CN114705341B - 一种基于光纤传感的滚动轴承摩擦力矩的测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于光纤传感的滚动轴承摩擦力矩的测量装置及方法，所述测量装置包括转轴、滚动轴承、FBG传感器、带连接梁的套环和力矩平衡环，所述滚动轴承内圈安装在转轴上，所述套环与滚动轴承外圈形成过盈配合，多个连接梁沿套环的切向设置，每个连接梁上粘贴有FBG传感器，连接梁的末端插入相应的力矩平衡环的槽孔中进行固定，轴承外圈在摩擦力矩作用下发生微动时，力矩由连接梁传递给外部的力矩平衡环，连接梁会发生弹性形变，通过FBG传感器对形变进行测量和计算获得滚动轴承的摩擦力矩，所述测量装置具有结构简单、体积小、耐腐蚀、易安装等优点，测量方法易操作，能够快速准确的对滚动轴承的摩擦力矩进行测量。
Description
技术领域
本发明涉及轴承测量技术领域，具体涉及一种基于光纤传感的滚动轴承摩擦力矩的测量装置及方法。
背景技术
轴承是重要的机械标准件，主要用于传递运动和承受载荷，其性能直接影响到旋转机械的效率、精度甚至寿命。轴承一般包括内圈、外圈和滚动体，在运行过程中三个部件相互作用产生的摩擦力矩是评价轴承性能的重要指标，因此需要对轴承运行过程中的摩擦力矩进行测量。
由于轴承的摩擦力矩相对较小，传统的测量方法很难测量或测准轴承的摩擦力矩，而且滚动轴承摩擦力矩的测量需要在轴承静态测量启动摩擦力矩之后再进行动态测量，加大了测试难度。因此，开展精确测量滚动轴承动静状态下的摩擦力矩的相关研究十分必要。
发明内容
为解决解决现有轴承摩擦力矩测量装置存在结构复杂、难以动态监测摩擦力矩的问题，本发明的目的在于提供一种基于光纤传感的滚动轴承摩擦力矩的测量装置及方法，所述测量装置具有体积小、耐腐蚀、易安装、成本低等优势，能够快速准确的测量滚动轴承的摩擦力矩。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种基于光纤传感的滚动轴承摩擦力矩的测量装置，包括转轴、滚动轴承、光纤布拉格光栅（FBG）传感器、连接梁、套环和力矩平衡环，所述滚动轴承通过内圈安装在转轴上，所述套环与滚动轴承外圈形成过盈配合，套环外侧表面上均匀固定有多个连接梁，所述连接梁沿套环的切向设置，每个连接梁中段位置的表面粘贴有所述光纤布拉格光栅（FBG）传感器，所述力矩平衡环上开设有多个槽孔，每个所述连接梁的末端插入相应的力矩平衡环的槽孔中进行固定。
所述力矩平衡环的宽度略大于连接梁的宽度。
所述套环和力矩平衡环的材料的密度和弹性模量应尽量小。
所述套环和力矩平衡环的材料为铝。
一种基于光纤传感的滚动轴承摩擦力矩的测量方法，使用所述的测量装置对滚动轴承进行测量，包括以下步骤：
（1）在连接梁中间位置的表面粘贴所述光纤布拉格光栅（FBG）传感器，并确定连接梁材料的杨氏弹性模量E，光纤布拉格光栅（FBG）传感器的初始中心波长λ 0，连接梁的横截面积A；
（2）先将滚动轴承安装在转轴上，再把套环安装到滚动轴承外圈，然后将套环外部的连接梁的末端插入力矩平衡环上的槽孔内进行固定；
（3）通过转轴给滚动轴承内圈施加驱动力矩，滚动轴承外圈的套环在摩擦力矩的作用下发生微动，力矩由连接梁传递给外部的力矩平衡环，连接梁在此过程中受外力影响发生弹性变形，导致连接梁上的光纤布拉格光栅（FBG）传感器的中心波长发生变化；
（4）根据测量的连接梁上光纤布拉格光栅（FBG）传感器的波长变化、光纤光栅传感原理和胡克定律，计算单个连接梁传递的摩擦力矩M；
（5）根据套环和力矩平衡环之间的连接梁数量，计算滚动轴承的总摩擦力矩M z 。
在步骤（1）粘贴光纤布拉格光栅（FBG）传感器时，粘贴之前应使用砂纸等打磨连接梁基体的表面，粘贴光栅时应给予光纤一定的预应力，避免粘贴时产生光纤光栅啁啾化，粘贴位置选在连接梁的中段。
步骤（4）计算单个连接梁传递的摩擦力矩，具体包括；
（4.1）在通过转轴施加驱动后，用信号采集仪实时获取光纤布拉格光栅（FBG）传感器的波长信号λ B ；由光纤光栅传感原理可知，摩擦力矩使连接梁发生的应变为：ε=(λ B -λ 0 )/(λ B ·K ε)，式中K ε是光纤光栅中心波长漂移应变灵敏系数；
（4.2）根据应变和胡克定律计算出连接梁横截面所受应力和外力，再将外力乘以力臂即为该连接梁所传递的摩擦力矩：M=E·ε·A·D/2，式中D是套环的外径。
步骤（5）中计算的滚动轴承的总摩擦力矩为：M z =n·M，式中n是所用连接梁的数量。
有益效果：本发明提出的滚动轴承测量装置及方法，结构简单、安装方便、测试难度低，能够快速准确的对滚动轴承的摩擦力矩进行测量，还可以对滚动轴承的摩擦力矩进行动态监测，使用本发明所述的装置，能够降低轴承滚动摩擦力矩测量系统的购置成本和使用成本，具有很好的实用价值。
附图说明
图1为本发明的滚动轴承摩擦力矩测量装置的结构示意图；
图2为安装FBG的连接梁的示意图；
图3为带槽孔的力矩平衡环的示意图；
图4带连接梁的套环的结构示意图。
附图标记： 1套环、2连接梁，3力矩平衡环，4槽孔。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的说明。
如图1-4所示，一种基于光纤传感的滚动轴承摩擦力矩的测量装置，包括转轴、试验轴承单元（滚动轴承）、光纤布拉格光栅传感器（即FBG传感器）、连接梁2、套环1和力矩平衡环3，滚动轴承内圈安装在转轴上，通过转轴施加驱动力矩，所述连接梁2为等截面梁，沿套环1切向设置，多个连接梁2均匀分布固定在套环1外侧，如图4所示；每个连接梁2的表面上粘贴有所述FBG传感器，如图2所示，所述FBG传感器粘贴在连接梁2中段位置，并连接信号采集仪，所述套环1与滚动轴承外圈过盈配合；如图1和3所示，力矩平衡环3上设有多个用于固定连接梁2的槽孔4，多个连接梁2的末端分别插入对应的槽孔4进行固定；其中，图1（A）和图1（B）分别显示了所述测量装置不同角度的结构示意图。
所述连接梁2以端点和切点重合的方式固定在套环1外侧，所述力矩平衡环3的宽度略大于连接梁2的宽度，所述力矩平衡环3的直径大小与被测轴承的安装空间有关，设计时可以根据轴承安装空间自行定义，不影响测试结果。
所述FBG传感器粘贴在连接梁2的靠近套环1的内侧表面或靠近力矩平衡环3的外侧表面。
为尽可能减少测量装置的自身重量，所述套环1和力矩平衡环3使用的材料的密度和弹性模量应尽量小，可以使用诸如铝之类的材质。
使用上述测量装置的滚动轴承摩擦力矩的测量方法包括以下步骤：
（1）在连接梁2中间位置的表面粘贴所述FBG传感器，并确定连接梁材料的杨氏弹性模量E，FBG传感器的初始中心波长λ 0，连接梁的横截面积A。
（2）先将滚动轴承安装在转轴上，再把套环1安装到滚动轴承外圈，然后将套环1外部的连接梁2的末端插入力矩平衡环3上的槽孔4内进行固定。
（3）通过转轴给滚动轴承内圈施加驱动力矩，滚动轴承外圈的套环1在摩擦力矩的作用下发生微动，力矩由连接梁2传递给外部的力矩平衡环3，连接梁2在此过程中受外力影响发生弹性变形，导致连接梁2上的FBG传感器的中心波长发生变化。
（4）根据测量的连接梁2上FBG传感器的波长变化、光纤光栅传感原理和胡克定律，计算单个连接梁2传递的摩擦力矩M，具体如下；
（4.1）在通过转轴施加驱动后，用信号采集仪实时获取FBG传感器的波长信号λ B ；由光纤光栅传感原理可知，摩擦力矩使连接梁2发生的应变为：ε=(λ B -λ 0 )/ (λ B ·K ε)，式中K ε是光纤光栅中心波长漂移应变灵敏系数；
（4.2）根据应变和胡克定律计算出连接梁2横截面所受应力和外力，再将外力乘以力臂即为该连接梁2所传递的摩擦力矩：M=E·ε·A·D/2，式中D是套环1的外径。
（5）根据套环1和力矩平衡环3之间的连接梁2数量，计算滚动轴承的总摩擦力矩：M z =n·M，式中n是所用连接梁2的数量。
其中，在粘贴FBG的步骤中，粘贴之前应使用砂纸等打磨连接梁2基体的表面；所选择粘合剂的材料的弹性模量应尽量小；粘贴光栅时应给予光纤一定的预应力，避免粘贴时产生光纤光栅啁啾化；粘贴位置选在梁的中段。
实施例1
本实施例提供了一种滚动轴承摩擦力矩测量方法，在本实施例中，以附图1所示的深沟球轴承为例进行说明，但是该方法也可以用于测量角接触球轴承、圆柱滚子轴承等其他滚动轴承；如图1结构所示，测量装置包括深沟球轴承、带连接梁2的套环1以及力矩平衡环3，其中制造带梁套环1和力矩平衡环3的材料的密度和弹性模量应尽量小，套环1的加工尺寸应与轴承外圈形成过盈配合，力矩平衡环3的宽度设计尺寸略微大于连接梁2的梁宽；在组装测试装置之前，使用粘合剂将FBG固定于连接梁2的中端位置，如图2所示；将深沟球轴承安装在转轴上，套环1安装在轴承外圈上，组装测试装置时，梁的末端要插入力矩平衡环3的槽孔4中固定；通过转轴给轴承内圈施加驱动力矩，轴承外圈套环1在摩擦力矩的作用下发生微动，力矩由连接梁2传递给外平衡圆环；连接梁2在此过程中受外力影响发生弹性变形，导致4个FBG的中心波长发生变化，记录某时刻四个连接梁2上的FBG的波长变化分别为Δλ 1 、Δλ 2 、Δλ 3 、Δλ 4 ，则对应的连接梁2应变为ε i =Δλ i / (λ B ·K ε)，i=1，2，3，4；通过胡克定律可以得到4个连接梁2所受的应力为σ i =E·ε i ，i=1，2，3，4；进而可以由梁的横截面积A得到梁所受外力F i =σ i ·A，i=1，2，3，4；再将外力F i 乘以力臂（即轴承外圈套环1半径D/2）得到每个梁所传递的力矩M i =D/2·F i ，i=1，2，3，4；因此轴承总的摩擦力矩M=M 1 +M 2 +M 3 +M 4 。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (8)
1.一种基于光纤传感的滚动轴承摩擦力矩的测量装置，其特征在于，包括转轴、滚动轴承、光纤布拉格光栅（FBG）传感器、连接梁、套环和力矩平衡环，所述滚动轴承通过内圈安装在转轴上，所述套环与滚动轴承外圈形成过盈配合，套环外侧表面上均匀固定有多个连接梁，所述连接梁为等截面梁，所述连接梁沿套环的切向设置，每个连接梁中段位置的表面粘贴有所述光纤布拉格光栅（FBG）传感器，所述力矩平衡环上开设有多个槽孔，每个所述连接梁的末端插入相应的力矩平衡环的槽孔中进行固定。
2.如权利要求1所述的一种测量装置，其特征在于，所述力矩平衡环的宽度略大于连接梁的宽度。
3.如权利要求1所述的一种测量装置，其特征在于，所述套环和力矩平衡环的材料的密度和弹性模量应尽量小。
4.如权利要求3所述的一种测量装置，其特征在于，所述套环和力矩平衡环的材料为铝。
5.一种基于光纤传感的滚动轴承摩擦力矩的测量方法，其特征在于，所述测量方法使用权利要求1-4任一项所述的测量装置对滚动轴承进行测量，包括以下步骤：
（1）在连接梁中间位置的表面粘贴所述光纤布拉格光栅（FBG）传感器，并确定连接梁材料的杨氏弹性模量E，光纤布拉格光栅（FBG）传感器的初始中心波长λ 0，连接梁的横截面积A；
（2）先将滚动轴承安装在转轴上，再把套环安装到滚动轴承外圈，然后将套环外部的连接梁的末端插入力矩平衡环上的槽孔内进行固定；
（3）通过转轴给滚动轴承内圈施加驱动力矩，滚动轴承外圈的套环在摩擦力矩的作用下发生微动，力矩由连接梁传递给外部的力矩平衡环，连接梁在此过程中受外力影响发生弹性变形，导致连接梁上的光纤布拉格光栅（FBG）传感器的中心波长发生变化；
（4）根据测量的连接梁上光纤布拉格光栅（FBG）传感器的波长变化、光纤光栅传感原理和胡克定律，计算单个连接梁传递的摩擦力矩M；
（5）根据套环和力矩平衡环之间的连接梁数量，计算滚动轴承的总摩擦力矩M z 。
6.如权利要求5所述的一种基于光纤传感的滚动轴承摩擦力矩的测量方法，其特征在于，在步骤（1）粘贴光纤布拉格光栅（FBG）传感器时，粘贴之前应使用砂纸等打磨连接梁基体的表面，粘贴光栅时应给予光纤一定的预应力，避免粘贴时产生光纤光栅啁啾化，粘贴位置选在连接梁的中段。
7.如权利要求5或6所述的一种基于光纤传感的滚动轴承摩擦力矩的测量方法，其特征在于，步骤（4）计算单个连接梁传递的摩擦力矩，具体包括；
（4.1）在通过转轴施加驱动后，用信号采集仪实时获取光纤布拉格光栅（FBG）传感器的波长信号λ B ；由光纤光栅传感原理可知，摩擦力矩使连接梁发生的应变为：ε=(λ B -λ 0 )/(λ B ·K ε)，式中K ε是光纤光栅中心波长漂移应变灵敏系数；
（4.2）根据应变和胡克定律计算出连接梁横截面所受应力和外力，再将外力乘以力臂即为该连接梁所传递的摩擦力矩：M=E·ε·A·D/2，式中D是套环的外径。
8.如权利要求7所述的一种基于光纤传感的滚动轴承摩擦力矩的测量方法，其特征在于，步骤（5）中计算的滚动轴承的总摩擦力矩为：M z =n·M，式中n是所用连接梁的数量。
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Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 球轴承联合载荷动态摩擦力矩测量仪设计;霍琦峰;高奋武;胡波;;企业技术开发(第04期);全文 * |
| 霍琦峰 ; 高奋武 ; 胡波 ; .球轴承联合载荷动态摩擦力矩测量仪设计.企业技术开发.2009,(04),全文. * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN114705341A (zh) | 2022-07-05 |
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