗(yàn)臺為大專院校用于《機(jī)械設(shè)計(jì)》課程中滾動軸承綜合設(shè)計(jì)、性能測試分析而開發(fā)的開放型、創(chuàng)新型、設(shè)計(jì)綜合性實(shí)驗(yàn)的型教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備。

                   

  GZ—50A雙控滾動軸承性能測試分析實(shí)驗(yàn)臺 國內(nèi)*產(chǎn)品             

       
經(jīng)科技查新：*國內(nèi)外空白；經(jīng)省級鑒定：居國內(nèi)水平






 


2．主要技術(shù)指標(biāo)
    滾動軸承公稱直徑：D = 50mm；
    滾動軸承跨度：L = 300mm；
    總徑向載荷：P1 = 10000N；
    總軸向載荷：P2 = 10000N；
    左、右滾動軸承徑向載荷傳感器：
    5000N    0.05   16個；
    左、右滾動軸承軸向載荷傳感器：10000N   各1個；
    電機(jī)功率：N = 180w；
    外廓尺寸：500×1200×1200。
3．實(shí)驗(yàn)臺組成及基本配置
    ① 滾動軸承：2種（圓錐滾子軸承、深溝球軸承）；
    ② 可移動的滾動軸承座：1對；
    ③ 滾動軸承、徑向加載裝置：1套；
    （作用點(diǎn)位置可在0~130mm內(nèi)任意調(diào)節(jié)）；
    ④ 滾動軸承徑向載荷傳感器：精度等級：0.05
    量程：5000N，16個；
    ⑤ 總徑向載荷傳感器：量程：10000N，1個；
    ⑥ 軸向載荷傳感器：量程：10000N，3個；
    ⑦ 微型電機(jī)：YYJ90—180w，N=180w，n = 10 r.p.m；
    ⑧ 計(jì)算機(jī)測試軟件光盤：1個；
4．性能特點(diǎn)
    ① 配有一對可軸向移動的滾動軸承座；
    ② 可直接測量滾子對外圈的壓力及變化情況（關(guān)鍵特點(diǎn)）；
    ③ 可任意調(diào)節(jié)徑向載荷受力點(diǎn)（0—130mm范圍）；
    ④ 可通過計(jì)算機(jī)或自控數(shù)顯測繪滾動軸承在軸向、徑向載荷作用下軸承徑向載荷分布變化情況；
    ⑤ 可通過電腦測繪滾動體內(nèi)、外圈載荷變化曲線；
    ⑥ 可通過電腦或數(shù)顯手控計(jì)算單個滾動軸承軸向載荷與總軸向載荷的關(guān)系，并與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較分析。
 
二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容
    1． 滾動軸承徑向載荷分布及變化實(shí)驗(yàn)測試在總軸向和徑向載荷作用下，滾動軸承徑向載荷分布及變化情況，并作出載荷分布曲線。
    2．滾動軸承元件上載荷動態(tài)分析實(shí)驗(yàn)，測試滾動軸承元件上的載荷隨時間的變化情況，并作出變化曲線。
    3．滾動軸承組合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，測試滾動軸承組內(nèi)部軸向載荷、軸向載荷和總軸向載荷的關(guān)系，并進(jìn)行滾動軸承組合設(shè)計(jì)計(jì)算。
 
三、實(shí)驗(yàn)原理
    1．滾動軸承徑向載荷分布
    左、右滾動軸承各裝有8個徑向載荷傳感器，可通過計(jì)算機(jī)或數(shù)顯測繪滾動軸承在軸向、徑向載荷作用下軸承徑向載荷分布變化情況。
    （1）深溝球軸承（向心軸承）載荷分布曲線
    以向心軸承為例。為軸承工作的某一瞬間，滾動體處于圖1所示的位置時，徑向載荷Fr通過軸頸作用于內(nèi)圈，位于上半圈的滾動體不會受力，而由下半圈的滾動體將此載荷傳到外圈上。如果假定內(nèi)、外圈的幾何形狀并不改變，則由于它們與滾動體接觸處共同產(chǎn)生局部接觸變形，內(nèi)圈將下沉一個距離，亦即在載荷Fr作用線上的接觸變形量為。按變形協(xié)調(diào)關(guān)系，不在載荷Fr作用線上的其它各點(diǎn)的徑向變形量為：。也就是說，真實(shí)的變形量的分布是中間zui大，向兩邊逐漸減小，如圖1所示。可以進(jìn)一步判斷，接觸載荷也是處于Fr作用線上的接觸點(diǎn)處zui大，向兩邊逐漸減小。各滾動體從開始受力到受力終止所對應(yīng)的區(qū)域叫做承載區(qū)。
   根據(jù)力的平衡原理，所有滾動體作用在內(nèi)圈上的反力FNi的向量和必定等于徑向載荷Fr。
   應(yīng)該指出，實(shí)際上由于軸承內(nèi)存在游隙，故由徑向載荷Fr產(chǎn)生的承載區(qū)的范圍將小于180°。也就是說，不是下半部滾動體全部受載。這時，如果同時作用有一定的軸向載荷，則可以使承載區(qū)擴(kuò)大。
  
（2）軸向載荷對載荷分布的影響
    角接觸球軸承或圓錐滾子軸承（現(xiàn)以圓錐滾子軸承為例）承受徑向載荷Fr時，如圖2所示，由于滾動體與滾道的接觸線與軸承軸線之間夾一個接觸角，因而各滾動體的反力并不指向半徑方向，它可以分解為一個徑向分力和一個軸向分力。用代表某一個滾動體反力的徑向分力（圖2 b），則相應(yīng)的軸向分力Fdi應(yīng)等于。所有徑向分布FNi的向量和與徑向載荷Fr相平衡；所有的軸向分力Fdi之和組成軸承的派生軸向力Fd，它迫使軸頸（連同軸承內(nèi)圈和滾動體）有向右移動的趨勢，這應(yīng)由軸向力Fa來與之平衡（圖2 a）。
    當(dāng)只有zui下面一個滾動體受載時

                       
    受載的滾動體數(shù)目增多時，雖然在同樣的徑向載荷Fr的作用下，但派生的軸向力Fd將增大，即
    
     式中：n為受載的滾動體數(shù)目；Fdi是作用于各滾動體上的派生的軸向力；FNi是作用于各滾動體上的徑向分力；尾部的不等式也表明了n上FNi的代數(shù)和大于它們的向量和。由式（2）可得出這時平衡派生軸向力Fd所需施加的軸向力Fa為

                               
 2．滾動軸承元件上載荷動態(tài)分析
    通過電腦直接測量滾子對外圈的壓力及變化情況，繪制滾動體內(nèi)、外圈載荷變化曲線。
    軸承工作時，各個元件上所受的載荷及產(chǎn)生的應(yīng)力是隨時變化的。根據(jù)上面的分析，當(dāng)滾動體進(jìn)入承載區(qū)后，所受載荷即由零逐漸增加到FN2、FN1直到zui大值FN0，然后再逐漸降低到FN1、FN2而至零（圖4）。就滾動體上某一點(diǎn)而言，它的載荷及應(yīng)力是周期性地不穩(wěn)定變化的（圖4）。
    滾動軸承工作時，可以是外圈固定、內(nèi)圈轉(zhuǎn)動，也可以是內(nèi)圈固定、外圈轉(zhuǎn)動。對于固定套圈，處在承載區(qū)內(nèi)的各接觸點(diǎn)，按其所在位置的不同，將受到不同的載荷。處于Fr作用線上的點(diǎn)將受到zui大的接觸載荷。對于每一個具體的點(diǎn)，每當(dāng)一個滾動體滾過時，便承受一次載荷，其大小是不變的，也就是承受穩(wěn)定的脈動循環(huán)載荷的作用，如圖4 b所示。載荷變動的頻率快慢取決于滾動體中心的圓周速度，當(dāng)內(nèi)圈固定外圈轉(zhuǎn)動時，滾動體中心的運(yùn)動速度較大，故作用在固定套圈上的載荷的變化頻率也較高。

        轉(zhuǎn)動套圈上各點(diǎn)的受載情況，類似于滾動體的受載情況，可用圖4 a示意地描述。
 3．滾動軸承組合設(shè)計(jì)計(jì)算
     左、右滾動軸承座可軸向移動，各裝有軸向載荷傳感器，可通過電腦或數(shù)顯測試并計(jì)算單個滾動軸承軸向載荷與總軸向載荷的關(guān)系；進(jìn)行滾動軸承組合設(shè)計(jì)計(jì)算。
     （1）滾動軸承的當(dāng)量動載荷
     滾動軸承的基本額定動載荷是在一定的運(yùn)轉(zhuǎn)條件下確定的，如果載荷條件為：向心軸承僅承受純徑向載荷Fr，推力軸承僅承受純軸向載荷Fa。實(shí)際上，軸承在許多應(yīng)用場合，常常同時承受徑向載荷Fr和軸向載荷Fa。因此，在進(jìn)行軸承壽命計(jì)算時，必須把實(shí)際載荷轉(zhuǎn)換為與確定基本額定動載荷的載荷條件相*的當(dāng)量動載荷，用字母P表示。這個當(dāng)量動載荷。對于以承受徑向載荷為主的軸承，稱為徑向當(dāng)量動載荷，常用Pr表示；對于以承受軸向載荷為主的軸承，稱為軸向當(dāng)量動載荷，常用Pa表示。當(dāng)量動載荷P（Pr或Pa）的一般計(jì)算公式為
   
    按式（3）~（6）求得的當(dāng)量動載荷僅為一理論值。實(shí)際上，在許多支承中還會出現(xiàn)一些附加載荷，如沖擊力、不平衡作用力、慣性力以及軸撓曲或軸承座變形產(chǎn)生的附加力等等，這些因素很難從理論上精確計(jì)算。為了計(jì)及這些影響，可對當(dāng)量動載荷乘上一個根據(jù)經(jīng)驗(yàn)而定的載荷系數(shù)fP，其值參見表1。故實(shí)際計(jì)算時，軸承的當(dāng)量動載荷應(yīng)力：

 （五）角接觸球軸承和圓錐滾子軸承的徑向載荷Fr與軸向載荷Fa的計(jì)算
     角接觸球軸承和圓錐滾子軸承受徑向載荷時，要產(chǎn)生派生的軸向力，為了保證這類軸承正常工作，通常是成對使用的，如圖13-13所示，圖中表示了兩種不同的安裝方式。
     在按式（7）計(jì)算各軸承的當(dāng)量動載荷P時，其中的徑向載荷Fr即為由外界作用到軸上的徑向力Fre在各軸承上產(chǎn)生的徑向載荷；但其中的軸向載荷Fa并不*由外界的軸向作用力Fae產(chǎn)生，而是應(yīng)該根據(jù)整個軸上的軸向載荷（包括因徑向載荷Fr產(chǎn)生的派生軸向力Fd）之間的平衡條件得出的。下面來分析這個問題。
     根據(jù)力的徑向平衡條件，很容易由外界作用到軸上的徑向力Fre計(jì)算出兩個軸承上的徑向載荷Fr1、Fr2，當(dāng)Fre的大小及作用位置固定時，徑向載荷Fr1、Fr2也就確定了。由Fr1、Fr2派生的軸向力Fd1、Fd2 的大小可按照表2中的公式計(jì)算。計(jì)算所得的Fd值，相當(dāng)于正常的安裝情況，即大致相當(dāng)于下半圈的滾動體全部受載（軸承實(shí)際的工作情況不允許比這樣更壞）。
 
    如圖2所示，把派生軸向力的方向與外加軸向載荷Fae的方向*的軸承標(biāo)為2，另一端標(biāo)為軸承1。取軸和與其相配合的軸承內(nèi)圈為分離體，如達(dá)到軸向平衡時，應(yīng)滿足：
           Fae + Fd2 = Fd1
    如果按表2中的公式求得的Fd1和Fd2不滿足上面的關(guān)系式時，就會出現(xiàn)下面兩種情況： 
    當(dāng)Fae + Fd2 > Fd1時，則軸有向左竄動的趨勢，相當(dāng)于軸承1被“壓緊”，軸承2被“放松”，但實(shí)際上軸必須處于平衡位置（即軸承座必然要通過軸承元件施加一個附加的軸向力來阻止軸的竄動），所以被“壓緊”的軸承1所受的總軸向力Fa1必須與Fae + Fd2相平衡，即
           Fa1 = Fae + Fd2                                （10）
 而被“放松”的軸承2只受其本身派生的軸向力Fd2，即
          Fa2 = Fd2                                       （11）
 當(dāng)Fae + Fd2 < Fd1時，同前理，被“放松”的軸承1只受其本身派生的軸向力Fd1，即
          Fa1 = Fd1                                        （12）
 而被“壓緊”的軸承2所受的總軸向力為
          Fa2 = Fd1 – Fae                                 （13）
                         
                  綜上可知，計(jì)算角接觸球軸承和圓錐滾子軸承所受軸向力的方法可以歸結(jié)為：先通過派生軸向力及外加軸向載荷的計(jì)算與分析，判定被“放松”或被“壓緊”的軸承；然后確定被“放松”軸承的軸向力僅為其本身派生的軸向力，被“壓緊”軸承的軸向力則為除去本身派生的軸向力后其余各軸向力的代數(shù)和。
    軸承反力的徑向分力在軸心線上的作用點(diǎn)叫軸承的壓力中心。圖5 a、b兩種安裝方式，對應(yīng)兩種不同的壓力中心的位置。但當(dāng)兩軸承支點(diǎn)間的距離不是很小時，常以軸承寬度中點(diǎn)作為支點(diǎn)反力的作用位置，這樣計(jì)算起來比較方便，且誤差也不大。
 
四、實(shí)驗(yàn)步驟
    1．點(diǎn)動使?jié)L動體落在徑向分布的壓力傳感器位置。
    2．打軟件主界面，點(diǎn)擊，通過虛擬儀表顯示各測點(diǎn)的壓力值。

            3．點(diǎn)擊，進(jìn)入左、右軸承徑向壓力分布界面，顯示左、右軸承的壓力分布。

               4．點(diǎn)擊，進(jìn)入滾動軸承元件動載曲線顯示界面，顯示內(nèi)圈和滾動體動載曲線。
                  
   5．點(diǎn)擊，進(jìn)入滾動軸承設(shè)計(jì)計(jì)算界面，計(jì)算軸承的軸向、載荷徑向、載荷和當(dāng)量動載荷。
                  
   6．退出軟件界面，關(guān)機(jī)。

 五、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)
   1、實(shí)驗(yàn)之前,細(xì)讀使用說明書,檢查徑向分布傳感器緊定螺栓是否松動；用6MM內(nèi)六角扳手?jǐn)Q緊,以不動為宜。
   2、按下"電源"按鍵,檢查電表是否有電顯示;按下"信號"按鍵電腦中才能有傳感信號數(shù)據(jù)顯示。
   3、打開電腦,按照軟件程序要求操作。
   4、測試經(jīng)向分布時,軸承滾珠之一必須對準(zhǔn)下方的準(zhǔn)線,才能測試出正確的分布規(guī)律和分布曲線,電腦中顯示的數(shù)據(jù)不正確,即是未對準(zhǔn),必須重新操作至對準(zhǔn)為止。
   5、測試靜載荷（徑向分布）時,總經(jīng)向載荷zui大可加至1000（10N）。
   6、測試動載荷（動態(tài)曲線）時,總徑向載荷不超過500（10N）。
   7、測試軸向載荷（設(shè)計(jì)計(jì)算）時,總徑向載荷加至今500（10N）左右為宜,且不要對準(zhǔn)底部準(zhǔn)線;總軸向載荷加至400（10N）左右為宜,且不能作動態(tài)運(yùn)行。