CN102840982B - 陶瓷轴承寿命验证试验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种陶瓷轴承寿命验证试验装置，其特征在于，包括：传动系统，用于传递动力，驱动配置有试验轴承（14）的试验主轴（19）旋转，以计算试验轴承（14）的寿命；加载系统，用于按照实际载荷工况对试验轴承（14）进行加载；环境模拟系统，用于模拟实际使用环境中的高温、无润滑、氦气、石墨粉尘；测量系统，用于对试验过程中的环境参数和试验轴承（14）状态参数进行测量。本发明提供的陶瓷轴承寿命验证试验装置，具有以下优点：可以验证陶瓷轴承在高温、无润滑、氦气氛围下的使用寿命；试验装置重复利用性好，可对多种规格的陶瓷轴承进行寿命验证试验，节约成本。
Description
技术领域
本发明涉及陶瓷轴承技术领域，特别涉及一种高温、无润滑、氦气氛围下陶瓷轴承寿命验证试验装置。
背景技术
高温气冷堆是以石墨为慢化剂、氦气为冷却剂的高温反应堆，是一种固有安全性好、发电效率高、用途极为广泛的先进核反应堆。高温气冷堆核电站一回路内的主氦风机、控制棒驱动机构、吸收球停堆系统和燃料装卸系统四个系统内均包括运动设备，需要选用轴承进行支承，轴承的可靠性非常重要。但是这四个系统的部分轴承将处于高温、无润滑、氦气氛围下工作，部分轴承工作环境温度甚至达到250℃。鉴于轴承严酷的工作环境，陶瓷轴承将是较优的选择。然而，市场上成熟的陶瓷轴承产品的寿命均是在常温、大气环境下统计所得；对于高温、无润滑、氦气氛围下，成熟的陶瓷轴承产品的寿命和可靠性是否会发生变化，尤其是在高温气冷堆这种对轴承可靠性要求非常高的应用场合，陶瓷轴承是否足够可靠，目前没有任何公开文献进行过相关报道，这些问题目前均没有答案。所以，只有通过试验来获得答案。为此，需要设计一套试验装置模拟高温气冷堆部分轴承的实际工作环境，从而验证陶瓷轴承在高温、无润滑、氦气氛围下的寿命。
试验装置的设计面临如下难点：
1）实现高温、氦气环境。氦气的密封本身存在很多困难，存在旋转轴旋转的情况下实现氦气的密封尤其困难；
2）保证一定的石墨颗粒浓度。由于高温气冷堆内存在石墨颗粒，因此试验装置也应能实现相同石墨颗粒浓度的轴承工作环境；
3）轴承的加载。模拟实际工况对轴承施加轴向载荷和径向载荷；
4）试验装置的兼容性。由于需要验证的轴承型号较多，为了节约成本，希望所有待验证的轴承可以在一套试验装置内进行验证。
发明内容
（一）要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是提供一种陶瓷轴承寿命验证试验装置，验证陶瓷轴承在高温、无润滑、氦气氛围下的寿命。
（二）技术方案
为了解决上述问题，本发明提供了一种陶瓷轴承寿命验证试验装置，其特征在于，包括：传动系统，用于传递动力，驱动配置有试验轴承的试验主轴旋转，以计算试验轴承的寿命；加载系统，用于按照实际载荷工况对试验轴承进行加载；环境模拟系统，用于模拟实际使用环境中的高温、无润滑、氦气、石墨粉尘；测量系统，用于对试验过程中的环境参数和试验轴承状态参数进行测量。
优选地，所述传动系统包括：变频电机、扭矩传感器、磁力传动器、支撑轴承、试验轴承、试验主轴。其中，磁力传动器位于变频电机和试验主轴之间，变频电机通过磁力传动器传递扭矩，带动试验主轴旋转；试验主轴由支撑轴承支撑，试验主轴配置试验轴承，试验轴承位于高温试验箱体内。
优选地，支撑轴承为陶瓷轴承，并且支撑轴承内径比试验轴承内径小。
优选地，所述支撑轴承配置支撑轴承支撑套，支撑轴承支撑套配置支撑轴承支撑套底座，支撑轴承支撑套底座通过螺栓与高温试验箱体内的固定凸台连接，间接支撑试验主轴。
优选地，所述加载系统包括径向加载系统和轴向加载系统，径向加载系统包括径向液压缸、径向力加载连杆，径向液压缸通过径向力加载连杆向试验轴承施加径向载荷；轴向加载系统包括轴向液压缸、轴向力加载连杆，轴向液压缸通过轴向力加载连杆向试验轴承施加轴向载荷。
优选地，所述试验轴承配置试验轴承承压套，试验轴承承压套相对径向力加载连杆的面为一平面，在该平面上开承压套止推孔；所述试验轴承承压套为静止件，其与试验轴承悬空，无任何支撑；所述径向力加载连杆不与径向液压缸相连的一端嵌入试验轴承承压套止推孔内。
优选地，所述轴向力加载连杆与试验轴承承压套相接触，轴向力加载连杆的接触端面为圆环形状。
优选地，所述环境模拟系统包括：高温试验箱体，用于实现保温和密封氦气的作用；所述高温试验箱体壁面分为3层：内、外层采用不锈钢，中间夹层采用硅酸铝；所述高温试验箱体上开设有供径向力加载连杆和轴向力加载连杆穿过的孔，并且通过盘根密封组件进行密封。
优选地，所述环境模拟系统还包括：热电阻加热器，放置在高温试验箱体内，用于对高温试验箱体内的氦气加热；氦气输入孔，用于向高温试验箱体内充入所要求纯度的氦气；真空泵抽气孔，用于在向高温试验箱体内充氦气前抽真空；配置在试验主轴轴端上的风扇，随试验主轴一起旋转，以搅拌高温试验箱体内的石墨粉尘，模拟实际工况下的石墨粉尘浓度；其中，所述高温试验箱体上的氦气输入孔、热电阻加热器所开的孔，通过焊接封住孔缝。
优选地，所述测量系统包括：扭矩传感器，用于测量试验主轴的扭矩和转速；气压表，用于测量高温试验箱体内的氦气压力；热电偶传感器，用于测量高温试验箱体内的氦气温度；试验轴承温度传感器，用于测量试验过程中试验轴承的温度。
（三）有益效果
本发明提供的高温、无润滑、氦气氛围下陶瓷轴承寿命验证试验装置，具有以下优点：
（1）可以验证陶瓷轴承在高温、无润滑、氦气氛围下的使用寿命；
（2）试验装置重复利用性好，可对多种规格的陶瓷轴承进行寿命验证试验，节约成本。
附图说明
下面参照附图并结合实例来进一步描述本发明。其中：
图1为根据本发明的高温、无润滑、氦气氛围下陶瓷轴承寿命验证试验装置示意图。
图2为根据本发明的寿命验证试验装置中试验轴承承压套形状示意图。
图3为根据本发明的寿命验证试验装置中支撑轴承支撑套形状示意图。
其中：1、变频电机；2、扭矩传感器；3、磁力传动器；4、高温试验箱体；5、气压表；6、径向液压缸；7、轴向液压缸；8、盘根密封组件；9、氦气输入孔；10、热电阻加热器；11、试验台支架；12、热电偶传感器；13、支撑轴承；14、试验轴承；15、真空泵抽气孔；16、风扇；17、轴向力加载连杆；18、径向力加载连杆；19、试验主轴；20、支撑轴承支撑套；21、试验轴承承压套；22、试验轴承温度传感器；23、承压套止推孔；24、固定凸台；25、支撑轴承支撑套底座。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
如图1所示，本发明实施例提供的高温、无润滑、氦气氛围下陶瓷轴承寿命验证试验装置，包括：传动系统、加载系统、环境模拟系统、测量系统四大部分。传动系统的作用是传递动力，驱动配置试验轴承的试验主轴旋转，计算试验轴承的寿命。加载系统的作用是按照实际载荷工况对试验轴承进行加载。环境模拟系统是模拟实际使用环境中的高温、无润滑、氦气、石墨粉尘。测量系统是对试验过程中的环境参数和试验轴承状态参数进行测量。
在本发明实施例中，传动系统主要由以下设备组成：变频电机1、扭矩传感器2、磁力传动器3、支撑轴承13、试验轴承14、试验主轴19。其作用原理为：试验主轴19配置试验轴承14，试验主轴19由支撑轴承13支撑，由变频电机1通过磁力传动器3传递扭矩，带动试验主轴19旋转。磁力传动器3位于变频电机1和试验主轴19之间。为了保证试验结果的可信度，支撑轴承13选用陶瓷轴承。其中，支撑轴承13内径比试验轴承14内径小。
在本发明实施例中，加载系统包括径向加载系统和轴向加载系统。径向加载系统包括径向液压缸6、径向力加载连杆18；轴向加载系统包括轴向液压缸7、轴向力加载连杆17。径向加载系统的工作原理如下：径向液压缸6通过径向力加载连杆18向试验轴承14施加径向载荷。轴向加载系统的原理与此相同。为了实现所施加的载荷只由试验轴承14承受，且为了保证试验轴承14受力均匀，采取了如下措施：
1）增加试验轴承承压套21，其结构示意图如图2所示。试验轴承承压套21相对径向力加载连杆18的面为一平面。首先，在施加径向载荷时如果不采取任何措施，载荷的受力面将为一不停旋转的圆柱面，使得径向载荷的施加比较困难。增加试验轴承承压套21后，试验轴承承压套21为静止件，在试验轴承承压套21上相对径向力加载连杆18的平面上开承压套止推孔23，径向力加载连杆18不与径向液压缸6相连的一端嵌入承压套止推孔23内，固定径向载荷作用点。随着试验轴承14的旋转，径向载荷沿径向均匀地施加给试验轴承14。其次，试验轴承承压套21使得试验轴承14沿径向的静止面积增大，所以施加轴向载荷时，可以将轴向力加载连杆17与试验轴承承压套21的接触端面做成圆环形状，从而通过轴向液压缸7均匀向试验轴承14施加轴向力。
2）试验轴承承压套21和试验轴承14悬空，无任何支撑。这样做的目的是为了保证所施加的载荷只由试验轴承14承受，与实际载荷工况相符，从而保证试验结果的可信度。
3）支撑轴承13增加支撑轴承支撑套20。为支撑轴承13增加支撑轴承支撑套20，其结构如图3所示，支撑轴承支撑套20配置支撑轴承支撑套底座25。通过螺栓将支撑轴承支撑套底座25与高温试验箱体4内的固定凸台24连接，间接支撑试验主轴19，同时也不分担向试验轴承14施加的载荷。
在本发明实施例中，环境模拟系统主要包括以下设备和部件：高温试验箱体4、盘根密封组件8、氦气输入孔9、热电阻加热器10、真空泵抽气孔15、风扇16、磁力传动器3。
高温试验箱体4为一密封箱体，试验轴承14处于高温试验箱体4内。高温试验箱体4的作用如下：一是实现保温作用，使高温试验箱体4内的氦气温度维持在250℃左右；二是实现密封氦气的作用，使得氦气不泄漏，同时也保证氦气的纯度。为了实现保温作用，高温试验箱体4的壁面分为3层，内、外层采用不锈钢，中间夹层采用硅酸铝。为了实现密封氦气的作用，需要将高温试验箱体4上所有的开孔处进行密封。其中，试验主轴19在高温试验箱体4上穿孔通过，且由于试验主轴19为旋转件，所以采用磁力传动器3传递扭矩，将动密封转换为静密封，实现氦气的密封；径向力加载连杆18和轴向力加载连杆17在高温试验箱体4上穿孔通过，在穿孔处采用盘根密封组件8进行密封；高温试验箱体4上的其它开孔处，例如氦气输入孔9、热电阻加热器10等处，通过焊接封住孔缝，防止氦气泄漏。同时维持高温试验箱体4内的氦气压力略高于环境压力，防止外界气体进入高温试验箱体4内，保持高温试验箱体4内氦气的纯度。
热电阻加热器10的作用是对高温试验箱体4内氦气加热，使高温试验箱体4内的氦气温度达到250℃。热电阻加热器10放置在高温试验箱体4内。
氦气输入孔9的作用是向高温试验箱体4内充入所要求纯度的氦气。
真空泵抽气孔15的作用是为了在向高温试验箱体4内充氦气前抽真空用。
风扇16位于试验主轴19的轴端，将随着试验主轴19旋转，从而搅拌高温试验箱体4内的石墨粉尘，模拟实际工况下的石墨粉尘浓度。
在本发明实施例中，测量系统将对试验环境参数和试验轴承14的状态参数进行测量，主要包括以下测量仪表：扭矩传感器2、气压表5、热电偶传感器12、试验轴承温度传感器22。扭矩传感器2用来测量试验主轴19的扭矩和转速；气压表5的作用是测量高温试验箱体4内的氦气压力；热电偶传感器12的作用是测量高温试验箱体4内的氦气温度；试验轴承温度传感器22的作用是测量试验过程中试验轴承14的温度。试验轴承温度传感器22的测点布置在承压套止推孔23处。
本发明实施例的陶瓷轴承寿命验证试验装置工作方式如下：
首先，通过环境模拟系统使高温试验箱体4内氦气达到所要求的温度和纯度，以及具有所要求浓度的石墨粉尘。
其次，通过加载系统向试验轴承14施加所要求的轴向载荷和径向载荷并维持不变。
然后，通过变频电机调整到所需的转速，由传动系统带动试验主轴19旋转。旋转过程中，通过测量系统对高温试验箱体4内的氦气参数和试验轴承14的相关参数进行监测。
最后，当试验轴承温度传感器22所测量的温度值出现异常，或者试验主轴19在所要求工况下旋转的总转数达到设定的上限时，则可停止试验，判断试验轴承14的寿命是否满足要求。
对于不同型号的试验轴承14，只需要重新加工试验主轴19，使试验主轴19与试验轴承14相匹配。将新加工的试验主轴19安装于上述试验装置，则可对对应型号的试验轴承14按照上述实施方式重新进行试验，而不必针对每种型号的试验轴承14重新制造试验装置，节约成本。
本发明的描述是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显然的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。
Claims (6)
1.一种陶瓷轴承寿命验证试验装置，其特征在于，包括：
传动系统，用于传递动力，驱动配置有试验轴承(14)的试验主轴(19)旋转，以计算试验轴承(14)的寿命；
加载系统，用于按照实际载荷工况对试验轴承(14)进行加载；
环境模拟系统，用于模拟实际使用环境中的高温、无润滑、氦气、石墨粉尘；
测量系统，用于对试验过程中的环境参数和试验轴承(14)状态参数进行测量；
其中，所述传动系统包括：变频电机(1)、扭矩传感器(2)、磁力传动器(3)、支撑轴承(13)、试验轴承(14)、试验主轴(19)，其中，磁力传动器(3)位于变频电机(1)和试验主轴(19)之间，由变频电机(1)通过磁力传动器(3)传递扭矩，带动试验主轴(19)旋转，试验主轴(19)由支撑轴承(13)支撑，试验主轴(19)配置试验轴承(14)，试验轴承(14)位于高温试验箱体(4)内；
其中，所述支撑轴承(13)配置支撑轴承支撑套(20)，支撑轴承支撑套(20)配置支撑轴承支撑套底座(25)，支撑轴承支撑套底座(25)通过螺栓与高温试验箱体(4)内的固定凸台(24)连接，间接支撑试验主轴(19)；
其中，所述加载系统包括径向加载系统和轴向加载系统，径向加载系统包括径向液压缸(6)、径向力加载连杆(18)，径向液压缸(6)通过径向力加载连杆(18)向试验轴承(14)施加径向载荷；轴向加载系统包括轴向液压缸(7)、轴向力加载连杆(17)，轴向液压缸(7)通过轴向力加载连杆(17)向试验轴承(14)施加轴向载荷；
其中，所述试验轴承(14)配置试验轴承承压套(21)，试验轴承承压套(21)相对径向力加载连杆(18)的面为一平面，在该平面上开承压套止推孔(23)；所述试验轴承承压套(21)为静止件，其与试验轴承(14)悬空，无任何支撑；所述径向力加载连杆(18)不与径向液压缸(6)相连的一端嵌入试验轴承承压套止推孔(23)内。
2.如权利要求1所述的试验装置，其特征在于，支撑轴承(13)为陶瓷轴承，并且支撑轴承(13)内径比试验轴承(14)内径小。
3.如权利要求1所述的试验装置，其特征在于，所述轴向力加载连杆(17)与试验轴承承压套(21)相接触，轴向力加载连杆(17)的接触端面为圆环形状。
4.如权利要求1所述的试验装置，其特征在于，所述环境模拟系统包括：高温试验箱体(4)，用于实现保温和密封氦气的作用；所述高温试验箱体(4)壁面分为3层：内、外层采用不锈钢，中间夹层采用硅酸铝；所述高温试验箱体(4)上开设有供径向力加载连杆(18)和轴向力加载连杆(17)穿过的孔，并且通过盘根密封组件进行密封。
5.如权利要求4所述的试验装置，其特征在于，所述环境模拟系统还包括：热电阻加热器(10)，放置在高温试验箱体(4)内，用于对高温试验箱体(4)内的氦气加热；氦气输入孔(9)，用于向高温试验箱体(4)内充入所要求纯度的氦气；真空泵抽气孔(15)，用于在向高温试验箱体(4)内充氦气前抽真空；配置在试验主轴(19)轴端上的风扇，随试验主轴(19)一起旋转，以搅拌高温试验箱体(4)内的石墨粉尘，模拟实际工况下的石墨粉尘浓度；其中，所述高温试验箱体(4)上的氦气输入孔(9)、热电阻加热器(10)所开的孔，通过焊接封住孔缝。
6.如权利要求1所述的试验装置，其特征在于，所述测量系统包括：扭矩传感器(2)，用于测量试验主轴(19)的转速和扭矩；气压表(5)，用于测量高温试验箱体(4)内的氦气压力；热电偶传感器(12)，用于测量高温试验箱体(4)内的氦气温度；试验轴承温度传感器(22)，用于测量试验过程中试验轴承(14)的温度。
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