CN117288469A - 滚动轴承-保持架-转子系统多动态参数同步测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种滚动轴承‑保持架‑转子系统多动态参数同步测试装置，包括底座、驱动机构和测试系统；驱动机构由电主轴和电主轴支座组成，电主轴通过联轴器与转轴相连，电主轴可驱动转轴及转轴上零件旋转；轴承测试子系统包括振动传感器、温度传感器、反光镜、反光镜支架和高速摄像机，振动传感器和温度传感器分别连接转轴上的滚动轴承，并分别对轴承振动和温度进行测量，反光镜设置于反光镜支架上，高速摄像机通过反光镜对高速运转的保持架进行连续拍摄，通过图像处理可提取保持架质心轨迹和打滑率；本发明提供了可实现同步测得轴承振动、温度、保持架质心轨迹和打滑率等轴承动态性能参数和转子轴心轨迹等转子动态性能参数的测试装置。

Description

滚动轴承-保持架-转子系统多动态参数同步测试装置

技术领域

本发明涉及测试装置技术领域，具体是滚动轴承-保持架-转子系统多动态参数同步测试装置。

背景技术

高精度、长寿命、高可靠性的高速球轴承-转子系统是陀螺电机中的关键部件，他们之间是相互相影响的，无论是支承轴承还是转子的设计，都不能以传统做法把它们作为独立的设计单元，而是应该让轴承和转子都服从系统动态性能设计的思想，将轴承和转子视为一个整体。轴承球、保持架和内外圈之间在运转过程中存在碰撞、滑动，从而影响轴承对转子的非线性支撑力，非线性支撑力的又会改变转子动力学特性，从而反作用于轴承内圈，并进一步影响轴承球与内圈之间的滑动，并改变保持架的运动特性，因此轴承和转子之间是相互影响、相互耦合的。

专利“高速角接触球轴承保持架动态特性测试装置”(授权号CN106092577B)公布了一种保持架动态特性测试装置，其可以在不改变轴承结构的基础上测得保持架质心轨迹，但由于采用两个激光线位移传感器进行数据采集，而激光线位移传感器尺寸较大，这使得该试验机只能对尺寸较大的轴承进行试验，并且该装置无法同步对转子动态特性进行监测，不能探究轴承和转子之间的耦合动力学特性。

发明内容

本发明的方法提供了一种滚动轴承-保持架-转子系统多动态参数同步测试装置，实现同步测得轴承振动、温度、保持架质心轨迹和打滑率等轴承动态性能参数和转子轴心轨迹等转子动态性能参数，以试验探究轴承和转子系统之间的耦合动力学特性；并且在对轴承振动、温度以及保持架质心轨迹和打滑率进行测试时可在不改变轴承结构的的条件下实现。

为达此目的，本发明提供如下的技术方案：

本发明提供了一种滚动轴承-保持架-转子系统多动态参数同步测试装置，所述滚动轴承、保持架和转子均设置于转轴上，测试装置包括底座、驱动机构和测试系统，所述驱动机构和所述测试系统均设置于所述底座的上方，所述测试系统包括轴承测试子系统和转子测试子系统；所述驱动机构由电主轴和电主轴支座组成，所述电主轴通过联轴器与转轴相连，所述电主轴可驱动转轴及转轴上零件旋转；所述轴承测试子系统包括振动传感器、温度传感器、反光镜、反光镜支架和高速摄像机，所述振动传感器和所述温度传感器分别连接转轴上的滚动轴承，并分别对轴承振动和温度进行测量，所述反光镜设置于所述反光镜支架上，所述高速摄像机通过反光镜对高速运转的保持架进行连续拍摄，通过图像处理可提取保持架质心轨迹和打滑率；所述转子测试子系统包括电涡流位移传感器和用于支撑所述电涡流位移传感器的支架，两个电涡流位移传感器垂直布置在转轴径向可实现对转轴轴心轨迹的测量。

优选的，所述驱动机构通过电主轴直接驱动转轴，并有转轴带动轴承及轴上零件旋转，当转轴上的保持架的圆盘存在偏心时，高速旋转的保持架的圆盘在离心力作用下还可对轴承施加旋转径向负荷，选装径向负荷的大小可由电主轴和偏心量共同确定。

优选的，还包括加载机构，所述加载机构由加载螺钉、蝶形垫片、蝶形螺母和压力传感器组成；所述加载系统通过拧紧所述加载螺钉，压缩所述蝶形垫片，从而实现对轴承施加轴向载荷，通过所述压力传感器获得精准的所施加轴向载荷的大小，通过所述压力传感器还可实时获取试验装置运行过程中轴承所承受的动态载荷，与转子测试系统获得的转子动态特性对比可分析转子动态特性对轴承所受实际载荷之间的关系。

优选的，所述反光镜是在表面镀有高反光率镀膜，并开有U型孔，反射面与轴承端面呈45°布置，在轴承端面平行方向布置一个高速摄像机，轴承保持架经反光镜反射后被高速摄像机拍到。通过连续高速的对运行中的轴承保持架进行拍摄，即可获取轴承保持架运行过程中的图像，对图像进行图像处理即可获得保持架质心运动轨迹。

优选的，通过在所述保持架的圆盘的端面做一个标记，并通过所述高速摄像机经反光镜拍摄得到连续的保持架图像，通过分析连续两张图像之间标记点的角位置，即可得到保持架转速，并经过进一步计算得到保持架打滑率。

优选的，通过所述轴承测试子系统和转子测试子系统可连续同步的获得轴承振动、温度、轴向载荷、保持架质心运动轨迹以及转子轴心轨迹，通过对比轴承动态特性和转子的动态特性即可分析轴承和转子之间的相互影响规律。

综上所述，本发明的滚动轴承-保持架-转子系统多动态参数同步测试装置的原理为：高速电主轴通过弹性联轴器与转轴相连，直接驱动转轴，转轴由两个角接触球轴承支承，这两个支撑轴承同样也是被试轴承。旋紧加载螺母压缩弹簧可对轴承施加轴向预载荷，并可通过力传感器测得实际的轴向载荷。转轴上装有一个无偏心的转子，在转子上固定不同的偏心质量块可模拟转子不平衡量对系统动态性能的影响。两个电涡流位移传感垂直地安装在转轴径向平面以获得转轴的轴心轨迹。在两个轴承座上分别装有温度传感器，可以测得轴承外圈温度的变化。在轴承端面布置一个45°反光镜，并在与轴承端面平行方向放置一个分体式高速摄像机，高速摄像机经反光镜可对轴承进行连续拍照，再经图像处理即可获得轴承保持架的二维质心运动轨迹。在保持架端面进行标记，还可通过拍照的方式实现对保持架转速的测量，进而实现保持架打滑率的测量。

与现有技术相比，本发明有益效果及显著进步在于：

1、在不改变轴承结构的条件下，通过高速摄像机实现对轴承保持架质心运动轨迹的监测，该方法对轴承尺寸限制小，且可实现对球轴承、滚子轴承等多种轴承保持架的监测；

2、通过在镀膜高反光率的反射镜上开U型槽，并与转子轴向呈45度布置，在轴向垂直方向布置高速相机，就可实现对轴承保持架的空间异位监测。当转子轴向端部空间受限，或是需要增加轴向加载系统，或是轴向还与联轴器相连并接有电机时，通过该结构就可不受空间影响，也不会对系统结构产生影响，从而影响轴承转子系统动态特性；

3、在两轴承端面各布置一个U型槽反光镜和高速摄像机，同时对两轴承保持架运动和打滑率进行监测，分析不同支撑位置对保持架动力学特性的影响；

4、保持架端部做一个标记，该标记沿保持架径向并指向保持架的圆盘的圆心，通过连续两次拍得保持架图像记录下标记的位置，即可实现在不改变轴承结构的条件下实现对保持架转速的测量，并可由此实现对保持架打滑率的试验探究；

5、轴承和加载螺钉之间布置一个压力传感器，一方面可实现对轴承轴向载荷的精准施压，另一方面可实现对轴承-转子系统运行过程的轴向力进行实时动态测量，分析轴承轴向力与系统动态特性之间的关系；

6、转子径向垂直布置两个电涡流位移传感器，对转子轴心轨迹进行测量；在两轴承座开一小口，并各布置一个温度传感器，对轴承温度进行测量；在两轴承座垂直方向各布置两个振动传感器，对轴承振动进行测量；从而实现对轴承-转子系统中轴承振动、温度、载荷、轴承保持架运动和打滑率、转子轴心轨迹等多种动态参数的同步测量，从而分析轴承和转子之间的耦合动力学特性。

附图说明

图1为本发明的一种滚动轴承-保持架-转子系统多动态参数同步测试装置的结构示意图；

图2为本发明的一种滚动轴承-保持架-转子系统多动态参数同步测试装置的轴承Ⅰ处放大图；

图3为本发明的一种滚动轴承-保持架-转子系统多动态参数同步测试装置的轴承Ⅱ处放大图；

图4为本发明的一种滚动轴承-保持架-转子系统多动态参数同步测试装置的轴承Ⅰ保持架拍摄光路示意图；

图5为本发明的一种滚动轴承-保持架-转子系统多动态参数同步测试装置的反光镜结构示意图；

图6为本发明的一种滚动轴承-保持架-转子系统多动态参数同步测试装置的实际拍摄得到的保持架图像及处理后图像示例图；

图7为本发明的一种滚动轴承-保持架-转子系统多动态参数同步测试装置的保持架转速测试原理图；

图中：1、底座，2、电主轴支座，3、电主轴，4、联轴器，5、轴承座，6、反光镜支架Ⅰ，7、传感器支座Ⅰ，8、圆盘Ⅰ，9、传感器支座Ⅱ，10、反光镜支架Ⅱ，11、加载轴承座，12、加载螺钉，13、圆盘Ⅱ，14、转轴，15、温度传感器Ⅱ，16、反光镜Ⅱ，17、高速摄像机Ⅱ，18、电涡流位移传感器Ⅰ，19、电涡流位移传感器Ⅱ，20、电涡流位移传感器Ⅲ，21、电涡流位移传感器Ⅳ，22、反光镜Ⅰ，23、高速摄像机Ⅰ，24、温度传感器Ⅰ，25、碟片弹簧，26、压力传感器，27、加载垫片，28、套筒Ⅱ，29、被试轴承Ⅱ，30、被试轴承Ⅰ，31、套筒Ⅰ。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案、有益效果及显著进步更加清楚，下面，将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

显然，所有描述的这些实施例仅是本发明的部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书以及本发明实施例中的术语“第一”、“第二”和“第三”(如果存在)等，仅是用于区别不同的对象，而非用于描述特定的顺序。此外，术语“包括”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

需要理解的是：

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接或活动连接，亦可是成为一体；可以是直接连接，也可以是通过中间媒介的间接连接或是无形的信号连接，甚至是光连接，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。

对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

还需要说明的是，以下的具体实施例可以相互结合，对于其中相同或相似的概念或过程可能在某些实施例中不再赘述。

下面，以具体的实施例对本发明的技术方案进行详细说明。

实施例1

如图1-3所示，一种滚动轴承-保持架-转子系统多动态参数同步测试装置，它包括底座(1)、驱动机构、加载机构和测试系统，驱动机构由高速电主轴(3)和电主轴支座(2)组成，电主轴(3)通过弹性联轴器(4)直接与转轴(14)相连，并直接驱动转轴(14)及轴上零件旋转；加载机构由加载螺钉(12)、加载垫片(27)、蝶形弹簧(25)和力传感器(26)组成，可实现对轴承精准施加轴向载荷；测试系统包括轴承测试子系统和转子测试子系统，轴承测试子系统包括温度传感器(温度传感器Ⅱ15和温度传感器Ⅰ24)、反光镜(反光镜Ⅱ16和反光镜Ⅰ22)、反光镜支架(反光镜支架Ⅰ6和反光镜支架Ⅱ10)和高速摄像机(高速摄像机Ⅱ17和高速摄像机Ⅰ23)，温度传感器分别对两被试轴承(被试轴承Ⅱ29和被试轴承Ⅰ30)外圈进行温度测量，高速摄像机(23)通过反光镜(22)对高速运转的轴承保持架进行连续拍摄，通过图像处理可提取保持架质心轨迹和打滑率；转子测试子系统包括电涡流位移传感器(电涡流位移传感器Ⅰ18、电涡流位移传感器Ⅱ19、电涡流位移传感器Ⅲ20和电涡流位移传感器Ⅳ21)和传感器支架(7和9)，两组电涡流位移传感器(20和21或18和19)垂直布置在转轴(14)径向可实现对转轴(14)轴心轨迹的测量。

实施例2

本实施例与实施例1基本相同，特别之处如下：

如图1-6所示，反光镜(22)表面镀有高反射率镀膜，并开有U型孔，通过该U型孔，反光镜可便于穿过转轴(14)并与轴承Ⅰ(30)端面45°布置，而不受转轴(14)空间限制的实现对被试轴承Ⅰ(30)反射，高速摄像机Ⅰ(17)与轴承Ⅰ(30)端面呈90°布置，可通过反光镜(22)实现对轴承Ⅰ(30)保持架的连续拍摄，从而实现在不改变轴承结构的条件下实现对保持架运动的监测。图6为通过反光镜实际拍摄的轴承保持架图片，通过对图像进行灰度处理，并利用最小二乘法即可拟合保持架内外圈圆函数，并得到圆心位置，通过对高速运转的轴承进行连续拍摄，即可得到轴心质心运动轨迹，探究保持架动态特性。

实施例3

本实施例与实施例1和2基本相同，特别之处如下：

如图7所示，在保持架端面标记一个点，在t₁时刻，通过高速摄像机拍得保持架及标记点位置，通过图像处理确定角位置θ₁，同样的可获得在t₂时刻的角位置θ₂，那么保持架的转速就可以表示为由此即可进一步计算得到保持架的打滑率，实现在不改变轴承结构的条件下通过拍照的方式测出保持架打滑率。

实施例4

本实施例与实施例1基本相同，特别之处如下：

如图2-3所示，通过拧紧加载螺钉(12)压缩碟片弹簧(25)，从而对轴承施加轴向载荷，轴承套筒(28)和碟片弹簧(25)之间装有一个力传感器，可实现对加载力的精确测量。同时，轴承-转子系统在运转的过程中，由于系统的振动、轴承的打滑以及动态特性的变化，轴承实际承受的载荷也是不断变化的，通过力传感器可测量到这一变化过程，实现分析轴承-转子系统动态特性对轴承外载荷影响的试验探究。

实施例5

本实施例与实施例1和例4基本相同，特别之处如下：

如图1-2所示，当轴系存在悬臂结构或圆盘Ⅰ(8)不居中时，轴承Ⅰ(30)和轴承Ⅱ(29)所处的工况是不同的，而一般在配置时，角接触球轴承都是配对使用，两轴承的内外部结构及工艺等均是完全一样的，那么处于工况更恶劣的轴承寿命及性能就会更差，通过该装置即可同时实现对两轴承振动、温度、外载荷以及保持架运动和打滑率的监测，从而分析不同支撑位置及系统结构对配对轴承动态性能的影响。通过更换不同内径的套筒(29)，可装配上同内径不同外径的轴承或外部尺寸相同而内部结构不同的轴承，从而将两个支撑位置处安装不同的轴承型号，以此来探究改善更恶劣工况处轴承性能及寿命的方法。

实施例6

本实施例与实施例一～例五基本相同，特别之处如下：

通过在轴承外圈布置振动和温度传感器，可测量轴承的振动和温度；通过高速摄像机拍摄获得轴承保持架运动轨迹和打滑率；通过电涡流位移传感器获得转轴轴心轨迹；通过以上测试系统实现对轴承-转子系统多参数的同步测量，实现转子系统和轴承之间的耦合动力学特性的试验探究。

在上述说明书的描述过程中：

术语“本实施例”、“本发明实施例”、“如……所示”、“进一步的”、“进一步改进的技术分方案”等的描述，意指该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中；在本说明书中，对上述术语的示意性表述不是必须针对相同的实施例或示例，而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点等可以在任意一个或者多个实施例或示例中以合适的方式结合或组合；此外，在不产生矛盾的前提下，本领域的普通技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合或组合。

最后应说明的是：

以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非是对其的限制；

尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，本领域技术人员根据本说明书内容所做出的非本质改进和调整或者替换，均属本发明所要求保护的范围。

Claims (6)

1.一种滚动轴承-保持架-转子系统多动态参数同步测试装置，所述滚动轴承、保持架和转子均设置于转轴上，其特征在于，包括底座、驱动机构和测试系统，所述驱动机构和所述测试系统均设置于所述底座的上方，所述测试系统包括轴承测试子系统和转子测试子系统；

所述驱动机构由电主轴和电主轴支座组成，所述电主轴通过联轴器与转轴相连，所述电主轴可驱动转轴及转轴上零件旋转；

所述轴承测试子系统包括振动传感器、温度传感器、反光镜、反光镜支架和高速摄像机，所述振动传感器和所述温度传感器分别连接转轴上的滚动轴承，并分别对轴承振动和温度进行测量，所述反光镜设置于所述反光镜支架上，所述高速摄像机通过反光镜对高速运转的保持架进行连续拍摄，通过图像处理可提取保持架质心轨迹和打滑率；

所述转子测试子系统包括电涡流位移传感器和用于支撑所述电涡流位移传感器的支架，两个电涡流位移传感器垂直布置在转轴径向可实现对转轴轴心轨迹的测量。

2.如权利要求1所述的一种滚动轴承-保持架-转子系统多动态参数同步测试装置，其特征在于，所述驱动机构通过电主轴直接驱动转轴，并有转轴带动轴承及轴上零件旋转，当转轴上的保持架的圆盘存在偏心时，高速旋转的保持架的圆盘在离心力作用下还可对轴承施加旋转径向负荷，选装径向负荷的大小可由电主轴和偏心量共同确定。

3.如权利要求1所述的一种滚动轴承-保持架-转子系统多动态参数同步测试装置，其特征在于，还包括加载机构，所述加载机构由加载螺钉、蝶形垫片、蝶形螺母和压力传感器组成；所述加载系统通过拧紧所述加载螺钉，压缩所述蝶形垫片，从而实现对轴承施加轴向载荷，通过所述压力传感器获得精准的所施加轴向载荷的大小，通过所述压力传感器还可实时获取试验装置运行过程中轴承所承受的动态载荷，与转子测试系统获得的转子动态特性对比可分析转子动态特性对轴承所受实际载荷之间的关系。

4.如权利要求1所述的一种滚动轴承-保持架-转子系统多动态参数同步测试装置，其特征在于，所述反光镜是在表面镀有高反光率镀膜，并开有U型孔，反射面与轴承端面呈45°布置，在轴承端面平行方向布置一个高速摄像机，轴承保持架经反光镜反射后被高速摄像机拍到。通过连续高速的对运行中的轴承保持架进行拍摄，即可获取轴承保持架运行过程中的图像，对图像进行图像处理即可获得保持架质心运动轨迹。

5.如权利要求1所述的一种滚动轴承-保持架-转子系统多动态参数同步测试装置，其特征在于，通过在所述保持架的圆盘的端面做一个标记，并通过所述高速摄像机经反光镜拍摄得到连续的保持架图像，通过分析连续两张图像之间标记点的角位置，即可得到保持架转速，并经过进一步计算得到保持架打滑率。

6.如权利要求1所述的一种滚动轴承-保持架-转子系统多动态参数同步测试装置，其特征在于，通过所述轴承测试子系统和转子测试子系统可连续同步的获得轴承振动、温度、轴向载荷、保持架质心运动轨迹以及转子轴心轨迹，通过对比轴承动态特性和转子的动态特性即可分析轴承和转子之间的相互影响规律。