CN114166508A - 一种实时获取多排滚子转盘轴承载荷分布状态的方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种实时获取多排滚子转盘轴承载荷分布状态的方法，首先在外圈的轴向端面上沿周向均布多个超声测试位点；然后以该轴向端面的圆心为原点建立坐标系，获取各测试位点的坐标P₁(x₁，y₁，0)、P₂(x₂，y₂，0)……P_n(x_n，y_n，0)；接着沿轴向向转盘轴承内部同步发射超声波，获得内圈的位点坐标Q₁(x₁，y₁，‑l₁)、Q₂(x₂，y₂，‑l₂)……Q_n(x_n，y_n，‑l_n)，拟合位点坐标并获得内外圈的空间位置关系，利用几何方法计算得到内圈滚道分度圆与z＝0平面间的最小距离点A和最大距离点B，最后将内外圈的空间位置关系转化为平面位置关系，并获得主推及辅推滚子的轴向变形量分布图，根据载荷F与滚子轴向变形量δ之间的关系

获取转盘轴承的载荷分布状态。本方法不破坏转盘轴承本身结构，且实现了对转盘轴承载荷分布状态的实时获取，准确性高。

Description

一种实时获取多排滚子转盘轴承载荷分布状态的方法

技术领域

本发明涉及轴承技术领域，具体地，涉及一种实时获取多排滚子转盘轴承载荷分布状态的方法。

背景技术

多排滚子转盘轴承是一种具备低速、重载、强时变等承载特性的转盘轴承。相比于普通轴承，多排滚子转盘轴承的承载能力更强，可以同时承受轴向力、径向力和倾覆力矩，加之结构紧密、性能优越，因此应用范围日益扩大。目前，多排滚子转盘轴承被广泛应用于掘进机、起重机等大型工程机械中，其工作环境恶劣，运行工况复杂，在施工过程中一旦出现问题将造成巨大的经济损失。因此，能够实时获取工作状态下多排滚子转盘轴承的载荷分布状态就显得尤为重要，基于所获取的轴承载荷分布状态参数，技术人员可以分析出轴承的工作状态，预测轴承的使用寿命，进而对施工时的参数选择进行指导，同时还可以通过建立施工工况与轴承载荷状态之间的关系为轴承设计提供输入条件。

然而，目前对多排滚子转盘轴承的载荷分布的分析工作主要集中在设计计算方面，首先根据施工参数等信息预测轴承工作时的外部载荷，然后将该外部载荷作为输入条件，建立计算分析模型以研究轴承的载荷分布状态。但由于工作过程中载荷的传递过程是动态变化的，仅根据施工信息是很难准确预测出轴承的真实外部载荷，所以通过此种方法计算获取的轴承载荷分布状态与实际情况存在较大误差。

目前虽然也有一些可实现实时测量转盘轴承工作状态的方法，例如利用电涡流位移传感器测量套圈位移状态、利用应变片测量滚子受力状态等，但这些方法都需要对套圈或者滚子进行一定的结构改造以安装测试设备，对转盘轴承本身的结构造成破坏，测量得到的受力状态与实际使用具有完好结构的转盘轴承的受力状态有误差，特别是对于极端工况下工作的转盘轴承，微小的结构变化都将导致其工作状态发生巨大改变，测量结果置信度低，甚至可能造成轴承结构快速失效，引发事故。

因此，本领域亟需一种实时获取转盘轴承载荷分布状态的无损检测方法，实现对极端工况下转盘轴承载荷分布状态的准确获取，进而为施工及设计工作提供可靠的依据。

发明内容

本申请的目的在于提供一种实时获取多排滚子转盘轴承载荷分布状态的方法，能在不破坏转盘轴承原始结构的前提下进行，确保转盘轴承的测量状态与实际工况一致，以提高测量结果的准确性。本申请的技术方案如下：

一种实时获取多排滚子转盘轴承载荷分布状态的方法，所述转盘轴承包括内圈和外圈，在内圈和外圈之间沿轴向设置主推滚子和辅推滚子，所述方法包括以下步骤：

步骤1：在外圈的一轴向端面上沿周向设置n个超声测试位点，n≥3；

步骤2：在转盘轴承的轴向为水平条件下，以步骤1中设有超声测试位点的轴向端面的圆心为原点，以水平方向为x轴、竖直方向为y轴、转盘轴承的轴向为z轴建立空间直角坐标系，n个超声测试位点的坐标分别为P₁(x₁，y₁，0)、P₂(x₂，y₂，0)……P_n(x_n，y_n，0)；

步骤3：各超声测试位点沿轴向向转盘轴承内部同步发射超声波，并接收超声波在内圈表面的反射信号，计算各反射位点与对应超声测试位点之间的距离l₁、l₂……l_n，即内圈表面的位点坐标分别为Q₁(x₁，y₁，-l₁)、Q₂(x₂，y₂，-l₂)……Q_n(x_n，y_n，-l_n)；

步骤4：对步骤3中获得的位点坐标进行拟合，并结合已知的内圈圆心位置及内圈尺寸参数获取内圈的空间位置，利用几何方法计算得到内圈滚道分度圆与z＝0平面间的最小距离点A和最大距离点B，将内外圈间的空间位置关系转化为平面位置关系；

步骤5：基于步骤4中内外圈的平面位置关系，结合滚子尺寸参数获得主推滚子和辅推滚子的轴向变形量分布图，根据载荷F与滚子轴向变形量δ之间的关系

获取转盘轴承的载荷分布状态，K_a为轴向载荷位移常数。

在一些具体的实施例中，所述主推滚子相比于辅推滚子靠近超声测试位点设置，在所述步骤5中：

主推滚子的载荷为

辅推滚子的载荷为

式中：δ_A为A点滚子轴向变形量，δ_B为B点滚子轴向变形量，C_s为转盘轴承的轴向游隙，

为待测主推滚子距离点A的圆心角，

为待测辅推滚子距离点B的圆心角。

在一些具体的实施例中，所述超声测试位点位于转盘轴承外圈远离作业面的一侧。

在一些具体的实施例中，所述超声测试位点的数量为四个且间隔均匀地环设在转盘轴承外圈的轴向端面上。

在一些具体的实施例中，在所述超声测试位点布置发射接收一体式的超声探头，所述超声探头与主机连接，所述主机用于对测量数据进行分析、处理及备份。

在一些具体的实施例中，所述超声探头与主机之间采用无线通讯。

本申请提供的技术方案至少具有如下有益效果：

本申请基于超声技术获取转盘轴承内外圈的空间关系，并结合转盘轴承的尺寸参数实时获取其工作过程中的载荷分布状态，相比于传统方法中通过理论分析预测外部载荷对轴承内部载荷分布的影响，本申请提供的方法更能模拟实时工况，准确反映出转盘轴承在工作状态下的载荷分布情况，同时还避免了传统检测手段因实施轴承破坏性结构改造而对轴承实际工作运行状态造成的影响，进一步保证了测量结果的准确性，对于为轴承工作状态分析、轴承寿命预测评估以及施工参数合理选择等后续工作有着重要意义。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例所提供的一种实时获取多排滚子转盘轴承载荷分布状态的方法的流程图；

图2为本申请实施例中应用本发明方法的多排滚子转盘轴承的轴向剖视图(仅示出部分)；

图3为本申请实施例中超声探头的布置方式以及坐标系位置示意图(采用面向第一外圈的视角)；

图4为本申请实施例中转盘轴承的内外圈空间位置关系示意图(未示出第二外圈)；

图5为本申请实施例中转盘轴承的内外圈平面位置关系示意图；

图6为本申请实施例中主推滚子和辅推滚子的轴向变形量及对应的轴承载荷分布状态示意图；

图中：1、内圈，2、第一外圈，3、第二外圈，4、主推滚子，5、径向滚子，6、辅推滚子，7、超声探头，8、主机。

具体实施方式

为了便于理解本申请，下面将结合说明书附图和较佳的实施例对本申请中的技术方案作更全面、细致地描述，但本申请的保护范围并不限于以下具体的实施例，基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，均属于本申请保护的范围。

需要特别说明的是，当某一元件被描述为与另一元件存在“固定、固接、连接或连通”关系时，它可以是直接固定、固接、连接或连通在另一元件上，也可以是通过其他中间件间接固定、固接、连接或连通在另一元件上。

除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本申请的保护范围。

实施例

参见图2，本申请中的多排滚子转盘轴承为典型的三排圆柱滚子转盘轴承，包括沿径向设置的内圈1和外圈，所述外圈包括沿轴向设置的第一外圈2和第二外圈3，其中所述第二外圈3相比于第一外圈2更靠近作业面(例如刀盘)设置，沿远离作业面的方向，在所述内圈1和外圈之间沿轴向依次设置辅推滚子6、径向滚子5和主推滚子4，所述主推滚子4位于第一外圈2与内圈1之间，所述辅推滚子6位于第二外圈3与内圈1之间，所述径向滚子5位于第一外圈2和第二外圈3的交界处，所述主推滚子4和辅推滚子6的滚动轴与转盘轴承的中心轴线垂直，所述径向滚子5的滚动轴与转盘轴承的中心轴线平行。

上述多排滚子转盘轴承的主推滚道与辅推滚道的分度圆直径相同，第一外圈2与第二外圈3通过螺栓固定连接，工作过程中，外圈整体固定不动而内圈1转动。

参见图1，一种实时获取多排滚子转盘轴承载荷分布状态的方法，具体包括以下步骤：

步骤1：在第一外圈2的轴向外端面上沿周向布置4个超声测试位点，在每个超声测试位点均设有发射接收一体式的超声探头7，所述超声探头7与主机8连接，所述主机8用于对测量数据进行分析、处理及备份。

步骤2：在转盘轴承的轴向为水平条件下，即转盘轴承处于竖立位姿，以步骤1中设有超声测试位点的轴向外端面的圆心为原点，以水平方向为x轴、竖直方向为y轴、转盘轴承的轴向为z轴建立空间直角坐标系，4个超声测试位点的坐标分别为P₁(x₁，y₁，0)、P₂(x₂，y₂，0)、P₃(x₃，y₃，0)和P₄(x₄，y₄，0)，如图3所示。

步骤3：各超声测试位点沿轴向向转盘轴承内部同步发射超声波，并接收超声波在内圈表面的反射信号，计算各反射位点与对应超声测试位点之间的距离l₁、l₂、l₃和l₄，即内圈表面的位点坐标分别为Q₁(x₁，y₁，-l₁)、Q₂(x₂，y₂，-l₂)、Q₃(x₃，y₃，-l₃)和Q₄(x₄，y₄，-l₄)；

步骤4：对步骤3中获得的位点坐标进行拟合，获取内圈滚道忽略厚度后所在的平面，并结合已知的内圈圆心位置及内圈尺寸参数获取内圈的空间位置，进而得到内外圈空间位置关系，如图4所示；利用几何方法计算得到内圈滚道分度圆与z＝0平面间的最小距离点A和最大距离点B(两点之间相距180°)，将内外圈间的空间位置关系转化为平面位置关系，具体为将内圈和外圈在平面上投影，如图5所示。

步骤5：基于步骤4中内外圈的平面位置关系，结合滚子尺寸参数获得主推滚子和辅推滚子的轴向变形量分布图，根据载荷F与滚子轴向变形量δ之间的关系

获取转盘轴承的载荷分布状态，K_a为轴向载荷位移常数，最终获取主推滚子和辅推滚子轴向变形量及轴承载荷分布状态，如图6所示；

具体地，由于所述主推滚子相比于辅推滚子靠近超声测试位点设置，因此，所述主推滚子的载荷为：

所述辅推滚子的载荷为：

式中：δ_A为A点滚子轴向变形量，δ_B为B点滚子轴向变形量，C_s为转盘轴承的轴向游隙，

为待测主推滚子距离点A的圆心角，

为待测辅推滚子距离点B的圆心角。

在本实施例中，所述超声测试位点位于转盘轴承外圈远离作业面的一侧。考虑到盘轴承靠近作业面的一侧需要连接刀盘等作业结构，不便于布置超声探头，因此该结构设计有利于实际操作安装，还可避免作业时产生的脏污、杂物等对超声探头造成影响。

在本实施例中，所述超声探头与主机之间采用无线通讯的连接方式。但在另一些实施例中，所述超声探头与主机之间也可采用有线连接方式，不会影响本申请方法的实施。

以上所述仅为本申请的部分实施例，并非因此限制本申请的专利保护范围，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。在本申请的精神和原则之内，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的任何改进或等同替换，直接或间接运用在其它相关的技术领域，均应包括在本申请的专利保护范围内。

Claims (6)

1.一种实时获取多排滚子转盘轴承载荷分布状态的方法，其特征在于，所述转盘轴承包括内圈和外圈，在内圈和外圈之间沿轴向设置主推滚子和辅推滚子，所述方法包括以下步骤：

步骤1：在外圈的一轴向端面上沿周向设置n个超声测试位点，n≥3；

步骤2：在转盘轴承的轴向为水平条件下，以步骤1中设有超声测试位点的轴向端面的圆心为原点，以水平方向为x轴、竖直方向为y轴、转盘轴承的轴向为z轴建立空间直角坐标系，n个超声测试位点的坐标分别为P₁(x₁，y₁，0)、P₂(x₂，y₂，0)……P_n(x_n，y_n，0)；

步骤3：各超声测试位点沿轴向向转盘轴承内部同步发射超声波，并接收超声波在内圈表面的反射信号，计算各反射位点与对应超声测试位点之间的距离l₁、l₂……l_n，即内圈表面的位点坐标分别为Q₁(x₁，y₁，-l₁)、Q₂(x₂，y₂，-l₂)……Q_n(x_n，y_n，-l_n)；

步骤4：对步骤3中获得的位点坐标进行拟合，并结合已知的内圈圆心位置及内圈尺寸参数获取内圈的空间位置，利用几何方法计算得到内圈滚道分度圆与z＝0平面间的最小距离点A和最大距离点B，将内外圈间的空间位置关系转化为平面位置关系；

步骤5：基于步骤4中内外圈的平面位置关系，结合滚子尺寸参数获得主推滚子和辅推滚子的轴向变形量分布图，根据载荷F与滚子轴向变形量δ之间的关系

获取转盘轴承的载荷分布状态，K_a为轴向载荷位移常数。

2.根据权利要求1所述的实时获取多排滚子转盘轴承载荷分布状态的方法，其特征在于，所述主推滚子相比于辅推滚子靠近超声测试位点设置，在所述步骤5中：

主推滚子的载荷为

辅推滚子的载荷为

式中：δ_A为A点滚子轴向变形量，δ_B为B点滚子轴向变形量，C_s为转盘轴承的轴向游隙，

为待测主推滚子距离点A的圆心角，

为待测辅推滚子距离点B的圆心角。

3.根据权利要求2所述的实时获取多排滚子转盘轴承载荷分布状态的方法，其特征在于，所述超声测试位点位于转盘轴承外圈远离作业面的一侧。

4.根据权利要求3所述的实时获取多排滚子转盘轴承载荷分布状态的方法，其特征在于，所述超声测试位点的数量为四个且间隔均匀地环设在转盘轴承外圈的轴向端面上。

5.根据权利要求3所述的实时获取多排滚子转盘轴承载荷分布状态的方法，其特征在于，在所述超声测试位点布置发射接收一体式的超声探头，所述超声探头与主机连接，所述主机用于对测量数据进行分析、处理及备份。

6.根据权利要求5所述的实时获取多排滚子转盘轴承载荷分布状态的方法，其特征在于，所述超声探头与主机之间采用无线通讯。

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