CN100414252C - 用于检测涡轮机滚柱轴承的滚柱的圆柱部分和锥形之间的连接区域的轮廓的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于检测涡轮机滚柱轴承的滚柱(10)的圆柱部分和锥形之间的连接区域的轮廓的方法。该表面轮廓由至少一个与滚柱的锥形相对应的第一区(Z₁，Z₅)、至少一个与滚柱的圆柱部分和锥形间的连接相对应的第二区(Z₂，Z₄)、以及与所述滚柱的圆柱部分相对应的第三区域(Z₃)几何定义。该方法的包括测量滚柱的表面轮廓(100)；在计算已测的轮廓的一阶导数(200)的基础上，为滚柱的每个所述几何区域计算直线段(300)，其中所述直线段拟合已测轮廓的一阶导数，这样来滤除叠加在已测轮廓上的干扰；通过求直线段的一阶导数计算滚柱表面轮廓的曲线直径(400)；用预定义的阈值比较计算所得的曲线半径以验证其连续性(500)。

Description

用于检测涡轮机滚柱轴承的滚柱的圆柱部分和锥形之间的连接区域的轮廓的方法

技术领域

本发明涉及用于涡轮机的滚柱轴承的圆柱形滚柱轮廓的质量控制检测领域。

背景技术

滚动轴承通常用于航空领域。在涡轮机中，滚动轴承尤其用于支撑第一轴，第一轴相对于与第一轴同轴的第二轴转动。该轴承主要由卡在形成于内环和外环上的滚道间的滚珠或圆柱滚柱组成。通常，在涡轮机中，滚珠轴承用于承受轴向负载，滚柱轴承用于承受径向负载。

用于涡轮机的滚动轴承，尤其是具有圆柱形滚柱的滚动轴承，要承受许多机械压力。尽管已经观察到的损坏的数量很低，但是还是很有必要提高滚动轴承的可靠性，尤其是通过检查这些滚柱轮廓来提高其可靠性。为可靠性所作的圆柱轴承滚柱的检查包括分析滚柱的总轮廓。这种分析可使用测量形状和区域的标准仪器进行，例如安装有钻石或激光感应传感器的硬度测量机。

实际上，圆柱形轴承滚柱在其端部为锥形，这样可以避免过量的边缘压力。两锥形与滚柱圆柱部分间的连接区域也可以导致对于滚柱可靠性来说不能承受的接触压力。不幸的是，标准测量仪器检测不到这些连接区。大部分这种仪器只限于测量简单和单一的轮廓(如平面、环形、球形或圆柱形轮廓)，它们不能提供一种可靠方法，检测包含有滚柱锥形和圆柱部分连接区域关联的那种简单轮廓。因此，圆柱形轴承滚柱的可靠性检测不能包含这些连接区的检查需要。

发明内容

本发明的主要目的是减小这些缺点，它提出一种方法，该方法可以检测到轴承滚柱圆柱部分和锥形之间的连接区的轮廓。

用于涡轮机的轴承滚柱的表面轮廓对称地由至少一个与滚柱锥形相应的第一区域、至少一个与滚柱的圆柱部分和锥形部分间的连接区相应地第二区域、以及一个

与滚柱的圆柱部分相应的第三区域定义而成。根据本发明，检测在滚柱的圆柱部分和锥形部分间的连接区的方法包括：测量滚柱的表面轮廓；在计算所测轮廓的一阶导数的基础上，计算所述滚柱的每个几何区域的直线段，所述直线段拟合测量轮廓的一阶导数，以滤去叠加在所测轮廓的干扰；通过求直线段的一阶导数计算出滚柱表面轮廓的曲线半径；用预定义的阈值与计算出的曲线半径作比较来验证其连续性。

本发明的方法可通过简单的方式处理轮廓的测量点来刻画滚柱轮廓的特征。因此，它可以在滚柱的轮廓上进行可靠的质量控制，尤其是在滚柱的锥形和圆锥部分间的连接区域进行质量控制。

根据本发明的部署，计算直线段的步骤包括：为滚柱选择理论表面；计算该理论表面的一阶导数以获得滚柱每个所述几何区域的理论直线段；计算所测轮廓的一阶导数与理论直线段之间的距离；通过减小已测轮廓的一阶导数和理论直线段间的距离，计算直线段的斜率和在纵坐标上的截距。

在这种条件下，减小已测轮廓的一阶导数和理论直线段间的距离的步骤最好采用最小二乘法。滚柱第一几何区的表面的理论轮廓可为圆弧，滚柱第二几何区的表面的理论轮廓可为另外一个圆弧，滚柱第三几何区的表面的理论轮廓可为直线。

附图说明

本发明的其他特征和优点将结合附图在下面的描述中作介绍，附图只是作为说明实施例的作用，不用于限制发明，其中：

图1是图示本发明方法不同实施步骤的框图；

图2A到图2C所示为本发明方法示例应用中不同的步骤。

具体实施方式

下面的描述中，假设要检测的表面轮廓是用于涡轮机的圆柱轴承滚柱的表面轮廓。不过，当轮廓要求必须准确时，该发明可应用于检测涡轮机部件的表面轮廓而不仅仅是滚柱的表面轮廓，例如叶片根部。

开始参考图1，图1以具体实施步骤说明本发明检测轮廓的方法。

总的来说，本发明用于检测轮廓的方法可以通过计算机系统的手段实施，例如在一个装有数据处理软件并连接到用于测量三维部件表面的仪器的工作台中处理。

开始假设圆柱形轴承滚柱的表面轮廓对称地由至少一个与滚柱锥形相应的第一区域、至少一与滚柱的圆柱部分和锥形部分间的连接区相应地第二区域、以及一个与滚柱的圆柱部分相应的第三区域定义而成。

在方法的第一步100，操作者测量要检测的圆柱形滚柱的表面轮廓。该测量可通过使用标准硬度测量机器得到，如与钻石或激光配合使用的具有感应传感器的测量装置。在该装置中，传感器固定到一个移动支撑臂上，该移动支撑臂可以移动，使得传感器跟踪着要检测的滚柱的表面轮廓。

已测的表面轮廓以信号的方式呈现，该信号给出传感器沿滚柱表面移动时传感器位置。这些信号被传送到与传感器相连接的计算机工作站进行数字处理，获得大量代表要检测的滚柱表面的几何轮廓的几何点N_i坐标。点N_i统一间隔开整数个测量步，且它们数量是n(例如，大约8,000)。

从以这种方式得到的几何点开始，接下来的步骤200是求出已测的表面轮廓的一阶导数，如轮廓由n个几何点N_i组成。该步骤可以使用安装在计算机工作站上的计算软件完成，得到n个点的几何坐标N_i‘。

在下面详细描述的方法的另一个步骤300中，对于上面描述的滚柱的每一个几何区域，计算直线段拟合已测轮廓的一阶导数。计算可以使用安装在计算机工作站上的计算软件完成，它的作用是滤除叠加在测量轮廓上的高频干扰，不管是系统干扰还是随机干扰。

还是使用安装在计算机工作站上的计算软件，如前面步骤那样，通过计算直线段的一阶导数，计算出(步骤400)要检测的滚柱的表面轮廓的曲线半径。

最后，在检测方法的最后一步500中，以这种方法计算出的曲线半径，尤其是滚柱圆柱部分和锥形部分的连接部分的半径，与预定义的阈值作比较。通过比较过程的结果函数，操作者可以判断是否保留滚柱在涡轮机滚柱轴承中的使用。该阈值依靠经验预先定义好。它们被挑选作为轴承在涡轮机中的位置的、几何特征的、材料的和其上所施加的外部机械压力的函数，尤其是在大负荷滚柱和滚道之间的接触压力。

通过实验，对于与滚柱的圆柱部分和每个锥形部分间的连接区域对应的区域，这些阈值可以以曲线最小半径的方式表示。低于这个曲线半径，圆柱滚柱就不合格。这一曲线半径通过实验确定。通过实验，对于轴长大约为14毫米(mm)的圆柱滚柱，曲线最小直径约为100mm。

另外一种技术可作为一种选择，它加在前述技术上使用，它包含比较在滚柱圆柱部分和锥形间的两个连接区域的曲线半径。这两个曲线半径之间较大差异说明滚柱不对称，滚柱不合格。

拟合已测轮廓的一阶导数

参照图2A、2B和2C，下面是拟合已测表面轮廓的一阶导数的步骤300的具体实施的描述。如上面所提到的，该步骤使用安装在计算机工作站上的计算软件完成。

拟合的第一步是选择要检测的圆柱形滚柱的理论表面轮廓。选择滚柱理论轮廓作为要检测的滚柱的尺寸的函数。

通过实验，图2A图示了用于涡轮机滚动轴承的圆柱形滚柱的理论表面轮廓10的一部分。该圆柱形滚柱是对称的，首先关于其主轴X-X对称，其次关于垂直于主轴X-X的中轴Y-Y对称。

滚柱的表面轮廓10被对称地定义：两与滚柱的两个锥形相对应的第一区域Z₁和Z₅；两分别与滚柱圆柱部分和一个锥形部分的连接区域相应的第二区域Z₂和Z₄；与滚柱的圆柱部分相应的第三区域Z₃。第一区域Z₁和Z₅和第二区域Z₂和Z₄关于滚柱的中轴Y-Y对称。

通过实例，对于长度为14mm的滚柱而言，几何区域Z₁到Z₅如下选择。

对称的第一区域Z₁和Z₅具有环形的理论轮廓，曲线半径Rd大约为500mm。

类似地，对称的第二区域Z₂和Z₄具有环形的理论轮廓，曲线半径Rr大约在在100mm到200mm的范围内。每个第二区域的轴长在0.7mm到2.1mm的范围内。

第三区域的理论轮廓为直线，其最终轴长取决于与锥形和圆柱部分间相切的连接半径的值。通过导圆角使Rr的大约值在100mm到200mm的范围内，形成连接半径，与导圆角之前的在5.6mm到8.2mm的范围内轴向长度相比，最终直线部分拥有在4.3mm到7.3mm的范围内轴向长度。因此，在其尖角在通过生成连接半径被除去前，本发明的检测方法就可重新计算滚柱的原始轴向圆柱长度。

随后的步骤为计算理论轮廓的一阶导数，这样获得滚柱Z₁至Z₅中任何一几何区域各自的理论直线段。

图2B所示为该计算的结果。由边界点P₁至P₆定义的五个直线段D₁到D₅代表Z₁至Z₅各几何区的一阶导数。

每个边界点P₁至P₆的横坐标由各几何区Z₁至Z₅预定义的的轴向长度决定。至于几何坐标，它们由代表各区域Z₁至Z₅的理论轮廓(Z₃为直线段，其他区域为圆弧)的几何公式计算出。

D₁到D₅每条直线段可由后面的等式代表：(D_i)：y′_i＝a_ix+b_i(其中i值取1到5)。每条直线段D_i的斜率a_i和纵坐标轴截距b_i用前面计算出的边界点P₁至P₆的几何坐标计算。

对于Z₁至Z₅每个几何区域的理论轮廓，接下来的拟合步骤是计算n个几何点N′_i间的全部距离ε，构成在先前的步骤200中测量的轮廓的一阶导数和理论直线段D₁到D₅(图2C)。

如果考虑到点P_i和点P_i+1间的区域Z_i，那么该区域拥有[n_i+1-n_i+1]点，构成已测的轮廓。这些点间的距离ε_i和直线段(D_i)满足等式：

${\mathrm{\ϵ}}_i=\underset{j=n_i}{\overset{n_{i+1}}{\mathrm{\Σ}}}{[{y^{\′}}_j-(a_i{x}_j+b_i)]}^2$

计算n个几何点N_i间的全部距离ε，构成已测轮廓的一阶导数，然后使用下面的等式计算理论直线段D₁到D₅：

$\mathrm{\ϵ}=\underset{i=1}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ϵ}}_i=\underset{i=1}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=n_i}{\overset{n_{i+1}}{\mathrm{\Σ}}}{[{y^{\′}}_j-(a_i{x}_j+b_i)]}^2$

下面的拟合步骤是通过最小二乘法来减小已测轮廓的一阶导数和理论直线段之间的距离ε。为了达到这个目的，距离ε作为系数a_i和b_i的函数(其中i值取1到5)，其值对于A_i和Bi最小：

$\frac{\∂\mathrm{\ϵ}}{\∂a_i}=0\mathrm{and}\frac{\∂\mathrm{\ϵ}}{\∂b_i}=0$ 其中i值取1到5

通过解出这十个未知数的十个等式，可以得到系数A_i和B_i，系数A_i和B_i代表几何区域Z₁到Z₅的每个区域上减小了距离ε_i。这些新系数A_i和B_i是新直线段D′_i(其中i值取1到5)的新斜率A_i和新纵坐标轴上的截距B_i，到构成已测轮廓的一阶导数的n个几何点N′_i的距离最小。

由每个直线段D′_i的新系数A_i和B_i，下面的步骤构成计算定义新直线段D′_i的新边界点P′₁到P′₆坐标。

为了确定新边界点P′₁和P′₆的坐标，计算包括确定新直线段D′₁到D′₆之间的各截距和满足等式x＝X₁(其中X₁是边界点P₁的横坐标)和x＝X₆(其中X₆是边界点P₆的横坐标)的线。

为了确定其他新边界点P′₂到P′₅的坐标，考虑直线段D′_i-1和D′_i间的截距，以获得下面的系数，其中i值取2到5：

${X^{\′}}_i=\frac{B_{i-1}-B_i}{A_i-A_{i-1}}$ 和 ${Y^{\′}}_i=\frac{A_i{B}_{i-1}-B_i}{A_i-A_{i-1}}$

其中X′_i和Y′_i是新边界点P′₂到P′₆的坐标。

接下来下面的步骤包含用收敛距离ε_conv比较计算所得的理论直线段和已测轮廓的一阶导数之间的距离ε。如果计算所得的距离ε大于收敛距离ε_conv，方法从减小已测轮廓的一阶导数和新直线段D′₁和D′₆之间的距离ε的步骤重新开始。只要计算的距离ε大于收敛距离ε_conv，就一直重复该循环。

当计算所得的距离ε小于收敛距离ε_conv，本发明的检测方法从步骤400(图1)继续，每条新直线段D′₁和D′₆的斜率A_i，代表圆柱形滚柱的轮廓的每个几何区域的曲线半径。

定义收敛距离ε_conv的值主要在要检测的圆柱形滚柱的表面硬度基础上选择。上述迭代计算计算直到ε减小。超过一定阈值，ε值的很小的增加就会被识别，该增加来自于计算收敛距离ε仅在代表已测轮廓的一阶导数的n个几何点N′_i上进行。增加发生处的ε值记录为ε_min。在后面的迭代中，收敛计算在距离ε变得小于例如e_conv＝1.001xε_min时停止。

Claims (4)

1. 一种用于检测涡轮机滚柱轴承的滚柱(10)的圆柱部分和锥形之间的连接区域的轮廓的方法，所述滚柱的表面轮廓由至少一个与滚柱的锥形相对应的第一区(Z₁，Z₅)、至少一个与滚柱的圆柱部分和锥形间的连接相对应的第二区(Z₂，Z₄)、以及与所述滚柱的圆柱部分相对应的第三区(Z₃)几何定义，该方法的特征在于它包括以下步骤：

·测量滚柱的表面轮廓(100)；

·在计算已测的轮廓的一阶导数(200)的基础上，为滚柱的每个几何区域计算直线段(300)，其中所述直线段拟合已测轮廓的一阶导数，这样来滤除叠加在已测轮廓上的干扰；

·通过求直线段的一阶导数计算滚柱表面轮廓的曲线半径(400)；

·用预定义的阈值比较计算所得的曲线半径以验证其连续性(500)。

2. 如权利要求1所述的方法，其特征为：计算直线段的步骤(300)包含：

·为滚柱选择理论表面轮廓；

·计算理论轮廓的一阶导数以获得滚柱几何区域的理论直线段；

·计算已测轮廓一阶导数与理论直线段之间的距离；

·通过减小已测轮廓的一阶导数和理论直线段之间的距离来计算每条直线段的斜率和纵坐标轴截距。

3. 如权利要求2所述的方法，其特征为：减小已测轮廓的一阶导数和理论直线段之间的距离的步骤通过最小二乘法实现。

4. 如权利要求2或3所述的方法，其特征为：滚柱(10)的第一区(Z₁，Z₅)的理论表面轮廓是一个圆弧，滚柱的第二区(Z₂，Z₄)的理论表面轮廓是另一个圆弧，滚柱的第三区(Z₃)的理论表面轮廓是直线。

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