CN109668596A - 基于光纤光栅传感的轴承保持架测量装置 - Google Patents
基于光纤光栅传感的轴承保持架测量装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于滚动轴承测试试验技术领域，具体涉及一种基于光纤光栅传感的轴承保持架测量装置。该装置包括轴承保持架测量装置、驱动装置、轴承箱、径向加载装置和轴向加载装置。轴承保持架测量装置包括光纤光栅传感器、光纤光栅信号传输装置、附加质量补偿装置和待测轴承。本发明实现保持架应变、温度多测点分布式同步测量，用于研究应变、温度内在的关联关系；本发明所采用的光纤光栅传感具有一线多点和灵敏度高、体积小优点，对保持架的附加影响小；本发明综合采用光滑环和特殊传输支架实现传感器信号传输，相对采用应变片采用的电滑环具有体积小、质量轻等优点，减小对保持架测量结果的影响。
Description
技术领域
本发明属于滚动轴承测试试验技术领域，具体涉及一种基于光纤光栅传感的轴承保持架测量装置。
背景技术
滚动轴承是重大装备的重要基础零部件，其性能与寿命直接影响装备的工作性能、可靠性和安全性。滚动轴承通常由外圈、内圈、钢球和保持架四个部分构成。保持架是其核心零件，起到圆周方向均匀隔开钢球，引导钢球轮流承受载荷作用，其动态力学性能和温度特性决定着轴承的性能和寿命。而其中试验获得轴承保持架的动态力学特性以及温度性能，对于改善保持架受力、温升乃至提高轴承寿命起着至关重要的作用。
国内外学者和研究人员针对滚动轴承保持架的测试或测量开展一些研究，主要分为外观尺寸的静态测量(单独保持架非旋转态)，保持架的运动、温度、受力的动态测量(安装在轴承，旋转态下)。静态测量方面，如保持架中心高测量装置(201310607478.6)、推力调心滚子轴承保持架兜孔测量方法，(201710620757)、一种保持架的兜孔测量工装及测量方法(201711455714.1)、一种轴承保持架检测仪(201720482597.7)仅是针对尺寸形状公差进行测量，非旋转动态测量。
国内外学者高度重视轴承保持架测量试验研究，以获得保持架真实原位数据，测量主要集中在运动、应变、温度等方面。运动方面主要采用电涡流传感器(角接触球轴承保持架动态性能试验装置(201210336882.X)、一种测量滚动轴承保持架涡动的磁阻传感器(201420538645.6))和激光位移传感器(一种基于误差分离技术的轴承保持架运动轨迹测量方法(201510429931.8)和配对轴承差动保持架动态特性试验装置(201710040221.5))。
保持架应变测量方面则多是采用应变片并结合电滑环传输信号，温度方面采用热电偶或红外传感器测量。由于保持架结构空间限制以及转速与内外圈的差异，使保持架测量传感器布置及旋转态信号传输存在很大难度，导致现有保持架温度测量多为单点、应变采用多应变传感器(SKF、TIMKEN)进行多点测量，但需要多通道电滑环传输，导致其体积和质量大，增加保持架附加质量，而且没有进行有效补偿，使旋转过程中测量结果并不能反映真实工作状态，测量误差大，因此多测点与测量精度存在矛盾。实际过程中，保持架除了与多个滚动体接触外，还与引导套圈存在摩擦与接触，保持架与各个滚动体、引导套圈处的应变、温度均存在着差异，单一温度和应变测量不能反映保持架特性，而且目前多是保持架应变以及温度等参数的单独测量，不能实现同步测量，难以获得应变、温度同步数据，导致保持架应变、温度间关联关系不明确，因此迫切一种能够实现轴承保持架应变、温度多测点同步测量的实验装置。
发明内容
本发明旨在解决现有技术中上述不足，提出一种基于光纤光栅传感的轴承保持架测量装置，实现基于光纤光栅传感的保持架应变、温度多测点分布式同步测量，设置旋转态传输附加质量补偿装置，在满足保持架应变、温度多点同步测量同时，减小对测量结果影响，保证保持架测量精度。
为了达到上述目的，本发明采用了以下的技术方案：
一种基于光纤光栅传感的轴承保持架测量装置，包括轴承保持架测量装置1、驱动装置2、轴承箱3、径向加载装置4和轴向加载装置5；
所述轴承保持架测量装置1，包括光纤光栅传感器11、光纤光栅信号传输装置12、附加质量补偿装置13和待测轴承14；所述待测轴承14为滚动轴承；所述光纤光栅传感器11布置在待测轴承14保持架兜孔周围和引导面上，用于测量应变和温度信息，包括应变测点111、温度测点112以及光纤信号线一113；在兜孔周围的测点中，与保持架表面不粘贴的光纤光栅传感器11作为温度测点112，用于测量兜孔温度，其余的光纤光栅传感器11通过粘贴方式贴附在兜孔周围，作为应变测点111；保持架引导面上采用同样的布置方式，光纤光栅传感器11在保持架引导面上，构成多个应变测点111和温度测点112，测点位置避开与保持架套圈接触区域，避免接触、摩擦导致传感器失效或光纤断裂；所述光纤信号线一113用于连接应变测点111和温度测点112，实现信号的传输；
所述光纤光栅信号传输装置12用于实现旋转态下保持架信号的传输，包括光纤信号线二121、传输支架122和光滑环123；所述光纤信号线二121与保持架传感器的光纤信号线一113为一根线；所述传输支架122用于固定和安装光纤信号线二121和光滑环123，使其随着保持架旋转；所述传输支架122为3D打印超轻材料，设有偶数对称式独立连接架1222；所述连接架1222为爪型结构，其前端面为连接端面1221，采用粘贴方式与保持架侧面固定连接；多个连接架1222另一端由一圆轴1223汇聚；所述的圆轴1223设有中孔1224，用于光滑环123旋转端的安装，并采用顶丝或过盈配合固定；所述中孔1224内部采用粘贴方式固定光纤信号线二121；所述光滑环123包括旋转端和静止端，用于待测轴承15保持架旋转态信号与静止采集器信号传输；
所述附加质量补偿装置13用于补偿光纤光栅传输装置增加保持架附加质量，减小与真实工作状态差异导致的测量误差，由两个内径不同的圆环一131和圆环二132构成，圆环一131内径与保持架直径相配合，圆环一131端面采用粘贴方式与保持架侧面固定连接，圆环二132内径小于圆环一131内径；通过圆环一131和圆环二132组合用于补偿光纤光栅信号传输装置12的附加质量和转动惯量；即
mb＝mg，Ib＝Ig
式中，mb和Ib为附加质量补偿装置13的附加质量和转动惯量；mg和Ig为光纤光栅信号传输装置12的附加质量和转动惯量；
所述轴承保持架测量装置1置于轴承箱3内，左端与驱动装置2连接，所述驱动装置2用于驱动待测轴承14旋转；所述轴承箱3右侧设有圆盘，用于支撑固定光滑环123的静止端，避免静止端的转动；所述径向加载装置4安装在轴承保持架测量装置1上方，用于给轴承施加径向载荷，包括径向加载螺栓41和径向力传感器42，径向加载螺栓41从轴承箱3上端穿入，与径向力传感器42螺纹连接；所述轴向加载装置5安装在轴承保持架测量装置1右侧，用于给轴承施加轴向载荷，包括轴向加载螺栓51和轴向力传感器52，轴向加载螺栓51从轴承箱3右侧穿入，与轴向力传感器52螺纹连接；所述径向加载螺栓41、轴向加载螺栓51用于施加载荷，径向力传感器42、轴向力传感器52用于测量力的大小；所述轴向加载装置5共两个，采用双轴向加载方式，使滚动轴承中部位置空置，避开传输支架122和光滑环123。
所述兜孔应变测点111在兜孔上沿保持架旋转方向的前侧和后侧各布置一个，用于获得保持架兜孔前后处的接触受力信息。
所述独立连接架1222为四个或六个。
所述驱动装置2为驱动电机。
本发明的有益效果：
(1)本发明提出基于光纤光栅传感的保持架测量装置，实现保持架应变、温度多测点分布式同步测量，用于研究应变、温度内在的关联关系；(2)本发明所采用的光纤光栅传感具有一线多点和灵敏度高、体积小优点，对保持架的附加影响小；(3)本发明综合采用光滑环和特殊传输支架实现传感器信号传输，相对采用应变片采用的电滑环具有体积小、质量轻等优点，减小对保持架测量结果的影响；(4)本发明所提出旋转态传输附加质量补偿，进一步减小对测量结果影响，使保持架测量结果更加准确。
附图说明
图1是基于光纤光栅传感的轴承保持架测量装置示意图；
图2(a)为基于光纤光栅传感的轴承保持架测量实施例的总体示意图；
图2(b)基于光纤光栅传感的轴承保持架测量实施例的剖视示意图；
图3(a)是本发明光纤光栅传感器布置图；
图3(b)是本发明光纤光栅传感器布置的局部放大图；
图4(a)是本发明光纤光栅传感器信号传输装置结构示意图；
图4(b)是本发明光纤光栅传感器信号传输支架结构示意图；
图5是本发明传输附加质量补偿装置结构示意图；
图中：1轴承保持架测量装置；11光纤光栅传感器；12光纤光栅信号传输装置；13附加质量补偿装置；14待测轴承；111应变测点；112温度测点；113光纤信号线一；121光纤信号线二；122传输支架；123光滑环；1221连接端面；1222连接架；1223圆轴；1224中孔；2驱动装置；3轴承箱；4径向加载装置；41径向加载螺栓；42径向力传感器；5轴向加载装置；51轴向加载螺栓；52轴向力传感器；131圆环一；132圆环二。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件、具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
如图1所示，一种基于光纤光栅传感的轴承保持架测量装置，包括轴承保持架测量装置1、驱动装置2、轴承箱3、径向加载装置4和轴向加载装置5；
如图2(a)和图2(b)所示，所述轴承保持架测量装置1，包括光纤光栅传感器11、光纤光栅信号传输装置12、附加质量补偿装置13和待测轴承14；所述待测轴承14为滚动轴承；如图3(a)和图3(b)所示，所述光纤光栅传感器11布置在待测轴承14保持架兜孔周围和引导面上，用于测量应变和温度信息，包括应变测点111、温度测点112以及光纤信号线一113；在兜孔周围的多个测点中，选取与保持架表面不粘贴的光纤光栅传感器作为温度测点112，用于测量兜孔温度，其余的光纤光栅传感器11通过粘贴方式贴附在兜孔周围，作为应变测点111，所述兜孔应变测点111在兜孔上沿保持架旋转方向的前侧和后侧各布置一个，用于获得保持架兜孔前后处的接触受力信息；由于应变测点111中同时具有温度和应变的相应特性，以温度测点112数据作为应变测量中温度补偿，采用温度-应变解耦方程进行兜孔光纤光栅传感器数据中的应变-温度的解耦分离，实现兜孔应变的测量；保持架引导面上采用同样的布置方式，光纤光栅传感器11粘贴在保持架引导面上，构成多个应变测点111和温度测点112，测点位置避开与保持架套圈接触区域，避免接触、摩擦导致传感器失效或者光纤断裂；所述光纤信号线一113用于连接应变测点111和温度测点112，实现信号的传输；
如图4(a)和4(b)所示，所述光纤光栅信号传输装置12用于实现旋转态下保持架信号的传输(保持架转速与内外圈存在差异，不能通过内圈或外圈传输)，包括光纤信号线二121、传输支架122以及光滑环123；所述光纤信号线二121与保持架传感器的光纤信号线一113为一根线；所述传输支架122用于固定和安装光纤信号线二121和光滑环123，使其随着保持架旋转；所述传输支架122为3D打印超轻材料，设有偶数对称式独立连接架1222，所述独立连接架1222为四个，用于减小附加质量；所述连接架1222的一侧端面为连接端面1221，采用粘贴方式与保持架侧面固定连接；所述连接架1222另一端为圆轴1223；圆轴1223中部设有中孔1224，用于光滑环123旋转端的安装，并采用顶丝或过盈配合固定；所述中孔1224内部采用粘贴方式固定光纤信号线二121；所述光滑环123包括旋转端和静止端，用于轴承保持架旋转态信号与静止采集器信号传输，所述光滑环123相对电滑环具有体积小、质量轻等优点，减小旋转态传输过程中的附加质量；
如图5所示，所述附加质量补偿装置13用于补偿光纤光栅传输装置增加保持架附加质量，减小与真实工作状态差异导致的测量误差，由两个内径不同的圆环一131和圆环二132构成，圆环一131内径与保持架直径相近，圆环一131端面采用粘贴方式与保持架侧面固定连接，圆环二132内径小于圆环一131内径；通过圆环一131和圆环二132组合用于补偿传输支架和光滑环装置的附加质量和转动惯量；即
mb＝mg，Ib＝Ig
式中，mb和Ib为附加质量补偿装置13的附加质量和转动惯量；mg和Ig为传输支架和光滑环等光纤光栅信号传输装置12的附加质量和转动惯量；
所述轴承保持架测量装置1置于轴承箱3内，左端与驱动装置2连接，所述驱动装置2用于驱动待测轴承14旋转，所述驱动装置2为驱动电机；所述轴承箱3右侧设有圆盘，用于支撑固定光滑环123的静止端，避免静止端的转动；所述径向加载装置4安装在轴承保持架测量装置1上方，用于给轴承施加径向载荷，包括径向加载螺栓41和径向力传感器42，径向加载螺栓41从轴承箱3上端穿入，与径向力传感器42螺纹连接；所述轴向加载装置5安装在轴承保持架测量装置1右侧，用于给轴承施加轴向载荷，包括轴向加载螺栓51和轴向力传感器52，轴向加载螺栓51从轴承箱3右侧穿入，与轴向力传感器52螺纹连接；所述径向加载螺栓41、轴向加载螺栓51用于施加载荷，径向力传感器42、轴向力传感器52用于测量力的大小；所述轴向加载装置5共两个，采用双轴向加载方式，使滚动轴承中部位置空置，避开传输支架122和光滑环123；
则轴向载荷大小为
Fa＝F1+F2
式中，Fa为滚动轴承承受的轴向载荷；F1为上部滚动轴向力传感器52的测量值，F2为下部滚动轴向力传感器52的测量值。
Claims (5)
1.一种基于光纤光栅传感的轴承保持架测量装置，其特征在于，所述的基于光纤光栅传感的轴承保持架测量装置包括轴承保持架测量装置(1)、驱动装置(2)、轴承箱(3)、径向加载装置(4)和轴向加载装置(5)；
所述轴承保持架测量装置(1)，包括光纤光栅传感器(11)、光纤光栅信号传输装置(12)、附加质量补偿装置(13)和待测轴承(14)；所述待测轴承(14)为滚动轴承；所述光纤光栅传感器(11)布置在待测轴承(14)保持架兜孔周围和引导面上，用于测量应变和温度信息，包括应变测点(111)、温度测点(112)以及光纤信号线一(113)；在兜孔周围的测点中，与保持架表面不粘贴的光纤光栅传感器(11)作为温度测点(112)，用于测量兜孔温度，其余的光纤光栅传感器(11)通过粘贴方式贴附在兜孔周围，作为应变测点(111)；保持架引导面上采用同样的布置方式，光纤光栅传感器(11)在保持架引导面上，构成多个应变测点(111)和温度测点(112)，测点位置避开与保持架套圈接触区域，避免接触、摩擦导致传感器失效或光纤断裂；所述光纤信号线一(113)用于连接应变测点(111)和温度测点(112)，实现信号的传输；
所述光纤光栅信号传输装置(12)用于实现旋转态下保持架信号的传输，包括光纤信号线二(121)、传输支架(122)和光滑环(123)；所述光纤信号线二(121)与保持架传感器的光纤信号线一(113)为一根线；所述传输支架(122)用于固定和安装光纤信号线二(121)和光滑环(123)，使其随着保持架旋转；所述传输支架(122)为3D打印超轻材料，设有偶数对称式独立连接架(1222)；所述连接架(1222)为爪型结构，其前端面为连接端面(1221)，采用粘贴方式与保持架侧面固定连接；多个连接架(1222)另一端由一圆轴(1223)汇聚；所述的圆轴(1223)设有中孔(1224)，用于光滑环(123)旋转端的安装，并采用顶丝或过盈配合固定；所述中孔(1224)内部采用粘贴方式固定光纤信号线二(121)；所述光滑环(123)包括旋转端和静止端，用于待测轴承(15)保持架旋转态信号与静止采集器信号传输；
所述附加质量补偿装置(13)主要由两个内径不同的圆环一(131)和圆环二(132)构成，圆环一(131)内径与保持架直径相配合，圆环一(131)端面采用粘贴方式与保持架侧面固定连接，圆环二(132)内径小于圆环一(131)内径；通过圆环一(131)和圆环二(132)组合用于补偿光纤光栅信号传输装置(12)的附加质量和转动惯量；即
mb＝mg，Ib＝Ig
式中，mb和Ib为附加质量补偿装置(13)的附加质量和转动惯量；mg和Ig为光纤光栅信号传输装置(12)的附加质量和转动惯量；
所述轴承保持架测量装置(1)置于轴承箱(3)内，左端与驱动装置(2)连接，所述驱动装置(2)用于驱动待测轴承(14)旋转；所述轴承箱(3)右侧设有圆盘，用于支撑固定光滑环(123)的静止端，避免静止端的转动；所述径向加载装置(4)安装在轴承保持架测量装置(1)上方，用于给轴承施加径向载荷，包括径向加载螺栓(41)和径向力传感器(42)，径向加载螺栓(41)从轴承箱(3)上端穿入，与径向力传感器(42)螺纹连接；所述轴向加载装置(5)安装在轴承保持架测量装置(1)右侧，用于给轴承施加轴向载荷，包括轴向加载螺栓(51)和轴向力传感器(52)，轴向加载螺栓(51)从轴承箱(3)右侧穿入，与轴向力传感器(52)螺纹连接；所述径向加载螺栓(41)、轴向加载螺栓(51)用于施加载荷，径向力传感器(42)、轴向力传感器(52)用于测量力的大小；所述轴向加载装置(5)共两个，采用双轴向加载方式，使滚动轴承中部位置空置，避开传输支架(122)和光滑环(123)。
2.根据权利要求1所述的基于光纤光栅传感的轴承保持架测量装置，其特征在于，所述兜孔应变测点(111)在兜孔上沿保持架旋转方向的前侧和后侧各布置一个，用于获得保持架兜孔前后处的接触受力信息。
3.根据权利要求1或2所述的基于光纤光栅传感的轴承保持架测量装置，其特征在于，所述独立连接架(1222)为四个或六个。
4.根据权利要求1或2所述的基于光纤光栅传感的轴承保持架测量装置，其特征在于，所述驱动装置(2)为驱动电机。
5.根据权利要求3所述的基于光纤光栅传感的轴承保持架测量装置，其特征在于，所述驱动装置(2)为驱动电机。
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