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专利摘要

本申请涉及一种低温大温变关节轴承测试平台及测量与观测方法。该低温大温变关节轴承测试平台包括：运动与载荷模拟系统，所述运动与载荷模拟系统用于低温、大温变、真空、气氛环境下夹持所述关节轴承，并实现所述关节轴承运动加载；环境测量与控制系统，与所述运动与载荷模拟系统配合，用于测量与控制所述关节轴承所处的环境氛围，使得所述关节轴承处于低温、大温变、真空、气氛环境下进行试验与测量；以及测量与数据采集系统，与所述运动与载荷模拟系统及环境测量与控制系统配合，实现关节轴承在特殊工况环境下的摩擦测试；为研究检验关节轴承性能参数及其影响因素、设计优化适用于特殊工况环境的关节轴承提供手段，保证关节轴承的可靠性。 ......

基本信息

专利类型:
发明专利
申请/专利号:
PCT/CN2019/119117
申请日期:
2019-11-18
专利申请人:
清华大学
分类号:
G01M13/04
发明/设计人:
崔文岩，马天宝，陈新春，胡元中，雒建斌
权利要求: 1.一种低温大温变关节轴承测试平台，其特征在于，适用于对关节轴承试验，所述低温大温变关节轴承测试平台包括：运动与载荷模拟系统，所述运动与载荷模拟系统用于低温、大温变、真空、气氛环境下夹持所述关节轴承，并实现所述关节轴承运动加载；环境测量与控制系统，与所述运动与载荷模拟系统配合，用于测量与控制所述关节轴承所处的环境氛围，使得所述关节轴承处于低温、大温变、真空、气氛环境下进行试验与测量；以及测量与数据采集系统，与所述运动与载荷模拟系统及环境测量与控制系统配合，用于低温、大温变、真空、气氛环境下测量并采集所述关节轴承的试验数据及实现所述关节轴承的在线观测。2.根据权利要求1所述的低温大温变关节轴承测试平台，其特征在于，所述运动与载荷模拟系统包括安装支座、悬臂主轴机构、轴承夹装构件、载荷施加机构以及外圈摆动机构，所述悬臂主轴机构、所述载荷施加机构、所述外圈摆动机构的轴线相互垂直，并通过所述的轴承夹装构件相互连接；所述悬臂主轴机构设置于所述安装支座，所述悬臂主轴机构的一端安装所述关节轴承的内圈，用于实现所述关节轴承的内圈的摆动与转动；所述轴承夹装构件用于夹装所述关节轴承外圈，并与所述外圈摆动机构连接；所述载荷施加机构设置于所述安装支座，加载时与所述轴承夹装构件抵接，用于对所述关节轴承载荷的施加；所述外圈摆动机构设置于所述安装支座及所述载荷施加机构，用于使所述关节轴承的外圈偏转或摆动。3.根据权利要求2所述的低温大温变关节轴承测试平台，其特征在于，所述悬臂主轴机构包括相互连接的试验段主轴、支撑段主轴、主轴支撑轴承组件、主轴轴承座以及主轴驱动件；所述主轴驱动件位于所述支撑段主轴远离所述试验段主轴的一端，所述试验段主轴远离所述支撑段主轴的一端安装所述关节轴承的内圈；所述主轴支撑轴承组件套设于所述支撑段主轴，并位于所述主轴轴承座中，所述主轴轴承座设置于所述安装支座；所述主轴支撑轴承组件为一端是浮动端、另一端是固定端的轴系配置，所述固定端位于所述支撑段主轴靠近所述试验段主轴的一侧，所述浮动端用于补偿低温大温变下主轴材料热胀冷缩导致的轴向伸缩位移。4.根据权利要求3所述的低温大温变关节轴承测试平台，其特征在于，所述轴承夹装构件包括轴承夹具主体以及夹具端盖，所述轴承夹具主体内用于安装所述关节轴承的外圈，所述夹具端盖安装于所述轴承夹具主体的端部，用于所述关节轴承外圈的轴向定位。5.根据权利要求4所述的低温大温变关节轴承测试平台，其特征在于，所述载荷施加机构包括载荷施加支撑组件、载荷施加导向组件、载荷施加传力组件及载荷施加驱动组件，所述载荷施加驱动组件设置于所述安装支座，用于对所述载荷施加支撑组件施加驱动力，所述载荷施加导向组件设置于所述安装支座并套设于所述载荷施加支撑组件，所述载荷施加支撑组件与所述轴承夹具主体抵接，以对所述关节轴承施加载荷；所述载荷施加传力组件通过波纹管运动地安装于真空室，加载时，所述载荷施加传力组件一端与所述载荷施加驱动组件抵接，另一端伸入所述真空室与所述载荷施加支撑组件抵接，实现所述载荷施加机构可以穿过所述真空室施加载荷。6.根据权利要求5所述的低温大温变关节轴承测试平台，其特征在于，所述载荷施加支撑组件包括载荷施加杆、辅助导向杆、载荷施加梁、载荷施加滑台及载荷施加座，所述载荷施加杆与所述辅助导向杆安装于所述载荷施加梁的下方并运动地穿过所述载荷施加导向组件，所述载荷施加杆在加载时与所述载荷施加传力组件抵接；所述载荷施加滑台安装在所述载荷施加梁安装所述载荷施加杆的一侧，所述载荷施加滑台上安装所述载荷施加座，所述载荷施加座加载时与所述轴承夹具主体接触，所述载荷施加座可在所述载荷施加滑台上沿着主轴方向滑动，用于补偿低温大温变下主轴热胀冷缩导致的所述轴承夹具主体的位移。7.根据权利要求4所述的低温大温变关节轴承测试平台，其特征在于，所述外圈摆动机构包括十字滑块、外圈摆动轴组件、运动转换组件、往复运动组件以及外圈摆动驱动件；所述外圈摆动轴组件包括外圈摆动轴以及套设于其的外圈摆动轴支撑轴承和外圈摆动轴轴承座，所述外圈摆动轴轴承座设置于所述载荷施加梁安装辅助导向杆的一侧；所述外圈摆动轴的一端通过所述十字滑块与所述轴承夹具主体连接，所述十字滑块可用于补偿由于低温大温变下材料热胀冷缩以及试验过程中轴承磨损导致的轴承夹装构件位移；所述外圈摆动轴的另一端通过所述运动转换组件与所述往复运动组件连接，所述外圈摆动驱动件与所述往复运动组件连接，所述外圈摆动驱动件驱动所述往复运动组件往复直线运动，并通过所述运动转换组件将往复直线运动转换为往复摆动，进而带动所述外圈摆动轴摆动，使所述外圈摆动轴通过所述十字滑块带动所述轴承夹具主体及所述关节轴承的外圈摆动。8.根据权利要求7所述的低温大温变关节轴承测试平台，其特征在于，所述往复运动组件包括往复推杆、直线轴承及滚槽连接件，所述直线轴承设置于所述安装支座，所述往复推杆运动地穿过所述直线轴承，所述往复推杆两侧分别与外圈摆动驱动件和滚槽连接件连接；所述运动转换组件包括摆动杆、连接杆、直线滑台、传力杆、传力杆安装座及滚轮，所述摆动杆的一端与所述外圈摆动轴连接，所述摆动杆的另一端通过所述连接杆运动地与所述传力杆安装座连接，所述传力杆安装座设置于所述直线滑台，所述直线滑台运动地设置于所述载荷施加梁安装所述外圈摆动轴轴承座的一侧，所述传力杆的一端安装在所述传力杆安装座上，所述传力杆的另一端安装有所述滚轮，所述滚轮运动地套设于所述滚槽连接件。9.根据权利要求4所述的低温大温变关节轴承测试平台，其特征在于，所述轴承夹装构件还包括拆卸工具，所述拆卸工具用于实现所述轴承夹装构件的拆卸以及所述关节轴承的拆卸；所述拆卸工具包括拆卸环及拆卸套筒；拆卸时，所述拆卸环安装于所述轴承夹具主体，所述拆卸套筒安装于所述试验段主轴并与所述关节轴承的外圈抵接，拉拔器与所述试验段主轴抵接，所述拉拔器的拉拔爪结构与所述拆卸环抵接，并由所述拉拔器的旋转手柄旋转带动所述拆卸环及所述轴承夹具主体脱离所述关节轴承；所述拉拔爪结构还与所述关节轴承的内圈抵接，并由所述旋转手柄旋转带动所述关节轴承脱离所述试验段主轴。10.根据权利要求8所述的低温大温变关节轴承测试平台，其特征在于，所述环境测量与控制系统包括制冷与温度控制装置以及密封与气氛控制装置；所述制冷与温度控制装置包括罩设于所述轴承夹装构件及部分所述外圈摆动轴的低温室、设置于所述轴承夹具主体的制冷冷头、为所述制冷冷头提供制冷的低温源以及布置于所述低温室内部的温度传感器和辐射加热源，所述制冷与温度控制装置用于实现低温、大温变的环境温度；所述密封与气氛控制装置包括腔体与密封组件、真空获取组件以及气氛控制组件，用于实现真空、气氛的试验环境，所述腔体与密封组件包括设置于所述安装支座的真空腔体、活动地安装于所述真空腔体的真空腔门以及安装于所述真空腔体的磁流体密封传动装置，所述腔体与密封组件可形成密闭的真空室用于真空及气氛环境的控制，所述真空获取组件用于使所述真空室处于真空状态，所述气氛控制组件用于实现所述真空室的气氛调节；所述磁流体密封传动装置处于真空腔体内部的一端通过内部联轴器与所述支撑段主轴连接，所述内部联轴器用于补偿低温大温变下材料热胀冷缩以及安装误差导致的位移。11.根据权利要求10所述的低温大温变关节轴承测试平台，其特征在于，所述低温大温变关节轴承测试平台还包括控制器及上位机，所述控制器与所述运动与载荷模拟系统、所述环境测量与控制系统、所述测量与数据采集系统电连接，实现所述关节轴承试验中运动与载荷、环境温度与气氛的控制以及试验数据的采集、转换与传输，所述控制器同时与所述上位机电连接，获取所述上位机的控制指令并执行，并将获取的数据信号传输给所述上位机。12.根据权利要求11所述的低温大温变关节轴承测试平台，其特征在于，所述测量与数据采集系统包括摩擦系数测量装置以及游隙与磨损量测量装置；所述摩擦系数测量装置包括一侧与所述主轴驱动件连接的扭矩传感器，所述扭矩传感器另一侧通过外部联轴器与所述磁流体密封传动装置连接，所述外部联轴器用于补偿所述磁流体密封传动装置与所述扭矩传感器轴线的对中误差，所述摩擦系数测量装置还包括设置于所述载荷施加驱动组件与所述载荷施加传力组件之间的压力传感器；通过所述扭矩传感器及所述压力传感器测量得到的扭矩和载荷信号，可传输给所述控制器及上位机计算，进而得到摩擦系数；所述游隙与磨损量测量装置设置于所述真空腔体内外，用于测量所述关节轴承的游隙与磨损量。13.根据权利要求12所述的低温大温变关节轴承测试平台，其特征在于，所述游隙与磨损量测量装置包括探测组件、角锥镜组件、双向加载组件以及压轴组件，所述角锥镜组件安装于所述轴承夹具主体，所述探测组件与所述角锥镜组件配合用于对所述关节轴承的磨损量进行测量，所述双向加载组件及所述压轴组件设置于所述真空室并可运动地穿过所述真空室，所述双向加载组件与所述压轴组件、所述探测组件及所述角锥镜组件配合，用于测量所述关节轴承的原位游隙；所述探测组件包括两轴位移平台以及激光干涉探头；所述两轴位移平台安装于低温室背板支架，所述激光干涉探头安装于所述两轴位移平台，所述两轴位移平台带动所述激光干涉探头对准所述游隙测量角锥镜或磨损量测量角锥镜；或者，所述两轴位移平台及所述激光干涉探头安装于所述安装支座位于所述真空腔门下方的位置，激光信号可通过设置于所述真空腔门下方的透明窗及设置有通光孔的所述载荷施加梁与所述角锥镜组件配合实现测量；所述压轴组件包括安装于所述真空腔体并可穿过所述真空腔体运动的压轴驱动件及与所述压轴驱动件连接的压轴杆，用于游隙测量时，所述压轴杆与所述支撑段主轴抵接，避免所述主轴支撑轴承组件的游隙对所述关节轴承游隙测量的影响。14.根据权利要求13所述的低温大温变关节轴承测试平台，其特征在于，所述角锥镜组件包括角锥镜固定支架、角锥镜调整支架、游隙测量角锥镜以及磨损量测量角锥镜，所述角锥镜固定支架安装于所述轴承夹具主体，所述角锥镜调整支架安装于所述角锥镜固定支架，并可相对于所述角锥镜固定支架调整角度，所述角锥镜固定支架内安装所述游隙测量角锥镜，所述角锥镜调整支架内安装所述磨损量测量角锥镜，通过调整所述角锥镜调整支架在所述角锥镜固定支架上的安装角度以实现所述关节轴承外圈不同偏角下的磨损量测量。15.根据权利要求14所述的低温大温变关节轴承测试平台，其特征在于，所述双向加载组件包括双向加载驱动件、拉压力传感器以及双向加载钩，所述双向加载驱动件安装于所述真空室并可运动的穿过所述真空室，所述拉压力传感器两侧分别与所述双向加载驱动件和所述双向加载钩连接，进行游隙测量时，所述双向加载钩可与所述轴承夹具主体抵接，对所述关节轴承双向加载，进而配合所述压轴组件、探测组件与所述角锥镜组件测量游隙。16.根据权利要求12至15任一项所述的低温大温变关节轴承测试平台，其特征在于，所述测量与数据采集系统还包括转移膜在线观测装置，所述转移膜在线观测装置分设于所述真空腔体内外，用于对所述关节轴承的完整内圈外表面进行在线观测。17.根据权利要求16所述的低温大温变关节轴承测试平台，其特征在于，所述转移膜在线观测装置包括观测关节轴承、观测轴承夹装组件、观测环境组件以及观测组件，所述观测组件包括观测仪器移动台、安装于所述观测仪器移动台的扫描调焦位移平台以及安装于所述扫描调焦位移平台的观测仪器，进行在线观测时，所述观测仪器移动台与所述安装支座连接，所述扫描调焦位移平台带动所述观测仪器对所述观测关节轴承完整内圈外表面的特定微区进行观测或进行区域扫描成像。18.根据权利要求17所述的低温大温变关节轴承测试平台，其特征在于，所述观测关节轴承为半外圈结构，包括半外圈及完整内圈，所述半外圈结构可露出所述完整内圈的一部分用于在线观测，所述观测轴承夹装组件包括观测夹具主体及观测夹具压板，所述完整内圈安装于所述试验段主轴，所述半外圈安装于所述观测夹具主体并通过所述观测夹具压板固定，所述观测夹具主体运动的安装于所述载荷施加滑台。19.根据权利要求18所述的低温大温变关节轴承测试平台，其特征在于，所述观测环境组件包括观测真空腔门及观测低温室，所述观测真空腔门运动的安装于所述真空腔体，所述观测真空腔门可与所述真空腔体形成密闭的真空室，所述观测真空腔门满足所述观测仪器的安装观测空间需求，所述观测低温室罩设于所述观测关节轴承及观测轴承夹装组件并安装于所述低温室背板支架，所述观测真空腔门具有用于观测的第一观察窗，所述观测低温室具有用于观测的第二观察窗，所述第一观察窗与所述第二观察窗相对设置，所述观测仪器可透过所述第一观察窗及第二观察窗对所述完整内圈的外表面进行在线观测。20.一种关节轴承的测量方法，其特征在于，所述测量方法用于在低温、大温变、真空、气氛环境下测量关节轴承的原位游隙测量，应用于如权利要求1至19任一项所述的低温大温变关节轴承测试平台，所述测量方法包括如下步骤：暂停摩擦试验；调整轴承夹具主体及游隙加载钩，使所述轴承夹具主体于所述游隙加载钩钩接，并使所述轴承夹具主体处于竖直位置；控制两轴位移平台带动干涉探头对准游隙测量角锥镜；控制试验段主轴转动至预设位置；控制压轴杆与所述主轴试验轴抵接，以压紧所述支撑段主轴；控制游隙加载钩对所述试验夹具主体双向加载至设定值；获取所述关节轴承外圈在设定拉压力值下的绝对高度值，并将所述绝对高度值之差作为所述关节轴承的游隙值；控制所述压轴杆与所述主轴试验轴脱离；控制所述试验段主轴转动至新的位置重复测量，在多个位置测量并取测量结果的平均值为最终的关节轴承游隙值；测量完成后，控制所述双向加载钩与所述轴承夹具主体脱开；继续进行所述摩擦试验或更换所述关节轴承。21.根据权利要求20所述的测量方法，其特征在于，调整所述轴承夹具主体与所述游隙加载钩钩接，包括如下步骤：控制载荷施加梁降下载荷施加座，使所述载荷施加座与所述轴承夹具主体脱开；控制外圈摆动轴带动所述轴承夹具主体偏转，并降下所述双向加载钩至与所述轴承夹具主体钩接的位置；控制所述外圈摆动轴带动所述轴承夹具主体偏转回竖直方向，使所述轴承夹具主体钩接所述双向加载钩，实现所述轴承夹具主体与所述游隙加载钩钩接，以对所述轴承夹具主体进行双向加载。22.一种观测关节轴承的观测方法，其特征在于，所述观测方法用于在低温、大温变、真空、气氛环境下测量观测关节轴承的完整内圈外表面转移膜成分、形态及厚度，应用于如权利要求1至19任一项所述的低温大温变关节轴承测试平台，所述观测方法包括如下步骤：将所述观测关节轴承安装于观测夹具主体以及试验段主轴中；关闭观测腔门，在要求环境气氛及温度下并对所述观测关节轴承进行摩擦试验，所述摩擦试验可同时实现摩擦系数及磨损量的测量；控制所述试验段主轴停止转动；对所述观测关节轴承的待测区域进行扫描，以获得所述观测关节轴承的完整内圈外表面的转移膜成分、形态及厚度分布。23.根据权利要求22所述的观测方法，其特征在于，将所述观测关节轴承安装于所述观测夹具主体以及试验段主轴中，包括如下步骤：使用夹具压板将所述观测关节轴承的半外圈安装于所述观测夹具主体；将所述观测夹具主体安装于载荷施加滑台；将所述观测关节轴承的完整内圈安装于所述试验段主轴；使所述观测夹具主体沿所述载荷施加滑台移动并对准所述观测关节轴承的完整内圈。24.根据权利要求22所述的观测方法，其特征在于，对所述观测关节轴承完整内圈的待测区域进行扫描，以获得所述观测关节轴承的转移膜成分及厚度，包括如下步骤：控制所述观测关节轴承的完整内圈转动至可观测位置；控制扫描调焦位移平台带动观测仪器对所述观测关节轴承的完整内圈外表面的待测区域各扫描微区进行观测，获得所述待测区域各扫描微区的红外谱图，根据红外谱图分析各扫描微区的转移膜成分；根据朗伯-比耳定律对所述红外谱图进行定量分析，获得所述观测关节轴承的扫描微区的转移膜的厚度。25.根据权利要求24所述的观测方法，其特征在于，所述观测方法还包括如下步骤：对所述红外谱图进行谱图识别、数据处理，获得所述观测关节轴承的转移膜各种成分的分布情况；根据各所述扫描微区的转移膜厚度，获得转移膜在所述观测关节轴承的完整内圈外表面的厚度分布。