一、實驗臺介紹
    1．概述
    GZ-50A雙控滾動軸承性能測試分析實驗臺，結構新穎、系統科學、20路傳感信號輸出、可直接測量滾動體實際受力狀況，突破了滾動軸承滾動體實際受力信號傳輸的國內技術難題，*了國內外的空白。
    該實驗臺由一對可移動的滾動軸承座、多維靈活調節的徑向加載系統、軸向加載系統、自動對中傳感系統、信號采集調控系統、測試軟件系統組成。
    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。
    測量滾動軸承內部軸向載荷，軸向載荷和總軸向載荷的變化關系，并與理會論計算結果進行比較分析。
    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。
    該實驗臺為大專院校用于《機械設計》課程中滾動軸承綜合設計、性能測試分析而開發的開放型、創新型、設計綜合性實驗的型教學實驗設備。

                   

  GZ—50A雙控滾動軸承性能測試分析實驗臺 國內*產品             

       
經科技查新：*國內外空白；經省級鑒定：居國內水平






 


2．主要技術指標
    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；
    電機功率：N = 180w；
    外廓尺寸：500×1200×1200。
3．實驗臺組成及基本配置
    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；
    （作用點位置可在0~130mm內任意調節）；
    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：YYJ90—180w，N=180w，n = 10 r.p.m；
    ⑧ 計算機測試軟件光盤：1個；
4．性能特點
    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（關鍵特點）；
    ③ 可任意調節徑向載荷受力點（0—130mm范圍）；
    ④ 可通過計算機或自控數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、外圈載荷變化曲線；
    ⑥ 可通過電腦或數顯手控計算單個滾動軸承軸向載荷與總軸向載荷的關系，并與理論計算結果進行比較分析。
 
二、實驗內容
    1． 滾動軸承徑向載荷分布及變化實驗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分析實驗，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．滾動軸承組合設計實驗，測試滾動軸承組內部軸向載荷、軸向載荷和總軸向載荷的關系，并進行滾動軸承組合設計計算。
 
三、實驗原理
    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，可通過計算機或數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、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生局部接觸變形，內圈將下沉一個距離，亦即在載荷Fr作用線上的接觸變形量為。按變形協調關系，不在載荷Fr作用線上的其它各點的徑向變形量為：。也就是說，真實的變形量的分布是中間zui大，向兩邊逐漸減小，如圖1所示。可以進一步判斷，接觸載荷也是處于Fr作用線上的接觸點處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的區域叫做承載區。
   根據力的平衡原理，所有滾動體作用在內圈上的反力FNi的向量和必定等于徑向載荷Fr。
   應該指出，實際上由于軸承內存在游隙，故由徑向載荷Fr產生的承載區的范圍將小于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，則可以使承載區擴大。
  
（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），則相應的軸向分力Fdi應等于。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（連同軸承內圈和滾動體）有向右移動的趨勢，這應由軸向力Fa來與之平衡（圖2 a）。
    當只有zui下面一個滾動體受載時

                       
    受載的滾動體數目增多時，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、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生的應力是隨時變化的。根據上面的分析，當滾動體進入承載區后，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）。就滾動體上某一點而言，它的載荷及應力是周期性地不穩定變化的（圖4）。
    滾動軸承工作時，可以是外圈固定、內圈轉動，也可以是內圈固定、外圈轉動。對于固定套圈，處在承載區內的各接觸點，按其所在位置的不同，將受到不同的載荷。處于Fr作用線上的點將受到zui大的接觸載荷。對于每一個具體的點，每當一個滾動體滾過時，便承受一次載荷，其大小是不變的，也就是承受穩定的脈動循環載荷的作用，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，當內圈固定外圈轉動時，滾動體中心的運動速度較大，故作用在固定套圈上的載荷的變化頻率也較高。

        轉動套圈上各點的受載情況，類似于滾動體的受載情況，可用圖4 a示意地描述。
 3．滾動軸承組合設計計算
     左、右滾動軸承座可軸向移動，各裝有軸向載荷傳感器，可通過電腦或數顯測試并計算單個滾動軸承軸向載荷與總軸向載荷的關系；進行滾動軸承組合設計計算。
     （1）滾動軸承的當量動載荷
     滾動軸承的基本額定動載荷是在一定的運轉條件下確定的，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。實際上，軸承在許多應用場合，常常同時承受徑向載荷Fr和軸向載荷Fa。因此，在進行軸承壽命計算時，必須把實際載荷轉換為與確定基本額定動載荷的載荷條件相*的當量動載荷，用字母P表示。這個當量動載荷。對于以承受徑向載荷為主的軸承，稱為徑向當量動載荷，常用Pr表示；對于以承受軸向載荷為主的軸承，稱為軸向當量動載荷，常用Pa表示。當量動載荷P（Pr或Pa）的一般計算公式為
   
    按式（3）~（6）求得的當量動載荷僅為一理論值。實際上，在許多支承中還會出現一些附加載荷，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生的附加力等等，這些因素很難從理論上精確計算。為了計及這些影響，可對當量動載荷乘上一個根據經驗而定的載荷系數fP，其值參見表1。故實際計算時，軸承的當量動載荷應力：

 （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的計算
     角接觸球軸承和圓錐滾子軸承受徑向載荷時，要產生派生的軸向力，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）計算各軸承的當量動載荷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產生，而是應該根據整個軸上的軸向載荷（包括因徑向載荷Fr產生的派生軸向力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計算出兩個軸承上的徑向載荷Fr1、Fr2，當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中的公式計算。計算所得的Fd值，相當于正常的安裝情況，即大致相當于下半圈的滾動體全部受載（軸承實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*的軸承標為2，另一端標為軸承1。取軸和與其相配合的軸承內圈為分離體，如達到軸向平衡時，應滿足：
           Fae + Fd2 = Fd1
    如果按表2中的公式求得的Fd1和Fd2不滿足上面的關系式時，就會出現下面兩種情況： 
    當Fae + Fd2 > Fd1時，則軸有向左竄動的趨勢，相當于軸承1被“壓緊”，軸承2被“放松”，但實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為：先通過派生軸向力及外加軸向載荷的計算與分析，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和。
    軸承反力的徑向分力在軸心線上的作用點叫軸承的壓力中心。圖5 a、b兩種安裝方式，對應兩種不同的壓力中心的位置。但當兩軸承支點間的距離不是很小時，常以軸承寬度中點作為支點反力的作用位置，這樣計算起來比較方便，且誤差也不大。
 
四、實驗步驟
    1．點動使滾動體落在徑向分布的壓力傳感器位置。
    2．打軟件主界面，點擊，通過虛擬儀表顯示各測點的壓力值。

            3．點擊，進入左、右軸承徑向壓力分布界面，顯示左、右軸承的壓力分布。

               4．點擊，進入滾動軸承元件動載曲線顯示界面，顯示內圈和滾動體動載曲線。
                  
   5．點擊，進入滾動軸承設計計算界面，計算軸承的軸向、載荷徑向、載荷和當量動載荷。
                  
   6．退出軟件界面，關機。

 五、實驗注意事項
   1、實驗之前,細讀使用說明書,檢查徑向分布傳感器緊定螺栓是否松動；用6MM內六角扳手擰緊,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據顯示。
   3、打開電腦,按照軟件程序要求操作。
   4、測試經向分布時,軸承滾珠之一必須對準下方的準線,才能測試出正確的分布規律和分布曲線,電腦中顯示的數據不正確,即是未對準,必須重新操作至對準為止。
   5、測試靜載荷（徑向分布）時,總經向載荷zui大可加至1000（10N）。
   6、測試動載荷（動態曲線）時,總徑向載荷不超過500（10N）。
   7、測試軸向載荷（設計計算）時,總徑向載荷加至今500（10N）左右為宜,且不要對準底部準線;總軸向載荷加至400（10N）左右為宜,且不能作動態運行。