CN107917807B - 一种基于转子-轴承系统测试滚动轴承动力特性的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于轴承的动力特性测试技术领域，特别涉及一种基于转子‑轴承系统测试滚动轴承动力特性的装置。包括底板及设置于底板上的电机组件、联轴器、加速器、待测轴承组件、轮盘、传动轴、转速传感器、位移传感器及同轴度传感器，其中传动轴两端由对称分布的两个待测轴承组件支撑、且传动轴的一端通过联轴器与加速器和电机组件相连，轮盘套设于传动轴上、且随传动轴一起转动，转速传感器和位移传感器分别用来测量转子‑轴承系统的转速和传动轴的位移，同轴度传感器用于测量传动轴上各部件的同轴度。本发明结构简单、易于操作可准确测算出待测轴承的动力特性，并作为建立滚动轴承动力特性数据库的基本手段。
Description
技术领域
本发明属于轴承的动力特性测试技术领域，特别涉及一种基于转子-轴承系统测试滚动轴承动力特性的装置。
背景技术
轴承的动力特性对转子-轴承系统的动力特性有重要的影响。在转子动力学分析中，首先要处理的是临界转速预估、不平衡响应计算以及动力优化设计等问题，在这些分析中，轴承的动力特性(等效刚度与等效阻尼)具有很重要的影响。对于各种滑动轴承，已有比较系统的动力特性数据可供参考使用，而对于滚动轴承支承的转子，在过去一般分析中，最简化的处理是把轴承当作刚性支承，这对于很柔软的转子，可能是比较接近的，然而对于一般航空发动机或其它高速旋转机械，这种简化则过于粗糙了。
采用各种统计数据而选定某一定值作为滚动轴承的刚度，或按经验公式估算其刚度特性，已延用多年，在某种程度上，可以满足转子动力学分析的需要。然而，选定刚度值不同，可能对分析结果带来很大的差别。因此，正确地确定滚动轴承的动力特性，就显得特别重要。
滚动轴承的动力特性受到轴承本身结构参数运行条件、载荷状况以及润滑环境等诸多因素的影响，具体反映在滚动体与内外环之间的固体接触弹性变形、滚动体与内外环之间形成的润滑膜的厚度变化、轴承游隙的存在与变化。因此，对滚动轴承动力特性的分析涉及固体接触的弹性变形与弹性流体动力润滑分析及其相互影响修正。由于分析计算中不可避免地要采取一系列简化假设，必然给计算结果带来一定的误差。
为了在工程上有一套比较实用的可靠数据，采用试验测定方法就显得特别重要与迫切。过去的一些测试，或者是在轴承静止的非旋条件下，或者是在某一转速下，通过外界激励来分析滚动轴承的动力特性，它代表了滚动轴承在该特殊条件下，抵抗外界干扰的能力。而作为转子动力学分析所需要的特性，是指轴承在转子不平衡力作用下，或其它周期力作用下所产生的涡动量(相应的径向位移)，即所谓等效刚度与相应的等效阻尼。关于这一方面，几乎没有任何公开发表的资料可供参考。国内外曾经有些学者提出过类似的等效刚度与等效阻的测试方案，但未见付诸实行，主要原因可能是实测的复杂性与难度较大。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种基于转子-轴承系统测试滚动轴承动力特性的装置。本发明结构简单、易于操作可准确测算出待测轴承的动力特性，并作为建立滚动轴承动力特性数据库的基本手段。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于转子-轴承系统测试滚动轴承动力特性的装置，包括底板及设置于底板上的电机组件、联轴器、加速器、待测轴承组件、轮盘、传动轴、转速传感器、位移传感器及同轴度传感器，其中传动轴两端由对称分布的两个待测轴承组件支撑、且传动轴的一端通过联轴器与加速器和电机组件相连，所述轮盘套设于传动轴上、且随传动轴一起转动，所述转速传感器和位移传感器分别用来测量轮盘的转速和位移，所述同轴度传感器用于测量传动轴上各部件的同轴度。
所述待测轴承组件包括预紧螺母、推力球轴承、力传感器、弹簧、待测轴承、轴承端盖、轴承座及轴承座支架，其中，轴承座支架安装于底板上，轴承座与轴承座支架相连，预紧螺母与轴承座的一端螺纹连接，并通过推力球轴承与力传感器连接；待测轴承设置于轴承座的另一端，轴承端盖与轴承座螺钉连接并对待测轴承轴向限位，所述弹簧容置于轴承座内、且受限与力传感器与待测轴承之间，所述力传感器用于测量旋转预紧螺母施加的预紧力。
所述轴承座上端开有用于所述力传感器的数据线通过的条形孔。
所述弹簧的两端设有弹簧挡圈。
所述被测轮盘包括螺钉、端盖、胀紧套及盘，其中盘通过阶梯状内孔对胀紧套轴向限位，端盖通过螺钉与盘相连。
所述转速传感器通过转速传感器磁力架安装在底板上；所述位移传感器通过位移传感器磁力架安装在底板上，所述转速传感器和位移传感器分别设置在轮盘的左、右两侧。
所述同轴度传感器安装于滑块上，滑块在导轨上水平移动以测试所述传动轴上各零部件的同轴度。
本发明的优点与有益效果是：
1.本发明利用端盖与胀紧套连接，可以实现对转子跨度、轮盘位置或质量的改变，从而改变转子-轴承系统的临界转速，得到一系列相应的轴承动力特性。
2.本发明通过预紧螺母施加预紧力，测试不同预紧力下滚动轴承的动力特性，结构简单，操作方便；预紧力的大小通轮辐式负荷传感器测出，数据准确可靠，误差小。
3.本发明设置了同轴度传感器，可保证零部件具有较好的同轴度，减小误差，保证了实验数据的可靠准确。
4.本发明与以往在静态或在某一定转速下，用定向激励的方法相比，可以得到滚动轴承等效刚度与等效阻尼的比较完善的频响特性。
5.通过本发明的思想理论，可用于测量轴承的动力特性，从而作为建立滚动轴承动力特性数据库的基本手段，为相关的仿真分析，选择合理的预紧力及轴承配对方式提供数据依据。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明中待测轴承组件的爆炸图；
图3为本发明中待测轴承组件的轴测图；
图4为本发明中待测轴承组件的剖视图；
图5为本发明中被测轮盘的爆炸图；
图6为本发明中被测轮盘的剖视图；
图7为本发明中被测轮盘部位的放大图；
图8为本发明中单盘转子-轴承系统的幅频特性。
图中：1为底板，2为电机组件，3为联轴器，4为加速器，5为待测轴承组件，6为转速传感器，7为轮盘，8为位移传感器，9为传动轴，10为位移传感器磁力架，11为滑块，12为同轴度传感器，13为转速传感器磁力架，14为导轨，15为预紧螺母，16为推力球轴承，17为力传感器，18为弹簧挡圈，19为轴承座，20为弹簧，21为轴承座支架，22为待测轴承，23为轴承端盖，24为螺钉，25为端盖，26为胀紧套，27为轮盘。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
如图1所示，本发明提供的一种基于转子-轴承系统测试滚动轴承动力特性的装置，包括底板1及设置于底板1上的电机组件2、联轴器3、加速器4、待测轴承组件5、轮盘7、传动轴9、转速传感器6、位移传感器8及同轴度传感器12，其中传动轴9两端由对称分布的两个待测轴承组件5支撑、且传动轴9的一端通过联轴器3与加速器4和电机组件2相连，轮盘7套设于传动轴9上、且随传动轴9一起转动，转速传感器6和位移传感器8分别用来测量轮盘7的转速和位移，同轴度传感器12用于测量传动轴9上各部件的同轴度。
如图1、图7所示，转速传感器6通过转速传感器磁力架13安装在底板1上，位移传感器8通过位移传感器8磁力架10安装在底板1上，转速传感器6和位移传感器8分别设置在轮盘7的左、右两侧。同轴度传感器12安装于滑块11上，滑块11在导轨14上水平移动以测试传动轴9上各零部件的同轴度。
如图2-4所示，待测轴承组件5包括预紧螺母15、推力球轴承16、力传感器17、弹簧20、待测轴承22、轴承端盖23、轴承座19及轴承座支架21，其中，轴承座支架21安装于底板1上，轴承座19与轴承座支架21相连，预紧螺母15与轴承座19的一端螺纹连接，并通过推力球轴承16与力传感器17连接；待测轴承22设置于轴承座19的另一端，轴承端盖23与轴承座19螺钉连接并对待测轴承22轴向限位，弹簧20容置于轴承座19内、且受限与力传感器17与待测轴承22之间，力传感器17用于测量旋转预紧螺母15施加的预紧力。
进一步地轴承座19上端开有用于力传感器17的数据线通过的条形孔。弹簧20的两端设有弹簧挡圈18。
如图5-6所示，被测轮盘7包括螺钉24、端盖25、胀紧套26及盘27，其中盘27通过阶梯状内孔对胀紧套26轴向限位，端盖25通过螺钉24与盘27相连。
通过预紧螺钉24使端盖25对胀紧套26产生轴向力，在胀紧套26的内环与传动轴9之间、外环与轮毂之间产生巨大抱紧力，实现无键连接。通过松开螺钉，即可重新调整轮盘7的位置并重新紧固。
转速传感器6、位移传感器8和同轴度传感器12分别用来测量被测轮盘7的转速、位移以及转子上零部件的同轴度。
本发明的工作原理是：由转子-轴承系统的频响特性确定轴承的动力特性。
滚动轴承的动力特性(等效刚度和等效阻尼)直接影响转子-轴承系统的动力特性，即临界转速及频响特性等。利用这一关系，可用一已知标准转子，安装在待测轴承上，测定其临界转速与频响特性，反算出被测轴承的等效刚度与等效阻尼。
具体步骤如下所述：
如图1所示，转子-轴承系统的临界转速可表示为：
Kc＝Keq/Meq (1)
式中，Kc为转子-轴承系统的临界转速，Meq是转子-轴承系统的当量质量(kg)，Keq是转子-轴承系统的当量刚度。
转子-轴承系统的当量质量由轮盘7的集中质量M与传动轴9的等效质量meq组成，当被测轮盘7位于传动轴9跨度中央时，质量为m的传动轴9的等效质量为
当量刚度Keq由传动轴9的刚度Ks与待测轴承22的等效刚度Kb串联而成，转子-轴承系统当量刚度Keq可表示为：
传动轴9在跨度中点的抗弯刚度由材料力学已知为
Ks＝48EI/L3(N/m) (4)
式中E是传动轴9材料的弹性模量，I是传动轴9横截面的轴惯性矩(m4)，L是传动轴9的跨度。
有上述过程可知：
①.转子-轴承系统等效刚度Keq的求法
由式(1)，转子-轴承系统的临界转速Kc由实验测得，转子轴承系统当量质量Meq可由式(2)中meq及已知盘的质量M求得，因此，Keq可得。
②.轴承等效刚度Kb的求法
由式(3)，轴的抗弯刚度Ks由式(4)求得，由①求得的Keq，因此，Kb可得。
如图8所示，单盘转子-轴承系统的频响特性，在幅频特性曲线上，C点为最大振幅点，对应的频率Kc为临界转速。半功率点，即0.707Vmax对应的幅频特性曲线上的A、B两点，相应的频率为KA、KB，由振动理论已知，当阻尼较小时，阻尼比Y可近似地表示为
Y≈(KB-KA)2kc (5)
阻尼系数C为
C＝2MegkcY＝Meg(KB-KA) (6)
一般认为转子-轴承系统的内阻尼很小，可略去不计，于是所求得的阻尼便是待测轴承22的等效阻尼Cb：
由于滚动轴承的动力特性与转速有密切的关系，用上述方法确定的等效刚度Kb与等效阻尼Cb只是对应于转速Kc时的动力特性参数值。为了获得在一定转速范围内滚动轴承的动力特性数据，必须采用具有不同临界转速的转子-轴承系统。改变待测轴承的预紧力、转子的跨度、轮盘的位置或质量，都可以改变转子-轴承系统的临界转速，通过测试可得到一系列数据，并得到相应的等效刚度和等效阻尼系数。
采用这种方法测试滚动轴承的动力特性，对仪器系统的要求不是很高，也无需对测试系统作精确的数值标定。但对转子-轴承系统试验台本身则有较高的要求：①具有足够宽的转速范围，最高运行转速应超过滚动轴承动力特性测定转速1.3倍以上；②转轴必须具有高度的平直度与同心度，以免造成难以越过临界转速而无法正确测定滚动轴承的动力特性；③轴的刚度不能太低，否则难以准确换算滚动轴承的动力特性；④在同一试验台上应能方便地改变转子的跨度，以便改变转子-轴承系统的临界转速，测得在相应转速下的滚动轴承的动力特性。
本发明用于测试滚动轴承的动力特性(等效刚度和等效阻尼)，为滚动轴承的仿真分析提供参考，并作为建立滚动轴承动力特性数据库的基本手段。
以上所述仅为本发明的实施方式，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进、扩展等，均包含在本发明的保护范围内。
Claims (6)
1.一种基于转子-轴承系统测试滚动轴承动力特性的装置，其特征在于：包括底板(1)及设置于底板(1)上的电机组件(2)、联轴器(3)、加速器(4)、待测轴承组件(5)、轮盘(7)、传动轴(9)、转速传感器(6)、位移传感器(8)及同轴度传感器(12)，其中传动轴(9)两端由对称分布的两个待测轴承组件(5)支撑、且传动轴(9)的一端通过联轴器(3)与加速器(4)和电机组件(2)相连，所述轮盘(7)套设于传动轴(9)上、且随传动轴(9)一起转动，所述转速传感器(6)和位移传感器(8)分别用来测量轮盘(7)的转速和位移，所述同轴度传感器(12)用于测量传动轴(9)上各部件的同轴度；
所述待测轴承组件(5)包括预紧螺母(15)、推力球轴承(16)、力传感器(17)、弹簧(20)、待测轴承(22)、轴承端盖(23)、轴承座(19)及轴承座支架(21)，其中，轴承座支架(21)安装于底板(1)上，轴承座(19)与轴承座支架(21)相连，预紧螺母(15)与轴承座(19)的一端螺纹连接，并通过推力球轴承(16)与力传感器(17)连接；待测轴承(22)设置于轴承座(19)的另一端，轴承端盖(23)与轴承座(19)螺钉连接并对待测轴承(22)轴向限位，所述弹簧(20)容置于轴承座(19)内、且受限于力传感器(17)与待测轴承(22)之间，所述力传感器(17)用于测量旋转预紧螺母(15)施加的预紧力。
2.根据权利要求1所述的基于转子-轴承系统测试滚动轴承动力特性的装置，其特征在于：所述轴承座(19)上端开有用于所述力传感器(17)的数据线通过的条形孔。
3.根据权利要求1所述的基于转子-轴承系统测试滚动轴承动力特性的装置，其特征在于：所述弹簧(20)的两端设有弹簧挡圈(18)。
4.根据权利要求1所述的基于转子-轴承系统测试滚动轴承动力特性的装置，其特征在于：所述轮盘(7)包括螺钉(24)、端盖(25)、胀紧套(26)及盘(27)，其中盘(27)通过阶梯状内孔对胀紧套(26)轴向限位，端盖(25)通过螺钉(24)与盘(27)相连。
5.根据权利要求1所述的基于转子-轴承系统测试滚动轴承动力特性的装置，其特征在于：所述转速传感器(6)通过转速传感器磁力架(13)安装在底板(1)上；所述位移传感器(8)通过位移传感器磁力架(10)安装在底板(1)上，所述转速传感器(6)和位移传感器(8)分别设置在轮盘(7)的左、右两侧。
6.根据权利要求1所述的基于转子-轴承系统测试滚动轴承动力特性的装置，其特征在于：所述同轴度传感器(12)安装于滑块(11)上，滑块(11)在导轨(14)上水平移动以测试所述传动轴(9)上各零部件的同轴度。
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