CN1842699A - 滚动件轴承上的负载测量方法以及传感器配置 - Google Patents

Abstract

一种确定工作中作用在滚动件轴承(1)上的接触力向量。从测量滚动件轴承(1)的工作特性的多个传感器(8)接收传感器信号。处理接收到的传感器信号以确定接触力向量。该多个传感器(8)设置成测量轴承构件变形，并且处理步骤包括利用描述滚动机轴承(1)的有限元分析模型的逆变换确定接触力向量的步骤。利用至少一个广义模态简化有限元分析模型，该至少一个广义模态是对滚动件轴承(1)的一个构件例如内环或外环(5，6)的自然模式变形的数学描述。

Description

滚动件轴承上的负载测量方法以及传感器配置

技术领域

本发明涉及滚动件轴承，例如球轴承和滚柱轴承，上的负载测量。更具体地，本发明涉及一种确定工作期间作用在滚动件轴承上的接触力向量的方法和传感器，其中该滚动件轴承包括内环、外环以及若干内、外环之间的滚动件，该方法包括从多个测量该滚动件轴承的工作特性的传感器接收传感器信号的步骤以及处理接收到的传感器信号以确定接触力向量的步骤。

背景技术

例如从美国专利US-A-5,140,849知道这种负载测量方法，该专利说明一种带有传感器单元的滚动件轴承。该传感器单元包括二个以应变计为形式的传感器元件，它们有效地测量轴承的一些工作特性，例如外加负载、转动速度和加速度。

但是，这种已知传感器配置不能测量施加到轴承上的总负载向量。根据轴承构造事先假定(大多数经验地)这二个传感器元件如何感测轴承上的负载，从而如何可以从传感器元件信号确定轴承上的负载。另外，由于轴承的非线性性质，采用球通过频率的直接振动测量方法不足以在总意义上确定轴承上的负载。

发明内容

本发明寻求提供一种确定滚柱轴承上的负载的改进方法和传感器配置，其能确定轴承上的完整负载向量，即三个正交的力分量以及二个力矩(绕轴承的转动轴的力矩不重要)。

依据本发明的第一方面，提供一种按照上面的序言定义的方法，在该方法中设置多个传感器以测量轴承构件变形并且该处理步骤包括利用描述滚动件轴承的有限元分析模型的逆变换确定接触力向量。利用传感器测量它的变形的轴承构件可以是内环或外环或者甚至是滚动件之一。

该方法的优点是，通过测量构件变形能确定该有限分析模型描述的滚动件轴承构件的所有位置上所有正交维度上的负载向量。

在本发明的一优选实施例中，利用至少一个广义模态(generalisedmode shape)简化该有限元分析模型，该至少一个广义模态是对滚动件轴承的一个构件，例如内环和外环，的自然模式变形的数字描述。该实施例基于了解根据某特定自然模态滚动件轴承的一个构件的变形。广义模态利用广义质量、刚度和阻尼矩阵描述该构件的自然模式变形，即该构件的静态和动态移动。使用至少一个的广义模态明显减少确定负载要求解的方程的数量：由几万个元构成的构件的有限元模型可以缩减到几百个广义模态。

在一优选实施例中，简化模型的形式是：

$\stackrel{\‾}{s}\left(\mathrm{\ω}\right)={\stackrel{\‾}{\stackrel{\‾}{T}}}_m{\stackrel{\‾}{\stackrel{\‾}{K}}}_p^{-1}\left(\frac{\∂F\left(\stackrel{\‾}{\mathrm{\θ}}\text{,}\stackrel{\‾}{\mathrm{\α}}\right)}{\∂\stackrel{\‾}{p}}{\stackrel{\‾}{f}}_c\left(\mathrm{\ω}\right)\text{+}{\stackrel{\‾}{f}}_e\left(\mathrm{\ω}\right)\right)$

其中

s(ω)是一组频率ω下测量变形有的测量点；是用来为该简化的模型计算刚度矩阵 的变换矩阵 的子集，刚度矩阵 ${\stackrel{\‾}{\stackrel{\‾}{K}}}_p={\stackrel{\‾}{\stackrel{\‾}{F}}}^T{\stackrel{\‾}{\stackrel{\‾}{K}}}_{\mathrm{FEM}}\stackrel{\‾}{\stackrel{\‾}{T}},$ 是该构件的有限元分析模型的刚度矩阵；

p是描述该构件的变形的向量；

θ是该构件的圆周方向上的坐标；

α是垂直于该构件的坐标；

F是对该构件简化建模所使用的形状函数：

f_c是作用在带有向量 θ和 α中所计入的坐标的点上的接触力构成的向量；以及

f_e是由作用在该构件上的其它力构成的向量，并且确定接触力向量 f的步骤包括求解用于 f_c、 θ和 α的简化模型方程并且根据 $\stackrel{\‾}{f}=f({\stackrel{\‾}{f}}_c,\stackrel{\‾}{\mathrm{\θ}},\stackrel{\‾}{\mathrm{\α}})$ 合计接触力的步骤。

可以快速和准确地解出形成该简化模型的特定方程组从而确定负载向量 f。

在本发明的另一实施例中，该简化模型中只考虑滚动件通过频率ω_bp上的传感器信号。由于滚动件通过频率上代表该构件上的外力的向量 f_c基本为零，这进一步简化求解这组方程的任务。

在本发明的又一实施例中，各传感器定位成具有和滚动件相同的间距，并且简化模型的形式为

$\stackrel{\‾}{s}\left({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{bp}}\right)|={\stackrel{\‾}{\stackrel{\‾}{T}}}_m{\stackrel{\‾}{\stackrel{\‾}{K}}}_p^{-1}\frac{\∂F\left(\stackrel{\‾}{\mathrm{\θ}},\stackrel{\‾}{\mathrm{\α}}\right)}{\∂\stackrel{\‾}{p}}|{\stackrel{\‾}{f}}_c\left({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{bp}}\right)|,$

并且确定接触力向量 f的步骤包括求解该用于| f_c|和 α的简化模型并且根据 $\stackrel{\‾}{f}$ $=$ $f\left({\stackrel{\‾}{f}}_{c,}\stackrel{\‾}{\mathrm{\α}}\right)$ 相加接触力的步骤。通过把传感器定位成具有和滚动件相同的间距，可以在该简化模型中消除相位的影响，从而更加减少求解这组方程的计算任务。

传感器的数量最好等于滚动件的数量。这在不得到超定(overdetermined)的方程组的情况下对准确确定该方程组的解提供足够的信号信息。

在另一实施例中，作用在滚动件轴承上的力向量的接触角等于预定值，并且多个传感器的数量等于加载滚动件的数量。由于此情况下知道该力向量的接触角α，求解该方程组需要较少的信息(即较少的传感器元件)。例如在其中只有三个滚动件承载整个负载向量的径向加载轴承的情况下，只确定这三个位置上的变形就足够了，从而只需要三个传感器。

在角接触球轴承的情况下，已知力向量角α，从而使用N个传感器就够了，其中N等于加载滚动件的数量例如三个。

在另一个方面，本发明涉及用来确定操作中作用在滚动件轴承的接触力向量的传感器配置，该滚动件轴承包括内环、外环和若干内、外环之间的滚动件，该传感器配置包括处理装置以及多个和处理装置连接的传感器，该处理装置设置成执行本发明方法的各个步骤。

这种传感器配置允许以快速和准确的方式确定五个自由度下的完整力向量。该传感器配置是非常准确的，并且还和滚动件轴承的温度、安装和界面条件无关。

可以有益地使用的传感器包括应变计或其它类型的适于测量某表面例如轴承外环的变形或位移的传感器。

在另一实施例中，该处理装置包括神经网络，该神经网络训练成利用来自该多个传感器的输入信号提供作为输出的接触力向量。这对轴承(构件)机构的复杂建模提供非常有效的解决办法。

在另一实施例中，轴承内环或外环附着到传感器支持器上，在内环或外环的接触表面的至少一部分和该传感器支持器之间设置圆周凹退。该圆周凹退允许该向量力影响下的内或外环的局部变形作用到轴承并且由各滚动件传递。

附图说明

现参照各附图利用一些示范实施例更详细地解释本发明，其中

图1是带有若干位移传感器的滚动件轴承的剖面图；

图2示出图1的滚动件轴承沿线II-II的剖面图；以及

图3示出依据本发明的一实施例的传感器配置的方块图。

具体实施方式

图1中示出滚动件轴承1，例如球轴承或滚柱轴承的剖面图。滚动件轴1包括外环5、内环6和若干滚动件7(图中滚动件7的数量为八个)。滚动件轴承1的外环5固定在传感器支持器2，支持器2对滚动件轴承1形成固定世界。在传感器支持器2中按和轴承1的滚动件的角间距对应的(角)间距下在对着轴承外环5的位置上设置八个传感器8。传感器8可以是业内人士周知的位移传感器或振动传感器。

如图2的剖面图中所示，轴承外环5在它的外周缘上带有凹退3。轴承外环5的外表面和传感器支持器2紧密接触。从而传感器8可以监视由于滚动件7通过以及对轴承1施加力向量造成的外环5的凹退了的表面的变形。

业内人士会清楚也可以在传感器支持器2中设置圆周凹退3，从而轴承外环5的外表面的(局部)变形是可能的。业内人士还清楚，能利用传感器组8监视轴承内环6的内表面，并且轴承内环6(或者类似于传感器支持器2在支承内环的支持器上)设置圆周凹退3。

当事先知道例如由该滚动件轴承1的结构力向量会主要指向一个方向，在本传感器组件中使用较少数量的传感器8就够了。如果例如知道力向量主要指向单个方向，在此方向上例如设置三个彼此相邻的传感器就行，因为这是出现外环5的变形的唯一区域。这简化传感器组件，同时保持足够的精度。

图1中，还指出x轴和y轴，z轴定义成正交于x轴和y轴(垂直于该图的表面延伸)。另外，可以定义二个转动轴，例如分别绕x轴和y轴的转动轴。通常，滚动件轴承1在工作中遭受力向量 f，该向量包括三个分别沿x、y和z方向的分量以及二个分别绕x和y轴的力矩分量。

图3中示出依据本发明的一实施例的传感器配置示意图。各传感器8连接到诸如通用计算机或专用信号处理系统的处理装置10，以便对处理装置10提供传感器信号。处理装置10还可以进一步和用来存储参数、数据和处理结果的存储器装置11连接。另外，处理装置10可以和接口装置12连接，例如用来对显示器或打印机提供处理结果。

处理装置10设置成处理来自传感器组8的信号，并且可以包括例如滤波器、放大器等或包括数字信号处理装置例如模数转换器、数字滤波器、运算器等或者二者的组合。

在另一实施例中，处理装置10可包括神经网络，其适用训练成利用作为输入信号的传感器8的测量信号提供作为输出的力向量。神经网络的训练不是本发明的一部分从而本说明书不进一步列出细节。

本发明的概念基于通过测量轴承环5、6的变形或振动确定滚柱轴承中的接触力。测量信号的幅值由接触负载决定。利用建模技术确定作用点(即接触角)和接触负载的幅值。给出特定时刻的作用点以及所有接触负载的幅值，能算出轴承1上的总负载。该总负载可以由带有三个正交力分量和二个力矩分量(绕轴承的转动轴的力矩分量不重要)的向量构成。

本发明的基本点是，已知任何机械物体，例如轴承内或外环5、6只能根据它的自然模态变形。

所使用的建模技术基于所谓的构件模式合成(CMS)技术。根据该技术可以利用一组特定方程描述这些自然模态，例如如J.A.Wensing在“球轴承动力学”(ISBN 90-36512298)中说明那样，该文收录作为参考。例如可以利用构件5、6的有限元分析模型确定这些自然模态。利用有限元分析模型以及构件模式合成技术进一步简化该模型以得到利用广义模态描述构件的变形的简化模型。这允许把带有几万个元的有限元分析模型变换成几百个模态描述，可以更方便和更快地解出后者。另外，利用该简化的模型还可以计算构件5、6的所有位置上的变形。

对于本发明，可以利用若干这样的广义模态方程描述滚动件7负载造成的构件5、6的变形。确定用模态描述构件5、6的静态、动态运动的广义质量、刚度和阻尼矩阵。

接着，当知道作用在构件5、6上的所有接触负载时可以重构轴承1上的负载向量。这些接触负载造成变形，而该变形是利用上面的模型用一系列的自然模态描述的。通过作为构件模态描述的直接变量的刚性矩阵该变形和滚动接触力关联。从而刚性矩阵的逆描述作为由各传感器8检测的局部观察到的构件5、6的变形的函数的作用力。

依据该建模技术，接触负载在轴承环上造成的广义力可写为：

${\stackrel{\‾}{f}}_p=\frac{\∂F(\stackrel{\‾}{\mathrm{\θ}},\stackrel{\‾}{\mathrm{\α}})}{\∂\stackrel{\‾}{p}}{\stackrel{\‾}{f}}_c$

其中

p是描述轴承环的变形带有广义自由度的向量；

f_p是对应的广义力向量；

F是一组用来对挠性环建模的函数；

f_c是作用在带有计入在向量 θ和 α中的坐标的点上的接触力构成的向量；

θ是轴承环座圈的圆周方向上的坐标；以及

α是垂直于轴承环座圈的坐标(例如接触角)。

对于轴承环，广义自由度 p和广义力 f_p之间的关系(忽略惯性)是：

${\stackrel{\‾}{f}}_p={\stackrel{\‾}{\stackrel{\‾}{K}}}_p\stackrel{\‾}{p}$

其中

是刚性矩阵。对于一组测量位移(变形)或振动的测量点 s，成立以下方程：

$\stackrel{\‾}{s}={\stackrel{\‾}{\stackrel{\‾}{T}}}_m\stackrel{\‾}{p}$

其中

是变换矩阵

的子集，该变换矩阵 用于计算CMS模型的刚性矩阵 ${\stackrel{\‾}{\stackrel{\‾}{K}}}_p={\stackrel{\‾}{\stackrel{\‾}{T}}}^T{\stackrel{\‾}{\stackrel{\‾}{K}}}_{\mathrm{FEM}}\stackrel{\‾}{\stackrel{\‾}{\text{T}}}.$ 是轴承环的有限元模型的刚性矩阵。

当组合上面的方程并且添加代表轴承环上的其它负载 f_e(t)，产生：

$\stackrel{\‾}{s}\left(t\right)={\stackrel{\‾}{\stackrel{\‾}{T}}}_m{\stackrel{\‾}{\stackrel{\‾}{K}}}_p^{-1}\left(\frac{\∂F(\stackrel{\‾}{\mathrm{\θ}},\stackrel{\‾}{\mathrm{\α}})}{\∂\stackrel{\‾}{p}}{\stackrel{\‾}{f}}_c\left(t\right)\text{+}{\stackrel{\‾}{f}}_e\left(t\right)\right)$

该方程中的未知量是向量 θ、 α和 f_c。把该方程变换到频域中产生：

$\stackrel{\‾}{s}\left(\mathrm{\ω}\right)={\stackrel{\‾}{\stackrel{\‾}{T}}}_m{\stackrel{\‾}{\stackrel{\‾}{K}}}_p^{-1}(\frac{\∂F(\stackrel{\‾}{\mathrm{\θ}},\stackrel{\‾}{\mathrm{\α}})}{\∂\stackrel{\‾}{p}}{\stackrel{\‾}{f}}_c\left(\mathrm{\ω}\right)+{\stackrel{\‾}{f}}_e\left(\mathrm{\ω}\right))$

由于滚动件轴承的性质，某位置上的接触力 f_c会随球(或滚柱)通过频率ω_bp变化。另外，球通过频率下可以把外部负载的幅值当成几乎为零，即 f_e(ω_bp)≈0。从而，在球通过频率上可以按幅值和相位得到接触负载的贡献。在给出接触负载下，可以通过合计接触负载计算轴承上的外部负载：

f＝f( f_c， θ， α)

在一特定实施例中，通过使检测轴承内环或外环的横截面上的变形或振动的传感器之间的间距等于轴承的滚动件之间的间距可以消除相位的影响。在此情况下，方程简化成：

$\left|\stackrel{\‾}{s}\left({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{bp}}\right)\right|={\stackrel{\‾}{\stackrel{\‾}{T}}}_m{\stackrel{\‾}{\stackrel{\‾}{K}}}_p^{-1}\frac{\∂F\left(\stackrel{\‾}{\mathrm{\θ}},\stackrel{\‾}{\mathrm{\α}}\right)}{\∂\stackrel{\‾}{p}}\left|{\stackrel{\‾}{f}}_c\left({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{bp}}\right)\right|$

在此方程中未知量减少到| f_c|和 α。可以从CMS模型直接提取矩阵

和

解析形状函数F( θ， α)通过定义是已知的。这样，通过在和滚动件的数量相等的横截面数量上成对地设置传感器，可以利用上面的方程确定接触负载。

给出接触负载，可以根据 $\stackrel{\‾}{f}=f({\stackrel{\‾}{f}}_c,\stackrel{\‾}{\mathrm{\θ}},\stackrel{\‾}{\mathrm{\α}})$ 合计接触负载计算轴承上的外部负载。

Claims (10)

1.一种确定工作中作用在滚动件轴承(1)上的接触力向量的方法，该滚动件轴承(1)包括内环(6)、外环(5)和多个内外环之间的滚动件(7)，该方法包括步骤：

接收来自多个用于测量滚动件轴承(1)的工作特性的传感器(8)的传感器信号；

处理接收到的传感器信号以确定该接触力向量，

其特征在于，该多个传感器(8)设置成测量一个轴承构件的变形；

并且处理步骤包括利用描述滚动件轴承(1)的有限元分析模型的逆变换来确定该接触力向量的步骤。

2.根据权利要求1的方法，其中利用至少一个广义模态简化有限元分析模型，该至少一个广义模态是滚动件轴承(1)的一个构件，例如内环或外环(5，6)的自然模式变形的数学描述。

3.根据权利要求2的方法，其中该简化模型的形式为：

$\stackrel{\‾}{s}\left(\mathrm{\ω}\right)={\stackrel{\‾}{\stackrel{\‾}{T}}}_m{\stackrel{\‾}{\stackrel{\‾}{K}}}_p^{-I}(\frac{\∂F(\stackrel{\‾}{\mathrm{\θ}},\stackrel{\‾}{\mathrm{\α}})}{\∂\stackrel{\‾}{p}}{\stackrel{\‾}{f}}_c\left(\mathrm{\ω}\right)+{\stackrel{\‾}{f}}_e\left(\mathrm{\ω}\right))$

其中

s(ω)是一组在频率ω下测量变形的测量点；

是用来计算刚度矩阵 的变换矩阵 的子集，对于简化模型，刚性矩阵 ${\stackrel{\‾}{\stackrel{\‾}{K}}}_p={\stackrel{\‾}{\stackrel{\‾}{T}}}^T{\stackrel{\‾}{\stackrel{\‾}{K}}}_{\mathrm{FEM}}\stackrel{\‾}{\stackrel{\‾}{T}},$

是该构件的有限元分析模型的刚性矩阵；

p是描述该构件的变形的向量；

θ是该构件的圆周方向上的坐标；

α是垂直于该构件的坐标；

F是一组用来简化该构件的建模的形状函数：

f_c是作用在带有计入在向量 θ和 α中的坐标的点上的接触力构成的向量；以及

f_e是由作用在该构件上的其它力构成的向量，

并且确定接触力向量 f的步骤包括求解该用于 f_c、 θ和 α的简化模型方程并且根据 $\stackrel{\‾}{f}=f(\stackrel{\‾}{f_c},\stackrel{\‾}{\mathrm{\θ}},\stackrel{\‾}{\mathrm{\α}})$ 合计接触力的步骤。

4.根据权利要求3的方法，其中该简化模型中只考虑滚动件通过频率ω_bp下的传感器信号。

5.根据权利要求3或4的方法，其中按和滚动件(7)相同的间距定位各传感器(8)，并且该简化模式的形式为：

$\left|\stackrel{\‾}{s}\left({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{bp}}\right)\right|={\stackrel{\‾}{\stackrel{\‾}{T}}}_m{\stackrel{\‾}{\stackrel{\‾}{K}}}_p^{-1}\frac{\∂F(\stackrel{\‾}{\mathrm{\θ}},\stackrel{\‾}{\mathrm{\α}})}{\∂\stackrel{\‾}{p}}\left|{\stackrel{\‾}{f}}_c\left({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{bp}}\right)\right|,$

并且确定接触力向量 f的步骤包括求解该用于| f_c|和α的简化模型方程并且根据 $\stackrel{\‾}{f}=f\left(\stackrel{\‾}{f_c},\stackrel{\‾}{\mathrm{\α}}\right)$ 合计接触力的步骤。

6.根据权利要求3、4或5中任一项的方法，其中传感器(8)的数量等于滚动件(7)的数量。

7.根据权利要求3、4或5中任一项的方法，其中作用在滚动件轴件(1)上的力的接触角等于预定值，并且该多个传感器(8)的数量等于加载的滚动件(7)的数量。

8.一种用于确定工作中作为在滚动件轴承(1)上的接触力向量的传感器配置，该滚动件轴承(1)包括内环(6)、外环(5)和内外环之间的多个滚动件(7)，该传感器配置包括处理装置(10)和多个与处理装置连接的传感器(8)，该处理装置(10)设置成执行根据权利要求1至7中之一的方法步骤。

9.根据权利要求8的传感器配置，其中处理装置(10)包括神经网络，该神经网络训练成利用来自该多个传感器(8)的输入信号提供作为输出的接触力向量。

10.根据权利要求8或9的传感器配置，其中轴承内环(6)或外环(5)附着在传感器支持器(2)上，在内环(6)或外环(5)的至少部分接触面和该传感器支持器(2)之间设置圆周凹退。

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