滑动轴承试验台设计Word文档格式.docx
- 文档编号:17489979
- 上传时间:2022-12-06
- 格式:DOCX
- 页数:36
- 大小:330.34KB
滑动轴承试验台设计Word文档格式.docx
《滑动轴承试验台设计Word文档格式.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《滑动轴承试验台设计Word文档格式.docx(36页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
但在取得成绩的同时,更要看到差距,我国的工业基础仍然十分薄弱,绝大部分技术与国外有较大差距,很多关键技术还没有实现零的突破。
航空发动机技术被称为工业上的明珠,代表着一个国家工业水平的最高标准,发动机上的每一个零件不仅关系到整个飞机的性能,还影响着飞机的安全性,因此每个零件都必须要求有很高的可靠性。
航空发动机燃油泵上的滑动轴承支撑着一对泵油齿轮,齿轮转速非常快,受到的载荷非常大,润滑条件比较恶劣,如果一旦在工作过程中滑动轴承发生严重磨损甚至是由于润滑不足而导致轴承卡死,将会造成发动机供油不足甚至是停止供油,进而导致飞机动力不足,严重时可能会发生安全事故。
因此必须对燃油泵滑动轴承进行反复试验,分析其性能和工作可靠性,为滑动轴承的优化设计和提高工作可靠性提供理论依据。
本课题以航空发动机燃油泵上的滑动轴承为测试对象,设计一台可测试油膜压力分布、温度分布、轴心轨迹和摩擦转矩的滑动轴承试验台。
随着航空工业大发展,对航空发动机燃油泵滑动轴承性能的研究受到广大专家和学者的重视,但是由于工作环境比较特殊,一般的滑动轴承试验台无法满足其测试要求。
在此背景下,本文将根据航空发动机燃油泵工作的实际情况,设计出能满足其测试要求的滑动轴承试验台的机械部分。
该滑动轴承试验台最大转速为
,最大载荷
能在不同的润滑条件下测量出滑动轴承的油膜压力分布、温度分布、轴心轨迹等参数,为航空发动机燃油泵滑动轴承性能的研究和改进提供依据,具有重要的现实意义。
1.2滑动轴承试验台的研究现状
随着现代工业技术的发展,尤其是计算机技术、控制技术、测量技术和微电子技术的迅速发展,各种试验系统也向着智能化、高精度方向发展。
传统的滑动轴承试验系统中普遍采用机械加载,仪表测量,需要人工读取数据,具有人为误差大,数据处理工作量大的缺点。
现在的新型滑动轴承试验台一般用液压加载,集成控制系统,采用计算机辅助试验(CAT)技术,具有友好的人机界面,能从试验中直接提取信息并进行数据处理的。
它不仅能完成试验数据的采集工作,还能进行试验数据的分析处理并在PC机上实时显示摩擦系数与滑动轴承特性系数曲线、油膜压力分布曲线、油膜承载能力曲线。
此类滑动轴承试验台种类很多,功能也有所不同,如图1.1所示的为湖南嘉锐科教仪有限公司生成的滑动轴承试验台。
。
图1.1新型滑动轴承试验台
滑动轴承试验台用于机械计课程中的液体动压轴承实验时,主要利用它来观察滑动轴承的结构,测量其径向和轴向油膜压力分布和摩擦特性曲线。
哈尔滨第七O三研究所的胡朝阳、常山设计了一台大型滑动轴承试验台,其结构如图1.2所示。
试验台采用了径向试验轴承和推力试验轴承组合形式,为卧式结构。
在试验时只需更换试验组件和试验的主轴,就可以进行不同项目的试验。
即当试验推力轴承时,使用推力试验轴承组件与带推力盘的试验主轴;
当试验径向轴承时,改用径向试验轴承组件和径向试验主轴。
两种试验共用一个驱动电机、增速齿轮箱、联轴器和润滑供油系统。
试验台主要由本体部分、液压传动与供油系统、数据检测与处理系统、电力拖动与电气控制系统等4部分组成。
图1.2大型滑动轴承试验台
有关圆锥滑动轴承的研究,传统的分析设计中往往采用一些近似算法,对锥角较小的圆锥轴承近似为具有平均直径的圆柱轴承,对锥角较大的轴承按近似的推力轴承来对待。
而对其动特性的试验,目前均采用二维数学模型,由于其油膜是典型的三维油膜,因此应用二维型显然是有误差的。
刘建中,岑少起,张少林等人从三维方法入手,对圆锥轴承动特性、试验原理进行研究。
试验台如图1.3所示。
图1.3三维滑动轴承试验台
1.3设计的主要内容及要求
本设计要求设计一台滑动轴承试验台,并使之可对航空燃油泵滑动轴承在不同的转速和润滑条件下的油膜压力分布、温度分布、轴心轨迹和摩擦力矩进行测试。
1.3.1被测轴承的尺寸
轴承内径
、轴承外径
、轴承宽度
;
1.3.2测试条件
最大载荷
、最大转速
1.3.3测试对象
(1)油膜压力分布;
(2)温度分布;
(3)轴心轨迹;
(4)摩擦力矩。
2滑动轴承的作用机理及相关参数估算
2.1滑动轴承动压形成的基本原理
关于动压润滑的油楔效应首先由托尔发现的,这种现象是研究动压滑动轴承的关键。
英国的物理学家雷诺对托尔所揭示的现象进行了研究,发现在滑动轴承中由于轴径的转动在油膜中产生了剪应力,它把润滑油带入轴颈和轴承之间的收敛间隙,从而产生了油膜压力,并导出了油膜压力分布的微分方程,奠定了流体动压润滑理论的原始基础。
动压形成的基本原理如图2.1所示:
轴和轴承两固体表面具有楔形间隙,间隙中充满粘性润滑液体,此粘性液体能吸附于两固体表面,两固体表面的相运动带动润滑液体由间隙大端向间隙小端运动。
如果润滑膜中没有压力,则无论在间隙大端1和间隙小端2处,流体的速度沿膜厚的分布都将成为虚线所示的三角分布,于是单位时间内流体经过截面1(设固体垂直图面的宽度为1),流入截面1、2之间所包围的质量为
,由该空间经截面2流出的质量为
此时显然流出量大于流入量,因此截面1、2之间所包含的空间内必然有高于入口和出口处的压力产生,从而使流经截面1的速度小于内凹曲线,流经截面2的速度分布增大为外凸的曲线,达到流量平衡,这就是动压形成的原理。
图2.1动压形成原理
2.2滑动轴承试验台相关参数的估算
2.2.1燃油泵滑动轴承的相关参数估算
为了使设计的试验台能够满足被测试的滑动轴承的工况要求,更加真实的接近被测滑动轴承的实际工作环境,需要根据经验公式和已知条件估算出滑动轴承的基本参数。
已知条件:
最大工作载荷
最大转速
,
滑动轴承内径
,滑动轴承宽度
(1)宽径比:
(2)轴颈的圆周速度:
(3)轴承的最大工作压力:
(4)查得航空煤油
℃时:
动力粘度
密度
(5)计算相对间隙:
(6)计算直径间隙:
(7)计算承载量系数;
(8)轴承偏心率
(9)计算轴承与轴颈的摩擦系数:
(10)润滑油流量系数
(11)计算润滑油温升:
查得航空煤油
,比热
假设轴承的表面传热系数
则有:
℃
(12)计算润滑油入口温度:
2.2.2试验台摩擦转矩的估算
在设计滑动轴承试验台时的驱动系统时,所选则的电机必须满足能够拖动试验台进行试验,且具有良好的功能性和经济性。
因此必须考虑试验台的摩擦阻力,对试验台相关部位的摩擦力矩按摩擦力最大的情况进行估算。
①滑动轴承:
摩擦系数
,载荷
轴颈直径
②滚动轴承:
(1)滑动轴承的摩擦转矩估算:
摩擦力
摩擦转矩
(2)滚动轴承的摩擦转矩估算:
(3)试验台主题的总摩擦力矩为:
3滑动轴承试验台的设计
滑动轴承试验台是一个比较复杂的机械装置,对于不同的试验条件和试验要求,试验台也有所不同。
但是一般情况下滑动轴承试验台分为试验台主体、驱动系统、润滑系统、加载系统、测量系统和信号处理与分析系统。
本设计要求根据已知条件和设计要求对试验台的驱动系统、润滑系统、加载系统和测量系统进行设计,使之能够完成规定的测试工作,并且各部分之间要相互匹配、相互协调,成为一个完整的机器装置。
为使设计更加简单,先对试验台进行总体布局设计,然后分别对各个系统进行设计,最后再整体协调和完善。
3.1试验台总体布局及设计
试验台的总体设计应根据被测滑动轴承的基本尺寸、基本功能需求、需要测量的参数以及试验台本身各部分的结构和功能等因素,合理设计和布局滑动轴承试验台,并使各个部分相互配合、相互协调。
为了更加接近燃油泵上滑动轴承在受载时的真实情况,本试验台采用与燃油泵滑动轴承相似的布置形式,即一对滑动轴承对称布置,作为整个试验台转动部分的支撑。
驱动系统通过联轴器与试验主轴连接,带动主轴高速旋转。
加载机构通过装在主轴上的滚动轴承对转动主轴施加载荷,再通过主轴将载荷传递到作为支撑轴承的滑动轴承上去。
在作为支撑的一对滑动轴承中,选取一个作为被测试验对象,加装相关传感器,对其油膜压力分布、温度分布、轴心轨迹和摩擦力矩进行测量。
为便于传感器的安装和布置,选择右边的滑动轴承作为试验轴承。
试验台的润滑系统单独进行设计,滑动轴承的润滑系统的进油压力、进油温度和进油流量必须可调,作为加载机构一部分的滚动轴承也应采取合理的润滑方式。
滑动轴承的总体设计布局如图3.1所示,其中的零件名称见表1-1。
图3.1滑动轴承试验台总体布局
表3-1滑动轴承试验台零件名称
1
变频电机
2
联轴器
3
增速齿轮箱
4
5
应变片
6
滑动轴承座(支撑轴承)
7
滚动轴承座
8
滑动轴承座(测试轴承)
9
位移传感器支座
10
集流器
11
底座
12
驱动系统支座
13
液体密封端盖
14
试验台主体
15
液压缸
16
集流器支座
3.1.1驱动系统
驱动系统是试验台的动力部分,既要为试验台提供动力,也要根据需要改变输出转速。
本课题要求转速较高,能够无级变速,且动力输出稳定,因此本设计采用变频电机1提供动力,通过变频器调节可实现无级变速,然后通过增速齿轮箱3增速后传递给试验台主体。
3.1.2润滑系统
润滑系统主要为试验台上的轴承提供润滑。
试验台上有一对滑动轴承和一个滚动轴承需要润滑。
滚动轴承可采用脂润滑形式润滑,滑动轴承既是试验台主轴的支撑轴承,也是被测试的对象,因此润滑系统既要为其提供润滑,也要能根据要求改变润滑条件。
本设计采用稀油压力连续润滑,用液压泵将润滑油泵出,电磁比例溢流阀和比例流量阀控制油压和流量,用水冷却器和加热器控制油温。
润滑系统通过管道与滑动轴承座6、8的润滑油孔连接,为轴承提供一定压力、流量和温度的润滑油。
试验台主体为箱体结构,底部的排油孔与回油过滤器连接,润滑过的润滑油经回油过滤器过滤后重新送回到油箱里。
3.1.3加载系统
采用液压加载,液压系统由液压缸、液压泵和控制阀组成。
在控制阀的控制下,液压泵将一定压力的高压油输入到液压缸15中,推动活塞上下运动。
活塞受到的液压力经过加载力传递装置,传递给滚动轴承座7内的滚动轴承,在经过滚动轴承传递给主轴,再通过主轴传递给滑动轴承。
根据液压缸内的油压和活塞的面积,可算出加载力的大小。
这样设计的加载系统可实现较大的加载力,且在规定范围内载荷大小可无级变化,滑动轴承受载方式与实际工作时比较接近。
3.1.4测量系统
本试验台要求测试滑动轴承的油膜压力、油膜温度、轴心轨迹和摩擦转矩。
通过安装在主轴上的应变片5将测得的信号通过集流器10传递给仪器,可测出主轴受到的扭矩,从而推算出轴承的摩擦转矩。
压力传感器安装在主轴上,主轴为空心轴,压力传感器安装在与滑动轴承相接处的主轴上,压力探头与润滑油膜接触,传感器的信号线通过主轴的中心孔与集流器10上的接线盘相连,在经过集流器上的滑环和电刷,将信号传递给信号分析仪器。
集流器10自带测速机构,可测量主轴的转速。
油膜温度由安装在滑动轴承座上的一组温度传感器测量,轴心轨迹由一组安装在位移传感器支座9上的位移传感器进行测量。
3.2试验台主体台架及相关零件的设计
本试验台主体部分主要包括主体台架、支撑轴承座和主轴三个部分。
台架为箱体结构,主要起支撑试验台各部分和对各零部件定位的作用,同时也可将润滑过的润滑油收集起来重新送回油箱中。
因为试验台右边的滑动轴承既是支撑轴承又是试验轴承,因此滑动轴承座必须保证一定的性能。
主轴是试验台功能的执行部分之一,既要高速旋转,又要传递加载系统施加的载荷。
联轴器连接驱动系统增速齿轮箱和主轴。
试验台主体部分的结构如图3.2,其中的相关零件如表3-2所示。
图3.2试验台主体结构图
表3-2试验台主体零件表
主轴
试验台主体盖
进油管孔
位移传感器
传感器接线孔
加载力传递装置
试验台主体台架
排油孔
3.2.1支撑轴承座的设计
根据被测滑动轴承的形式和相关尺寸,同时考虑到方便测试传感器的安装,选择整体式滑动轴承座。
轴承座上有润滑油孔,在轴套上开有油孔,并在轴套内表面开有油槽润滑油可通过油孔和油槽对滑动轴承进行润滑。
设计的滑动轴承座外形及安装形式如图3.3所示,轴承座尺寸如表3-3所示。
图3.3滑动轴承座外形及安装形式
表3-3滑动轴承座尺寸
d
D
R
B
b
L
L1
H
h
h1
d1
d2
C
32
41
42
36
154
114
74
37
20
18.5
M10
3.2.2主轴的设计
为了更加方便的布置测量元件,将主轴设计成空心轴。
轴是本试验台一个非常重要的零件,不仅要高速旋转,还要承受较大载荷,所以在对轴的尺寸设计完了之后,还要对轴进行校核。
3.2.2.1根据各零部件的安装形式和尺寸,对轴的外形设计如图3.4所示:
图3.4主轴的外形及尺寸
3.2.2.2对轴的疲劳强度进行校核:
本设计采用专用软件机械设计手册软件版本轴进行校核,其结果图3.5所示。
图3.5轴的校核结果
3.2.3联轴器的设计
增速齿轮箱与主轴采用联轴器连接。
根据设计需要,选择套筒刚性联轴器可满足设计要求。
其结构形式如图3.6,相关尺寸如表3-3所示。
图3.6刚性套筒联轴器
表3-4刚性套筒联轴器相关尺寸
轴直径d(H7)
许用转矩(N·
m)
D0
l
紧定螺钉
平键
28
170
45
80
1.0
3.2.4油封设计:
为了防止润滑油从轴孔泄露,实验台主体上必须设置油封。
本设计采用径向迷宫液体密封,即可满足设计要求。
油封的结构如图3.7,尺寸如3-5所示。
图3.7径向迷宫密封
表3-5径向迷宫密封尺寸
轴颈d
(mm)
环形密封槽
迷宫密封槽
t
amin
n
e
f1
28/30
1.5
4.5
d+1
nt+R
0.2
3.3驱动系统设计
本试验台要求最大转速为
,且转速能在
范围内变动。
本设计经过对各种驱动方案的比较,最终采取变频调速法,用变频器、变频电机、增速齿轮箱来实现轴承试验台的驱动。
变频调速技术的基本原理是根据电机转速与工作电源的输入频率成正比的关系
,其中
为转速、
为频率、
为电机磁极对数、
为电机转差率。
通过改变电源频率
来调节电机的转速。
变频调速法结构简单,输出转速稳定,能实现无级变速,具有较好的调速性能,是现代交流调速法中一种具有重要意义的调速方法。
3.3.1变频电机的选择
滑动轴承试验台主题的摩擦转矩估计为
,考虑增速齿轮箱的增速比和摩擦损失,现预选取额定转速为
,额定转矩为
的ABB变频电机。
3.3.1.1ABB变频电机的技术性能:
﹡工作方式:
S1;
﹡电压:
三相380伏(50赫兹)
﹡变频调速范围:
5-100赫兹无级调速;
﹡50赫兹以下为恒转矩调速,50赫兹以上为恒功率调速;
﹡能通过变频装置的电压提升,保证电机在5赫兹时输出额定转矩而不使电机因发热而烧毁;
﹡低转速时转矩平滑,无爬行现象;
﹡电机能承受额定转矩的160%过载,历时1分钟;
﹡装有传动比可变的齿轮传动电机(摩擦轮);
﹡绝缘等级:
F级;
﹡防护等级:
电机IP55、轴流风机IP55;
﹡电机冷却方式:
IC416。
3.3.1.2所选ABB变频电机的参数如表3-6所示:
表3-6ABB变频电机参数
型号
QABP
标称功率KW
额定电流A
额定转矩
额定转速r/min
最大转矩/额定转矩
转动惯量
重量
kg
5.5
11.2
17.5
2920
2.8
0.01241
64
3.3.1.3所选电机的外形及安装形式如图3.8,相关尺寸如表3-7所示。
图3.8ABB变频电机
表3-7ABB电机尺寸
级数
A
AA
AB
AC
BB
E
HA
HD
K
LD
132S
216
55
270
265
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 滑动 轴承 试验台 设计