CN108801523A - 一种推力轴承的测力环及测力装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种推力轴承的测力环，所述测力环的两个表面上各设置有多个凸台，在所述两个表面中的任一表面上，每三个相邻的所述凸台在所述测力环上对应的圆心角相等，每三个相邻的所述凸台中的相邻两个凸台对应的圆心角不等，其中，一表面上对应较大圆心角的两个相邻凸台的圆弧中点位置与另一表面上对应较小圆心角的两个相邻凸台的圆弧中点位置相对应，在同一个表面上的凸台高度相等。
Description
技术领域
本发明涉及航空发动机领域，尤其涉及一种推力轴承的测力环。
背景技术
推力轴承是航空发动机转子的基准，是限制发动机翻修寿命的关键零件，其可靠性至关重要，其轴向载荷过大和轻载打滑是引起轴承损坏的重要因素。因此，为保证推力轴承具有足够的寿命，从发动机研制到定型阶段，都有轴向力测试需求，通过测试及调整轴向力，使它在发动机所有工况下的载荷大小都在许用范围内且不改变方向。由于影响轴向力的因素很多，通常以实测为主。
目前比较精确的推力轴承轴向力测试方法是测力环测量方法，测力环是用于航空发动机推力轴承轴向力测试的一种环形力传感器，测力环装配结构如图1所示，测力环101安装在推力轴承102的静子端面，推力轴承102会受到沿着其轴线方向的由发动机气流作用产生的力103，进而将力103传递给测力环101，测力环101即发生形变，通过测量测力环101的变形情况，进而获得力103的大小。
目前航空发动机转子气体轴向力测试较多采用的是传统结构的测力环，请参看图2，图2示出了传统测力环的结构示意图，测力环20的表面21和表面22上分别设置有凸台201和凸台202，凸台201和凸台202在测力环表面均匀分布，即凸台201在表面21上的间距相等，凸台202在表面22上的间距相等。表面21上的凸台201和表面22上的凸台202相互均匀错开，即表面21上的凸台201在测力环上的位置正好与表面22上的相邻两个凸台202的中点在测力环上的位置相对应。
将测力环20装配在轴承的静子端面即可测试轴承的轴向力。
请参看图3，图3示出了传统测力环受力时的弯矩分布图，对于轴向力为P，凸台个数为n，两个相邻凸台之间距离为L的测力环，则距两个相邻凸台之中任一凸台距离为L0处的弯矩M的计算值为：
M＝P(4L0-L)/8n (1)
由式(1)可知，当L0＝L/2时，即在两个凸台的中点，也即对应另一表面的凸台设置的位置处，弯矩最大，在此处粘贴应变计，测力环输出的灵敏度系数最大，轴向力测量敏感性最好。运用应变计来测试相应的应变，进而能得出相应的弯矩，根据式(1)即可得到轴向力P的大小。
但是传统测力环中，弯矩最大的位置为一个点，为实现大应变输出必须选用不易粘贴的小型应变计，同时，贴片位置稍有偏差都将导致测力环应变输出值偏差很大，从而降低了测力环的精度。
为了提高传统测力环的测量范围，主要采取的方式主要有：选用更高强度的材料和改变结构尺寸。改变结构尺寸的具体做法有：增加凸台个数、增加轴向和周向厚度等，增加轴向和周向厚度势必会增大成本。
目前航空发动机应用中较为常规的做法是增加凸台数量，而凸台数量的增加将导致应变计的位置更加受限，可操作性差，更容易出现局部应力梯度过大而导致应变输出值的不可控，并导致测量结果偏差大。
同时，传统的测力环在轴向力超限时，测力环发生塑性变形，卸载后不能重新恢复线性变形，测力环就永久失去了测试能力。
发明内容
本发明提供一种推力轴承的测力环，能够提供较宽的等弯矩区，为应变计的设置提供了极大便利，进而提高了测量准确性。
根据上述目的，本发明提供一种推力轴承的测力环，所述测力环的两个表面上各设置有多个凸台，在所述两个表面中的任一表面上，每三个相邻的所述凸台在所述测力环上对应的圆心角相等，每三个相邻的所述凸台中的相邻两个凸台对应的圆心角不等，其中，一表面上对应较大圆心角的两个相邻凸台的圆弧中点位置与另一表面上对应较小圆心角的两个相邻凸台的圆弧中点位置相对应，在同一个表面上的凸台高度相等。
在一实施例中，所述凸台在所述测力环径向方向上的宽度小于所述测力环的宽度，在所述测力环表面沿外圆周方向和内圆周方向分别设置有引线槽。
在一实施例中，所述测力环的侧面设置有防转销钉孔。
在一实施例中，所述每三个相邻的所述凸台在所述测力环上对应的圆心角为45度。
在一实施例中，所述较小圆心角的范围为10～22度。
在一实施例中，所述测力环由40CrNiMoA合金钢材料制成。
在一实施例中，所述测力环的两个表面上设置的凸台的高度不同。
本发明还提供一种推力轴承的测力装置，包含前述的测力环，所述测力装置还包括应变计，所述应变计设置在所述测力环表面上对应较小圆心角的两个相邻凸台之间的区域内。
在一实施例中，所述测力环的两个表面上设置的凸台的高度不同，在所述凸台高度较高的测力环表面上，在对应较小圆心角的两个相邻凸台之间的区域内设置应变计。
在一实施例中，所述应变计设置在所述测力环表面上对应较小圆心角的两个相邻凸台之间的中点位置。
在一实施例中，所述测力装置还包括与所述应变计耦接数据转换模块，用于将所述应变计的应变转换为电信号。
本发明通过测力环上每三个凸台之间的距离相等，而相邻的两个凸台之间的距离不等的设置，使得测力环上具有较宽的等弯矩区，为应变计的设置提供了便利，避免了由于应变计设置时的位置误差，而引起的轴向力测量的误差，进而提高了测量精度。
附图说明
在结合以下附图阅读本公开的实施例的详细描述之后，能够更好地理解本发明的上述特征和优点。在附图中，各组件不一定是按比例绘制，并且具有类似的相关特性或特征的组件可能具有相同或相近的附图标记。
图1示出了测力环装配结构示意图；
图2示出了传统测力环的结构示意图；
图3示出了传统测力环受力时的弯矩分布图；
图4示出了本发明一种推力轴承的测力环一个方面的结构立体图；
图5a示出了本发明一种推力轴承的测力环一个方面的左视图；
图5b示出了本发明一种推力轴承的测力环一个方面的正等侧视图；
图5c示出了本发明一种推力轴承的测力环一个方面的右视图；
图6示出了本发明一种推力轴承的测力环受力时的弯矩分布图；
图7示出了本发明一种推力轴承的测力装置一个方面的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作详细描述。注意，以下结合附图和具体实施例描述的诸方面仅是示例性的，而不应被理解为对本发明的保护范围进行任何限制。
本发明通过改变测力环上凸台的分布方式，使得测力环受力时的弯矩峰值出现在一个位置区间内，而非一个具体的位置点上，进而可将多个应变计(也可称为应变片)粘贴至该位置区间内，同时也减小了对应变计贴片操作的精度要求。
在一实施例中，本发明提供一种推力轴承的测力环，测力环的两个表面上各设置有多个凸台，在两个表面中的任一表面上，每三个相邻的凸台在测力环上对应的圆心角相等，每三个相邻的凸台中的相邻两个凸台对应的圆心角不等，其中，一表面上对应较大圆心角的两个相邻凸台的圆弧中点位置与另一表面上对应较小圆心角的两个相邻凸台的圆弧中点位置相对应，在同一个表面上的凸台高度相等。
具体请参看图4，图4示出了本发明一种推力轴承的测力环一个方面的结构立体图。从图4中可以直观地看出，测力环上的凸台不再是均匀分布，而是“成对”出现，每对凸台间的间隔相等。测力环的两个表面上的凸台是彼此间隔的。
进一步请参看图5a、图5b、图5c，图5a、图5b、图5c分别示出了本发明一种推力轴承的测力环一个方面的左视图、正等侧视图和右视图。测力环50包括环主体501，环主体501上设置有多个凸台502，每三个相邻的凸台503、凸台504、凸台505在测力环501上对应的圆心角相等，即γ角一定。每三个相邻的凸台中的相邻两个凸台对应的圆心角不等，即凸台503、凸台504对应的圆心角α和凸台504、凸台505对应的圆心角β不等，其中圆心角α小于圆心角β。
请继续参看图5b，凸台506和凸台507在测力环一侧的间距较小，凸台508和凸台509在测力环的另一侧间距较大，即凸台506和凸台507对应的圆心角为α，凸台508和凸台509对应的圆心角为β。凸台506和凸台507的中点A点对应凸台508和凸台509的中点B点。
当测力环受到沿着测力环圆心轴线的力时，凸台506、凸台507、凸台508和凸台509即可形成一组受力的弯矩分布，请参看图6，图6示出了凸台506、凸台507、凸台508和凸台509受力时的弯矩分布图。
其中，凸台508和凸台509之间的距离为L，凸台506到凸台508的距离以及凸台507到凸台509之间的距离为a，图6中，x轴代表距离凸台508的距离，y轴代表所受弯矩的大小，在a～(L-a)的范围内，测力环承受的弯矩是一定的，且都为弯矩峰值。此时弯矩M的计算值为：
M＝Pa/2n (2)
即弯矩仅与轴向力P和测力环结构参数(凸台个数n、测力环两侧的凸台之间最短距离a)有关，且保持恒定，因此可在等弯矩段较宽区域任意贴片，且等弯矩段为最大应力区，可保证稳定的高应变量输出，实现轴向力高灵敏度测试。
对应于前述的等弯矩段，在一实施例中，测力环表面上对应较小圆心角的两个相邻凸台之间的区域内设置应变计。
在图6中，横坐标表示出了各凸台之间的距离，坐标原点、a点、(L-a)点和L点分别指示了形成一组受力的四个凸台的位置，其中，a～(L-a)的区间范围为等弯矩段，例如，图5中的凸台506和凸台507之间的区域即为等弯矩区域。
而a～(L-a)的区间范围即是测力环表面上对应较小圆心角的两个相邻凸台之间的区域，例如，图5b中的凸台506和凸台507即对应了较小圆心角α。实际上，测力环的两侧中的任一一侧的对应较小圆心角的两个相邻凸台之间都为等弯矩区。
将应变计设置在等弯矩区内，即可测得弯矩，再根据式(2)即可计算出推力轴承受到的轴向力P。
本发明提供的测力环具有较宽范围的等弯矩段，因此可在等弯矩段的较宽区域内任意粘贴应变计，且等弯矩段内的应力为最大应力，可保证稳定的高应变量输出，实现轴向力高灵敏度测试。
同时，针对不同的载荷范围，无需改变测力环的结构尺寸和凸台数量，而仅需要改变圆心角α，从而改变式(2)中的参数a，进而，能够在同样的应变的情况下，改变测试所承受的轴向力载荷的数值。
本发明提供的测力环适用的轴向力测量范围非常广，可达十吨以上，从而满足航空发动机大载荷推力轴承轴向力测试需求。
在一实施例中，测力环的两个表面上设置的凸台的高度不同。测力环一个表面的凸台比另一个表面的凸台的高度要高。
对于测力环两侧的表面上的凸台高度设计不对称的情况，在轴向力超限时，凸台之间的腹板，例如，图5b中的凸台508和凸台509之间的测力环区域，会贴至与测力环装配的轴承的外环端面，此时，测力环不会继续发生进一步形变，实现了过载保护，避免了因测试载荷过大，而造成的测力环形变过大，从而损坏测力环的情况。当测试载荷卸载后，测力环仍然能恢复线性变形，且仍然能够继续使用。
在一实施例中，在凸台高度较低的测力环表面上，在对应较小圆心角的两个相邻凸台之间的区域内设置应变计。
虽然，应变计可以设置在测力环的任一侧的等弯矩区内，来测量应变，但是当测力环两边的凸台的高度不同时，当轴向力载荷过大时，矮凸台一侧的等应变区先贴至与测力环装配的轴承的外环端面，若将应变计设置在矮凸台一侧，就会将应变计压坏。为了避免损坏应变计，在凸台高度较高的测力环表面上设置应变计。
在一实施例中，所述应变计设置在所述测力环表面上对应较小圆心角的两个相邻凸台之间的中点位置，即将应变计设置在等弯矩区的最中点的位置。
即使测力环加工时存在加工误差，等弯矩区的最中点的位置还是对应了最优的弯矩位置，将应变计设置在等弯矩区的最中点的位置，可以避免因为测力环加工时的误差而导致的测量误差。
在一实施例中，所述凸台在所述测力环径向方向上的宽度小于所述测力环的宽度，在所述测力环表面沿外圆周方向和内圆周方向分别设置有引线槽。
具体请参看图7，其中，应变计701设置在等应变区内，凸台702的宽度小于测力环703的宽度，这样就在测力环703的表面上留出了沿着圆周方向的空间，在该沿着圆周的空间上设置引线槽704。
该引线槽是供各应变计接入应变数据采集系统的引线所设置的，各引线置于引线槽内，可以避免当测力环表面与装配的轴承发生贴合时，对引线挤压，进而损环引线的情况。
在一实施例中，测力环的侧面设置有防转销钉孔。请参看图5a，其中，防转销钉孔510与销钉配合防止测力环发生偏转，进而更好地固定测力环。
同时，各应变计的引线也可以在该防转销钉孔处汇集，并接入相应的应变数据采集系统。
在一实施例中，每三个相邻的凸台在测力环上对应的圆心角为45度。这样，测力环的每一侧上就会分别设置有16个凸台。
更优地，较小圆心角的范围为10～22度。对应的，较大圆心角的范围即为35～23度。
本领域技术人员很容易就能想到，测力环是由弹性材料制成的。在一实施例中，测力环由40CrNiMoA合金钢材料制成。40CrNiMoA是合金钢的其中一种，其是在优质碳素结构钢的基础上，适当地加入一种或数种合金元素(总含量不超过5％)而制成的钢种。
请继续参看图7，本发明还提供一种推力轴承的测力装置，测力环703由弹性材料制成，应变计701粘贴在测力环703上，测力环系统还包括热电偶705和引线706，引线706置于引线槽704内。
在一实施例中，测力环703采用单面贴片方式，应变计701粘贴在凸台高度较高的测力环703一侧的相邻凸台的中间位置，并组成多组全桥，其中，热电偶705用于测量测力环工作时的温度。
所有引线706沿内引线槽7041和外引线槽7042分别引线，并汇集在防转销钉孔707位置处。
测力环703安装在推力轴承外环两端并全桥接入应变数据采集系统。工作时，测力环703受压致使凸台与凸台之间产生形变，应变计701感受到形变并将其转化成电阻变化ΔR，通过应变数据采集系统的供桥电压U0使电阻变化转换成电压变化ΔU。对于采用灵敏度系数为K的应变计的测力环，其单组全桥输入输出之间的关系式为：
ε＝ΔU/KU0 (3)
在得到应变ε后，即可得到与ε呈线性关系的弯矩，然后，通过式(2)即可得到加载的轴向力的大小。
在一实施例中，测力装置包括与应变计耦接的数据转换模块，用于将应变计的应变转换为电信号。数据转换模块可以为供桥电路。
提供对本公开的先前描述是为使得本领域任何技术人员皆能够制作或使用本公开。对本公开的各种修改对本领域技术人员来说都将是显而易见的，且本文中所定义的普适原理可被应用到其他变体而不会脱离本公开的精神或范围。由此，本公开并非旨在被限定于本文中所描述的示例和设计，而是应被授予与本文中所公开的原理和新颖性特征相一致的最广范围。
Claims (11)
1.一种推力轴承的测力环，其特征在于，所述测力环的两个表面上各设置有多个凸台，在所述两个表面中的任一表面上，每三个相邻的所述凸台在所述测力环上对应的圆心角相等，每三个相邻的所述凸台中的相邻两个凸台对应的圆心角不等，其中，一表面上对应较大圆心角的两个相邻凸台的圆弧中点位置与另一表面上对应较小圆心角的两个相邻凸台的圆弧中点位置相对应，在同一个表面上的凸台高度相等。
2.如权利要求1所述的测力环，其特征在于，所述凸台在所述测力环径向方向上的宽度小于所述测力环的宽度，在所述测力环表面沿外圆周方向和内圆周方向分别设置有引线槽。
3.如权利要求1所述的测力环，其特征在于，所述测力环的侧面设置有防转销钉孔。
4.如权利要求1所述的测力环，其特征在于，所述每三个相邻的所述凸台在所述测力环上对应的圆心角为45度。
5.如权利要求4所述的测力环，其特征在于，所述较小圆心角的范围为10～22度。
6.如权利要求1所述的测力环，其特征在于，所述测力环由40CrNiMoA合金钢材料制成。
7.如权利要求1所述的测力环，其特征在于，所述测力环的两个表面上设置的凸台的高度不同。
8.一种推力轴承的测力装置，其特征在于，包含如权利要求1～6任一项所述的测力环，所述测力装置还包括应变计，所述应变计设置在所述测力环表面上对应较小圆心角的两个相邻凸台之间的区域内。
9.如权利要求8所述的测力装置，其特征在于，所述应变计设置在所述测力环表面上对应较小圆心角的两个相邻凸台之间的中点位置。
10.如权利要求8所述的测力装置，其特征在于，所述测力环的两个表面上设置的凸台的高度不同，在所述凸台高度较高的测力环表面上，在对应较小圆心角的两个相邻凸台之间的区域内设置应变计。
11.如权利要求8所述的测力装置，其特征在于，所述测力装置还包括与所述应变计耦接的数据转换模块，用于将所述应变计的应变转换为电信号。
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