CN106197767B - 轴承支承的动态径向载荷测量机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种轴承支承的动态径向载荷测量机构，包括安装底座、支承套筒、测力框架和端盖。支承套筒以其第一侧安装于该安装底座上。测力框架安装于该支承套筒上，该测力框架包括承力内环、多个径向支承部件、以及多个力传感器；该承力内环安装于该支承套筒内圈，该承力内环的内圈用于安装轴承及转子，该承力内环的外圈具有多个安装槽，各力传感器安装在各对应的安装槽内；各径向支承部件一端顶抵各对应的力传感器，另一端与该支承套筒接触以由该支承套筒限制径向位置。端盖安装于该支承套筒与该第一侧相对的第二侧。本发明可以在不改变原有支承系统的刚度的情况下实施测量。

Description

轴承支承的动态径向载荷测量机构

技术领域

本发明涉及测量装置，尤其是涉及一种轴承支承的动态径向载荷测量机构。

背景技术

旋转机械的转子通过轴承支承于轴承支座上，实现静态部件对动态旋转部件的静-动支承。旋转的转子会对轴承及轴承支座产生动态或瞬态载荷，这些载荷是决定轴承寿命的关键因素，同时也是合理设计支承系统的重要依据。高速旋转的转子-支承系统，是一种高频动-静支承系统。转子施加于支承系统的动态载荷具有丰富的动态特性；此外，在转子受到瞬态激励时，这种动态载荷又具有很强的瞬态特性。航空发动机风扇叶片脱落所引起的瞬态不平衡冲击载荷即属于瞬态载荷，这一载荷是发动机支承及结构设计的重要指标。因此确定转子对支承系统的动态或瞬态载荷显得至关重要。而不同于其它静态或准静态机械系统，旋转机械由于转子的旋转，难以直接测量或计算出转子对支承的动态载荷。

现有转子动载荷的测量通常采用应变测量的方法，通过在轴承与轴承座之间设置曲梁，采用应变桥测量曲梁应变来测量转子施加于轴承的动载荷。该方法主要的问题是：曲梁会改变原有系统的支承刚度，且为设置曲梁通常需要修改轴承或轴承支承的结构，且对不同结构尺寸的轴承都必须重新设计曲梁，影响测量精度的因素多，对设计、加工、装配要求较高，另外测量精度受曲梁应变标定精度影响大，而且标定过程较为复杂。例如一种已知方法采用的是具有圆弧结构的非对称曲梁，轴承外环与曲梁设计成整体式。这就需要改变原有轴承结构，此外由于曲梁是非对称的，这种结构会引起轴承支承刚度异性，支承系统的刚度也发生改变，不利于转子-支承系统的稳定性。另一种已知的方法采用的是具有“弓”字型结构的曲梁，且在圆周上布置4个对称曲梁，通过测量“弓”字型曲梁的应变来获得轴承支承载荷，该结构可以消除支承的各向异性，但同样会改变原有支承系统刚度，即轴承支承刚度由曲梁刚度决定；此外曲梁结构较为复杂，无论是与轴承设计成一体式或是相互分开，其对加工、装配精度要求较高；另外多个曲梁也会进一步增加传感器标定的难度。

另一种方法是测量轴承座的应变，并通过数值仿真分析和标定试验，建立转子动载荷与轴承座应变间的对应关系。该方法不会改变原有支承刚度，也较易于实施，但是主要缺点是引入了轴承座及其它支承结构的惯性，测量误差较大，且不能直接反映转子的动态载荷。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种轴承支承的动态径向载荷测量机构，以在不改变原有支承系统的刚度的情况下实施测量。

本发明为解决上述技术问题而采用的技术方案是提出一种轴承支承的动态径向载荷测量机构，包括安装底座、支承套筒、测力框架和端盖。支承套筒以其第一侧安装于该安装底座上。测力框架安装于该支承套筒上，该测力框架包括承力内环、多个径向支承部件、以及多个力传感器；该承力内环安装于该支承套筒内圈，该承力内环的内圈用于安装轴承及转子，该承力内环的外圈具有多个安装槽，各力传感器安装在各对应的安装槽内；各径向支承部件一端顶抵各对应的力传感器，另一端与该支承套筒接触以由该支承套筒限制径向位置。端盖安装于该支承套筒与该第一侧相对的第二侧。

在本发明的一实施例中，该测力框架还包括锁紧机构，连接各径向支承部件以限制各径向支承部件的旋转。

在本发明的一实施例中，该锁紧机构包括多个锁紧铰链和多个锁紧部件，各锁紧部件连接各径向支承部件，各锁紧铰链将各锁紧部件连接为一体，使各锁紧部件具有各径向支承部件拧紧方向的力矩。

在本发明的一实施例中，各径向支承部件的另一端径向穿过该支承套筒且与该支承套筒螺纹链接。

在本发明的一实施例中，该支承套筒具有对应各径向支承部件的弹性元件，各弹性元件一端设于该支承套筒上，另一端径向顶抵各径向支承部件的另一端。

在本发明的一实施例中，各径向支承部件为螺栓，且各锁紧部件为锁紧扳手。

在本发明的一实施例中，测量机构还包括多个防转螺钉，该承力内环通过该多个防转螺钉固定到该安装底座上。

在本发明的一实施例中，该安装底座具有第一垫片，该第一垫片与该支承套筒及该轴承的第一侧相对且具有第一间隙，该端盖具有第二垫片，该第二垫片与该轴承及该承力内环的第二侧相对且具有第二间隙。

在本发明的一实施例中，该支承套筒上具有润滑油的进油孔和出油孔。

在本发明的一实施例中，该端盖上具有力传感器的引线孔。

本发明由于测量机构中的测力框架使用承力内环、压电式传感器和径向支承部件来传递径向载荷，不需要改变轴承结构，对轴承支承结构也无需作较大的改动，从而不改变原有支承系统的刚度，测量机构各零部件结构相对简单、易于加工，测量方案易于实施。

附图说明

为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明，其中：

图1示出本发明一实施例的轴承支承的动态径向载荷测量机构的分解状态。

图2示出本发明一实施例的测力框架结构分解图。

图3A和3B示出本发明一实施例的承力框架内环结构图。

图4示出本发明一实施例的锁紧机构结构分解图。

图5示出本发明一实施例的轴承支承的动态径向载荷测量机构的组装状态的立体图。

图6A示出本发明一实施例的轴承支承的动态径向载荷测量机构的组装状态的主视图。

图6B示出图6A的A-A剖视图。

图6C示出图6A的B-B剖视图。

图7示出本发明一实施例的轴向限位及反转机构。

图8A示出图7的轴向限位及反转机构的主视图。

图8B示出图8A的C-C剖视图。

图8C示出图8A的D-D剖视图。

具体实施方式

本发明的实施例描述轴承支承的动态径向载荷测量机构，它无需改变轴承结构，对轴承支承也只需做较少的修改，从而不改变原有支承系统的刚度。

考虑到转子对支承的动态载荷与支承对转子的动态支承力互为反力，本发明的实施例通过测量动态径向支承反力，来实现对转子动态载荷的测量。

图1示出本发明一实施例的轴承支承的动态径向载荷测量机构的分解状态。参考图1所示，本实施例测量机构100包括安装底座101、测力框架102、支承套筒103和端盖104。安装底座101是整个测量机构100的底座，用于安装支承套筒103。支承套筒103以其第一侧(图1中左后侧)安装于安装底座101上。测力框架103安装于支承套筒103上。测力框架103上安装需要测量的轴承202和转子201。测力框架102与支承套筒103用于实现对轴承202的径向定位和径向载荷的传递，以及对径向支承反力的测量。端盖104安装于支承套筒103的与第一侧相对的第二侧(图1中右前侧)。安装底座101可以对测力框架102的一侧轴向限位，并可实现对后端面的密封。端盖104可以对测力框架102的另一侧的轴向限位，并可实现对前端面的密封。

上述部件之间可以通过螺栓来安装。例如支承套筒103可以通过螺栓安装于安装底座101上，测力框架102通过螺栓安装于支承套筒103上，端盖104通过螺栓212(参考图5)安装于支承套筒103上。当然，上述部件之间也可以通过其它可用方式来安装。

在一实施例中，可以在支承套筒103上开有润滑油的进油孔和出油孔，实现对系统的润滑。此外，端盖104还开有传感器数据的引线孔104a，用于引出传感器数据线。

图2示出本发明一实施例的测力框架结构分解图。图3A和3B示出本发明一实施例的承力框架内环结构图。参考图2和图3A、3B所示，测力框架103包括承力内环203、多个径向支承部件204以及多个力传感器205。承力内环203是测力框架的关键部件，用于安装轴承202和力传感器205，并将轴承载荷传递给力传感器205，实现对轴承支反力的测量。承力内环203的外圈具有多个安装槽301，各力传感器205安装在各对应的安装槽301。作为举例，各安装槽301是开在承力内环203的水平、竖直平面内，沿径向在左、右、上、下4个方位。较佳地，各安装槽301的槽中心位置设有凸圆柱302用于力传感器205的定位。各径向支承部件204一端顶抵各对应的力传感器205。各径向支承部件204可尽量将对应的力传感器205顶紧在承力内环203之上，实现对轴承202及承力内环203的径向定位。

为尽量减小承力内环203的质量对轴承支反力测量精度的影响，承力框架内环的质量最好尽量减小。为此，可在承力内环203的端面开设多个减重圆孔及腰孔304(如图3A及图3B)，用于去除材料，减轻承力内环203的质量。

在安装转子201及轴承时，转子201安装于轴承202的内圈，轴承202的外圈可以采用过盈配合安装于承力内环203的内圈中。

图5示出本发明一实施例的轴承支承的动态径向载荷测量机构的组装状态的立体图。参考图5所示，当安装时，承力内环203是安装于支承套筒103的内圈，从而实现测力框架103的安装。承力内环203的外圈与支承套筒103的内圈可以采用大间隙配合。各径向支承部件204的另一端会径向穿过支承套筒103且与支承套筒103的各对应螺孔103a(参考图1)螺纹连接。这种结构可以让各径向支承部件与支承套筒103接触以由支承套筒103限制各径向支承部件的径向位置。但是本发明的并不限定于这一实施例，支承套筒103也可以采用其它方式与各径向支承部件接触以达到限制其径向位置的作用。例如在图未示的另一实施例中，支承套筒具有对应各径向支承部件的弹性元件(如弹簧)，各弹性元件一端设于支承套筒上，另一端则径向顶抵各径向支承部件的另一端。依靠弹性元件的力来径向限制各径向支承部件。

径向支承部件204是测力框架102的关键部件，转子201运动时的径向动态载荷由径向支承部件204来承载。根据力传感器205安装时对预紧力的要求，径向支承部件204应适当拧紧并保持对力传感器205的有合适的预紧力。径向支承部件204已通过螺纹安装于支承套筒103上，进而将径向载荷传递至安装底座101。进一步，通过锁紧机构连接各径向支承部件204以限制各径向支承部件204的旋转以防止松动，并保持适当预紧力。为此，锁紧机构可包括多个锁紧铰链206及多个锁紧部件207，各锁紧部件207连接各径向支承部件204，各锁紧铰链206将各锁紧部件207连接为一体，使各锁紧部件207具有朝各径向支承部件拧紧方向的力矩。

在一实施例中，各径向支承部件204例如是螺栓，相应地，锁紧部件207例如是锁紧扳手。更具体地说，锁紧部件207例如是T型内六角扳手，在其两端悬臂上均开有孔，以便于锁紧铰链206连接。

对径向支承部件的锁紧可以通过如下方式来实现。如图4所示，首先将径向支承部件204拧入支承套筒103对应的螺孔103a内；然后将锁紧部件207拧入径向支承部件204头内的内六角孔内；最后用锁紧铰链207将锁紧部件207顺序串联，且锁紧铰链207保持适当的拉力，并使得锁紧部件207能够产生顺径向支承部件204拧紧方向的力矩。

在一实施例中，径向支承部件204、力传感器205、锁紧铰链206、锁紧部件207的数量可以是各4个。

径向支反力测力机构仅仅约束了半径方向的自由度，没有约束轴向自由度，为了防止转子201的轴向窜动，需要约束轴向运动。并且，为了防止测力机构绕转子轴的转动，还需要设置防转机构。图7示出本发明一实施例的轴向限位及反转机构。图8A示出图7的轴向限位及反转机构的主视图。图8B和图8C分别示出图8A的剖视图。参考图7及图8A-8C所示，安装底座101上具有第一垫片208，其通过内十字螺钉211安装于安装底座101上。第一垫片208及安装底座101配合以实现轴向限位。为此，第一垫片208与支承套筒103及轴承202的第一侧相对且具有第一间隙。如图8B中局部放大视图(I)所示，这一第一间隙为小间隙。

类似地，端盖104具有第二垫片209，其通过内十字螺钉211安装于端盖104上。第二垫片209与端盖104配合以实现轴向限位。为此，第二垫片209与轴承202及承力内环203的第二侧相对且具有第二间隙。如图8C中局部放大视图(II)所示，这一第二间隙为小间隙。也就是说，在间隙大小的设置上，第一间隙和第二间隙需要保证能够分隔垫片和支承套筒103、轴承202、承力内环203等部件，且在这些部件轴向窜动一定幅度时能够限位这些部件。

较佳地，第一垫片208及第二垫片209均尽可能光滑，即具有足够低的摩擦系数，以避免影响测量。第一垫片208及第二垫片209均可以采用低摩擦系数的耐磨铜质材料。正常状态下第一垫片208及第二垫片209与轴承202及承力内环203均不发生接触，当轴承202及承力内环203由于轴向窜动而压紧第一垫片209或第二垫片208时，由于其采用低摩擦系数的耐磨铜材，所产生的径向摩擦力较小，从而减小了对径向支反力测量的影响。

轴承202及承力内环203的防转是通过防转螺钉210来实现的，如图7所示，2个防转螺钉210的一端采用螺纹安装于安装底座101的两个轴对称位置上，另一端插入承力内环203上的防转螺钉孔303(如图3)，且防转螺钉210与防转螺钉孔303之间采用小间隙配合，如图8C中的局部放大图(II)所示。

下面描述径向支反力的测量原理。

要实现对径向支反力的测量，必须保证轴承所承受的径向动载荷沿且仅沿布置有力传感器的路径传递，图6A-6C给出了径向支反力测量的示意图，图中略去了锁紧机构。

径向动载荷的传递路径如下：转子201施加于轴承202的动载荷，经承力内环203传递至力传感器205，并经由径向支承部件204传递至支承套筒103，最终传递至安装底座101。力传感器205由承力内环203中的圆柱面(图3中302)定位，如图6B中的局部视图(II)所示。承力内环203与支承套筒(103)之间采用大间隙配合，确保整个测试过程中两者不发生接触，如图6C中的局部视图(I)所示，以保证转子径向动载荷仅仅通过力传感器205传递。转子径向动载荷经过上述传递路径传递至力传感器205，即可由力传感器205测得径向支反力。

本发明实施例的测量机构相比现有方案具有如下优点：

1、本发明的测力框架使用承力内环、压电式传感器和径向支承部件来传递径向载荷，不需要改变轴承结构，对轴承支承结构也无需作较大的改动，从而不改变原有支承系统的刚度，测量机构各零部件结构相对简单、易于加工，测量方案易于实施；

2、本发明采用了一种结构简单、轻巧的承力内环，作为径向载荷传递的中间机构，用于力传感器的安装及轴承的固定，并通过减小承力框架内环的质量，降低其惯性对动态径向支反力测量精度的影响；

3、本发明采用一种锁紧部件与锁紧铰链构成的锁紧结构，实现对径向支承部件的锁紧及预紧，使之不易松动；

4、本发明通过在承力框架内环上设置防转螺钉孔，配合防转螺钉，来防止承力框架内环的转动；

5、本发明通过安装底座及端盖的端面，来限制轴承及承力框架内环的轴向自由度，防止其发生大的轴向窜动，使得该机构具有一定的轴向载荷承载能力；

6、本发明通过在安装底座及端盖的端面设置低摩擦系数的垫片，来减小垫片与轴承及承力框架内环端面在接触时的径向摩擦阻力，从而减小其对径向支反力的影响，提高测量精度。

本发明实现了对旋转机械的支承系统对转子的动态径向支反力的测量，可实现对转子动态载荷的测量，可用于各类中、小型转子试验台，亦可用于需要监测支反力的旋转机械。

虽然本发明已参照当前的具体实施例来描述，但是本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，在没有脱离本发明精神的情况下还可作出各种等效的变化或替换，因此，只要在本发明的实质精神范围内对上述实施例的变化、变型都将落在本申请的权利要求书的范围内。

Claims (9)

1.一种轴承支承的动态径向载荷测量机构，包括：

安装底座；

支承套筒，以其第一侧安装于该安装底座上；

测力框架，安装于该支承套筒上，该测力框架包括承力内环、多个径向支承部件、多个力传感器以及锁紧机构；该承力内环安装于该支承套筒内圈，该承力内环的内圈用于安装轴承及转子，该承力内环的外圈具有多个安装槽，各力传感器安装在各对应的安装槽内；各径向支承部件一端顶抵各对应的力传感器，另一端与该支承套筒接触以由该支承套筒限制径向位置；该锁紧机构连接各径向支承部件以限制各径向支承部件的旋转；以及

端盖，安装于该支承套筒与该第一侧相对的第二侧。

2.如权利要求1所述的轴承支承的动态径向载荷测量机构，其特征在于，该锁紧机构包括多个锁紧铰链和多个锁紧部件，各锁紧部件连接各径向支承部件，各锁紧铰链将各锁紧部件连接为一体，使各锁紧部件具有各径向支承部件拧紧方向的力矩。

3.如权利要求1所述的轴承支承的动态径向载荷测量机构，其特征在于，各径向支承部件的另一端径向穿过该支承套筒且与该支承套筒螺纹连接。

4.如权利要求1所述的轴承支承的动态径向载荷测量机构，其特征在于，该支承套筒具有对应各径向支承部件的弹性元件，各弹性元件一端设于该支承套筒上，另一端径向顶抵各径向支承部件的另一端。

5.如权利要求1所述的轴承支承的动态径向载荷测量机构，其特征在于，各径向支承部件为螺栓，且各锁紧部件为锁紧扳手。

6.如权利要求1所述的轴承支承的动态径向载荷测量机构，其特征在于，还包括多个防转螺钉，该承力内环通过该多个防转螺钉固定到该安装底座上。

7.如权利要求1所述的轴承支承的动态径向载荷测量机构，其特征在于，该安装底座具有第一垫片，该第一垫片与该支承套筒及该轴承的第一侧相对且具有第一间隙，该端盖具有第二垫片，该第二垫片与该轴承及该承力内环的第二侧相对且具有第二间隙。

8.如权利要求1所述的轴承支承的动态径向载荷测量机构，其特征在于，该支承套筒上具有润滑油的进油孔和出油孔。

9.如权利要求1所述的轴承支承的动态径向载荷测量机构，其特征在于，该端盖上具有力传感器的引线孔。