CN113607317A - 一种滚道接触应力的间接测量方法及系统 - Google Patents

一种滚道接触应力的间接测量方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明属于一种滚道接触应力的间接测量方法及系统，属于机械测量技术领域。一种滚道接触应力的间接测量系统，包括工作平台、液压缸、测力传感器、保持块、轴承外圈、滚子、电阻应变片、无线应变仪、轴承端盖、轴承内圈、内轴和支撑端支座；支撑端支座通过螺栓与工作平台连接；轴承内圈安装在内轴上；内轴两端分别与支撑端支座、轴承端盖通过螺栓连接；液压缸通过螺栓与工作平台连接；保持块、测力传感器、液压缸间依次通过螺纹连接；粘接在轴承内圈测量孔表面的电阻式应变片与无线应变仪连接。本发明的测量装置简易、操作简单、能实时准确检测滚道接触应力，具有测量精度高的特点。

Description

一种滚道接触应力的间接测量方法及系统
技术领域
本发明涉及一种滚道接触应力的间接测量方法及系统，属于机械测量技术领域。
背景技术
轴承载荷与滚道接触应力是轴承设计的重要依据，也是影响轴承使用状态、疲劳寿命等的主要因素。目前国外主要采用柔性薄膜触觉应力传感器、电容传感技术、压电电阻传感器、感压纸等接触应力测量方法，国内则主要采用半导体扩散式硅压阻敏感件、电阻式压力传感器等接触应力测量方法，但受电压迟滞性、接触材料、环境温湿度等因素的影响，以上直接测量方法存在安装困难、精度不高、易改变接触体的力学特性等问题，尤其对于低速重载轴承，目前的技术方法无法实现对轴承滚道接触应力的实时测量。
目前对于轴承滚道接触应力，多采用Hertz弹性接触理论、切片法、有限元数值仿真进行分析计算，缺乏对于轴承滚道接触应力测量方法的研究。罗继伟团队提出用压痕试验法测量滚道接触应力，将轴承套圈在HNO3水溶液中进行酸洗，形成腐蚀膜，利用压力试验机对轴承进行加载，待加压稳定后卸下轴承套圈，用显微镜对接触印痕的形状和尺寸进行测量，通过与接触半宽的数学模型计算结果进行对比，进而得到对应接触半宽的滚道接触应力。相比本发明测量系统采用无线应变仪采集试验数据，该测量方法操作复杂，无法实现对轴承滚道载荷与接触应力进行实时监测与分析。同时相比本发明测量系统，采用酸洗处理方法存在破坏轴承套圈接触表面的问题。本发明采用间接测量方法，系统结构简单，可以实现对轴承滚道接触应力的实时测量，对轴承设计具有非常重要的现实意义。
发明内容
本发明提供了一种结构简单、操作简易、可实时测量的间接测量滚道接触应力的系统及方法。
本发明的技术方案：
一种滚道接触应力的间接测量系统，包括工作平台、液压缸、测力传感器、保持块、轴承外圈、滚子、电阻应变片、无线应变仪、轴承端盖、轴承内圈、内轴和支撑端支座；
所述支撑端支座通过螺栓与工作平台连接；轴承内圈安装在内轴上；内轴两端分别与支撑端支座、轴承端盖通过螺栓连接；液压缸通过螺栓与工作平台连接；保持块、测力传感器、液压缸间依次通过螺纹连接；粘接在轴承内圈测量孔表面的电阻式应变片与无线应变仪连接。
一种滚道接触应力的间接测量方法，应用上述滚道接触应力的间接测量系统，步骤如下：
(1)轴承内圈测量标志点应变与接触面的接触应力、滚子载荷呈相关性，通过有限元仿真模拟不同滚子载荷下的轴承内圈测量标志点应变与滚道接触应力；
根据弹性力学的广义胡克定律，在滚子载荷作用下，轴承内圈在线弹性范围内，应力与应变成线性关系，即σ＝Dε，其中σ为应力，ε为应变，D为杨氏模量；
滚子载荷与轴承内圈应力呈相关性，σ＝function(F,a)，其中σ为应力，F为滚子载荷，a为轴承内圈结构参数：包括轴承内圈宽度b、轴承内圈内径r1、外径r2，隐函数中轴承内圈结构参数a为不变量，滚子载荷F为自变量，应力σ为应变量，轴承内圈应力仅与滚子载荷相关；
滚子与轴承内圈之间为弹性接触，根据弹性接触理论，
Figure BDA0003195876160000031
确定滚子载荷作用下的滚道最大接触应力，其中σHmax为最大接触应力，F为载荷，b为接触线长度，ρ为综合曲率半径，
Figure BDA0003195876160000032
ρ1、ρ2为滚子、轴承内圈两接触体曲率半径，E1、E2为两接触体材料的弹性模量，μ1、μ2为两接触体材料的泊松比；
由
Figure BDA0003195876160000033
确定不同滚子载荷下有限元仿真结果的轴承内圈测量孔标志点应变和最大接触应力情况，其中F1～Fn表示滚子载荷，
Figure BDA0003195876160000034
分别表示滚子载荷Fi下的轴承内圈测量标志点处测量方向的应变参数和最大滚道接触应力，i＝1,2,3,…n；
(2)由滚道接触应力的间接测量系统检测不同滚子载荷下的轴承内圈测量标志点应变；
由
Figure BDA0003195876160000035
确定不同滚子载荷下试验结果的测量孔标志点应变情况，其中F1～Fn表示滚子载荷，
Figure BDA0003195876160000036
表示滚子载荷Fi下的测量标志点处测量方向的应变参数，i＝1,2,3,…n；
由液压缸移动输出直线运动，由测力传感器获得滚子载荷施加在轴承内圈上的载荷大小，利用无线应变仪采集测量标志点处电阻应变片贴放方向的应变大小；
(3)根据试验测量的标志点应变ε’1，利用有限元仿真分析建立的轴承内圈测量标志点应变ε1、滚子载荷F和滚道接触应力σHmax1之间关系，可得到实时测量状态下的最大滚道接触应力σ'Hmax。
所述的一种滚道接触应力间接测量方法，测量时，液压缸平行于工作平台输出直线运动，滚子与轴承内圈接触，并对轴承内圈施加载荷，通过测力传感器，监测滚子施加的载荷大小，通过无线应变仪，实时采集内圈测量孔表面的应变变化。
本发明的有益效果：测量装置简易、操作简单、能实时准确检测滚道接触应力，具有测量精度高的特点。
附图说明
图1为本发明测量系统的结构图。
图中：1工作平台；2液压缸；3测力传感器；4保持块；5轴承外圈；6滚子；7电阻应变片；8无线应变仪；9轴承端盖；10轴承内圈；11内轴；12支撑端支座。
具体实施方式
以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
如图一所示，将液压缸2通过螺栓与工作平台1连接，测力传感器3螺纹旋入液压缸2螺纹孔实现连接。保持块4螺纹旋入测力传感器螺纹孔。
将轴承外圈置于保持块上，调整两者共轴线垂直于工作平面，滚子6放置于轴承外圈5、轴承内圈10之间，电阻应变片7贴于轴承内圈测量孔表面的测量标志点处，应变片引线弯曲放入测量孔内，将内轴11穿过轴承内圈10，内轴轴肩端面与轴承内圈端面贴合，轴承端盖9与内轴通过螺栓连接，保证轴承的轴向定位。
支撑端支座12下表面通过螺栓与工作平台1固定连接，支撑端支座12法兰与内轴11通过螺栓紧固连接，将电阻应变片7引线取出接在无线应变仪8，并将无线应变仪8磁吸在内轴11内表面上。
在滚道接触应力间接测量前，通过有限元仿真模拟不同滚子载荷Fi下的内圈测量标志点处应变与最大滚道接触应力，记为
Figure BDA0003195876160000051
通过调节液压阀，控制加载载荷大小，液压缸输出直线运动后，滚子与内圈接触保持加载状态，带测力传感器数值稳定，记录此时测力传感器读数、与应变测量数值结果，分别记为Fi，
Figure BDA0003195876160000052
根据试验测量的标志点应变ε’i，利用有限元仿真分析建立的轴承内圈测量标志点应变
Figure BDA0003195876160000053
滚子载荷Fi和滚道接触应力
Figure BDA0003195876160000054
之间关系，可得到实时测量状态下的最大滚道接触应力σ'Hmax。

Claims (2)

1.一种滚道接触应力的间接测量系统，其特征在于，该滚道接触应力的间接测量系统包括工作平台(1)、液压缸(2)、测力传感器(3)、保持块(4)、轴承外圈(5)、滚子(6)、电阻应变片(7)、无线应变仪(8)、轴承端盖(9)、轴承内圈(10)、内轴(11)和支撑端支座(12)；
所述支撑端支座(12)通过螺栓与工作平台(1)连接；轴承内圈(10)安装在内轴(11)上；内轴(11)两端分别与支撑端支座(12)、轴承端盖(9)通过螺栓连接；液压缸(2)通过螺栓与工作平台(1)连接；保持块(4)、测力传感器(3)、液压缸(2)间依次通过螺纹连接；粘接在轴承内圈测量孔表面的电阻式应变片(7)与无线应变仪(8)连接。
2.一种滚道接触应力的间接测量方法，应用权利要求1所述滚道接触应力的间接测量系统，其特征在于，步骤如下：
(1)轴承内圈测量标志点应变与接触面的接触应力、滚子载荷呈相关性，通过有限元仿真模拟不同滚子载荷下的轴承内圈测量标志点应变与滚道接触应力；
根据弹性力学的广义胡克定律，在滚子载荷作用下，轴承内圈在线弹性范围内，应力与应变成线性关系，即σ＝Dε，其中σ为应力，ε为应变，D为杨氏模量；
滚子载荷与轴承内圈应力呈相关性，σ＝function(F,a)，其中σ为应力，F为滚子载荷，a为轴承内圈结构参数：包括轴承内圈宽度b、轴承内圈内径r1、外径r2，隐函数中轴承内圈结构参数a为不变量，滚子载荷F为自变量，应力σ为应变量，轴承内圈应力仅与滚子载荷相关；
滚子(6)与轴承内圈(10)之间为弹性接触，根据弹性接触理论，
Figure FDA0003195876150000021
确定滚子载荷作用下的滚道最大接触应力，其中σHmax为最大接触应力，F为载荷，b为接触线长度，ρ为综合曲率半径，
Figure FDA0003195876150000022
ρ1、ρ2为滚子、轴承内圈两接触体曲率半径，E1、E2为两接触体材料的弹性模量，μ1、μ2为两接触体材料的泊松比；
由
Figure FDA0003195876150000023
确定不同滚子载荷下有限元仿真结果的轴承内圈测量孔标志点应变和最大接触应力情况，其中F1～Fn表示滚子载荷，
Figure FDA0003195876150000024
分别表示滚子载荷Fi下的轴承内圈测量标志点处测量方向的应变参数和最大滚道接触应力，i＝1,2,3,…n；
(2)由滚道接触应力的间接测量系统检测不同滚子载荷下的轴承内圈测量标志点应变；
由
Figure FDA0003195876150000025
确定不同滚子载荷下试验结果的测量孔标志点应变情况，其中F1～Fn表示滚子载荷，
Figure FDA0003195876150000026
表示滚子载荷Fi下的测量标志点处测量方向的应变参数，i＝1,2,3,…n；
由液压缸移动输出直线运动，由测力传感器获得滚子载荷施加在轴承内圈上的载荷大小，利用无线应变仪采集测量标志点处电阻应变片贴放方向的应变大小；
(3)根据试验测量的标志点应变ε’1，利用有限元仿真分析建立的轴承内圈测量标志点应变ε1、滚子载荷F和滚道接触应力σHmax1之间关系，可得到实时测量状态下的最大滚道接触应力σ'Hmax。
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