滚动轴承保持架多物理场动态参数测试装置
技术领域
本发明属于滚动轴承测试试验技术领域,具体涉及滚动轴承保持架多物理场动态参数测试装置。
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。在轴承运行过程中,保持架存在空间运动、接触受力、摩擦生热;而且其运动、应力应变、温度特性相互影响、相互耦合,且随着转速、载荷、润滑以及保持架结构而发生变化,关联关系极其复杂,而获得轴承保持架应变场(多点应变)、温度场(多点温度)和运动(多自由度) 等多物理场参数,弄清动态应变、运动特性以及温度之间的内在关联关系,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。
国内外学者高度重视轴承保持架测试试验研究,以获得保持架真实原位数据,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)、一种测试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试方法(201510429931.8)和配对轴承差动保持架动态特性试验装置(201710040221.5))。保持架应变测试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试。由于保持架结构空间限制以及转速与内外圈的差异,使保持架测试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试多为单点、应变采用多应变传感器(SKF、TIMKEN)进行多点测试,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。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,单一温度和应变测试不能反映保持架特性。
因此,目前滚动轴承保持架测试方法多是单独运动、应变或温度等参数的单独测试,不能实现保持架多物理场参数的同步测试,难以获得多自由度运动、多点应变和温度的同步数据,导致复杂运动条件下的保持架运动、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多自由度运动、多测点应变和温度多物理场动态参数同步测试方法和实验装置。
发明内容
本发明旨在解决现有技术中上述不足,提出一种滚动轴承保持架多物理场动态参数测试装置,实现滚动轴承保持架多自由度运动、多测点应变和温度的多物理场参数测试,提出保持架结构受限条件下传感器布置和旋转态传输附加质量补偿方式,避免附加传输装置的影响,保证保持架参数测试精度。
为了达到上述目的,本发明采用了以下的技术方案:
一种滚动轴承保持架多物理场动态参数测试装置,包括滚动轴承保持架动态参数测试装置1、传感器测试系统、驱动装置3、径向加载装置4、轴向加载装置5和轴承箱6,实现滚动轴承保持架在一定复合载荷和转速下的实验测试;
所述滚动轴承保持架动态参数测试装置1,包括光纤光栅传感器11、光纤光栅信号传输装置12、测试与补偿环13、电涡流传感器14和待测轴承15;
所述待测轴承15为滚动轴承;所述光纤光栅传感器11布置在待测轴承 15保持架的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和光纤信号线一113;在兜孔周围的测点中,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 和光纤信号线一113为一根线;所述传输支架122用于固定光纤信号线二121 和安装光滑环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;
所述测试与补偿环13为钢制材料,一方面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试误差,另一方面用于与保持架相连,测试保持架运动,使电涡流传感器14产生电磁感应信号;测试与补偿环13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为测试与补偿环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;
所述电涡流传感器14用于测试保持架运动参数,包括径向电涡流传感器 141和轴向电涡流传感器142;所述径向电涡流传感器141和轴向电涡流传感器142均为多个;所述径向电涡流传感器141布置于测试与补偿环13圆周上,与待测轴承15回转中心垂直;所述轴向电涡流传感器142布置于测试与补偿环13端面,与待测轴承15回转中心平行;
所述传感器测试系统用于采集保持架运动、应变及温度信号,包括电涡流传感器14、光纤光栅传感器11、采集器21和计算机22;保持架运动参数通过电涡流传感器14直接输入到采集器21中,保持架温度、应变信号采用光纤光栅传感器11测试并通过光滑环123输入到采集器21中,计算机22用于显示和存贮采集器21采集的信号;
所述滚动轴承保持架动态参数测试装置1左端与驱动装置3连接,置于轴承箱6内,所述驱动装置3用于驱动待测轴承15旋转;所述径向加载装置4 安装在滚动轴承保持架动态参数测试装置1上方,用于给待测轴承15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6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安装在滚动轴承保持架动态参数测试装置1右侧,用于给待测轴承15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6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;
所述轴承箱6内设有轴承座61、轴承端盖62、轴向加载端盖63和光滑环夹持杆64;所述轴承座61设有圆孔611、螺纹孔一612和凹槽613;所述圆孔611用于安装待测轴承15;所述螺纹孔一612与径向电涡流传感器141 螺纹连接,螺纹孔一612数量与径向电涡流传感器141数量相同;所述凹槽 613用于避开电涡流传感器14探头,避免影响测试结果;
所述轴承端盖62设有圆环621,用于压紧和固定轴承外圈轴向位置;圆环621上设有矩形凹槽622,用于径向电涡流传感器141穿过圆环621靠近测试与补偿环13,测试保持架的径向运动;轴承端盖62端面设有螺纹孔二 623,螺纹孔二623的中心线与圆环621的中心线平行,与轴向电涡流传感器 142螺纹连接,测试保持架的轴向运动,且螺纹孔二623数量与轴向电涡流传感器142数量相同;
所述轴向加载端盖63为梯形圆环结构,上部设有方孔631用于121光纤信号线二的穿过;下部设有圆孔632用于光滑环夹持杆64的穿过和固定;所述光滑环夹持杆64用于支撑固定光滑环123的静止端,避免静止端的转动。
所述径向电涡流传感器141共两个,呈90°垂直布置,测试结果分别为保持架沿y方向的运动yc和保持架沿z方向的运动zc;所述轴向电涡流传感器142共四个,且四个轴向电涡流传感器142呈90°均匀分布;
则保持架轴向运动为
则保持架绕y、z轴偏转运动为
式中,x1、x2、x3、x4分别为4个轴向电涡流传感器142测量值。
所述应变测点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。
本发明的有益效果:
(1)本发明提出滚动轴承保持架多物理场动态参数测试装置实现结构空间受限条件下的滚动轴承保持架应变、温度多测点分布式同步测试,用于研究多自由度、多点应变和温度间内在的关联关系;(2)本发明所采用光纤光栅传感具有一线多点和灵敏度高、体积小优点,并采用光滑环和特殊传输支架实现传感器信号传输,对保持架的附加影响小,减小对保持架测试结果的影响;(3) 本发明提出的测试与补偿环,一方面用于旋转态传输附加质量补偿,减小附件质量对测试结果影响,测试结果更加准确;另一方面可以用于测试各种材料形式的保持架运动,避免电涡流传感器对非金属材料保持架的使用限制。
附图说明
图1是本发明滚动轴承保持架多物理场动态参数测试实施例的总体示意图;
图2是本发明滚动轴承保持架多物理场动态参数测试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是本发明测试与补偿环结构示意图;
图6是本发明保持架运动测试传感器布置示意图;
图7是本发明传感测试系统结构框图;
图8是本发明滚动轴承保持架多物理场动态参数测试装置结构示意图;
图9是本发明轴承座的结构示意图;
图10是本发明轴承端盖的结构示意图;
图11是本发明加载端盖的结构示意图。
图中:1滚动轴承保持架动态参数测试装置;11光纤光栅传感器;12光纤光栅信号传输装置;13测试与补偿环;14电涡流传感器;15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;131圆环一; 132圆环二;141径向电涡流传感器;142轴向电涡流传感器;21采集器;22 计算机;3驱动装置;4径向加载装置;41径向加载螺栓;42径向力传感器;5轴向加载装轴置;51轴向加载螺栓;52轴向力传感器;6轴承箱;61轴承座; 62轴承端盖;63加载端盖;611圆孔;612螺纹孔一;613凹槽;621圆环,622 矩形凹槽;623螺纹孔二;631方孔;632圆孔;64光滑环夹持杆。
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。
本示例以内圈引导型的球轴承以为例说明,但不局限轴承的类型、保持架兜孔和引导方式的类型。
如图8所示,一种滚动轴承保持架多物理场动态参数测试装置,包括滚动轴承保持架动态参数测试装置1、传感器测试系统、驱动装置3、径向加载装置 4、轴向加载装置5、轴承箱6,实现滚动轴承保持架在一定复合载荷和转速下的实验测试;
如图1和图2所示,所述滚动轴承保持架动态参数测试装置1,包括光纤光栅传感器11、光纤光栅信号传输装置12、测试与补偿环13、电涡流传感器14、待测轴承15;所述待测轴承15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15保持架的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和光纤信号线一113;在兜孔周围的测点中,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点,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,实现兜孔应变的测试;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)和图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和光滑环123;所述光纤信号线二121和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用于固定光纤信号线二121和安装光滑环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为四个或六个,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;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;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,防止旋转过程由于离心力导致光纤信号线二121的折断。;
如图5所示,所述测试与补偿环13为钢制材料,一方面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试误差,另一方面用于与保持架相连,测试保持架运动,使电涡流传感器14产生电磁感应信号;测试与补偿环13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为测试与补偿环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;
如图6所示,所述电涡流传感器14用于测试保持架运动参数,包括径向电涡流传感器141、轴向电涡流传感器142;所述径向电涡流传感器141、轴向电涡流传感器142均为多个;所述径向电涡流传感器141布置于测试与补偿环13圆周上,与待测轴承15回转中心垂直;所述轴向电涡流传感器142 布置于测试与补偿环13端面,与待测轴承15回转中心平行;所述径向电涡流传感器141共两个,呈90°垂直布置,测试结果分别为保持架沿y方向的运动yc和保持架沿z方向的运动zc;所述轴向电涡流传感器142共四个,且四个轴向电涡流传感器呈90°均匀分布;
则保持架轴向运动为
则保持架绕y、z轴偏转运动为
式中,x1、x2、x3、x4分别为4个轴向电涡流传感器142测量值。
如图7所示,所述传感器测试系统用于采集保持架运动、应变及温度信号,包括电涡流传感器14、光纤光栅传感器11、采集器21和计算机22;保持架运动参数通过电涡流传感器14直接输入到采集器21中,而保持架温度、应变信号采用光纤光栅传感器11测试并通过光滑环123输入到采集器21中,计算机 22用于显示和存贮采集器21采集的信号;
如图8所示,所述滚动轴承保持架动态参数测试装置1左端与驱动装置3连接,置于轴承箱6内,所述驱动装置3为驱动电机,用于驱动待测轴承 15旋转;所述径向加载装置4安装在轴承保持架测量装置1上方,用于给待测轴承15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,用于给待测轴承15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;
所述轴承箱6内设有轴承座61、轴承端盖62、轴向加载端盖63和光滑环夹持杆64;如图9所示,所述轴承座61设有圆孔611、螺纹孔一612和凹槽613;所述圆孔611用于安装待测轴承15;所述螺纹孔一612用于与径向电涡流传感器141螺纹连接,螺纹孔一612数量与径向电涡流传感器141数量相同;所述凹槽613用于避开电涡流传感器14探头,避免影响测试结果;
如图10所示,所述轴承端盖62设有圆环621,用于压紧和固定轴承外圈轴向位置;圆环621上设有矩形凹槽622,用于径向电涡流传感器141穿过圆环621靠近测试与补偿环13,测试保持架的径向运动;轴承端盖62端面设有螺纹孔二623,螺纹孔二623的中心线与圆环621的中心线平行,用于与轴向电涡流传感器142螺纹连接,测试保持架的轴向运动,且螺纹孔二 623数量与轴向电涡流传感器142数量相同;
如图11所示,所述轴向加载端盖63为梯形圆环结构,上部设有方孔631 用于121光纤信号线二的穿过;下部设有圆孔632用于光滑环夹持杆64的穿过和固定;所述光滑环夹持杆64用于支撑固定光滑环123的静止端,避免静止端的转动。