CN115539145A - 轴向载荷测量一体化鼠笼弹性支承及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轴向载荷测量一体化鼠笼弹性支承，包括安装边、若干个弹条、一体化轴承外圈、支撑筒一、支撑筒二和环形结构的变形板，变形板设置在支撑筒一和支承筒二之间，变形板分别与支撑筒一和支撑筒二垂直，支撑筒二的另一端与安装边连接，支撑筒一的另一端与弹条连接，弹条的另一端与一体化轴承外圈连接，变形板的壁面上靠近支撑筒一的位置处沿周向粘贴有应变片一，变形板的壁面上靠近支撑筒二的位置处沿周向粘贴有应变片二，应变片一、应变片二串联形成全桥并引出测量线用于轴向力测量；本发明还公开了一种轴向载荷测量方法。本发明可解决现有一体化鼠笼弹性支承轴向载荷测量方式中存在的对鼠笼弹性支承产生不利影响及灵敏度、测量精度均较低的技术问题。

Description

轴向载荷测量一体化鼠笼弹性支承及测量方法

技术领域

本发明涉及航空发动机转子支承技术领域，特别地，涉及一种轴向载荷测量一体化鼠笼弹性支承。此外，本发明还涉及一种包括上述轴向载荷测量一体化鼠笼弹性支承的轴向载荷测量方法。

背景技术

鼠笼弹性支承在中小型航空发动机转子支承系统中广泛使用，它能有效降低转子越过临界转速时的振动，保证转子正常工作。发动机工作时，压气机转子产生向前的轴向载荷，涡轮转子产生向后的轴向载荷。过大的轴向载荷会使轴承过载损坏，过小的轴向载荷会使轴承轻载打滑。因此，转子轴向载荷必须保持在合适的范围内。在发动机工作中，需要测量转子的轴向载荷以保证发动机安全可靠工作。

现有的航空发动机转子轴向载荷测量需使用测力环，测力环安装在鼠笼弹性支承的轴承腔内，测力环的一侧抵靠鼠笼弹性支承的轴承腔挡边，一侧抵靠轴承外圈。轴承外圈与鼠笼弹性支承的轴承腔内壁之间存在间隙，故在转子轴向载荷作用下轴承与鼠笼弹性支承可相对移动，使得测力环发生变形以实现对轴向载荷的测量。因此，基于测力环的转子轴向载荷测量方式只适用于鼠笼弹性支承与轴承为分体结构的转子轴向载荷测量，而不适用于鼠笼弹性支承与轴承为一体化结构的转子轴向载荷测量。对于鼠笼弹性支承与轴承为一体化结构，现有报道中有两种轴向载荷的测量方式：①在弹条上粘贴应变片的方式；②对鼠笼弹性支承加工轴向力测量部的方式。但是，它们不免还存在各自的局限性：对于第一种轴向载荷测量方式，存在轴向载荷测量误差较大、灵敏度不高的问题；对于第二种轴向载荷测量方式，在鼠笼弹性支承上加工轴向载荷测试部，在轴向载荷测试部的倾斜连接部或者U型结构底部粘贴单个应变片，在弹性支承承受轴向载荷时，这两个部位粘贴的单个应变片所感受的应变太小，导致轴向载荷测试灵敏度太低，测试误差太大，甚至在工程上根本无法使用(特别是在小载荷情况)，同时弹性支承的所承受的径向载荷也会被应变片所感受，即应变片所测量的应变为轴向力和径向力产生的综合变形。

为解决一体化鼠笼弹性支承不能配装测力环进行转子轴向载荷测量的问题，需针对一体化鼠笼弹性支承结构进行转子轴向载荷测量改进设计。在实现对带一体化鼠笼弹性支承进行转子轴向载荷测量的同时，要尽可能地避免引入其它的转子动力学及振动问题，尽量避免对传统鼠笼弹性支承进行大的结构改动，对其径向刚度和振动特性的影响要尽可能小，此外还需确保转子轴向载荷测量有较高的灵敏度。

发明内容

本发明提供了一种轴向载荷测量一体化鼠笼弹性支承及测量方法，以解决现有一体化鼠笼弹性支承轴向载荷测量方式中存在的对鼠笼弹性支承产生不利影响及灵敏度、测量精度均较低的技术问题。

根据本发明的一个方面，提供一种轴向载荷测量一体化鼠笼弹性支承，包括安装边、若干个弹条、一体化轴承外圈、支撑筒一、支撑筒二和环形结构的变形板，所述安装边、弹条、一体化轴承外圈、支撑筒一、支撑筒二和变形板组成一体化结构，若干个弹条围合形成环形结构，所述安装边和一体化轴承外圈分别设置在一体化结构的两端部，所述一体化轴承外圈内设有用于与轴承内环配合使用的滚珠跑道，所述变形板设置在支撑筒一和支承筒二之间，变形板分别与支撑筒一和支承筒二垂直，所述支撑筒二的另一端与安装边连接，所述支撑筒一的另一端与弹条连接，所述弹条的另一端与一体化轴承外圈连接，所述变形板的壁面上靠近支撑筒一的位置处沿周向粘贴有四个应变片一，所述变形板的壁面上靠近支撑筒二的位置处沿周向粘贴有四个应变片二，所述应变片一与应变片二一对一配套地设置于变形板的壁面上并位于相邻的两个桥臂上，相邻桥臂上的应变片一和应变片二感受到的应变方向相反，应变片一两两串联形成两个应变片一组，应变片二两两串联形成两个应变片二组，两个应变片一组分别与两个应变片二组串联形成全桥并引出四个测量线用于轴向载荷测量。

作为上述技术方案的进一步改进：所述变形板的径向宽度大于与之相连的支撑筒一的轴向高度，且变形板的径向宽度大于与之相连的支撑筒二的轴向高度。

进一步地，四个所述应变片一沿变形板环形结构形成的圆周上均匀分布，四个所述应变片二沿变形板环形结构形成的圆周上均匀分布，且应变片一和与之相邻的应变片二所处位置位于同一个过变形板中心的轴线上。

进一步地，所述应变片一和应变片二位于变形板同侧的壁面上。

进一步地，所述支撑筒一的直径小于支撑筒二的直径。

进一步地，所述支撑筒一与支撑筒二之间的半径差等于变形板的径向宽度，所述支撑筒一与支撑筒二之间的半径差为8～15mm。

进一步地，所述支撑筒一上设有用于捆绑测量线的绑线孔，所述测量线通过绑线孔捆绑固定在支撑筒一上。

进一步地，所述应变片一组中的两个应变片一为变形板的壁面上沿变形板中心轴对称的两个位置处的应变片一，所述应变片二组中的两个应变片二为变形板的壁面上沿变形板中心轴对称的两个位置处的应变片二。

进一步地，若干个所述弹条围合形成环形结构从一端至另一端是等直径的；或若干个所述弹条围合形成环形结构从一端至另一端是变直径的且向外成辐射状，与一体化轴承外圈连接处的弹条直径大于与支撑筒一连接处的弹条直径。

据本发明的另一方面，还提供了一种轴向载荷测量方法，包括上述所述的轴向载荷测量一体化鼠笼弹性支承，且包括如下步骤：

S1、将四个应变片一和四个应变片二分别粘贴至变形板的壁面上相应位置处，并将对称设置的应变片一两两串联形成两个应变片一组，对称设置的应变片二两两串联形成两个应变片二组，两个应变片一组分别与两个应变片二组串联形成全桥并引出四个测量线，将四个测量线接入动态应变测量仪；

S2、对所述的轴向载荷测量一体化鼠笼弹性支承进行轴向载荷测量标定，将所述的轴向载荷测量一体化鼠笼弹性支承固定在标定平台上，在一体化轴承外圈上施加等载荷间距的轴向载荷F，记录动态应变测量仪中的输出应变值ε，通过线性拟合得到轴向载荷标定公式F＝kε+b，其中b为常数，求出标定系数k，当线性相关系数的平方大于0.99时，所得到的k值满足要求；

S3、通过安装边将轴向载荷测量一体化鼠笼弹性支承安装至支撑转子的安装座上，并使一体化轴承外圈的滚珠跑道通过滚珠和保持架套设在轴承内环上，当转子轴承受的轴向载荷为F＇时，在轴向载荷F＇的作用下，应变片一和应变片二同时感受到压应变/拉应变，且应变片一和应变片二上感受到的应变方向相反，分别用正、负号来区分向前的轴向力和向后的轴向力；

S4、通过应变片全桥输出应变的正负号来判断转子轴向载荷F＇的方向，通过应变片全桥输出应变ε＇的大小并经F＇＝kε＇换算后准确获得转子轴向载荷F＇的大小。

本发明具有以下有益效果：

(1)本发明的轴向载荷测量一体化鼠笼弹性支承通过设置变形板，包括两种应变片，即应变片一和应变片二，应变片一和应变片二分别粘贴在变形板的壁面上靠近支撑筒一处、变形板壁面上靠近支撑筒二的位置处，变形板的壁面上靠近支撑筒一处、变形板壁面上靠近支撑筒二的位置处这两处实际受到的应变方向相反，当一处受到拉应变时，另一处必受到压应变，反之亦然，使应变片一和应变片二感受到的应变方向相反，由于位于变形板上的壁面上的应变片一/应变片二受到的应变方向不同、大小相同，可通过将位于相对位置上的变形板的壁面上的应变片一两两串联、应变片二两两串联，应变片一/应变片二两两串联后由径向载荷引起的桥路应变的输出值为零，进而来消除径向载荷的影响，再将应变片一组分别与应变片二组串联形成全桥并引出测量线用来测量轴向载荷，应变片一和应变片二组成全桥贴片及相应的引线方式，可以通过其输出应变的正负号判断转子轴向载荷的方向，变形板(测力单元)在测量转子轴向载荷时可以有效消除由于转子不平衡等径向载荷的影响，从而提高转子轴向载荷测量准确性，应变片全桥还可以有效消除应变片温度效应对于转子轴向载荷测量的不利影响，提高变形板(测力单元)的转子轴向载荷测量精度，变形板承受的转子轴向载荷与测量的应变之间存在很好的线性关系，转子轴向载荷测量效果好，可保证测得的轴向载荷的精确性较高；

(2)本发明的轴向载荷测量一体化鼠笼弹性支承既具有传统鼠笼弹性支承调节转子系统临界转速的作用，同时还具有测量转子的轴向载荷的功能，本发明的轴向载荷测量一体化鼠笼弹性支承的径向刚度仍然由弹条决定(一体化鼠笼弹性支承的径向刚度K＝nEb²h²/l³，n为弹条的个数，E为材料弹性模量，b为弹条的宽度，h为弹条的厚度，l为弹条的长度)，而测力单元由于采用轴向高度较小(即其轴向刚度相对较大)的支撑筒一和支撑筒二传力、径向宽度较大(即其轴向刚度相对较小)的变形板测量应变的方式，相比于弹条传力时直接在弹条上测量应变的方式，可避免轴向加载或承受轴向载荷时轴向变形小的问题，在保证一体化鼠笼弹性支承承受轴向载荷时其轴向位移(即轴向变形)满足要求的情况下，变形板上的应变响应较明显，从而提高了应变-轴向载荷测量的灵敏度，也可使其轴向载荷的测量方式不会对一体化鼠笼弹性支承产生不利影响；

(3)本发明的轴向载荷测量一体化鼠笼弹性支承设置了四个应变片一和四个应变片二，便于将四个应变片一和四个应变片二均匀设置在变形板均匀排布形成的圆周上的不同轴向位置处，并通过将应变片一与应变片二的个数设定为相同且一对一配套设置在变形板的壁面上形成相邻的两个桥臂，可以测量到转子不同轴向方向上的轴向载荷数据，可保证测得的轴向载荷数据的灵敏度及测量精度均较高；

(4)本发明的轴向载荷测量方法将四根测量线接入动态应变测量仪，通过应变片全桥输出应变的正负号来判断转子轴向载荷的方向，通过应变片全桥输出应变的大小并经换算后准确获得转子轴向载荷的大小，可以得到转子实际工作中的轴向载荷，测量过程操作简单、省时，且测量精度较高。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明优选实施例1的轴向载荷测量一体化鼠笼弹性支承的结构示意图；

图2是图1中的A-A剖视图；

图3是图1中的B-B剖视图；

图4本发明优选实施例的应变片一和应变片二组成的全桥结构示意图；

图5是本发明优选实施例2的轴向载荷测量一体化鼠笼弹性支承的结构示意图；

图6是图5中的A-A剖视图；

图7是图5中的B-B剖视图。

图例说明：

1、安装边；2、弹条；3、一体化轴承外圈；31、滚珠跑道；4、支撑筒一；41、绑线孔；5、支撑筒二；6、变形板；7、应变片一；8、应变片二；9、测量线。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由下述所限定和覆盖的多种不同方式实施。

实施例1：

如图1至图4所示，本实施例的轴向载荷测量一体化鼠笼弹性支承，包括安装边1、若干个弹条2、一体化轴承外圈3、支撑筒一4、支撑筒二5和环形结构的变形板6，安装边1、弹条2、一体化轴承外圈3、支撑筒一4、支撑筒二5和变形板6组成一体化结构，若干个弹条2围合形成环形结构，若干个弹条2围合形成环形结构从一端至另一端是等直径的，安装边1和一体化轴承外圈3分别设置在一体化结构的两端部，一体化轴承外圈3内设有用于与轴承内环配合使用的滚珠跑道31，变形板6设置在支撑筒一4和支承筒二5之间，变形板6分别与支撑筒一4和支承筒二5垂直，支撑筒二5的另一端与安装边1连接，支撑筒一4的另一端与弹条2连接，弹条2的另一端与一体化轴承外圈3连接，变形板6的外壁面上靠近支撑筒一4的位置处沿周向粘贴有四个应变片一7，分别为R50、R51、R52和R53，变形板6的外壁面上靠近支撑筒二的位置处沿周向粘贴有四个应变片二8，分别为R54、R55、R56和R57，应变片一7与应变片二8的个数相同，且应变片一7与应变片二8一对一配套地设置于变形板6的壁面上并位于相邻的两个桥臂上，同一个桥臂上的应变片一7和应变片二8感受到的应变方向相反，应变片一7两两串联(R50和R51串联、R52和R53串联)形成2个应变片一组，应变片二8两两串联(R54和R55串联、R56和R57串联)形成2个应变片二组，2个应变片一组分别与2个应变片二组串联(R50和R57串联、R51和R54串联、R52和R55串联、R53和R56串联)形成全桥并引出4个测量线9用于轴向载荷测量。

本实施例中，如图2和图4所示，通过理论分析和有限元计算后确定粘贴应变片的8个位置，以90°的间隔将应变片一7中的R50、R51、R52、R53对称粘贴在变形板6的壁面上靠近支撑筒一4的位置，将应变片二8中的R54、R55、R56、R57对称粘贴在变形板6的壁面上靠近支撑筒二5的位置，测量变形板6在转子轴向载荷作用下的压应变/拉应变。如图4所示，将同在变形板6的壁面上靠近支撑筒一4的位置感受压应变/拉应变的应变片一7中的R50和R51串联、R52和R53串联；将同在变形板6的壁面上靠近支撑筒二5的位置感受拉应变/压应变的应变片二8中的R54和R55串联、R56和R57串联。将应变片R50和R57串联、R51和R54串联、R52和R55串联、R53和R56串联组成全桥后分别引出四根测量线9，使用热缩管将四根测量线9集束后通过绑线孔41捆绑固定在支撑筒一4上。

本实施例中，支撑筒一4上设有用于捆绑测量线9的绑线孔41，测量线9通过绑线孔41捆绑固定在支撑筒一4上，可便于测量线9的收集，避免测量线9的存在受转子轴转动的影响而影响转子运行安全以及测量结果的精确性。

本实施例中，组成全桥的单个应变片的电阻为120Ω，输出的4根测量线两两之间的电阻为180Ω(对应图4中的AB、BC、CD、DA之间)或240Ω(对应图4中的AC、BD之间)，可以通过测试电阻值来判断串联线是否有接触不良而导致的没有实际串联以及测量线断路和短路等现象，可保证在进行轴向载荷测量时，测量线及8个应变片之间的连线可靠性较高，不会因接触不良、断路、短路等现象而使得转子的轴向载荷测量无法实施或者影响测量结果的精确性。

本实施例中，应变片一组中的两个应变片一7为两个位置相对的应变片一7，应变片二组中的两个应变片二8为两个位置相对的应变片二8。在径向载荷作用下，应变片R50和R51的输出应变方向相反且大小相同，应变片R52和R53的输出应变方向相反且大小相同，应变片R54和R55的输出应变方向相反且大小相同，应变片R56和R57的输出应变方向相反且大小相同，通过将R50和R51串联、R52和R53串联、R54和R55串联、R56和R57串联，可以起到相互抵消由径向载荷引起的桥路输出应变，使径向载荷呈现无输出应变的状态，可有效消除径向载荷的存在对轴向载荷测量结果的影响，使轴向载荷的测量结果精确性较高。

由于组成应变片全桥同一个桥臂上的应变片一7和应变片二8分别粘贴在变形板6的壁面上的中心轴对称位置，在轴向载荷作用下均同时感受压应变/拉应变，因此在转子轴向载荷作用下应变片全桥可以正常输出应变值。当轴向载荷测量一体化鼠笼弹性支承受到径向载荷时，应变片全桥同一个桥臂上的两个应变片一个感受拉应变，另一个感受压应变，则应变片全桥同一个桥壁上由径向载荷引起的应变输出为0，例如通过将R50和R51串联、R52和R53串联、R54和R55串联、R56和R57串联，实现无径向载荷输出的效果，使得变形板6(测力单元)在测量转子轴向载荷时可以有效消除径向载荷的干扰，确保转子轴向载荷测量的准确性。应变片全桥还可以有效消除应变片温度效应对于转子轴向载荷测量的不利影响，提高变形板6(测力单元)的转子轴向载荷测量灵敏度。

本实施例中，将四根测量线接入动态应变测量仪，对轴向载荷测量一体化鼠笼弹性支承进行轴向载荷测量标定，获得有关轴向载荷和应变的标定系数，通过该标定系数和应变测量，可以得到转子实际工作中的轴向载荷。当转子受到向前/往后的轴向载荷时，应变片一7中的R50、R51、R52、R53感受压应变/拉应变和应变片二8中的R54、R55、R56、R57感受拉应变/压应变，应变片全桥输出正的/负的应变值。根据应变片全桥输出应变的正负号判断转子轴向载荷的方向，应变片全桥输出应变的大小并经换算后准确获得转子轴向载荷的大小。

本实施例中，变形板6的径向宽度大于与之相连的支撑筒一4的轴向高度，且变形板6的径向宽度大于与之相连的支撑筒二5的轴向高度，由此支撑筒一4和支撑筒二5之间的变形板6构成测力单元。在轴向载荷作用下，作为测力单元的变形板6发生弹性变形，变形板6的壁面上靠近支撑筒一4的位置产生压应变/拉应变，靠近支撑筒二5的位置产生拉应变/压应变。变形板6的径向宽度大于支撑筒一4和支撑筒二5的轴向高度的目的在于使得支撑筒一4和支撑筒二5的轴向刚度远远大于变形板6的轴向刚度，在轴向载荷作用下，产生变形的部位在变形板6上而不在支撑筒一4或支撑筒二5上。变形板6径向宽度越大，其变形越大，当然变形板6也会受到一体化鼠笼弹性支承安装尺寸以及其轴向刚度(轴向变形)的限制，不可能无限增大。

本实施例中，应变片一7和应变片二8位于变形板6同侧的壁面上，这是为了应变片连线方便，因为假如应变片一7和应变片二8位于变形板6不同侧的壁面上，不同侧的壁面上相同位置的应变方向是相反的，而连接成同一桥臂上的应变片感受到的应变方向必须相同，相邻桥臂上感受到的应变方向是相反的，而且还要考虑桥臂连线的均匀性问题，连线的复杂性会显著增加。

本实施例中，4个应变片一7沿变形板6环形结构形成的圆周上均匀分布，4个应变片二8沿变形板6环形结构形成的圆周上均匀分布，且应变片一7和与之相邻的应变片二8所处位置位于同一个过变形板6中心的轴线上，，保证4个桥臂能准确感受到应变的变化。

本实施例中，支撑筒一4的直径小于支撑筒二5的直径，因为转轴位于弹性支承内部，所以变形板6不能往弹条2内部延伸(容易与转轴等相干涉)，变形板6只能往弹条2外部延伸。支撑筒一4与支撑筒二5之间的半径差等于变形板(6)的径向宽度，所述支撑筒一(4)与支撑筒二(5)之间的半径差为8～15mm为宜，变形板6的径向宽度受到一体化鼠笼弹性支承安装尺寸以及其轴向刚度(轴向变形)的限制。变形板6的径向宽度过小，在轴向载荷作用下变形板6产生的变形过小，轴向载荷测量灵敏度低；变形板6的径向宽度过大造成一体化鼠笼弹性支承的轴向刚度不足，在轴向载荷作用下，变形板6的变形过大，容易造成转静子碰摩故障发生。

在航空发动机工作过程中，压气机转子压缩气体做功使得气体压比增大，气体反过来对叶片有向前的反作用力，该反作用力通过转子作用在轴承上。气体推动涡轮叶片做功，涡轮转子受到向后的作用力。对于航空发动机而言，转子轴向载荷是作用在压气机转子上向前的轴向载荷和作用在涡轮转子上向后的轴向载荷的合力。转子的轴向载荷必须控制在一定范围内，既不能太大也不能太小，更不能频繁换向，以免损坏轴承。因此，在发动机研制过程中，需要测量转子的轴向载荷，以确保发动机转子的安全可靠工作。

本实施例的轴向载荷测量一体化鼠笼弹性支承既具有传统鼠笼弹性支承调节转子系统临界转速的作用，同时还具有测量转子的轴向力的功能，一体化鼠笼弹性支承的轴向刚度由变形板6的尺寸决定，同时相比于在弹条上直接粘贴应变片的方式，变形板6结构在承受轴向载荷时有较大的应变响应，从而可大幅提高应变-轴向力测量的灵敏度。可以通过调节变形板6的径向宽度、厚度来控制一体化鼠笼弹性支承的轴向刚度(一体化鼠笼弹性支承的径向刚度由弹条2的尺寸参数决定，因为还需变形板6的径向刚度远大于弹条2的径向刚度)，使其满足动力学设计要求，同时确保变形板6(测力单元)有很高的应变-轴向力测量的灵敏度。变形板6的壁面上的应变片全桥贴片和引线方式，可以通过其输出应变的正负号判断转子轴向载荷的方向。变形板6(测力单元)在测量转子轴向载荷时可以有效消除由于转子不平衡等径向载荷的影响，从而提高转子轴向载荷测量准确性。根据图2和图4，当转子受到径向载荷时，同一桥臂上的应变方向相反，感受的应变互相抵消，如在同一个桥臂上的R50和R51在受到轴向载荷时，它们感受应变相同，均为压应变或者拉应变，而当受到径向载荷时，二者感受的应变方向相反，一个为压应变一个为拉应变，二者相互抵消，桥臂上无因径向载荷引起的应变输出，故可以消除径向载荷的影响。应变片全桥还可以有效消除应变片温度效应对于转子轴向载荷测量的不利影响，提高变形板6(测力单元)的转子轴向载荷测量精度，这是由于是全桥接线，所有应变片均接入桥路，各个应变片的温度始终相同，为一体化鼠笼弹性支承的工作环境温度，所以它们因温度变化所引起的电阻值的变化也相同，又因为它们相互处于电桥相邻的两臂，所以并不产生电桥的输出电压，从而使得温度效应的影响被消除。变形板6承受的转子轴向载荷与测量的应变之间存在很好的线性关系，转子轴向载荷测量效果好。

本实施例的轴向载荷测量一体化鼠笼弹性支承具有如下优势：

(1)该轴向载荷测量一体化鼠笼弹性支承既具有传统鼠笼弹性支承调节转子系统临界转速的作用，同时还可以测量转子的轴向载荷，与传统的鼠笼弹性支承结构相比，轴向载荷测量一体化鼠笼弹性支承结构改动小，不会由于在支撑筒一4和支撑筒二5之间增加变形板6而对一体化鼠笼弹性支承的振动稳定性和强度可靠性带来不利影响；

(2)采用径向宽度大于支撑筒一4和支撑筒二5的轴向高度的变形板6作为测力单元，由于变形板6的径向刚度比弹条2的径向刚度大很多，轴向载荷测量一体化鼠笼弹性支承的径向刚度仍然是由弹条2决定。而测力单元由于采用轴向高度较小(即其轴向刚度相对较大)的支撑筒一和支撑筒二传力、径向宽度较大(即其轴向刚度相对较小)的变形板6测量应变响应的方式，相比于弹条2传力时直接在弹条2上测量应变响应的方式，可避免轴向加载或者承受轴向载荷时轴向变形小的问题，在保证轴向载荷测量一体化鼠笼弹性支承在承受轴向载荷时其轴向位移(轴向变形)满足要求的情况下，变形板6上的应变响应较明显，从而提高了应变-轴向载荷测量的灵敏度；

(3)变形板6上应变片全桥贴片和引线方式，使得其输出应变的正负号可以用于判断转子轴向载荷的方向。变形板6在测量转子轴向载荷时可以有效消除由于转子不平衡等径向载荷的干扰，确保转子轴向载荷测量的准确性。应变片全桥还可以有效消除应变片温度效应对于转子轴向载荷测量的不利影响，提高变形板6的转子轴向载荷测量灵敏度。变形板6承受的转子轴向载荷与测量的应变之间存在良好的线性关系，转子轴向载荷测量灵敏度高。

以上的轴向载荷测量一体化鼠笼弹性支承，仅仅是以此结构为例，说明了本发明的具体设计与实施过程，并不限于弹条2、变形板6(测力单元)、安装边1等的具体结构和应变片一7、应变片二8粘贴位置(应变片一7可以全部粘贴在变形板6的外壁面上，也可以全部粘贴在变形板6的内壁面上，还可以一半粘贴在变形板6的外壁面上、另一半粘贴在变形板6的内壁面上，应变片二8的情况同上，为了应变片连线方便，只要满足一个桥臂上应变片一7、应变片二8在同一侧即可)。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改与变化(弹条2的布局形式、长度、宽度、厚度及个数、应变片一7及应变片二8粘贴位置、全桥引线方式等均可改变)。

本实施例的轴向载荷测量方法，包括上述的轴向载荷测量一体化鼠笼弹性支承，且包括如下步骤：

S1、将四个应变片一7和四个应变片二8分别粘贴至变形板6的壁面上相应位置处，并将对称设置的应变片一7两两串联形成2个应变片一组，对称设置的应变片二8两两串联形成2个应变片二组，2个应变片一组分别与2个应变片二组串联形成全桥并引出四个测量线9，将四个测量线9接入动态应变测量仪；

S2、对所述的轴向载荷测量一体化鼠笼弹性支承进行轴向载荷测量标定，将所述的轴向载荷测量一体化鼠笼弹性支承固定在标定平台上，在一体化轴承外圈3上施加等载荷间距的轴向载荷F，记录动态应变测量仪中的输出应变值ε，通过线性拟合得到轴向载荷标定公式F＝kε+b，其中b为常数，求出标定系数k，当线性相关系数的平方大于0.99时，所得到的k值满足要求；

S3、通过安装边1将轴向载荷测量一体化鼠笼弹性支承安装至支撑转子的安装座上，并使一体化轴承外圈3的滚珠跑道31通过滚珠和保持架套设在轴承内环上，当转子轴承受轴向载荷为F＇时，在轴向载荷F＇的作用下，应变片一7和应变片二8同时感受到压应变/拉应变，且应变片一7和应变片二8上感受到的应变方向相反，分别用正、负号来区分向前的轴向载荷和向后的轴向载荷；

S4、通过应变片全桥输出应变的正负号来判断转子轴向载荷F＇的方向，通过应变片全桥输出应变ε＇的大小并经F＇＝kε＇换算后准确获得转子轴向载荷F＇的大小。

经仿真分析和实验验证表明，本实施例的轴向载荷测量方法由于采用变形板6作为测力单元，具有较高的应变-轴向载荷测量灵敏度，满足带一体化鼠笼弹性支承的转子轴向载荷测量需求。本实施例的轴向载荷测量方法所采用的轴向载荷测量一体化鼠笼弹性支承具有与传统鼠笼弹性支承同等的径向刚度特性和调节转子系统临界转速的功能，不会出现其它的一体化鼠笼弹性支承轴向载荷测量方式中存在的对一体化鼠笼弹性支承产生不利影响的现象，可靠性也较高。

实施例2：

如图5至图7所示，本实施例与实施例1的不同在于，若干个弹条2围合形成环形结构从一端至另一端是变直径的且向外成辐射状，可以有效解决一体化鼠笼弹性支承安装边尺寸受限(尺寸小)而转子轴承大的转子安装问题。辐射状弹条不会影响支承效果，因为辐射状弹条一样地可以承受径向载荷和轴向载荷，径向载荷和轴向载荷的合力沿着弹条轴线，合力分解后，有一个方向的力会被抵消或者平衡掉，与一体化轴承外圈3连接处的弹条2的直径大于与支撑筒一4连接处的弹条2的直径，其余同实施例1。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种轴向载荷测量一体化鼠笼弹性支承，其特征在于，包括安装边(1)、若干个弹条(2)、一体化轴承外圈(3)、支撑筒一(4)、支撑筒二(5)和环形结构的变形板(6)，所述安装边(1)、弹条(2)、一体化轴承外圈(3)、支撑筒一(4)、支撑筒二(5)和变形板(6)组成一体化结构，若干个弹条(2)围合形成环形结构，

所述安装边(1)和一体化轴承外圈(3)分别设置在一体化结构的两端部，所述一体化轴承外圈(3)内设有用于与轴承内环配合使用的滚珠跑道(31)，

所述变形板(6)设置在支撑筒一(4)和支承筒二(5)之间，变形板(6)分别与支撑筒一(4)和支承筒二(5)垂直，所述支撑筒二(5)的另一端与安装边(1)连接，所述支撑筒一(4)的另一端与弹条(2)连接，所述弹条(2)的另一端与一体化轴承外圈(3)连接，

所述变形板(6)的壁面上靠近支撑筒一(4)的位置处沿周向粘贴有四个应变片一(7)，所述变形板(6)的壁面上靠近支撑筒二(5)的位置处沿周向粘贴有四个应变片二(8)，

所述应变片一(7)与应变片二(8)一对一配套地设置于变形板(6)的壁面上并位于相邻的两个桥臂上，相邻桥臂上的应变片一(7)和应变片二(8)感受到的应变方向相反，应变片一(7)两两串联形成两个应变片一组，应变片二(8)两两串联形成两个应变片二组，两个应变片一组分别与两个应变片二组串联形成全桥并引出四个测量线(9)用于轴向载荷测量。

2.根据权利要求1所述的轴向载荷测量一体化鼠笼弹性支承，其特征在于，

所述变形板(6)的径向宽度大于与之相连的支撑筒一(4)的轴向高度，且变形板(6)的径向宽度大于与之相连的支撑筒二(5)的轴向高度。

3.根据权利要求1所述的轴向载荷测量一体化鼠笼弹性支承，其特征在于，

四个所述应变片一(7)沿变形板(6)环形结构形成的圆周上均匀分布，四个所述应变片二(8)沿变形板(6)环形结构形成的圆周上均匀分布，且应变片一(7)和与之相邻的应变片二(8)所处位置位于同一个过变形板(6)中心的轴线上。

4.根据权利要求1所述的轴向载荷测量一体化鼠笼弹性支承，其特征在于，

所述应变片一(7)和应变片二(8)位于变形板(6)同侧的壁面上。

5.根据权利要求1所述的轴向载荷测量一体化鼠笼弹性支承，其特征在于，

所述支撑筒一(4)的直径小于支撑筒二(5)的直径。

6.根据权利要求5所述的轴向载荷测量一体化鼠笼弹性支承，其特征在于，

所述支撑筒一(4)与支撑筒二(5)之间的半径差等于变形板(6)的径向宽度，所述支撑筒一(4)与支撑筒二(5)之间的半径差为8～15mm。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的轴向载荷测量一体化鼠笼弹性支承，其特征在于，

所述支撑筒一(4)上设有用于捆绑测量线(9)的绑线孔(41)，所述测量线(9)通过绑线孔(41)捆绑固定在支撑筒一(4)上。

8.根据权利要求1-6中任一项所述的轴向载荷测量一体化鼠笼弹性支承，其特征在于，

所述应变片一组中的两个应变片一(7)为变形板(6)的壁面上沿变形板(6)中心轴对称的两个位置处的应变片一(7)，所述应变片二组中的两个应变片二(8)为变形板(6)的壁面上沿变形板(6)中心轴对称的两个位置处的应变片二(8)。

9.根据权利要求1-6中任一项所述的轴向载荷测量一体化鼠笼弹性支承，其特征在于，

若干个所述弹条(2)围合形成环形结构从一端至另一端是等直径的；

或若干个所述弹条(2)围合形成环形结构从一端至另一端是变直径的且向外成辐射状，与一体化轴承外圈(3)连接处的弹条(2)直径大于与支撑筒一(4)连接处的弹条(2)直径。

10.一种轴向载荷测量方法，其特征在于，包括上述权利要求1-9中任一项所述的轴向载荷测量一体化鼠笼弹性支承，且包括如下步骤：

S1、将四个应变片一(7)和四个应变片二(8)分别粘贴至变形板(6)的壁面上相应位置处，并将对称设置的应变片一(7)两两串联形成两个应变片一组，对称设置的应变片二(8)两两串联形成两个应变片二组，两个应变片一组分别与两个应变片二组串联形成全桥并引出四个测量线(9)，将四个测量线(9)接入动态应变测量仪；

S2、对所述的轴向载荷测量一体化鼠笼弹性支承进行轴向载荷测量标定，将所述的轴向载荷测量一体化鼠笼弹性支承固定在标定平台上，在一体化轴承外圈(3)上施加等载荷间距的轴向载荷F，记录动态应变测量仪中的输出应变值ε，通过线性拟合得到轴向载荷标定公式F＝kε+b，其中b为常数，求出标定系数k，当线性相关系数的平方大于0.99时，所得到的k值满足要求；

S3、通过安装边(1)将轴向载荷测量一体化鼠笼弹性支承安装至支撑转子的安装座上，并使一体化轴承外圈(3)的滚珠跑道(31)通过滚珠和保持架套设在轴承内环上，当转子轴承受的轴向载荷为F＇时，在轴向载荷F＇的作用下，应变片一(7)和应变片二(8)同时感受到压应变/拉应变，且应变片一(7)和应变片二(8)上感受到的应变方向相反，分别用正、负号来区分向前的轴向载荷和向后的轴向载荷；

S4、通过应变片全桥输出应变的正负号来判断转子轴向载荷F＇的方向，通过应变片全桥输出应变ε＇的大小并经F＇＝kε＇换算后准确获得转子轴向载荷F＇的大小。

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