一、实验台介绍 1．概述 GZ-50A双控滚动轴承性能测试分析实验台，结构新颖、系统科学、20路传感信号输出、可直接测量滚动体实际受力状况，突破了滚动轴承滚动体实际受力信号传输的国内国际技术难题，填补了国内外的空白。 该实验台由一对可移动的滚动轴承座、多维灵活调节的径向加载系统、轴向加载系统、自动对中传感系统、信号采集调控系统、专用测试软件系统组成。 可测量滚动轴承工作状况下，滚动轴承滚动体对外圈的压力及变化情况，滚动轴承在轴向载荷、径向载荷作用下，滚动轴承径向载荷分布变化情况。 测量滚动轴承内部轴向载荷，轴向载荷和总轴向载荷的变化关系，并与理会论计算结果进行比较分析。 在动、静载荷综合作用时，测试分析滚动轴承的综合性能和最佳受力状况。 该实验台为大专院校用于《机械设计》课程中滚动轴承综合设计、性能测试分析而开发的开放型、创新型、设计综合性实验的最新型教学实验设备。 GZ 50A双控滚动轴承性能测试分析实验台国内独创专利产品 经科技查新：填补国内外空白；经省级鉴定：居国内领先水平 2．主要技术指标 滚动轴承公称直径：D=50mm； 滚动轴承跨度：L=300mm； 总径向载荷：P1=10000N； 总轴向载荷：P2=10000N； 左、右滚动轴承径向载荷传感器： 5000N 0.05 16个； 左、右滚动轴承轴向载荷传感器：10000N 各1个； 电机功率：N=180w； 外廓尺寸：500 1200 1200。3．实验台组成及基本配置 ①滚动轴承：2种（圆锥滚子轴承、深沟球轴承）； ②可移动的滚动轴承座：1对； ③滚动轴承、径向加载装置：1套； （作用点位置可在0~130mm内任意调节）； ④滚动轴承径向载荷传感器：精度等级：0.05 量程：5000N，16个； ⑤总径向载荷传感器：量程：10000N，1个； ⑥轴向载荷传感器：量程：10000N，3个； ⑦微型电机：YYJ90 180w，N=180w，n=10r.p.m； ⑧计算机测试软件光盘：1个；4．性能特点 ①配有一对可轴向移动的滚动轴承座； ②可直接测量滚子对外圈的压力及变化情况（关键特点）； ③可任意调节径向载荷受力点（0 130mm范围）； ④可通过计算机或自控数显测绘滚动轴承在轴向、径向载荷作用下轴承径向载荷分布变化情况； ⑤可通过电脑测绘滚动体内、外圈载荷变化曲线； ⑥可通过电脑或数显手控计算单个滚动轴承轴向载荷与总轴向载荷的关系，并与理论计算结果进行比较分析。 二、实验内容 1．滚动轴承径向载荷分布及变化实验测试在总轴向和径向载荷作用下，滚动轴承径向载荷分布及变化情况，并作出载荷分布曲线。 2．滚动轴承元件上载荷动态分析实验，测试滚动轴承元件上的载荷随时间的变化情况，并作出变化曲线。 3．滚动轴承组合设计实验，测试滚动轴承组内部轴向载荷、轴向载荷和总轴向载荷的关系，并进行滚动轴承组合设计计算。 三、实验原理 1．滚动轴承径向载荷分布 左、右滚动轴承各装有8个径向载荷传感器，可通过计算机或数显测绘滚动轴承在轴向、径向载荷作用下轴承径向载荷分布变化情况。 （1）深沟球轴承（向心轴承）载荷分布曲线 以向心轴承为例。为轴承工作的某一瞬间，滚动体处于图1所示的位置时，径向载荷Fr通过轴颈作用于内圈，位于上半圈的滚动体不会受力，而由下半圈的滚动体将此载荷传到外圈上。如果假定内、外圈的几何形状并不改变，则由于它们与滚动体接触处共同产生局部接触变形，内圈将下沉一个距离，亦即在载荷Fr作用线上的接触变形量为。按变形协调关系，不在载荷Fr作用线上的其它各点的径向变形量为：。也就是说，真实的变形量的分布是中间最大，向两边逐渐减小，如图1所示。可以进一步判断，接触载荷也是处于Fr作用线上的接触点处最大，向两边逐渐减小。各滚动体从开始受力到受力终止所对应的区域叫做承载区。 根据力的平衡原理，所有滚动体作用在内圈上的反力FNi的向量和必定等于径向载荷Fr。 应该指出，实际上由于轴承内存在游隙，故由径向载荷Fr产生的承载区的范围将小于180 。也就是说，不是下半部滚动体全部受载。这时，如果同时作用有一定的轴向载荷，则可以使承载区扩大。 （2）轴向载荷对载荷分布的影响 角接触球轴承或圆锥滚子轴承（现以圆锥滚子轴承为例）承受径向载荷Fr时，如图2所示，由于滚动体与滚道的接触线与轴承轴线之间夹一个接触角，因而各滚动体的反力并不指向半径方向，它可以分解为一个径向分力和一个轴向分力。用代表某一个滚动体反力的径向分力（图2b），则相应的轴向分力Fdi应等于。所有径向分布FNi的向量和与径向载荷Fr相平衡；所有的轴向分力Fdi之和组成轴承的派生轴向力Fd，它迫使轴颈（连同轴承内圈和滚动体）有向右移动的趋势，这应由轴向力Fa来与之平衡（图2a）。 当只有最下面一个滚动体受载时 受载的滚动体数目增多时，虽然在同样的径向载荷Fr的作用下，但派生的轴向力Fd将增大，即 式中：n为受载的滚动体数目；Fdi是作用于各滚动体上的派生的轴向力；FNi是作用于各滚动体上的径向分力；尾部的不等式也表明了n上FNi的代数和大于它们的向量和。由式（2）可得出这时平衡派生轴向力Fd所需施加的轴向力Fa为 2．滚动轴承元件上载荷动态分析 通过电脑直接测量滚子对外圈的压力及变化情况，绘制滚动体内、外圈载荷变化曲线。 轴承工作时，各个元件上所受的载荷及产生的应力是随时变化的。根据上面的分析，当滚动体进入承载区后，所受载荷即由零逐渐增加到FN2、FN1直到最大值FN0，然后再逐渐降低到FN1、FN2而至零（图4）。就滚动体上某一点而言，它的载荷及应力是周期性地不稳定变化的（图4）。 滚动轴承工作时，可以是外圈固定、内圈转动，也可以是内圈固定、外圈转动。对于固定套圈，处在承载区内的各接触点，按其所在位置的不同，将受到不同的载荷。处于Fr作用线上的点将受到最大的接触载荷。对于每一个具体的点，每当一个滚动体滚过时，便承受一次载荷，其大小是不变的，也就是承受稳定的脉动循环载荷的作用，如图4b所示。载荷变动的频率快慢取决于滚动体中心的圆周速度，当内圈固定外圈转动时，滚动体中心的运动速度较大，故作用在固定套圈上的载荷的变化频率也较高。 转动套圈上各点的受载情况，类似于滚动体的受载情况，可用图4a示意地描述。 3．滚动轴承组合设计计算 左、右滚动轴承座可轴向移动，各装有轴向载荷传感器，可通过电脑或数显测试并计算单个滚动轴承轴向载荷与总轴向载荷的关系；进行滚动轴承组合设计计算。 （1）滚动轴承的当量动载荷 滚动轴承的基本额定动载荷是在一定的运转条件下确定的，如果载荷条件为：向心轴承仅承受纯径向载荷Fr，推力轴承仅承受纯轴向载荷Fa。实际上，轴承在许多应用场合，常常同时承受径向载荷Fr和轴向载荷Fa。因此，在进行轴承寿命计算时，必须把实际载荷转换为与确定基本额定动载荷的载荷条件相一致的当量动载荷，用字母P表示。这个当量动载荷。对于以承受径向载荷为主的轴承，称为径向当量动载荷，常用Pr表示；对于以承受轴向载荷为主的轴承，称为轴向当量动载荷，常用Pa表示。当量动载荷P（Pr或Pa）的一般计算公式为 按式（3）~（6）求得的当量动载荷仅为一理论值。实际上，在许多支承中还会出现一些附加载荷，如冲击力、不平衡作用力、惯性力以及轴挠曲或轴承座变形产生的附加力等等，这些因素很难从理论上精确计算。为了计及这些影响，可对当量动载荷乘上一个根据经验而定的载荷系数fP，其值参见表1。故实际计算时，轴承的当量动载荷应力： （五）角接触球轴承和圆锥滚子轴承的径向载荷Fr与轴向载荷Fa的计算 角接触球轴承和圆锥滚子轴承受径向载荷时，要产生派生的轴向力，为了保证这类轴承正常工作，通常是成对使用的，如图13-13所示，图中表示了两种不同的安装方式。 在按式（7）计算各轴承的当量动载荷P时，其中的径向载荷Fr即为由外界作用到轴上的径向力Fre在各轴承上产生的径向载荷；但其中的轴向载荷Fa并不完全由外界的轴向作用力Fae产生，而是应该根据整个轴上的轴向载荷（包括因径向载荷Fr产生的派生轴向力Fd）之间的平衡条件得出的。下面来分析这个问题。 根据力的径向平衡条件，很容易由外界作用到轴上的径向力Fre计算出两个轴承上的径向载荷Fr1、Fr2，当Fre的大小及作用位置固定时，径向载荷Fr1、Fr2也就确定了。由Fr1、Fr2派生的轴向力Fd1、Fd2的大小可按照表2中的公式计算。计算所得的Fd值，相当于正常的安装情况，即大致相当于下半圈的滚动体全部受载（轴承实际的工作情况不允许比这样更坏）。 如图2所示，把派生轴向力的方向与外加轴向载荷Fae的方向一致的轴承标为2，另一端标为轴承1。取轴和与其相配合的轴承内圈为分离体，如达到轴向平衡时，应满足： Fae+Fd2=Fd1 如果按表2中的公式求得的Fd1和Fd2不满足上面的关系式时，就会出现下面两种情况： 当Fae+Fd2 Fd1时，则轴有向左窜动的趋势，相当于轴承1被 压紧 ，轴承2被 放松 ，但实际上轴必须处于平衡位置（即轴承座必然要通过轴承元件施加一个附加的轴向力来阻止轴的窜动），所以被 压紧 的轴承1所受的总轴向力Fa1必须与Fae+Fd2相平衡，即 Fa1=Fae+Fd2 （10） 而被 放松 的轴承2只受其本身派生的轴向力Fd2，即 Fa2=Fd2 （11） 当Fae+Fd2 Fd1时，同前理，被 放松 的轴承1只受其本身派生的轴向力Fd1，即 Fa1=Fd1 （12） 而被 压紧 的轴承2所受的总轴向力为 Fa2=Fd1 Fae （13） 综上可知，计算角接触球轴承和圆锥滚子轴承所受轴向力的方法可以归结为：先通过派生轴向力及外加轴向载荷的计算与分析，判定被 放松 或被 压紧 的轴承；然后确定被 放松 轴承的轴向力仅为其本身派生的轴向力，被 压紧 轴承的轴向力则为除去本身派生的轴向力后其余各轴向力的代数和。 轴承反力的径向分力在轴心线上的作用点叫轴承的压力中心。图5a、b两种安装方式，对应两种不同的压力中心的位置。但当两轴承支点间的距离不是很小时，常以轴承宽度中点作为支点反力的作用位置，这样计算起来比较方便，且误差也不大。 四、实验步骤 1．点动使滚动体落在径向分布的压力传感器位置。 2．打软件主界面，点击，通过虚拟仪表显示各测点的压力值。 3．点击，进入左、右轴承径向压力分布界面，显示左、右轴承的压力分布。 4．点击，进入滚动轴承元件动载曲线显示界面，显示内圈和滚动体动载曲线。 5．点击，进入滚动轴承设计计算界面，计算轴承的轴向、载荷径向、载荷和当量动载荷。 6．退出软件界面，关机。 五、实验注意事项 1、实验之前,细读使用说明书,检查径向分布传感器紧定螺栓是否松动；用6MM内六角扳手拧紧,以不动为宜。 2、按下 电源 按键,检查电表是否有电显示;按下 信号 按键电脑中才能有传感信号数据显示。 3、打开电脑,按照软件程序要求操作。 4、测试经向分布时,轴承滚珠之一必须对准下方的准线,才能测试出正确的分布规律和分布曲线,电脑中显示的数据不正确,即是未对准,必须重新操作至对准为止。 5、测试静载荷（径向分布）时,总经向载荷最大可加至1000（10N）。 6、测试动载荷（动态曲线）时,总径向载荷不超过500（10N）。 7、测试轴向载荷（设计计算）时,总径向载荷加至今500（10N）左右为宜,且不要对准底部准线;总轴向载荷加至400（10N）左右为宜,且不能作动态运行。