CN105547699A - 一种轴承内部载荷分布的测量方法及测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轴承内部载荷分布的测量方法和测量装置，测量轴承在旋转且受载的情况下的内部载荷分布；在轴承的滚动体上安装一个光纤传感器，通过光纤传感器采集滚动体在受载后的形变信息，并通过光纤传感器的光导纤维传导给应变分析器；在轴承的保持架上安装保持架转速传感器，应变分析器将保持架转速信息处理成滚动体的位置信息，并结合滚动体的形变信息确定载荷分布情况。本发明能够直接测量轴承连续转动的滚动体上的应变变化情况，了解轴承旋转时整体的连续载荷分布情况，具有测量精确度高的优点。

Description

一种轴承内部载荷分布的测量方法及测量装置

技术领域

本发明涉及轴承领域，特别是涉及一种轴承内部载荷分布的测量方法及测量装置。

背景技术

在风力发电机组，特别是大兆瓦级风力发电机组主轴承和齿轮箱轴承的内部，滚动体在内圈与外圈滚动的同时承受载荷。正确了解滚动体承受的载荷情况有助于提高包括轴承座等边结构的可靠性。与此同时，滚动体一边在外圈与内圈滚道上滚动，一边承受载荷，所以轴承各零件反复受载荷冲击，达到滚动疲劳寿命。因此，滚动体载荷对轴承寿命产生影响，要能准确的计算轴承的使用寿命，必须也要了解轴承内部滚动体的载荷分布。

载荷分布的理论方面以轴承承受载荷状态下外圈及内圈不变形且轴承座也不变形为前提条件。但实际情况是由于结构尺寸的制约、轻量化及维修要求，轴承座难以达到保证其不变形的厚度，其变形对轴承的影响不能忽视。此外，轴承的形状以及加载的方法不同，变形量也各不相同。因为轴承座的变形也影响外圈的变形，所以实际的轴承内部载荷分布与理论有很大差异。总体来说，当轴承外圈有变形时，轴承的实际受载区会比理论小，滚动体的最大接触应力会比理论的大。

传统的轴承载荷分布测量方法有两种，分别是轨迹法和光弹性法：

轨迹法是将滚动体压紧到轴承的滚道面生成的化学保护膜上，拆除滚动体后随着接触部位保护膜的剥落，能够观察到接触痕迹，也就是滚动体的轨迹。根据其大小可以求出滚动体载荷，但要注意轴承在组装、拆除时容易损伤保护膜，此外，轨迹的读取容易产生误差。

光弹性法是在用透明的高分子材料制作的轴承模型上施加载荷，采用偏光照射，根据看到的明暗干涉条纹求出滚动体载荷，因为该测量方法需要使用模型，所以要与实物正确对应。

上述两种方法都不是直接测定滚动体载荷，另外，这两种方法都是轴承在静止状态下测定，所以不能了解轴承旋转时整体的连续载荷分布情况。因此，一种实际测量轴承旋转时内部载荷分布的方法是准确计算轴承寿命的必要条件。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种轴承内部载荷分布的测量方法及测量装置，能够直接测量轴承连续转动的滚动体上的应变变化情况，了解轴承旋转时整体的连续载荷分布情况，具有测量精确度高的优点。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种轴承内部载荷分布的测量方法，测量轴承在旋转且受载的情况下的内部载荷分布；在轴承的滚动体上安装一个光纤传感器，通过光纤传感器采集滚动体在受载后的形变信息，并通过光纤传感器的光导纤维传导给应变分析器；在轴承的保持架上安装保持架转速传感器，应变分析器将保持架转速信息处理成滚动体的位置信息，并结合滚动体的形变信息确定载荷分布情况。

进一步地，在滚动体轴心开设一个孔洞，所述光纤传感器固定在所述孔洞内。

进一步地，所述光导纤维经过中间传递部件与应变分析器连接，所述中间传递部件用于将转动输入的光导纤维转化为静止输出的光导纤维。

进一步地，所述方法基于下述部件：轴承、光纤传感器、自转用旋转接头、连接管、公转用旋转接头、公转用夹具、保持架转速传感器、中央处理器、主轴驱动电机、公转夹具驱动电机、应变分析器、主轴、轴承座；所述方法具体包括安装步骤A和实施步骤B，其中：安装步骤A包括：将一个光纤传感器固定在轴承的滚动体轴心开设的孔洞中；将安装有光纤传感器的轴承安装到主轴上，将轴承座安装到轴承上，将连接管的一端与安装有光纤传感器的滚动体的孔洞粘接，使滚动体自转的同时能够驱动连接管同步自转，将连接管的另一端与自转用旋转接头的一端连接，自转用旋转接头另一端与公转用夹具固定连接，将光纤传感器的光导纤维穿过连接管和自转用旋转接头；将公转用夹具与轴承同轴安装，将公转用旋转接头安装在公转用夹具上，从自转用旋转接头出来的光导纤维穿过公转用旋转接头后与应变分析器连接；公转用旋转接头与自转用旋转接头均能将转动输入的光导纤维转化为静止输出的光导纤维；在轴承的保持架上安装保持架转速传感器，将保持架转速传感器与中央处理器连接，将中央处理器分别与主轴驱动电机、公转用夹具驱动电机、应变分析器连接；实施步骤B包括：在轴承座上施加一定的载荷F，载荷F经过轴承座的传导，最终作用在轴承的外圈上，进而作用在轴承的滚动体上；通过中央处理器对主轴驱动电机发出动作指令，使主轴驱动电机驱动主轴旋转，带动轴承旋转；轴承旋转的同时，保持架转速传感器将保持架的转速信息传递给中央处理器，中央处理器根据得到的保持架转速信息对公转夹具驱动电机发出同样转速的动作指令，实现公转用夹具与轴承的滚动体同步公转；轴承的滚动体在受载后的形变信息通过设置在滚动体的孔洞内的光纤传感器采集得到，并且通过光导纤维传导到应变分析器中；应变分析器将中央处理器传递的保持架转速信息处理成轴承的滚动体的绝对位置信息，同时将此时测量的滚动体的应变信息记录下来，生成载荷分布信息。

一种轴承内部载荷分布的测量装置，包括轴承、光纤传感器、主轴、轴承座、保持架转速传感器、中央处理器、主轴驱动电机、应变分析器；所述轴承安装在主轴上，轴承座安装在轴承上；所述光纤传感器固定在轴承的滚动体上，所述光纤传感器的光导纤维与应变分析器连接；所述保持架转速传感器安装在轴承的保持架上，所述保持架转速传感器与中央处理器、应变分析器依次连接；所述主轴驱动电机分别与中央处理器和主轴连接。

进一步地，所述轴承的滚动体的轴心开有孔洞，所述光纤传感器固定在所述孔洞内。

进一步地，还包括公转用夹具、自转用旋转接头、公转用旋转接头、公转用夹具驱动电机；所述公转用夹具与轴承同轴安装，自转用旋转接头和公转用旋转接头安装在公转用夹具上；公转用夹具驱动电机分别与中央处理器及公转用夹具连接；所述光纤传感器的光导纤维，依次穿过自转用旋转接头和公转用旋转接头后与应变分析器连接，所述自转用旋转接头由轴承的滚动体带动同步旋转，所述自转用旋转接头和公转用旋转接头用于将转动输入的光导纤维转化为静止输出的光导纤维。

进一步地，还包括连接管，所述连接管的一端连接轴承的滚动体且与所述孔洞连通，连接管的另一端连接自转用旋转接头；通过所述连接管，使自转用旋转接头与轴承的滚动体同步旋转。

进一步地，所述连接管为橡胶软管。

进一步地，所述光纤传感器通过固态胶固定在所述孔洞内。

本发明所涉及的轴承内部载荷分布的测量方法及测量装置能够测量轴承连续转动的滚动体上的应变变化情况，能够观测包括轴承承载区范围的滚动体载荷分布，是离散分布中不能明显显示的应变分布，这为新轴承的设计提供了实验数据，为轴承的计算提供了实际情况(轴承周边结构的刚度、轴承的实际变形)的修正系数的参考，为轴承在使用过程中提供了更准确的可靠性的参考；尤其适用于对轴承要求较高的领域。

附图说明

上述仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

图1是轴承结构示意图；

图2是安装有光纤维传感器的滚动体结构示意图；

图3是本发明的测量装置的整体结构示意图；

图4是测量方法中载荷施加示意图；

图5是滚动体在载荷作用下的应变图。

具体实施方式

实施例1

本发明的轴承内部载荷分布测量方法，主要是测量轴承在旋转且受载的情况下的内部载荷分布；在轴承的滚动体上安装一个光纤传感器，通过光纤传感器采集滚动体在受载后的形变信息，并通过光纤传感器的光导纤维传导给应变分析器；在轴承的保持架上安装保持架转速传感器，应变分析器将保持架转速信息处理成滚动体的位置信息，并结合滚动体的形变信息确定载荷分布情况。上述测量方法通过在轴承旋转且受载的情况下，在轴承的滚动体安装一个光纤传感器，通过滚动体自转及公转，能够全方位测量轴承内部360°的载荷分布情况，测量效果更好，而且还能够根据需要时时改变某一条件(例如载荷大小、转速高低等)完成对比试验，更有利于研发需要。

配合图1-3所示，上述方法基于下述部件：轴承1、光纤传感器2、自转用旋转接头3、橡胶软管4、公转用旋转接头5、公转用夹具6、保持架转速传感器7、中央处理器8、主轴驱动电机9、公转夹具驱动电机10、应变分析器11、主轴12、轴承座13。

上述方法具体包括安装步骤和实施步骤，其中：

配合图1、2所示，本发明所涉及的轴承1的滚动体1-1轴心上开有孔洞(可为贯通孔或非贯通孔)，光纤传感器2能够正好的安装在孔洞中，将光纤传感器2安放到滚动体1-1的孔洞中后，用固态胶2-2将滚动体1-1的孔洞完全填充，在填充的过程中一定要均匀，不能留有气泡，否则会影响光纤传感器2的测量结果的准确性，与此同时，要注意填充过程中不能过度挤压光导纤维2-1，否则会影响光纤传感器2的通讯。

配合图3所示，将安装有光纤传感器2的轴承1安装到主轴12上，将轴承座13安装到轴承1上，将橡胶软管4一端与安装有光纤传感器2的滚动体1-1的孔洞粘接，橡胶软管4具有一定的刚度，滚动体1-1自转的同时能够驱动橡胶软管4同步自转，将橡胶软管4的另一端与自转用旋转接头3连接，自转用旋转接头3一端与公转用夹具6固定连接，一端与具有一定刚度的橡胶软管4连接，能够实现在利用滚动体1-1的自转力使自转用旋转接头3旋转，而不会对光纤传感器2的光导纤维2-1施加任何力，最后将光纤传感器2的光导纤维2-1穿过橡胶软管4和自转用旋转接头3。

公转用夹具6与轴承1同轴安装，将公转用旋转接头5安装在公转用夹具6上，公转用旋转接头5的作用于自转用旋转接头3一样，都能够将转动输入的光导纤维2-1转化为静止输出的光导纤维2-1。

在轴承的保持架1-2上安装保持架转速传感器7，将保持架转速传感器7与中央处理器8连接，将中央处理器8分别与主轴驱动电机9、公转用夹具驱动电机10、应变分析器11连接。

测量实施时，按照如下步骤进行：

(1)在轴承座13上施加一定的载荷F，载荷F经过轴承座13的传导，最终作用在轴承1的外圈上，进而作用在轴承1的滚动体1-1上。

(2)通过中央处理器8对主轴驱动电机9发出动作指令，使主轴驱动电机9驱动主轴12旋转，带动轴承1旋转。

(3)轴承1旋转的同时，保持架转速传感器7会将保持架的转速信息(保持架转速与滚动体公转转速一致，与主轴转速不一致)传递给中央处理器8，中央处理器8根据得到的保持架转速信息对公转夹具驱动电机10发出同样转速的动作指令，实现公转用夹具6与轴承1的滚动体1-1同步公转。

(4)测试轴承1的滚动体1-1的在受载后的形变信息能够通过设置在滚动体1-1的孔洞的光纤传感器2采集得到，并且能够通过光导纤维2-1传导到应变分析器11中。

(5)应变分析器11能够将中央处理器8传递的保持架转速信息处理成测试轴承1的滚动体1-1的绝对位置信息，同时能够将此时测量的滚动体1的应变信息记录下来，生成如图4、5所示的信息。

实施例2

配合图1-3所示，本发明的轴承内部载荷分布测量装置，包括轴承1、光纤传感器2、主轴12、轴承座13、保持架转速传感器7、中央处理器8、主轴驱动电机9、应变分析器11；轴承1安装在主轴上12，轴承座13安装在轴承1上；光纤传感器2固定在轴承1的滚动体1-1上，光纤传感器2的光导纤维2-1与应变分析器11连接；保持架转速传感器7安装在轴承1的保持架1-2上，保持架转速传感器7与中央处理器8、应变分析器11依次连接；主轴驱动电机9分别与中央处理器8和主轴12连接。

上述滚动体1-1的轴心开有孔洞，光纤传感器2通过固态胶2-1固定在孔洞内。

上述测量装置还包括公转用夹具6、自转用旋转接头3、公转用旋转接头5、公转用夹具驱动电机10；公转用夹具6与轴承1同轴安装，自转用旋转接头3和公转用旋转接头5安装在公转用夹具6上，公转用夹具驱动电机10分别与中央处理器8及公转用夹具6连接；光纤传感器2的光导纤维2-1，依次穿过自转用旋转接头3和公转用旋转接头5后与应变分析器11连接，自转用旋转接头3由滚动体1-1带动同步旋转，自转用旋转接头3和公转用旋转接头5用于将转动输入的光导纤维2-1转化为静止输出的光导纤维2-1。

上述测量装置还包括橡胶软管4，橡胶软管4的一端连接轴承的滚动体1-1且与孔洞连通，橡胶软管4的另一端连接自转用旋转接头3；通过橡胶软管4，使自转用旋转接头3与滚动体1-1同步旋转。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种轴承内部载荷分布的测量方法，其特征在于，测量轴承在旋转且受载的情况下的内部载荷分布；

在轴承的滚动体上安装一个光纤传感器，通过光纤传感器采集滚动体在受载后的形变信息，并通过光纤传感器的光导纤维传导给应变分析器；

在轴承的保持架上安装保持架转速传感器，应变分析器将保持架转速信息处理成滚动体的位置信息，并结合滚动体的形变信息确定载荷分布情况。

2.根据权利要求1所述的轴承内部载荷分布的测量方法，其特征在于，在滚动体轴心开设一个孔洞，所述光纤传感器固定在所述孔洞内。

3.根据权利要求1或2所述的轴承内部载荷分布的测量方法，其特征在于，所述光导纤维经过中间传递部件与应变分析器连接，所述中间传递部件用于将转动输入的光导纤维转化为静止输出的光导纤维。

4.根据权利要求1所述的轴承内部载荷分布的测量方法，其特征在于，所述方法基于下述部件：轴承、光纤传感器、自转用旋转接头、连接管、公转用旋转接头、公转用夹具、保持架转速传感器、中央处理器、主轴驱动电机、公转夹具驱动电机、应变分析器、主轴、轴承座；

所述方法具体包括安装步骤A和实施步骤B，其中：

安装步骤A包括：

将一个光纤传感器固定在轴承的滚动体轴心开设的孔洞中；

将安装有光纤传感器的轴承安装到主轴上，将轴承座安装到轴承上，将连接管的一端与安装有光纤传感器的滚动体的孔洞粘接，使滚动体自转的同时能够驱动连接管同步自转，将连接管的另一端与自转用旋转接头的一端连接，自转用旋转接头另一端与公转用夹具固定连接，将光纤传感器的光导纤维穿过连接管和自转用旋转接头；

将公转用夹具与轴承同轴安装，将公转用旋转接头安装在公转用夹具上，从自转用旋转接头出来的光导纤维穿过公转用旋转接头后与应变分析器连接；公转用旋转接头与自转用旋转接头均能将转动输入的光导纤维转化为静止输出的光导纤维；

在轴承的保持架上安装保持架转速传感器，将保持架转速传感器与中央处理器连接，将中央处理器分别与主轴驱动电机、公转用夹具驱动电机、应变分析器连接；

实施步骤B包括：

在轴承座上施加一定的载荷F，载荷F经过轴承座的传导，最终作用在轴承的外圈上，进而作用在轴承的滚动体上；

通过中央处理器对主轴驱动电机发出动作指令，使主轴驱动电机驱动主轴旋转，带动轴承旋转；

轴承旋转的同时，保持架转速传感器将保持架的转速信息传递给中央处理器，中央处理器根据得到的保持架转速信息对公转夹具驱动电机发出同样转速的动作指令，实现公转用夹具与轴承的滚动体同步公转；

轴承的滚动体在受载后的形变信息通过设置在滚动体的孔洞内的光纤传感器采集得到，并且通过光导纤维传导到应变分析器中；

应变分析器将中央处理器传递的保持架转速信息处理成轴承的滚动体的绝对位置信息，同时将此时测量的滚动体的应变信息记录下来，生成载荷分布信息。

5.一种轴承内部载荷分布的测量装置，其特征在于，包括轴承、光纤传感器、主轴、轴承座、保持架转速传感器、中央处理器、主轴驱动电机、应变分析器；

所述轴承安装在主轴上，轴承座安装在轴承上；

所述光纤传感器固定在轴承的滚动体上，所述光纤传感器的光导纤维与应变分析器连接；

所述保持架转速传感器安装在轴承的保持架上，所述保持架转速传感器与中央处理器、应变分析器依次连接；

所述主轴驱动电机分别与中央处理器和主轴连接。

6.根据权利要求5所述的轴承内部载荷分布的测量装置，其特征在于，所述轴承的滚动体的轴心开有孔洞，所述光纤传感器固定在所述孔洞内。

7.根据权利要求6所述的轴承内部载荷分布的测量装置，其特征在于，还包括公转用夹具、自转用旋转接头、公转用旋转接头、公转用夹具驱动电机；

所述公转用夹具与轴承同轴安装，自转用旋转接头和公转用旋转接头安装在公转用夹具上；公转用夹具驱动电机分别与中央处理器及公转用夹具连接；

所述光纤传感器的光导纤维，依次穿过自转用旋转接头和公转用旋转接头后与应变分析器连接，所述自转用旋转接头由轴承的滚动体带动同步旋转，所述自转用旋转接头和公转用旋转接头用于将转动输入的光导纤维转化为静止输出的光导纤维。

8.根据权利要求7所述的轴承内部载荷分布的测量装置，其特征在于，还包括连接管，所述连接管的一端连接轴承的滚动体且与所述孔洞连通，连接管的另一端连接自转用旋转接头；通过所述连接管，使自转用旋转接头与轴承的滚动体同步旋转。

9.根据权利要求8所述的轴承内部载荷分布的测量装置，其特征在于，所述连接管为橡胶软管。

10.根据权利要求6所述的轴承内部载荷分布的测量装置，其特征在于，所述光纤传感器通过固态胶固定在所述孔洞内。