CN111336976A - 轴承内部径向工作游隙检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种轴承内部径向工作游隙检测方法，具有测试轴承以及与测试轴承的外圈相匹配的测试用轴承座，在测试用轴承座对应测试轴承的承载区的内表面加工多个凹槽，并在测试轴承的外圈的外环外表面粘贴有应变片，凹槽及应变片的数量以及与测试轴承的承载区的滚子的数量以及位置相对应，所述应变片连接到能够采集应变变化的处理器。然后用标定轴套替换测试轴承内圈，以进行标定实验。最后将所述标定轴套替换回原测试轴承内圈，再将标定好的测试轴承及测试用轴承座安装到工作现场，进行应变分布测试，处理器采集所述测试轴承外环外表面的应变分布情况，即可计算得到测试轴承内部载荷分布，并最终推导得到轴承内部径向工作游隙。

Description

轴承内部径向工作游隙检测方法

技术领域

本发明涉及一种测量轴承内部径向游隙的检测方法，特别涉及一种在位运行轴承内部径向工作游隙的检测方法。

背景技术

轴承作为各种工程机械传动系统的重要组件，其运行状态直接影响着相关工程机械的使用状况。而轴承内部的游隙又对轴承的运行状态有很大影响。对承受径向载荷的轴承来说，轴承内部的径向游隙在轴承刚度，承载能力，疲劳寿命以及振动和动力学响应等方面扮演着十分重要的角色，可以说轴承内部的径向游隙是轴承最重要的运行特征之一。因此，了解轴承在机械实况工作过程中内部的径向游隙，对于检测轴承运行状态，实现轴承结构的健康检测，以及对轴承使用寿命进行合理化管理，都有非常大的积极作用。

轴承的径向游隙是指内外环之间的相对的径向最大跳动量。轴承在不同状态下其游隙会发生相应的变化，具体说来，可分为三种：当轴承处于自由状态(安装前)时，测出的游隙叫做原始游隙；安装后的游隙叫做配合游隙；而在工作过程中，在各种载荷的作用下所具有的游隙叫做工作游隙。其中，在轴承运行中，真正影响轴承运行状态的是工作游隙。然而，轴承在实际工作环境中运行时，由于装配、温度等因素的影响，轴承内部的实际工作游隙往往会发生一定变化。想要更准确更及时地掌握轴承运行过程中轴承内部工作游隙情况，就需要对轴承内部的工作游隙进行实时测试。而轴承内部工作游隙的测量存在的主要困难是：轴承实际运行环境的空间有限，且相对密闭，传统的直接测量法无法使用，同时传感器的布置相对困难。这一难点也导致了现有的轴承内部游隙的测试方法基本都用来测试原始游隙或配合游隙，几乎没有成熟的工作游隙检测方法。

因此，目前来说，轴承内部工作游隙的测试，对于在工作现场的实况测试而言，仍然还没有找到较好的办法。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于：提供一种轴承内部径向工作游隙检测方法，解决现有测试结构及方法不适用于在位轴承工作游隙检测的不足。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案包括：

一种轴承内部径向工作游隙检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)准备测试轴承，所述测试轴承包括内圈、外圈、保持架以及多个滚子；

(2)在测试轴承的外圈的外环表面粘贴多个应变片，应变片的数量与测试轴承的承载区的滚子数相同，位置与测试轴承的承载区的滚子位置相对应，所述应变片连接到能够采集应变变化的处理器；

准备测试用轴承座，所述测试用轴承座在对应测试轴承的承载区的内表面加工有多个凹槽，凹槽的数量与测试轴承的承载区内的滚子数相同，位置与测试轴承的承载区内的滚子位置相对应；

(3)将所述测试轴承与所述测试用轴承座进行装配，保证测试轴承内每个滚子、应变片以及凹槽中心对正；

(4)用标定轴套替换测试轴承内圈，所述标定轴套具有能够单独接触任意一个滚子的径向凸起，然后进行标定实验，对所述测试轴承进行加载，应变片能够检测到受载滚子对测试轴承的承载区的各个滚子对应的外环位置造成的应变响应；

(5)由标定实验中测试轴承的外环不同位置处的应变变化与标定实验中的外加载荷变化，能够计算应变-载荷传递系数：

其中：k_α-β为应变-载荷传递系数；

ε_α-β为仅有滚子β承载时，滚子α对应的测试轴承外环位置的应变响应；

P_β为标定实验中施加的载荷；

(6)将所述标定轴套替换回原测试轴承内圈，再将标定好的测试轴承及测试用轴承座安装到工作现场，进行应变分布测试，处理器采集所述测试轴承外环外表面的应变分布情况[ε_α]；

(7)通过下式计算得到测试轴承内部载荷分布；

[F_β]＝[k_α-β]^-1[ε_α]

其中：[F_β]为测试轴承内部载荷分布；

(8)通过Harris的轴承载荷分布理论推导获得轴承内部径向游隙与轴承内部载荷分布之间的关系，根据步骤(7)中的测试轴承内部载荷分布，计算得到轴承内部径向工作游隙。

所述的轴承内部径向工作游隙检测方法，其中：通过同步旋转测试轴承及测试用轴承座，能够检测每个滚子承载时对测试轴承的承载区的各个滚子对应的外环位置造成的应变响应。

所述的轴承内部径向工作游隙检测方法，其中，步骤(8)的推导过程如下：

(8.1)Harris的轴承载荷分布理论中，定义载荷分布因子ε：

其中：P_d是轴承内部径向游隙；

δ_r是轴承内环径向跳动量；

(8.2)而轴承内部载荷分布范围与轴承内部径向游隙P_d之间的关系为：

其中：ψ_l是承载区对应圆心角的一半；

(8.3)外加径向载荷F_r与内部载荷分布中最大滚子载荷F_max存在以下关系：

F_r＝ZF_maxJ_r(ε) (3)

其中：Z是轴承滚子数；

J_r(ε)是径向载荷分布积分；

(8.4)外加径向载荷F_r与内部径向游隙P_d存在以下关系：

其中：K是由轴承滚子长度决定的刚度系数；

n是由接触方式决定的系数，对于线接触n＝10/9，对于点接触n＝3/2；

(8.5)由式(1)、(2)、(3)、(4)能够推导得到轴承内部径向游隙P_d与内部载荷分布之间的关系：

推导完毕。

本发明的优点包括：

1、本发明可测试到的轴承内部径向工作游隙，且可以实现实时的在线测试；

2、本发明不需要在复杂的专用测试台上进行测试，而是可在简单试验台上标定后，直接安装在工作现场，因此适用性更广；

3、本发明不需要对测试轴承进行任何改造，测试过程不会对轴承内部运行状态造成影响。

附图说明

图1是本发明提供的轴承内部径向工作游隙检测用的轴承座与测试轴承配合的示意图；

图2是本发明提供的轴承内部径向工作游隙检测方法中标定方法的示意图；

图3a-图3f是本发明提供的轴承内部径向工作游隙检测方法中标定实验开展的流程示意图。

附图标记说明：测试轴承1；测试轴承座2；应变片3；凹槽4；轴5；标定轴套6。

具体实施方式

如图1所示，本发明提供一种轴承内部径向工作游隙检测结构，包括测试轴承1以及与测试轴承1的外圈相匹配的测试用轴承座2，是在测试用轴承座2对应测试轴承1承载区的内表面加工多个凹槽4，并在测试轴承1的外圈的外表面粘贴有应变片3，凹槽4及应变3片的数量与测试轴承1承载区滚子数相同，位置与测试轴承1承载区滚子位置相对应，所述应变片3连接到能够采集应变变化的处理器(未予图示)。

使用的时候，先进行标定实验，如图2所示。标定轴套6装配在轴5上，用所述标定轴套6替换测试轴承1内圈，所述标定轴套6内径比内圈小，而且具有能够单独接触一个滚子的径向凸起(径向凸起与滚子接触的面为凹曲面)，用于在标定中保证测试轴承1只有一个滚子承载。然后，对所述测试轴承1进行加载(即通过标定轴套6对其单独接触的滚子施加径向载荷F)，应变片3可检测到受载滚子对测试轴承1承载区各个滚子对应的外环位置造成的应变响应；标定过程如图2、图3a-图3f所示，通过同步旋转测试轴承1及测试用轴承座2，可检测到每个滚子单独承载时对测试轴承1承载区各个滚子对应的外环位置造成的应变响应，从而获得应变-载荷传递系数矩阵。

之后，将所述标定轴套6替换回原测试轴承1内圈，再将标定好的测试轴承1及测试用轴承座2安装到工作现场，进行应变分布测试，处理器采集所述测试轴承1外环外表面的应变分布情况，得到测试轴承1外环外表面应变分布，从而可以计算得到测试轴承1内部载荷分布(具体计算方法见后述检测方法)。

本发明还可计算得到测试轴承1的内部径向工作游隙，原因在于：

轴承内部径向游隙与轴承内部载荷分布之间的关系可通过Harris的轴承载荷分布理论推导获得。Harris的轴承载荷分布理论中，定义载荷分布因子ε：

其中：P_d是轴承内部径向游隙；

δ_r是轴承内环径向跳动量。

而轴承内部载荷分布范围与轴承内部径向游隙P_d之间的关系为：

其中：ψ_l是承载区对应圆心角的一半。

外加径向载荷F_r与内部载荷分布中最大滚子载荷F_max存在以下关系：

F_r＝ZF_maxJ_r(ε) (3)

其中：Z是轴承滚子数；

J_r(ε)是径向载荷分布积分。

外加径向载荷F_r与内部径向游隙P_d存在以下关系：

其中：K是由轴承滚子长度决定的刚度系数；

n是由接触方式决定的系数，对于线接触n＝10/9，对于点接触n＝3/2。

由式(1)、(2)、(3)、(4)可推导得到轴承内部径向游隙P_d与内部载荷分布之间的关系：

由前述内容可知，本发明还提供一种轴承内部径向工作游隙检测方法，可用于现场测试，其包括如下步骤：

(1)准备测试轴承1，所述测试轴承1包括内圈、外圈、保持架以及多个滚子；

(2)在测试轴承1的承载区外圈的外环表面粘贴多个应变片3，应变片3的数量与测试轴承1承载区滚子数相同，位置与测试轴承1承载区滚子位置相对应，将所述应变片3连接到能够采集应变变化的处理器(未予图示)；

(3)准备测试用轴承座2，所述轴承座2在其对应测试轴承1承载区的内表面加工有多个凹槽4，凹槽4的数量与测试轴承1承载区内滚子数相同，位置与测试轴承1承载区内滚子位置相对应；

(4)将所述测试轴承1与所述测试用轴承座2进行装配，保证测试轴承1内每个滚子、应变片3以及凹槽4中心对正；

(5)用标定轴套6替换测试轴承1内圈，然后进行标定实验，对所述测试轴承1进行加载，应变片3可检测到受载滚子对测试轴承1承载区各个滚子对应的外环位置造成的应变响应；

步骤(5)中，通过同步旋转测试轴承1及测试用轴承座2，可检测每个滚子单独承载时对测试轴承1承载区各个滚子对应的外环位置造成的应变响应；

(6)由标定实验中测试轴承1外环不同位置处的应变变化与标定实验中的外加载荷变化，可以计算应变-载荷传递系数：

其中：k_α-β为应变-载荷传递系数；

ε_α-β为仅有滚子β承载时，滚子α对应的测试轴承1外环位置的应变响应；

P_β为标定实验中施加的载荷；

(7)将所述标定轴套6替换回原测试轴承1内圈，再将标定好的测试轴承1及测试用轴承座2安装到工作现场，进行应变分布测试，处理器采集所述测试轴承1外环外表面的应变分布情况；

(8)通过下式计算得到测试轴承内部载荷分布；

[F_β]＝[k_α-β]^-1[ε_α]

其中：[F_β]为测试轴承内部载荷分布。

(9)将由步骤(8)中得到的轴承内部载荷分布情况代入式(5)中，就可以计算得到径向载荷作用下轴承内部的径向工作游隙。

综上所述，本发明的优点包括：

1、本发明可测试到的轴承内部径向工作游隙，且可以实现实时的在线测试；

2、本发明不需要在复杂的专用测试台上进行测试，而是可在简单试验台上标定后，直接安装在工作现场，因此适用性更广；

3、本发明不需要对测试轴承进行任何改造，测试过程不会对轴承内部运行状态造成影响。

以上说明对本发明而言只是说明性的，而非限制性的，本领域普通技术人员理解，在不脱离权利要求所限定的精神和范围的情况下，可作出许多修改、变化或等效，但都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种轴承内部径向工作游隙检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)准备测试轴承，所述测试轴承包括内圈、外圈、保持架以及多个滚子；

(2)在测试轴承的外圈的外环表面粘贴多个应变片，应变片的数量与测试轴承的承载区的滚子数相同，位置与测试轴承的承载区的滚子位置相对应，所述应变片连接到能够采集应变变化的处理器；

准备测试用轴承座，所述测试用轴承座在对应测试轴承的承载区的内表面加工有多个凹槽，凹槽的数量与测试轴承的承载区内的滚子数相同，位置与测试轴承的承载区内的滚子位置相对应；

(3)将所述测试轴承与所述测试用轴承座进行装配，保证测试轴承内每个滚子、应变片以及凹槽中心对正；

(4)用标定轴套替换测试轴承内圈，所述标定轴套具有能够单独接触任意一个滚子的径向凸起，然后进行标定实验，对所述测试轴承进行加载，应变片能够检测到受载滚子对测试轴承的承载区的各个滚子对应的外环位置造成的应变响应；

(5)由标定实验中测试轴承的外环不同位置处的应变变化与标定实验中的外加载荷变化，能够计算应变-载荷传递系数：

其中：k_α-β为应变-载荷传递系数；

ε_α-β为仅有滚子β承载时，滚子α对应的测试轴承外环位置的应变响应；

P_β为标定实验中施加的载荷；

(6)将所述标定轴套替换回原测试轴承内圈，再将标定好的测试轴承及测试用轴承座安装到工作现场，进行应变分布测试，处理器采集所述测试轴承外环外表面的应变分布情况[ε_α]；

(7)通过下式计算得到测试轴承内部载荷分布；

[F_β]＝[k_α-β]^-1[ε_α]

其中：[F_β]为测试轴承内部载荷分布；

(8)通过Harris的轴承载荷分布理论推导获得轴承内部径向游隙与轴承内部载荷分布之间的关系，根据步骤(7)中的测试轴承内部载荷分布，计算得到轴承内部径向工作游隙。

2.如权利要求1所述的轴承内部径向工作游隙检测方法，其特征在于：通过同步旋转测试轴承及测试用轴承座，能够检测每个滚子承载时对测试轴承的承载区的各个滚子对应的外环位置造成的应变响应。

3.如权利要求1所述的轴承内部径向工作游隙检测方法，其特征在于，步骤(8)的推导过程如下：

(8.1)Harris的轴承载荷分布理论中，定义载荷分布因子ε：

其中：P_d是轴承内部径向游隙；

δ_r是轴承内环径向跳动量；

(8.2)而轴承内部载荷分布范围与轴承内部径向游隙P_d之间的关系为：

其中：ψ_l是承载区对应圆心角的一半；

(8.3)外加径向载荷F_r与内部载荷分布中最大滚子载荷F_max存在以下关系：

F_r＝ZF_maxJ_r(ε) (3)

其中：Z是轴承滚子数；

J_r(ε)是径向载荷分布积分；

(8.4)外加径向载荷F_r与内部径向游隙P_d存在以下关系：

其中：K是由轴承滚子长度决定的刚度系数；

n是由接触方式决定的系数，对于线接触n＝10/9，对于点接触n＝3/2；

(8.5)由式(1)、(2)、(3)、(4)能够推导得到轴承内部径向游隙P_d与内部载荷分布之间的关系：

推导完毕。

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