CN117848723A - 一种大型圆锥滚子轴承滚子所受载荷的在线测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种大型圆锥滚子轴承滚子所受载荷的在线测量方法，首先进行标定实验，对轴承内圈施加基准载荷F，得出空心圆锥滚子内表面环向角度与每个环向角度对应的应变之间的应变拟合函数ε0(α)，经过有限元分析，得到轴承内圈作用在空心圆锥滚子上的合力其中εt(α)为环向应变函数，具体是在载荷Ft的条件下，产生的内表面环向角度与每个环向角度对应的应变之间的关系函数，再结合工作过程中测量得到的滚子的环向角度α和在角度α对应的应变εt，可得到轴承内圈作用在滚子上合力Ft的大小，最后根据受力的平衡方程，可得到轴承外圈以及轴承内圈挡边分别作用在滚子上的合力。本发明可实现实时在线测量。
Description
技术领域
本发明涉及轴承状态检测技术领域，具体涉及一种大型圆锥滚子轴承滚子所受载荷的在线测量方法。
背景技术
在工程领域中，圆锥滚子轴承在大型机械系统中应用广泛，其用以承受径向和轴向载荷。
测量大型圆锥滚子轴承滚子所受载荷的目的在于监测和评估轴承的工作状态，以确保轴承的正常运行和提高设备的可靠性、安全性以及寿命。
测量滚子所受载荷具有重要用途：(1)故障诊断与预警：通过实时测量滚子所受的载荷，可以监测轴承的工作情况。如果载荷异常或突然增加，可能是由于设备负荷过大、外部冲击、不平衡等原因引起的，及早发现这些问题可以预警潜在的故障，并采取适当的维护措施，避免设备损坏或生产中断；(2)性能优化：了解滚子所受的实际载荷情况可以帮助优化设备的设计和运行参数。根据实际负荷情况，可以调整润滑方案、轴承尺寸、材料选型等，从而提高设备的性能和效率；(3)寿命评估：轴承在不同负荷下的寿命是有差异的。通过测量滚子所受的载荷，可以更准确地估计轴承的使用寿命。
传统上，测量大型圆锥滚子轴承滚子所受载荷的方法包括位移传感器法、压电传感器法、有限元分析法以及试验台测试法等。然而，这些方法在某些情况下可能存在局限性，如无法实时监测滚子所受载荷，另外，传统方法需要复杂的设备和专业技术支持，限制了实时在线测量的实现。
近年来，智能传感器和数据处理技术的发展为解决这一问题提供了新的机会，特别是在“智能滚子”概念的引领下，空心圆锥滚子的设计和应用成为一项有前途的研究方向。
发明内容
为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种大型圆锥滚子轴承滚子所受载荷的在线测量方法，该方法采用了智能圆锥滚子的设计，通过在正常圆锥滚子的端面中心打通孔，并在通孔内表面安装电阻应变片传感器和姿态传感器，以测量滚子内表面的应力和姿态角，将传感器的输出的数据通过无线传输模块发送到计算机，经过算法处理，计算出圆锥滚子所受的径向载荷和轴向载荷，实现了对滚子所受载荷的准确、实时测量。这种方法不仅可以提高轴承性能的评估和优化，还为轴承的故障诊断和维护提供了有力的支持。
为了实现上述目的，本发明公开了一种大型圆锥滚子轴承滚子所受载荷的在线测量方法，包括如下步骤：
(1)首先对空心圆锥滚子进行载荷的标定实验，将轴承外圈和轴承挡边固定，对轴承内圈施加基准载荷F，经过标定实验得出空心圆锥滚子内表面环向角度α与每个环向角度对应的应变ε之间的应变拟合函数ε0(α)；
(2)将轴承内圈作用在空心圆锥滚子上的合力定义为Ft，假设当Ft的大小确定时，S为常数；对所述空心圆锥滚子进行有限元分析，对轴承内圈上施加载荷Ft，产生的内表面环向角度与每个环向角度对应的应变之间的关系函数为环向应变函数，记为εt(α)，其中α是空心圆锥滚子内表面环向角度，εt为在角度α处对应的应变，当Ft的大小确定时，则K为常数；改变Ft的大小，得出K与S的多组仿真数据，根据这些仿真数据得出拟合函数S(K)，该拟合函数S(K)即为/>进而得出/>
(3)根据实时测量得到的空心圆锥滚子的环向角度α和在角度α对应的应变εt，结合步骤(2)得到的可得到轴承内圈作用在空心圆锥滚子上的合力Ft的大小；
(4)轴承外圈作用在空心圆锥滚子上的合力为Fo，轴承内圈挡边作用在空心圆锥滚子上的合力为Fd，列空心圆锥滚子受力的平衡方程：
Ftcosαi-Focosαe-Fdcosαf＝0，
Ftsinαi+Fdsinαf-Fosinαe＝0，
其中αi为轴承内圈空心圆锥滚子接触角，αe为轴承外圈空心圆锥滚子接触角，αf为空心圆锥滚子大端挡边接触角；
根据得到的轴承内圈作用在滚子上的合力Ft，则轴承外圈作用在滚子上的合力
轴承内圈挡边作用在滚子上的合力
进一步的，步骤(1)～(3)中，α∈[-180°，180°]。
进一步的，步骤(1)中经过标定实验得出应变拟合函数ε0(α)时，采用傅里叶拟合或者非线性最小二乘法。
进一步的，步骤(2)采用ANSYS Workbench软件进行有限元分析。
进一步的，步骤(1)中对空心圆锥滚子进行载荷的标定实验时，将轴承外圈和轴承挡边固定，基准载荷F面向轴承内圈施加并垂直于轴承内圈，将电阻应变片依次粘贴到空心圆锥滚子空心孔中部的同一圆周的不同位置处测量应变值，所述不同位置沿所述圆周均匀间隔一定度数，根据空心圆锥滚子内表面环向角度及测得的应变值数据点的类型，选择合适的拟合曲线的方法，得到空心圆锥滚子内表面环向角度α与每个环向角度对应的应变ε之间的应变拟合函数ε0(α)。
进一步的，步骤(1)中所述间隔度数为2°～5°。
进一步的，步骤(3)中根据内置在空心圆锥滚子的姿态传感器和电阻应变片传感器可实时测量得到滚子环向角度α和在角度α对应的应变εt。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)设备简单，能够实时监测滚子所受载荷。
(2)得到的载荷数据更加准确，由于是在滚子内部安装传感器进行测量，比传统的轴承外部测量载荷的方法测得的数据更加准确。
附图说明
图1为本发明实施例中载荷标定实验装置的结构示意图，其中图(a)为正视图，图(b)为左视图，图(c)为俯视图，图(d)为等轴测视图；
图2为本发明实施例中标定实验的基准载荷施加方式示意图；
图3为本发明实施例中电阻应变片粘贴角度划分示意图；
图4为本发明实施中空心圆锥滚子的受力示意图。
附图标记
101-轴承外圈，102-空心圆锥滚子，103-轴承挡边，104-轴承内圈。
具体实施方式
为了更好地理解本发明的内容，下面将结合具体实施例和附图来进一步阐述本发明。以下实施例以本发明的技术为基础实施，给出了详细的实施方式和操作步骤，但本发明的保护范围不限于下述实施例。
一种大型圆锥滚子轴承滚子所受载荷的在线测量方法，通过在线测量装置进行，在线测量装置包括空心圆锥滚子、应变片传感器、姿态传感器、数据采集与处理单元、信号放大与滤波电路、算法处理单元、无线传输模块、外部计算机、供电单元、保护电路、外壳与固定装置。
其中，应变片传感器：用于测量滚子内表面的应力变化，应变片传感器将应变转换为电阻值的变化，被连接到一个电桥电路中，需要电桥激励和测量电路来读取应变片传感器的输出；
姿态传感器：用于测量滚子的旋转角，可以使用加速度计、陀螺仪和磁力计等传感器来实现，姿态传感器的输出被读取并转化为相应的角度数据。
空心圆锥滚子是指在常规的圆锥滚子的端面中心打通孔得到的圆锥滚子，其在工作过程中需要在所述通孔内表面安装应变片传感器和姿态传感器。
数据采集与处理单元：用于接收来自应变片传感器、姿态传感器的数据，并进行处理和分析。
信号放大与滤波电路：应变片传感器和姿态传感器的信号需要放大和滤波，以便更好地进行后续处理，涉及运算放大器和滤波器电路。
算法处理单元：接收来自应变片传感器和姿态传感器的数据，并根据设计的算法计算滚子的径向载荷和轴向载荷。
无线传输模块：用于将传感器数据从滚子内部传输到外部计算机。可以使用蓝牙、Wi-Fi或其他无线通信技术。
外部计算机：接收从滚子传来的数据，进行进一步的处理和分析，最终计算出滚子的受载荷情况。
供电单元：为各个模块和传感器提供电源。
保护电路：为了确保系统的稳定性和安全性，需要过压、过流和过热保护电路。
外壳与固定装置：为了将整个装置安装在圆锥滚子内部，需要设计适当的外壳和固定装置。
本发明在线测量方法的重点在于如何通过应变片传感器和姿态传感器输出的数据计算出滚子所受载荷。
一种大型圆锥滚子轴承滚子所受载荷的在线测量方法的实施例：
(1)首先经过标定实验得出空心圆锥滚子内表面环向角度α与每个环向角度对应的应变ε之间的应变拟合函数ε0(α)。
对其中一个空心圆锥滚子进行载荷的标定实验，图1所示是简化后的载荷标定实验装置，该装置包括轴承外圈101，空心圆锥滚子102，轴承挡边103，轴承内圈104，F为作用到轴承内圈上的基准载荷。
基准载荷施加方式如图2所示，将轴承外圈101和轴承挡边103固定，基准载荷面向轴承内圈施加并垂直于轴承内圈，将电阻应变片粘贴到空心圆锥滚子空心孔中部的圆周上，将所述圆周与水平线平行的直径的其中一个端点定义为起始点，该起始点为0度，从起始点开始，分别沿顺时针或者逆时针方向并沿所述圆周每隔2度粘贴一次电阻应变片，即分别沿顺时针方向在0°、2°、4°……直至180°，以及沿逆时针方向在-2°、-4°、-6°……直至-180°处依次粘贴电阻应变片，因180°与-180°重合，在该处只需粘贴一次电阻应变片，该电阻应变片测量得到的应变值既对应于180°也对应于-180°，电阻应变片粘贴角度划分如图3所示，其中，图3仅示意了总体的粘贴角度划分，并未具体显示每一个电阻应变片的粘贴角度，对轴承内圈104施加基准载荷F后，测量各个角度对应的电阻应变片的应变值，即对空心圆锥滚子内表面的应变进行测量，最终得到180个角度对应应变的数据点，结合180个数据点的类型，选择合适的拟合曲线的方法，得到应变拟合函数ε0(α)，α∈[-180°，180°]，其中，α是空心圆锥滚子内表面环向角度，ε0是基准载荷条件下每个环向角度对应的应变。
本实施例中基准载荷为100KN，根据标定试验得到的数据进行拟合，得到的应变拟合函数如下：
ε0(α)＝-3.01×10-4-7.03×10-4cos(2α)-1.01×10-4cos(4α)
空心圆锥滚子内表面环向角度α与每个环向角度对应的应变ε之间的关系函数是一个周期为π的函数，这里用了傅里叶拟合，取到了4次谐波。
(2)将轴承内圈作用在空心圆锥滚子上的合力定义为Ft，假设当Ft的大小确定时，S为常数。
在Ft的作用下，环向应变函数为εt(α)，α∈[-180°，180°]，其中α是空心圆锥滚子内表面环向角度α，εt为在角度α处对应的应变。通过ANSYS Workbench上对空心圆锥滚子进行有限元分析，对轴承内圈上施加载荷Ft，产生的内表面环向角度与每个环向角度对应的应变之间的关系函数为环向应变函数为εt(α)，在Ft的大小确定的情况下，得到环向应变函数为εt(α)与应变拟合函数ε0(α)的比值为常数，即K为常数。
本实施例中若Ft为150KN，根据ANSYS Workbench上对空心圆锥滚子进行有限元分析得到，εt(α)＝-3.60×10-4-8.39×10-4cos(2α)-1.20×10-4cos(4α)，则这样就得到了一组K和S的值，改变Ft的大小，得出K与S的多组仿真数据，根据这些仿真数据得出拟合函数S(K)，该拟合函数S(K)即为/>进而得出
(3)根据内置在空心圆锥滚子的姿态传感器和电阻应变片传感器可得到滚子环向角度α和在角度α对应的应变εt。
根据已知的环向角度α和在角度α对应的应变εt，结合步骤(2)得到的可得出滚子受到轴承内圈作用在滚子上的合力Ft。
图4是空心圆锥滚子受力示意图，轴承内圈作用在空心圆锥滚子上的合力为Ft，径向分力为Ftr，轴向分力为Fta。轴承外圈作用在空心圆锥滚子上的合力为Fo，径向分力为For，轴向分力为Foa。轴承内圈挡边作用在空心圆锥滚子上的合力为Fd，径向分力为Fdr，轴向分力为Fda。
列空心圆锥滚子受力的平衡方程：
Ftcosαi-Focosαe-Fdcosαf＝0，
Ftsinαi+Fdsinαf-Fosinαe＝0，
其中αi为轴承内圈空心圆锥滚子接触角，αe为轴承外圈空心圆锥滚子接触角，αf为空心圆锥滚子大端挡边接触角。
根据得到的轴承内圈作用在滚子上的合力Ft，则轴承外圈作用在滚子上的合力
轴承内圈挡边作用在滚子上的合力
在其他实施例中，步骤(1)中进行标定实验，在将电阻应变片粘贴到空心圆锥滚子空心孔中部的圆周上时，沿圆周粘贴一次电阻应变片的间隔角度可以为其他数值，该数值大于2度小于等于5度。
在其他实施例中，步骤(1)中经过标定实验得出应变拟合函数ε0(α)时，也可以采用非线性最小二乘法。
以上所述仅是本发明的实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，本发明还可以根据以上结构和功能具有其它形式的实施例，不再一一列举。因此，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，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 (7)
1.一种大型圆锥滚子轴承滚子所受载荷的在线测量方法，其特征在于具体包括以下步骤：
(1)首先对空心圆锥滚子进行载荷的标定实验，将轴承外圈和轴承挡边固定，对轴承内圈施加基准载荷F，经过标定实验得出空心圆锥滚子内表面环向角度α与每个环向角度对应的应变ε之间的应变拟合函数ε0(α)；
(2)将轴承内圈作用在空心圆锥滚子上的合力定义为Ft，假设当Ft的大小确定时，S为常数；对所述空心圆锥滚子进行有限元分析，对轴承内圈上施加载荷Ft，产生的内表面环向角度与每个环向角度对应的应变之间的关系函数为环向应变函数，记为εt(α)，其中α是空心圆锥滚子内表面环向角度，εt为在角度α处对应的应变，当Ft的大小确定时，则K为常数；改变Ft的大小，得出K与S的多组仿真数据，根据这些仿真数据得出拟合函数S(K)，该拟合函数S(K)即为/>进而得出/>
(3)根据实时测量得到的空心圆锥滚子的环向角度α和在角度α对应的应变εt，结合步骤(2)得到的可得到轴承内圈作用在空心圆锥滚子上的合力Ft的大小；
(4)轴承外圈作用在空心圆锥滚子上的合力为Fo，轴承内圈挡边作用在空心圆锥滚子上的合力为Fd，列空心圆锥滚子受力的平衡方程：
Ft cosαi-Fo cosαe-Fd cosαf＝0，
Ft sinαi+Fd sinαf-Fo sinαe＝0，
其中αi为轴承内圈空心圆锥滚子接触角,αe为轴承外圈空心圆锥滚子接触角,αf为空心圆锥滚子大端挡边接触角；
根据得到的轴承内圈作用在滚子上的合力Ft，则轴承外圈作用在滚子上的合力轴承内圈挡边作用在滚子上的合力/>
2.如权利要求1所述的大型圆锥滚子轴承滚子所受载荷的在线测量方法，其特征在于：步骤(1)～(3)中，α∈[-180°，180°]。
3.如权利要求1所述的大型圆锥滚子轴承滚子所受载荷的在线测量方法，其特征在于：步骤(1)中经过标定实验得出应变拟合函数ε0(α)时，采用傅里叶拟合或者非线性最小二乘法。
4.如权利要求1所述的大型圆锥滚子轴承滚子所受载荷的在线测量方法，其特征在于：步骤(2)采用ANSYS Workbench软件进行有限元分析。
5.如权利要求1所述的大型圆锥滚子轴承滚子所受载荷的在线测量方法，其特征在于：步骤(1)中对空心圆锥滚子进行载荷的标定实验时，将轴承外圈和轴承挡边固定，基准载荷F面向轴承内圈施加并垂直于轴承内圈，将电阻应变片依次粘贴到空心圆锥滚子空心孔中部的同一圆周的不同位置处测量应变值，所述不同位置沿所述圆周均匀间隔一定度数，根据空心圆锥滚子内表面环向角度及测得的应变值数据点的类型，选择合适的拟合曲线的方法，得到空心圆锥滚子内表面环向角度α与每个环向角度对应的应变ε之间的应变拟合函数ε0(α)。
6.如权利要求5所述的大型圆锥滚子轴承滚子所受载荷的在线测量方法，其特征在于：步骤(1)中所述间隔的度数为2°～5°。
7.如权利要求1所述的大型圆锥滚子轴承滚子所受载荷的在线测量方法，其特征在于：步骤(3)中根据内置在空心圆锥滚子的姿态传感器和电阻应变片传感器可实时测量得到滚子环向角度α和在角度α对应的应变εt。
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