CN103543012B - 一种滚动轴承刚度测试实验装置及其实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种滚动轴承刚度测试实验装置及其实验方法，该实验装置包括液压初始预紧模块、压电致动器预紧力调整模块和频响函数测试模块。液压初始预紧模块包括液压系统、液压缸、拉力传感器、拉力显示器和主轴；压电致动器预紧力调整模块包括若干第一压力传感器、若干压电致动器、致动器孔座、滚动轴承、端盖和轴承座；频响函数测试模块包括若干加速度传感器、若干第二压力传感器、若干激振器、数据采集仪、计算机和信号发生器。该实验方法采用一种对滚动轴承实施组合预紧的方式，并在频响函数测试模块中计算得出滚动轴承的刚度。本发明一种滚动轴承刚度测试实验装置，通过精确调整滚动轴承的预紧力来实现对滚动轴承刚度的动态测试。

Description

一种滚动轴承刚度测试实验装置及其实验方法

技术领域

本发明属于主轴-轴承系统的性能测试领域，具体涉及一种滚动轴承刚度测试实验装置及其实验方法。

背景技术

轴承刚度是主轴系统中一个非常重要的性能参数，在主轴-轴承系统中，轴承的刚度主要受轴承预紧配置方式、预紧力的大小、轴承配对方式、轴承与轴的配合、主轴转速和轴承温升等因素决定。随着高速高精密加工技术的发展，对主轴-轴承系统就提出了更多的要求，特别是要通过精确地控制轴承预紧力来保证主轴-轴承系统具有最佳的刚度，因此，研究预紧力的配置方式和预紧力的大小对轴承刚度的影响以及准确测试轴承的刚度显得十分重要。

然而，现在还没有一种能够精确进行滚动轴承刚度测试的装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种滚动轴承刚度测试实验装置及其实验方法，通过精确调整滚动轴承的预紧力来实现对滚动轴承刚度的动态测试。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种滚动轴承刚度测试实验装置，包括液压初始预紧模块、压电致动器预紧力调整模块和频响函数测试模块；所述的液压初始预紧模块包括液压系统、液压缸、拉力传感器、拉力显示器和主轴；其中，液压缸固定在实验平台上；液压缸的活塞杆与拉力传感器左侧相连；拉力传感器右侧与主轴相连；拉力显示器与拉力传感器相连；所述的压电致动器预紧力调整模块包括若干第一压力传感器、若干压电致动器、致动器孔座、滚动轴承、端盖和轴承座；其中，轴承座固定在实验平台上；主轴穿过轴承座；主轴的轴肩左侧依次设置有滚动轴承和致动器孔座；若干第一压力传感器和压电致动器沿主轴周向均匀装在致动器孔座里，第一压力传感器和压电致动器通过螺钉拧紧并紧顶住滚动轴承的外圈；设置在致动器孔座左侧的端盖固定在轴承座上；所述的频响函数测试模块包括若干加速度传感器、若干第二压力传感器、若干激振器、数据采集仪、计算机和信号发生器；所述加速度传感器设置于主轴上，用于测量主轴的加速度；所述激振器设置于主轴上，用于给主轴施加激振力；第二压力传感器设置于对应激振器端部；信号发生器连接激振器，第二压力传感器通过数据采集仪连接计算机；加速度传感器通过数据采集仪连接计算机。

本发明进一步的改进在于：所述计算机用于根据第二压力传感器和加速度传感器采集到的数据算出主轴-轴承系统的频率响应函数，进而采用模态试验技术识别出主轴-轴承系统的模态参数，然后计算滚动轴承轴向刚度和/或径向刚度。

本发明进一步的改进在于：所述的频响函数测试模块包括三个加速度传感器、三个第二压力传感器和三个激振器；两个激振器以滚动轴承为中心对称布置在主轴的径向端部，另一个激振器和一个加速度传感器沿主轴轴线布置在主轴端面；另两个加速度传感器对称布置在主轴的径向另一侧，并和径向布置的两个激振器分别对应。

本发明进一步的改进在于：液压缸的活塞杆依次通过第一带销孔螺钉、第一钢丝、螺钉与拉力传感器左侧相连；拉力传感器右侧依次通过第二带销孔螺钉、第二钢丝、第三带销孔螺钉与主轴相连。

本发明进一步的改进在于：所述滚动轴承包括内圈、外圈，以及设置在内圈和外圈之间的滚动体。

一种滚动轴承刚度测试实验装置的实验方法，包括以下步骤：

1)通过液压系统控制液压缸的活塞杆运动，带动主轴运动，并依据拉力显示器上的数值，给滚动轴承施加一个初始预紧力；

2)分别给各个压电致动器通电并调节其电压值，同时根据各个第一压力传感器的数据使滚动轴承的预紧力达到预定值；

3)启动信号发生器产生正弦激振电压信号，该正弦激振电压信号使激振器产生正弦激振力并施加到主轴上；

当测试滚动轴承的轴向刚度时，仅给轴向布置的激振器通电，使其产生轴向激振力；当测试滚动轴承的径向刚度时，仅给径向布置的激振器通电，使其产生径向激振力；

然后，第二压力传感器和加速度传感器分别获取输入的力信号和输出的加速度响应信号并通过数据采集仪导入到计算机中，计算机根据采集到的力信号和加速度信号计算两者的互功率谱以及力信号的自功率谱，互功率谱与自功率谱之比即为主轴-轴承的频率响应函数；

4)对上述频率响应函数进行模态识别，计算出主轴-轴承系统的固有频率、模态刚度和模态阻尼；

5)对滚动轴承的径向刚度：通过测试得出的主轴-轴承的频率响应函数，识别出其固有频率和径向总刚度为K^r；再根据简支梁等效模型，算出主轴的弯曲刚度在径向将主轴与滚动轴承等效成并联的弹簧系统，由公式： $\frac{1}{K^r}=\frac{1}{k_{bearing}^r}+\frac{1}{k_{shaft}^r}$ 导出滚动轴承的径向刚度

对滚动轴承的轴向刚度：沿轴向将主轴与滚动轴承等效成并联的弹簧系统，主轴-轴承系统的轴向总刚度K^a为滚动轴承的轴向刚度

本发明进一步的改进在于：步骤2)中，控制当各个压电致动器所通的电压值相同或不等，对滚动轴承进行均匀预紧或非均匀预紧。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)在用频响函数识别滚动轴承刚度时，通过钢丝拉动主轴来对轴承初始加载，减小了附加质量引入的影响，从而提高了滚动轴承刚度测量的准确性，而且采用带销孔螺钉来连接钢丝和主轴，保证钢丝的拉力能较好的沿着轴线方向；

2)滚动轴承在不同的初始预紧下，通过各个压电致动器和压力传感器可以实现精确地动态调整滚动轴承预紧力，对滚动轴承预紧力调整方便，因此可以研究滚动轴承在均匀定压预紧或非均匀预紧下的主轴-轴承系统的刚度性能；

3)采用模态试验法来测主轴-轴承的频响函数，然后再导出滚动轴承刚度，该方法属于动态试验法，可以同时测定滚动轴承的刚度和阻尼，测试精度高，可重复性强，使用可靠；

4)本发明实验装置结构简单，滚动轴承与主轴的拆装容易，可方便更换不同类型的滚动轴承，并且依据该实验装置的实验方法简单，便于操作。

附图说明

图1是本发明滚动轴承刚度测试实验装置的结构图；

图2是本发明第二钢丝与主轴连接处的局部放大图；

图3是本发明第一钢丝和第二钢丝与拉力传感器连接处的局部放大图；

图4是本发明致动器调整预紧力模块的局部放大图；

图5是本发明致动器调整预紧力模块的左视图；

图6是本发明主轴-轴承系统频率响应函数测试过程原理图；

图7是本发明主轴-轴承系统等效刚度模型图。

其中，1、液压系统；2、液压缸；3、第一带销孔螺钉；4、第一钢丝；5、拉力传感器；6、拉力显示器；7、螺母；8、第二带销孔螺钉；9、第二钢丝；10、第三带销孔螺钉；11、加速度传感器；12、第一压力传感器；13、压电致动器；14、致动器孔座；15、滚动轴承；16、主轴；17、端盖；18、轴承座；19、第二压力传感器；20、激振器；21、数据采集仪；22、计算机；23、信号发生器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。

参见图1至图7所示，本发明一种滚动轴承刚度测试实验装置，包括液压初始预紧模块、压电致动器预紧力调整模块和频响函数测试模块。

液压初始预紧模块包括液压系统1、液压缸2、拉力传感器5、拉力显示器6和主轴16；其中，液压缸2固定在实验平台上；液压缸2的活塞杆依次通过第一带销孔螺钉3、第一钢丝4、螺钉、螺母与拉力传感器5左侧相连；拉力传感器5右侧依次通过螺母7、第二带销孔螺钉8、第二钢丝9、第三带销孔螺钉10与主轴16相连；拉力显示器6与拉力传感器5相连。

压电致动器预紧力调整模块包括若干第一压力传感器12、若干压电致动器13、致动器孔座14、滚动轴承15、端盖17和轴承座18；其中，轴承座18固定在实验平台上；主轴16穿过轴承座18；主轴16的轴肩左侧依次设置有滚动轴承15和致动器孔座14；若干第一压力传感器12和压电致动器13沿主轴16周向均匀装在致动器孔座14里，用螺钉将第一压力传感器12和压电致动器13拧紧并紧顶住滚动轴承15的外圈，再用螺钉将端盖17固定在轴承座18上。

频响函数测试模块包括三个加速度传感器11、三个第二压力传感器19、三个激振器20、数据采集仪21和计算机22、信号发生器23；其中，沿主轴16两端下方径向依次对称设置有两个第二压力传感器19和两个激振器20，沿主轴16右侧轴向依次设置有一个第二压力传感器19和一个激振器20，三个激振器20的另一端分别固定在实验平台上；沿主轴16两端上方径向设置有两个加速度传感器11，沿主轴16右侧轴向设置有一个加速度传感器11；信号发生器23依次通过三个激振器20、三个第二压力传感器19、数据采集仪21和计算机22相连；三个加速度传感器11通过数据采集仪21和计算机22相连。

本发明实验装置工作时，首先，通过液压系统1使液压缸2向左运动，通过第一钢丝4和第二钢丝9带动主轴16的轴肩来对滚动轴承15初始预紧，同时，根据拉力传感器5和拉力显示器6来决定所施加预定大小的拉力，这样就完成了给滚动轴承15施加初始预紧载荷的过程。

然后，通过压电致动器13来精确调整对滚动轴承15外圈的预紧力，实现滚动轴承15的多个方式的预紧。在测试轴承15的径向刚度时，在主轴16端部径向选择两个激振点，将径向两个激振器20以轴承15为中心对称布置在主轴的端部，再把两个加速度传感器11和径向两个激振器20相对应，分别径向布置在轴的另一侧面；在测试轴承15的轴向刚度时，在主轴16端部轴心处布置一个激振器20和一个加速度传感器11。再将激振器20和信号发生器23连接起来，将压力传感器19和加速度传感器11接入到数据采集仪中。而后，信号发生器23产生正弦激振电压信号，使激振器20产生正弦激振力施加到主16上，通过数据采集仪21将第二压力传感器19和加速度传感器11测得的信号数据导入计算机22中，根据采集到的数据算出主轴-轴承系统的频率响应函数，进而采用模态试验技术识别出主轴-轴承系统的模态参数，然后推出滚动轴承15的刚度参数，包括滚动轴承15的轴向刚度、径向刚度等。通过压电致动器13调整滚动轴承15的预紧力，即可研究多个预紧方式下滚动轴承15的刚度的变化规律。

本发明实验装置的具体测试步骤如下：

1)调整滚动轴承的预紧力过程

1.1)首先通过液压预紧系统1给滚动轴承15施加一个初始预紧，是一个大范围粗调预紧力过程，然后分别给各个压电致动器13通电并调节其电压值，同时根据第一压力传感器12使其预紧力达到预定值，这是一个精确调整预紧力过程。

1.2)当各个压电致动器13所通的电压值相同时，可以实现对滚动轴承15均匀预紧；当各个压电致动器13所通的电压值不同时，施加给滚动轴承15外圈上各处的力不相同，即实现了对滚动轴承15的非均匀预紧。这样就可在滚动轴承15施加初始预紧工况下，对比不同的预紧方式和大小对滚动轴承15刚度的影响作用。

2)测试频响函数过程

2.1)首先根据步进扫频法，信号发生器23产生频率不断增加的正弦激振电压信号，使激振器20产生正弦激振力施加到主轴16上；当测轴承的轴向刚度时，仅给轴向布置激振器通电，使其产生轴向激振力；当测轴承的径向刚度时，仅给径向布置的激振器通电，使其产生径向激振力。

2.2)第二压力传感器19和加速度传感器11分别拾取输入的力信号和输出的加速度响应信号并通过数据采集仪21导入到计算机22中，计算机22根据采集到数据计算两者的互功率谱以及力信号的自功率谱，互功率谱与自功率谱之比即为主轴-轴承的频率响应函数。

其公式为： $H\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{\underset{T\→\mathrm{\∞}}{\lim }\frac{1}{T}X\left(\mathrm{\ω}\right)\·F^{*}\left(\mathrm{\ω}\right)}{\underset{T\→\mathrm{\∞}}{\lim }\frac{1}{T}F\left(\mathrm{\ω}\right)\·F^{*}\left(\mathrm{\ω}\right)}=\frac{S_{fx}\left(\mathrm{\ω}\right)}{S_f\left(\mathrm{\ω}\right)}$

其中：

H(ω)：主轴-轴承的频率响应函数；

T：测试信号的时间长度；

X(ω)：加速度响应信号的傅里叶变换；

F(ω)：力信号的傅里叶变换；

F^*(ω)：力信号的共轭傅里叶变换；

S_fx(ω)：力信号与加速度响应信号的互功率谱；

S_f(ω)：力信号的自功率谱；

3)主轴-轴承系统模态刚度识别过程

在得到的频率响应函数后，对其进行模态识别。在计算机中采用单自由度拟合、多自由度拟合以及最小二乘法拟合程序求出主轴-轴承系统的固有频率、模态刚度、模态阻尼模态参数，详细方法可参考模态试验技术。

4)滚动轴承刚度导出过程

4.1)对滚动轴承15的径向刚度：通过测试主轴-轴承的频响函数，识别出其固有频率和径向总刚度为K^r；再根据简支梁等效模型，算出主轴16的弯曲刚度在径向可将主轴16与滚动轴承15等效成并联的弹簧系统，由下式导出滚动轴承15的径向刚度

其公式为： $\frac{1}{K^r}=\frac{1}{k_{bearing}^r}+\frac{1}{k_{shaft}^r}$

4.2)对滚动轴承15的轴向刚度：沿轴向同理也可将主轴16与滚动轴承15等效成并联的弹簧系统，由于主轴16的轴向刚度远大于轴承15的轴向刚度故可认为识别出来的主轴-轴承系统的轴向总刚度K^a即为轴承15的轴向刚度其公式为： $k_{bearing}^a\≈K^a.$

Claims (7)

1.一种滚动轴承刚度测试实验装置，其特征在于：包括液压初始预紧模块、压电致动器预紧力调整模块和频响函数测试模块；

所述的液压初始预紧模块包括液压系统（1）、液压缸（2）、拉力传感器（5）、拉力显示器（6）和主轴（16）；其中，液压缸（2）固定在实验平台上；液压缸（2）的活塞杆与拉力传感器（5）左侧相连；拉力传感器（5）右侧与主轴（16）相连；拉力显示器（6）与拉力传感器（5）相连；

所述的压电致动器预紧力调整模块包括若干第一压力传感器（12）、若干压电致动器（13）、致动器孔座（14）、滚动轴承（15）、端盖（17）和轴承座（18）；其中，轴承座（18）固定在实验平台上；主轴（16）穿过轴承座（18）；主轴（16）的轴肩左侧依次设置有滚动轴承（15）和致动器孔座（14）；若干第一压力传感器（12）和压电致动器（13）沿主轴（16）周向均匀装在致动器孔座（14）里，第一压力传感器（12）和压电致动器（13）通过螺钉拧紧并紧顶住滚动轴承（15）的外圈；设置在致动器孔座（14）左侧的端盖（17）固定在轴承座（18）上；

所述的频响函数测试模块包括若干加速度传感器（11）、若干第二压力传感器（19）、若干激振器（20）、数据采集仪（21）、计算机（22）和信号发生器（23）；所述加速度传感器（11）设置于主轴（16）上，用于测量主轴（16）的加速度；所述激振器（20）设置于主轴（16）上，用于给主轴（16）施加激振力；第二压力传感器（19）设置于对应激振器（20）端部；信号发生器（23）连接激振器（20），第二压力传感器（19）通过数据采集仪（21）连接计算机（22）；加速度传感器（11）通过数据采集仪（21）连接计算机（22）。

2.根据权利要求1所述的一种滚动轴承刚度测试实验装置，其特征在于：所述计算机（22）用于根据第二压力传感器（19）和加速度传感器（11）采集到的数据算出主轴-轴承系统的频率响应函数，进而采用模态试验技术识别出主轴-轴承系统的模态参数，然后计算滚动轴承（15）轴向刚度和/或径向刚度。

3.根据权利要求1所述的一种滚动轴承刚度测试实验装置，其特征在于：所述的频响函数测试模块包括三个加速度传感器（11）、三个第二压力传感器（19）和三个激振器（20）；两个激振器（20）以滚动轴承（15）为中心对称布置在主轴（16）的径向端部，另一个激振器（20）和一个加速度传感器（11）沿主轴（16）轴线布置在主轴（16）端面；另两个加速度传感器（11）对称布置在主轴（16）的径向另一侧，并和径向布置的两个激振器（20）分别对应。

4.根据权利要求1所述的一种滚动轴承刚度测试实验装置，其特征在于：液压缸（2）的活塞杆依次通过第一带销孔螺钉（3）、第一钢丝（4）、螺钉与拉力传感器（5）左侧相连；拉力传感器（5）右侧依次通过第二带销孔螺钉（8）、第二钢丝（9）、第三带销孔螺钉（10）与主轴（16）相连。

5.根据权利要求1所述的一种滚动轴承刚度测试实验装置，其特征在于：所述滚动轴承（15）包括内圈、外圈，以及设置在内圈和外圈之间的滚动体。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的一种滚动轴承刚度测试实验装置的实验方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）通过液压系统（1）控制液压缸（2）的活塞杆运动，带动主轴（16）运动，并依据拉力显示器（6）上的数值，给滚动轴承（15）施加一个初始预紧力；

2）分别给各个压电致动器（13）通电并调节其电压值，同时根据各个第一压力传感器（12）的数据使滚动轴承（15）的预紧力达到预定值；

3）启动信号发生器（23）产生正弦激振电压信号，该正弦激振电压信号使激振器（20）产生正弦激振力并施加到主轴（16）上；

当测试滚动轴承（15）的轴向刚度时，仅给轴向布置的激振器（20）通电，使其产生轴向激振力；当测试滚动轴承（15）的径向刚度时，仅给径向布置的激振器（20）通电，使其产生径向激振力；

然后，第二压力传感器（19）和加速度传感器（11）分别获取输入的力信号和输出的加速度响应信号并通过数据采集仪（21）导入到计算机（22）中，计算机（22）根据采集到的力信号和加速度信号计算两者的互功率谱以及力信号的自功率谱，互功率谱与自功率谱之比即为主轴-轴承的频率响应函数；

4）对上述频率响应函数进行模态识别，计算出主轴-轴承系统的固有频率、模态刚度和模态阻尼；

5）对滚动轴承（15）的径向刚度：通过测试得出的主轴-轴承的频率响应函数，识别出其固有频率和径向总刚度为K^r；再根据简支梁等效模型，算出主轴（16）的弯曲刚度在径向将主轴（16）与滚动轴承（15）等效成并联的弹簧系统，由公式：导出滚动轴承（15）的径向刚度

对滚动轴承（15）的轴向刚度：沿轴向将主轴（16）与滚动轴承（15）等效成并联的弹簧系统，主轴-轴承系统的轴向总刚度K^a为滚动轴承（15）的轴向刚度

7.根据权利要求6所述的实验方法，其特征在于，步骤2）中，控制当各个压电致动器（13）所通的电压值相同或不等，对滚动轴承（15）进行均匀预紧或非均匀预紧。