一种主轴轴承结合部动刚度测试装置技术领域
本发明涉及轴承在不同工况载荷下的动态特性参数测试技术领域，特别涉及一种
主轴轴承结合部动刚度测试装置。
背景技术
角接触球轴承是机械设备中应用非常广泛的零件之一，其刚度性能直接影响到主
轴系统的刚度特性，特别是在高速运转情况下，角接触球轴承的刚度直接影响主轴系统的
动态特性，进而影响机床的加工精度，因而研究角接触球轴承的刚度，特别是动刚度具有非
常重要的意义。
早在上个世纪中期，前苏联的研究人员对影响机床加工精度的结合部振动问题进
行了研究。到了上世纪的70至80年代，英国的相关研究人员基于赫兹接触理论就轴承这种
常见的结合部开展了理论推导研究，并设计了小型的试验台通过回归分析验证了经验计算
公式的正确性。但是由于当时计算机水平的落后，使得轴承动刚度的求解需要耗费大量的
时间。到了20世纪后期，人们越来越意识到了结合部的动态性能对重载设备加工精度的影
响，人们开展了大量的实验测试工作，包括轴承的刚度、阻尼、模态频率和寿命等，积累了大
量的实验数据。到了21世纪，随着电子计算机技术的飞速发展，研究人员开始采用基于赫兹
接触理论精确的迭代算法和考虑多方面的几何因素来开展结合部刚度的精确计算研究。
目前，在研究轴承刚度的问题中，包括研究轴承的静刚度和动刚度。两者均反映了
结构抵抗变形的能力，不同之处在于静刚度指的是承受稳定载荷时抵抗静态位移变化的能
力；而动刚度指的是承受交变动载荷时，抵抗动态位移变化的能力，动刚度是衡量结构抗振
能力的主要指标，因此研究轴承动刚度测试对准确获得主轴轴承系统动力学特性具有重要
意义。
测试轴承结合部动刚度的测试装置较少，多数测试对象只针对单个轴承，因此获
取不同工况下不同轴承动态特性参数具有重要意义。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种主轴轴承结合部动刚度测试装置，本
装置测试精度高并能测量不同轴承轴向和径向动态特性参数。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种主轴轴承结合部动刚度测试装置，包括底板及设置于底板上的电机组件、转
速传感器、加速器、支撑轴承组件、待测轴承组件、传动轴及轴向位移传感器，其中待测轴承
组件套设于所述传动轴上，所述传动轴的两端通过支撑轴承组件支撑、且一端依次与加速
器和电机组件连接，所述转速传感器和轴向位移传感器分别用于测量所述传动轴的转速和
轴向位移。
所述待测轴承组件包括预紧螺母、推力球轴承、预紧力加载装置、轴承座、轴承座
支架、被测轴承及轴承端盖，其中轴承座支架安装在所述底板上，所述轴承座和轴承座支架
连接，所述预紧力加载装置设置于所述轴承座内、且可沿轴向移动，所述预紧螺母与所述轴
承座的一端螺纹连接、且通过推力球轴承与预紧力加载装置连接，所述被测轴承设置于所
述轴承座的另一端、且通过与轴承座的连接的轴承端盖轴向限位。
所述预紧力加载装置与被测轴承之间设有轴承挡圈。
所述预紧力加载装置包括外挡圈、弹簧支架、弹簧、固定套筒及内挡圈，其中外挡
圈与内挡圈之间连接有多个与轴线平行的弹簧支架，各弹簧支架的一端与内挡圈固定连
接，另一端与所述外挡圈滑动连接，各弹簧支架上均套设有弹簧，所述固定套筒套设于所述
外挡圈和内挡圈的外侧。
所述的固定套筒的侧壁上沿轴向设有滑槽，所述外挡圈和内挡圈分别通过螺钉与
所述滑槽滑动连接。
所述传动轴上设有阶梯轴结构，所述阶梯轴结构上可安装多个被测轴承。
所述转速传感器通过转速传感器支架安装在底板上、且与所述电机组件的输出轴
相对应；所述轴向位移传感器通过轴向位移传感器支架安装在底板上、且与所述传动轴的
端部相对应。
所述测试装置进一步包括激振装置和径向位移传感器，所述激振装置套设于所述
传动轴上，所述径向位移传感器设置于所述激振装置与所述待测轴承组件之间。
所述激振装置包括激振盘和偏心质量块，其中激振盘固定在传动轴上，所述激振
盘上均布有多个通孔，所述偏心质量块固定在激振盘上的一通孔处。
所述径向位移传感器通过径向位移传感器支架安装在底板上。
本发明的优点与有益效果是：
1.本发明利用预紧力加载装置和带偏心质量的激振盘可以提供合适轴向预紧力，
和不同径向载荷，可以测量不同预紧力和不同径向载荷对轴承动刚度的影响；
2.本发明的阶梯轴结构可以方便安装多种不同型号轴承，有一定互换性，节约制
造成本；
3.本发明大大降低了测试的复杂程度，操作简单，容易准确的获取轴承动态特性
测试信号；
4.本发明对测试装置进行轴向或径向激励时，能够准确获取轴承动态特性参数，
为得到轴承动态特性提供合理参数；
5.本发明计算时，对传动轴位移进行了消除，使测量模型结果更符合实际，测试结
果更为精确；
6.利用该装置可以获得不同型号轴承结合面动态特性参数，从而建立结合面特性
参数数据库，对数据库中数据进一步拟合，为选择合理预紧力及轴承配对方式提供数据依
据。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明中待测轴承组件的结构示意图；
图3为本发明中待测轴承组件的轴测图；
图4为本发明中待测轴承组件的爆炸图；
图5为本发明中预紧力加载装置的轴测图；
图6为本发明中预紧力加载装置的轴测图；
图7为本发明中预紧力加载装置的爆炸图；
图8为本发明中激振盘的结构示意图；
图9为本发明中传动轴的结构示意图；
图10为本发明的实验装置原理示意图。
图中：1为底板，2为电机组件，3为转速传感器支架，4为转速传感器，5为加速器，6
为联轴器，7为第一支撑轴承组件，8为待测轴承组件，9为径向位移传感器支架，10为径向位
移传感器，11为激振盘，12为偏心质量块，13为传动轴，14为轴向位移传感器，15为轴向位移
传感器支架，16为预紧螺母，17为推力球轴承，18为预紧力加载装置，19为轴承座，20为轴承
座支架，21为轴承挡圈，22为被测轴承，23为轴承端盖，24为外挡圈，25为弹簧支架，26为弹
簧，27为固定套筒，28为内挡圈，29为滑槽，30为阶梯轴结构。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对
本发明进行详细描述。
如图1所示，本发明提供一种轴承结合部动刚度测试装置，包括底板1及安装在底
板1的T型槽上的电机组件2、转速传感器4、加速器5、支撑轴承组件、待测轴承组件8、传动轴
13及轴向位移传感器14，其中待测轴承组件8套设于传动轴13上，传动轴13的两端通过支撑
轴承组件支撑、且一端依次与加速器5和电机组件2连接，转速传感器4和轴向位移传感器14
分别用于测量传动轴13的转速和轴向位移。
转速传感器4通过转速传感器支架3安装在底板1上、且与电机组件2的输出轴相对
应；轴向位移传感器14通过轴向位移传感器支架15安装在底板1上、且与传动轴13的端部相
对应。
如图2-4所示，待测轴承组件8包括预紧螺母16、推力球轴承17、预紧力加载装置
18、轴承座19、轴承座支架20、被测轴承22及轴承端盖23，其中轴承座支架20安装在底板1
上，轴承座19和轴承座支架20连接，预紧力加载装置18设置于轴承座19内、且可沿轴向移
动，预紧螺母16与轴承座19的一端螺纹连接、且通过推力球轴承17与预紧力加载装置18连
接，被测轴承22设置于轴承座19的另一端、且通过与轴承座19的连接的轴承端盖23轴向限
位。预紧力加载装置18与被测轴承22之间设有轴承挡圈21。
如图5-7所示，预紧力加载装置18包括外挡圈24、弹簧支架25、弹簧26、固定套筒27
及内挡圈28，其中外挡圈24与内挡圈28之间连接有多个与轴线平行的弹簧支架25，各弹簧
支架25的一端与内挡圈28固定连接，另一端与外挡圈24滑动连接，各弹簧支架25上均套设
有弹簧26，固定套筒27套设于外挡圈24和内挡圈28的外侧。
固定套筒27的侧壁上沿轴向设有滑槽29，外挡圈24和内挡圈28分别通过螺钉与滑
槽29滑动连接。弹簧26处于不同压缩状态下可以提供不同预紧力，固定套筒27可以防止外
挡圈24和内挡圈28发生相对转动。
进一步地，预紧螺母16与预紧力加载装置18中的外挡圈24的端部均有凸台共同支
撑推力球轴承17，预紧力加载装置18由轴承座19中未带螺纹部分支撑，轴承挡圈21放在预
紧力加载装置18与被测轴承22之间，避免被测轴承22内圈与预紧力加载装置18接触，轴承
端盖23与轴承座19通过螺钉固定，轴承座支架20与轴承座19通过螺栓固定。测轴承组件8通
过预紧螺母16的旋转可以推动推力球轴承17，间接推动预紧力加载装置18加载预紧力，推
力球轴承17可以使预紧螺母16和预紧力加载装置18发生相对旋转，进而测量不同预紧力下
轴承动刚度。
如图9所示，传动轴13上设有阶梯轴结构30，阶梯轴结构30上可安装多个被测轴承
22。
如图1所示，所述测试装置进一步包括激振装置和径向位移传感器10，激振装置套
设于传动轴13上，径向位移传感器10设置于激振装置与待测轴承组件8之间。径向位移传感
器10通过径向位移传感器支架9安装在底板1上、且靠近被测轴承22。
激振装置包括激振盘11和偏心质量块12，其中激振盘11固定在传动轴13上，激振
盘11上均布有多个通孔，偏心质量块12固定在激振盘11上的一通孔处，如图8所示。
本发明的工作原理是：
预紧力加载装置18由待测轴承组件6中预紧螺母16进行调节，预紧螺母16向内旋
转时，推力球轴承17向内运动，从而压紧预紧力加载装置18，使其提供预紧力，推力球轴承
17可以使预紧螺母16和预紧力加载装置18发生相对旋转，更方便提供不同预紧力。通过预
紧螺母16前进距离可以算出预紧力加载装置18提供的预紧力大小。
轴向传感器14可以测得轴承在不同预紧力下的轴向位移，由计算得到的预紧力和
测得的轴向变形量可以得到所测轴承轴向刚度，绘制成曲线则可以得到轴承轴向动态特性
曲线。
当测量被测轴承22轴向变形时，卸去激振盘11与偏心质量块12，可以测量轴承在
不同状况下轴向刚度。当预紧力一定时，测量转速对轴承刚度影响；当转速一定时，测量不
同预紧力对轴承刚度影响，得到不同预紧力和不同转速工况下不同轴承动刚度。
电机组件2提供动力，通过加速器5可以调节传动轴13的转速，电机组件2通过联轴
器4带动加速器5转动，加速器5通过联轴器6带动传动轴13转动，传动轴13带动激振盘11转
动，从而使激振盘11上的偏心质量块12在不同转速下转动，偏心质量块12快速转动产生离
心力，离心力作用于传动轴13，通过传动轴13将离心力作用于被测轴承22上。
电机组件2通过加速器5调节转速后可以使传动轴13转速达到15000r/min，通过激
振盘11带动偏心质量块12转动可以提供足够偏心力，模拟不同负载下轴承动刚度。
偏心质量块12激振来施加与转速同步的旋转径向载荷，实现对被测轴承22的同步
激励。径向位移传感器10测量主轴系统在偏心激励力作用下的激振位移，然后根据几何关
系换算出等效载荷作用下，轴承中心所产生的等效位移。
如图10所示，由偏心质量产生的同步旋转径向力为Q＝meω2，式中：m为附加不平
衡质量：e为附加不平衡质量的质心偏心距，ω为传动轴13的角速度。由于采用的是近似方
法，对被测轴承22施加同步不平衡力并不直接位于轴承对称平面，因此对所得数据需进行
必要的换算，使结果更加合理。
作用于被测轴承的同步径向力为Qe＝QL1/2(1+L1+L2+L3/2)＝meω2L1/2(1+L1+L2+
L3/2)。式中：Qe待测轴承所受同步径向力，L1为左端支撑轴承与激振盘11距离，L2为激振盘
11与被测轴承22距离，L3为被测轴承22与右端支撑轴承的距离，为由为图10可知，径向位移
传感器10靠近被测轴承22安置，本装置通过测量轴的径向位移来转换为轴承内圈径向位
移，所以径向位移传感器10需靠近被测轴承22。
为了更加准确地表征被测轴承22的径向位移，在计算中需要去除主轴本身弯曲变
形的影响，即轴的等效位移：
δe＝δc-δs；
δs＝δst/(1-r2)；
δst＝meω2L21(L2+L3/2)2/3EI(1+L1+L2+L3/2)
式中：δc为测试得到的激振位移；δs为主轴因不平衡力引起的动挠度；δst为静挠
度；r为运行转速与临界转速之比(临界转速通过实验测得装置固有频率，进而得到实验装
置的临界转速)，E为轴的弹性模量，I为轴横截面对弯曲中性轴的惯性矩。
则实验测得的相应各转速下被测轴承22的径向刚度为：
Kd＝Q/δe＝QL1/2(1+L1+L2+L3/2)δe。
在测量轴承径向动态特性时可以通过改变不平衡质量块12的质量使径向力相同
测量不同转速下轴承径向动刚度，分析转速都轴承径向动态特性的影响；也可以测量不同
预紧力下轴承的动刚度，分析不同预紧力对轴承径向动态特性的影响。
本发明测试原理正确，综合考虑预紧力和径向载荷因素对轴承动刚度影响，模拟
实际工况，测试不同工况下不同轴承动态特性参数。可以对相关设备在线调控提供数据。
以上所述仅为本发明的实施方式，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明
的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进、扩展等，均包含在本发明的保护范围
内。