CN102175357A

CN102175357A - 基于结构微应变的轴承力直接测量方法

Info

Publication number: CN102175357A
Application number: CN 201110055555
Authority: CN
Inventors: 饶柱石; 塔娜; 花纯利; 杨志荣
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2011-03-09
Filing date: 2011-03-09
Publication date: 2011-09-07
Anticipated expiration: 2031-03-09
Also published as: CN102175357B

Abstract

一种力学测量技术领域的基于结构微应变的轴承力直接测量方法，通过建立轴承的有限元模型并对轴承进行静力学分析，然后确定应变计安装位置并初步建立各应变计安装位置的应变与载荷的函数关系；再将轴承力的测量系统安装到轴承上并建立应变计应变与载荷的函数关系；最后通过应用轴承力直接测量系统实现轴承力的直接测量。本发明建立了结构应变与轴承力之间的函数关系，从而得到一种轴承力的直接测量方法，解决了准确实时地测量轴承力问题。

Description

基于结构微应变的轴承力直接测量方法

技术领域

本发明涉及的是一种力学测量技术领域的方法，具体地说，是一种基于结构微应变的轴承力直接测量方法。

背景技术

轴承力的测量在工程应用中具有重要的价值，目前衡量轴系校中质量好坏的标准就是轴系所有轴承的载荷都在允许范围之内，并且各个轴承的载荷之间尽可能均匀分配。理论计算值的比较很容易做到，实际测量值的比较目前还是不太容易做到。由此可见，轴系的实际测量对于轴系校中质量评价很重要，并且对完善轴系校中工艺也具有重要的现实意义。

经对现有技术的文献检索发现，中国专利号ZL200920194116.8，授权公告日为2010年06月16日，专利名称为：船舶轴系轴承负荷自动测量装置。该技术能够用比较简单的测量设备实现对轴承力的直接测量，但这种方法存在如下缺点：第一，测量的精度受到液压千斤顶的安装精度和位置的影响；第二，每次重复测量都需要相同的准备时间；第三，测量过程有人为因素带来的误差。第四，实时性较差；第五，测量时只能各轴承分别单独进行，不能几个轴承同时进行测量；第六，使用受周围环境的限制等。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术存在的上述不足，提供一种基于结构微应变的轴承力直接测量方法，利用结构微应变与载荷函数关系，通过使用应变计和数据采集模块、数据信号处理器和显示器，实现了轴承力直接测量功能并克服上述方法的缺点。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括以下步骤：

第一步，建立轴承的有限元模型：建立需要测量轴承力的轴承三维实体模型，将已建立的轴承三维实体模型导入有限元分析工具ANSYS中，定义材料属性、选择单元类型、对其进行网格划分并根据实际工况加上约束条件。

第二步，对轴承进行静力学分析：对轴承的有限元模型施加静载荷F，利用有限元分析工具ANSYS中的静力学分析模块对其进行静力学分析，提取分析结果，导出轴承有限元模型各结点应变信息。

第三步，确定应变计安装位置：根据轴承有限元模型结点应变信息和结构特点，选择轴承座箱体结构上一些应变量较大并可以安装应变计的部位为应变计安装位置。

第四步，初步建立各应变计安装位置的应变与载荷的函数关系：对轴承的有限元模型施加不同载荷F，重复第二步并读取不同载荷下分析结果中应变计安装位置的应变ε_i，i＝1，2，…n，n为应变计安装位置的数量，初步建立各应变计安装位置应变与载荷的函数关系F′_i＝k′_i×ε_i，i＝1，2，…n。

第五步，将轴承力的测量系统安装到轴承上：将应变计安装在由第三步确定的应变计安装位置上，然后将轴承力测量系统的其他装置安装在轴承座内。

第六步，建立应变计应变与载荷的函数关系：对轴承施加外载荷F，由轴承力直接测量系统自动测量得出轴承载荷值F′_i，i＝1，2，…n。将系数k′_i，i＝1，2，…n修正为k_i，i＝1，2，…n使得各载荷下F与F′的误差平法和最小，从而建立各应变计安装位置的应变与载荷的函数关系为F_i＝k_i×ε_i，i＝1，2，…n。为提高识别精度并消除附加弯矩的影响将计算得到的轴承负荷值F_i，i＝1，2，…n取算术平均值得识别外载荷为

第七步，通过应用轴承力直接测量系统实现轴承力的直接测量：当轴承受到外载荷作用时，由轴承力直接测量系统根据应变计应变与载荷的函数关系

自动测量、计算并显示出轴承负荷值F，从而实现轴承力的直接测量。

所述的轴承力直接测量系统包括：多路应变计、数据采集模块、数据信号处理器和显示器。其中，多路应变计根据轴承结构特点被分别安装于轴承内指定位置，多路应变计反映轴承内的应变信息，多路应变计的应变信息被数据采集模块采集并将数据送至数据信号处理器，数据信号处理器根据采集得到的应变信息和结构微应变与载荷函数关系计算得出轴承力，将轴承力输出至显示器显示，从而实现轴承力的直接测量。

本发明的优点在于：

(1)测量系统自动计算显示出负荷值，其操作简单，经简单培训即可上岗。

(2)本测量系统的安装和标定可在轴承生产厂家与产品出厂检验工作同步进行，并作为产品的一个组成部分，成为一类新的“自动测力轴承”产品，使轴承力的现场测量更具简易性和实时性，从而大大提高施工的工作效率。

(3)该测量系统和测量方法没有人为因素的影响，而且进行了多点测求平均值减少测量误差，所以该测量方法较精确。

(4)多个轴承的轴承力可同时进行测量，相互之间不存在干扰。

附图说明

图1是轴承力测量系统原理框图。

图2是现有某轴承有限元模型。

图3是现有某轴承在某静载荷作用下的应变云图。

图4是安装位置的应变与载荷关系图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本实施例包括以下各步骤：

第一步，建立轴承的有限元模型。

建立需要测量轴承力的轴承的三维实体模型，将已建立的轴承的三维实体模型导入有限元分析工具ANSYS中，定义材料属性、选择单元类型、对其进行网格划分并加上约束条件，建立的轴承的有限元模型如图2所示。Z方向为轴承的轴向，Y方向为轴承承载方向。单元类型为10节点四面体单元(Solid92单元)，Solid92单元是有限元实体单元，对轴承进行自由网格划分得61749个单元。根据轴承工况下的边界条件，对轴承座与船体连接的部分的结点施加全约束。

第二步，对轴承进行静力学分析。

对轴承的有限元模型施加静载荷F，利用有限元分析工具ANSYS中的静力学分析模块对其进行静力学分析，提取分析结果，导出轴承有限元模型各结点应变信息如图3所示。

第三步，确定应变计安装位置。

根据图3中的轴承有限元模型结点应变信息及结构特点，选择轴承座箱体内结构上的六个应变量较大并可以安装应变计的部位为应变计安装位置，它们分别为point1、point2、point3、point4、point5和point6。

第四步，初步建立各应变计安装位置的应变与载荷的函数关系；

对轴承的有限元模型施加不同载荷F，重复第二步并读取不同载荷下分析结果中六个应变计安装位置的应变ε_i，i＝1，2，…6，为对本实施例中的轴承技术参数保密，这里将所有载荷下获得的应变ε_i，i＝1，2，…6进行归一化，归一化后的各应变ε′_i，i＝1，2，…6与载荷F之间的关系如图4所示。从图4中发现，point1、point2、point3、point4、point5和point6的应变与载荷F之间呈现线性关系，所以可初步建立各应变计安装位置的应变与载荷的函数关系为F′_i＝k′_i×ε_i，i＝1，2，…6。

第五步，将轴承力的测量系统安装到轴承上。

首先，将六个应变计分别安装在由第三步确定的应变计安装位置point1、point2、point3、point4、point5和point6上，然后再将如图1所示的轴承力测量系统的其他装置安装在轴承座内。

第六步，建立应变计应变与载荷的函数关系。

对轴承施加载荷F，轴承力直接测量系统自动测量得出轴承负荷值F′_i，i＝1，2，…6。将系数k′_i，i＝1，2，…6修正为k_i，i＝1，2，…6使得各载荷下F与F′的误差平法和最小，从而建立各应变计安装位置的应变与载荷的函数关系为F_i＝k_i×ε_i，i＝1，2，…6。为提高识别精度并消除附加弯矩的影响将计算得到的轴承负荷值F_i，i＝1，2，…6取算术平均值得识别外载荷为

F = \frac{1}{6} Σ_{i = 1}^{6} F_{i} = \frac{1}{6} Σ_{i = 1}^{6} k_{i} \times ϵ_{i} .

第七步，通过应用轴承力直接测量系统实现轴承力的直接测量。

当轴承受到外载荷作用时，由轴承力直接测量系统根据应变计应变与载荷的函数关系

本实施例的优点：1)测量系统自动计算显示出负荷值，其操作简单，经简单培训即可上岗；2)本测量系统的安装和标定可在轴承生产厂家与产品出厂检验工作同步进行，并作为产品的一个组成部分，成为一类新的“自动测力轴承”产品，使轴承力的现场测量更具简易性和实时性，从而大大提高施工的工作效率；3)该测量系统和测量方法没有人为因素的影响，而且进行了多点测求平均值减少测量误差，所以该测量方法较精确；4)多个轴承的轴承力可同时进行测量，相互之间不存在干扰。

Claims

1.一种基于结构微应变的轴承力直接测量方法，其特征在于，通过建立轴承的有限元模型并对轴承进行静力学分析，然后确定应变计安装位置并初步建立各应变计安装位置的应变与载荷的函数关系；再将轴承力的测量系统安装到轴承上并建立应变计应变与载荷的函数关系；最后通过应用轴承力直接测量系统实现轴承力的直接测量。

2.根据权利要求1所述的基于结构微应变的轴承力直接测量方法，其特征是，所述的建立轴承的有限元模型是指：建立需要测量轴承力的轴承三维实体模型，将已建立的轴承三维实体模型导入有限元分析工具ANSYS中，定义材料属性、选择单元类型、对其进行网格划分并根据实际工况加上约束条件。

3.根据权利要求1所述的基于结构微应变的轴承力直接测量方法，其特征是，所述的对轴承进行静力学分析是指：对轴承的有限元模型施加静载荷F，利用有限元分析工具ANSYS中的静力学分析模块对其进行静力学分析，提取分析结果，导出轴承有限元模型各结点应变信息。

4.根据权利要求1所述的基于结构微应变的轴承力直接测量方法，其特征是，所述的确定应变计安装位置是指：根据轴承有限元模型结点应变信息和结构特点，选择轴承座箱体结构上一些应变量较大并可以安装应变计的部位为应变计安装位置。

5.根据权利要求1所述的基于结构微应变的轴承力直接测量方法，其特征是，所述的初步建立各应变计安装位置的应变与载荷的函数关系是指：对轴承的有限元模型施加不同载荷F，重复第二步并读取不同载荷下分析结果中应变计安装位置的应变ε_i，i＝1，2，…n，n为应变计安装位置的数量，初步建立各应变计安装位置应变与载荷的函数关系F′_i＝k′_i×ε_i，i＝1，2，…n。

6.根据权利要求1所述的基于结构微应变的轴承力直接测量方法，其特征是，所述的将轴承力的测量系统安装到轴承上是指：将应变计安装在由第三步确定的应变计安装位置上，然后将轴承力测量系统的其他装置安装在轴承座内。

7.根据权利要求1所述的基于结构微应变的轴承力直接测量方法，其特征是，所述的建立应变计应变与载荷的函数关系是指：对轴承施加外载荷F，由轴承力直接测量系统自动测量得出轴承载荷值F′_i，i＝1，2，…n。将系数k′_i，i＝1，2，…n修正为k_i，i＝1，2，…n使得各载荷下F与F′的误差平法和最小，从而建立各应变计安装位置的应变与载荷的函数关系为F_i＝k_i×ε_i，i＝1，2，…n。为提高识别精度并消除附加弯矩的影响将计算得到的轴承负荷值F_i，i＝1，2，…n取算术平均值得识别外载荷为

8.根据权利要求1所述的基于结构微应变的轴承力直接测量方法，其特征是，所述的通过应用轴承力直接测量系统实现轴承力的直接测量是指：当轴承受到外载荷作用时，由轴承力直接测量系统根据应变计应变与载荷的函数关系

9.根据权利要求1或7或8所述的基于结构微应变的轴承力直接测量方法，其特征是，所述的轴承力直接测量系统包括：多路应变计、数据采集模块、数据信号处理器和显示器。其中，多路应变计根据轴承结构特点被分别安装于轴承内指定位置，多路应变计反映轴承内的应变信息，多路应变计的应变信息被数据采集模块采集并将数据送至数据信号处理器，数据信号处理器根据采集得到的应变信息和结构微应变与载荷函数关系计算得出轴承力，将轴承力输出至显示器显示，从而实现轴承力的直接测量。