CN211602410U - 一种对轴承反识别热源温度进行试验验证的试验机 - Google Patents

Abstract

一种对轴承反识别热源温度进行试验验证的试验机，包括轴承模拟装置、驱动装置、传动系统和加载系统，所述驱动装置通过传动系统驱动轴承模拟装置模拟使用工况下轴承的运动状态，所述加载系统作用于轴承模拟装置中用以模拟轴承外圈的静盘；所述轴承模拟装置中，滚动体和滚道接触区域处于开放环境中，以使红外热像仪能够对轴承模拟装置中滚动体和滚道接触区域进行测温，获得用于验证轴承反识别热源温度的测试热源温度。利用本实用新型获得的测试热源温度，通过误差率的计算就可以完成对轴承反识别热源温度的验证，有利于温度反识别方法在轴承热源温度上的应用。

Description

一种对轴承反识别热源温度进行试验验证的试验机

技术领域

本实用新型属于轴承温度测试领域，具体涉及一种对轴承反识别热源温度进行试验验证的试验机。

背景技术

滚动轴承在高速运转过程中的发热直接影响着轴承和机器设备的性能及寿命。滚动轴承的转速越高，则轴承摩擦发热越严重，如果轴承中的热量不能及时有效的散发出去，则轴承温度将会不断提高。过高的温度将会导致轴承滚道或钢球表面烧伤，降低使用寿命，有时甚至使轴承中零件胶合，破坏轴承。机器设备在高速运转时轴承的破坏可能导致整个机器的破坏，甚至造成事故，损坏人身或财产，后果十分严重。

滚动轴承在高速运转过程中，其发热源主要是内部滚动体和轴承内圈及外圈之间的摩擦，尤其是滚动体和轴承外圈之间的发热尤甚。因此，要想获知轴承内部的热源温度，最佳的途径是对轴承内部滚动体和滚道接触区域进行测温，但是，因为该部分位于轴承内部，轴承两端具有密封圈等结构，无法对其直接测量温度，所以轴承热源温度的获得就成为轴承测温的一个难题。

为此，有人提出利用温度反识别方法对轴承热源温度进行理论计算，其过程是：根据所构建的轴承热网络模型得到轴承外圈外表面理论计算温度后，结合轴承外圈外表面的检测温度构建以轴承热源温度为目标函数的反演模型，并对该反演模型进行求解，得到轴承反识别热源温度，并以该轴承反识别热源温度作为该轴承内部的热源温度。但是，该方法仅仅是一种理论计算，实际中轴承的温度受多种因素影响，此种方法计算出来的温度可靠性并没有得到试验验证，因此需要给出一种试验装置来对该方法的结果进行验证。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种对轴承反识别热源温度进行试验验证的试验机，利用模拟法测量轴承滚动体与滚道接触区域温度，并和计算得出的轴承反识别热源温度进行对比，完成对轴承反识别热源温度的验证，有利于温度反识别方法在轴承热源温度上的应用。

为了实现上述目的，本实用新型所采用的技术方案是：一种对轴承反识别热源温度进行试验验证的试验机，包括轴承模拟装置、驱动装置、传动系统和加载系统，所述驱动装置通过传动系统驱动轴承模拟装置模拟使用工况下轴承的运动状态，所述加载系统作用于轴承模拟装置中用以模拟轴承外圈的静盘；所述轴承模拟装置中，滚动体和滚道接触区域处于开放环境中，以使红外热像仪能够对轴承模拟装置中滚动体和滚道接触区域进行测温，获得用于验证轴承反识别热源温度的测试热源温度。

所述轴承模拟装置还包括保持架和用以模拟轴承内圈的动盘，所述动盘和传动系统相连以实现旋转；所述滚动体装配在保持架上后，置于静盘的滚道和动盘的滚道之间，静盘上的滚道深度浅于动盘上的滚道，使得设置在轴承模拟装置一侧的红外热像仪能够对滚动体和静盘滚道接触区域测温。

所述静盘上的滚道和动盘上的滚道均涂抹润滑脂。

所述驱动装置为变频调速电机。

所述传动系统包括两级传动机构，分别为一级传动机构和二级传动机构，所述变频调速电机的动力依次通过一级传动机构和二级传动机构驱动所述动盘旋转，所述一级传动机构和二级传动机构中至少一个传动机构还具有放大转速的作用。

所述一级传动机构为带传动机构，所述二级传动机构为齿轮传动机构。

所述加载系统包括由液压泵、液压缸以及控制阀组成的液压系统，液压缸的活塞杆和所述静盘固定连接。

所述静盘的纵截面呈“工”字型，具有上下两个圆盘，其下圆盘为接触滚动体的工作圆盘，上圆盘为连接法兰，连接法兰和液压缸的活塞杆通过可拆卸连接组件连接。

所述活塞杆端部设有固定法兰，所述可拆卸连接组件包括U形卡和固定销，U形卡用以从侧面将静盘的连接法兰和活塞杆的固定法兰卡在U形槽内，并由所述固定销将U形卡、连接法兰和固定法兰固定连接。

所述静盘上连接法兰的中心设有定位中心孔，所述活塞杆的底端能够插入该定位中心孔内，以使活塞杆的中心轴线和轴承模拟装置的中心轴线对应。

所述轴承反识别热源温度是在轴承热源温度反识别过程中得到的，具体为：根据所构建的轴承热网络模型得到轴承外圈外表面理论仿真计算温度后，结合轴承外圈外表面的测试温度构建以轴承热源温度为目标函数的反演模型，并对该反演模型进行求解，即可得到轴承反识别热源温度。

本实用新型的有益效果是：本实用新型给出一种试验验证的装置，可以直接测量轴承模拟装置中滚动体和静盘(相当于轴承外圈)滚道之间接触区域的温度，该温度一般是轴承的热源温度，并以此为基础，和计算所得的轴承反识别热源温度进行对比分析，以验证轴承反识别热源温度的可靠性，如果可靠性符合要求，就可利用温度反识别方法计算出轴承的热源温度，有利于温度反识别方法在轴承热源温度上的应用。

本实用新型中用于模拟轴承内圈的动盘和用于模拟轴承外圈的静盘均没设置挡圈，这样滚动体和保持架装配后，滚动体和保持架就可以从轴承模拟装置侧面暴露出来，而静盘上滚道较浅，还可以进一步的将滚动体和静盘滚道之间的接触区域暴露出来，这样就便于红外热像仪的数据采集。

本实用新型中一级传动和驱动装置连接，采用带传动，可以缓冲吸震，使得传动更加平稳；二级传动通过传动轴和动盘连接，二级传动采用齿轮传动，传动效率高、稳定可靠。

本实用新型中驱动装置采用变频调速电机，可以模拟轴承的不同转速，便于对轴承不同转速下发热情况进行试验。

本实用新型中还在动盘的滚道和静盘的滚道之间涂抹润滑脂，使得模拟装置更加接近真实工况，以利于验证结果的可靠。

附图说明

图1为本实用新型所述试验机的结构示意图；

图2为本实用新型中轴承模拟装置的结构示意图；

图3为本实用新型中齿轮箱体和测试台框架的结构示意图；

图4为轴承热源温度反识别过程中构建轴承热网络模型所用的轴承热分析示意图；

图5为轴承热源温度反识别过程中构建轴承热网络模型所用的轴承热网络节点图；

图6为图5中热网络节点名称列表：

图7为轴承热源温度反识别过程中的热网络分析图；

图中标记：1-压电式力传感器；2-轴承模拟装置；3-变频调速电机；4-大带轮；5-实验台底座；6-V带；7-轴；8-齿轮箱箱体；9-齿轮箱箱盖；10-支撑杆；11-顶板；12-红外热像仪；13-液压缸；14-活塞杆；15-观察玻璃；16-固定销；17-静盘；18-动盘；19-U形卡；20-滚动体；21-保持架。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明，但并不作为对实用新型做任何限制的依据。

参照附图1-3所示，一种对轴承反识别热源温度进行试验验证的试验机，包括驱动装置、传动系统、轴承模拟装置、加载系统和红外热像仪，以上各部分均设置在实验台底座上。

所述驱动装置采用变频调速电机，固定在试验台底座的上表面，在计算机的控制下可实现转速从低到高的无级变速，以实现对轴承模拟装置的转速控制，并能够观察不同转速下轴承钢球的发热情况以及轴承钢球从开始旋转到稳态过程中的发热现象。

所述传动系统用来连接轴承模拟装置与变频调速电机，起承上启下的作用，同时传动系统也可以将变频调速电机的转速进行进一步放大。变频调速电机动力经传动系统升速后带动轴承模拟装置旋转。传动系统采用二级传动，分两次将变频调速电机转速进行放大。

一级传动采用V带传动，V带一端连接变频调速电机轴端安装的大带轮，另一端连接小带轮，根据大带轮和小带轮的直径比，将变频电机转速放大3倍，并且V带传动具有传动平稳，缓冲吸振的功能；所述大带轮和小带轮均设置在所述实验台底座的下表面。

第二级传动采用齿轮传动，齿轮传动中的大齿轮和所述小带轮设置在同一根轴的上下两端，和大齿轮啮合的小齿轮安装在一根竖直设置的传动轴底端，小齿轮和大齿轮的直径比使得转速进一步放大2.5倍，采用齿轮传动具有传动效率高，工作可靠，传动平稳的特点。

所述轴承模拟装置为试验对象，通过对轴承运动状态的模拟，满足温度测量的要求。轴承模拟装置包括滚动体、保持架、用以模拟轴承外圈的静盘以及用以模拟轴承内圈的动盘。所述动盘通过所述传动轴和传动系统中小齿轮相连，以实现旋转；所述静盘和加载系统相连；所述动盘和静盘与滚动体接触的盘面均为圆形面，其轴向没有设置隔圈或其他遮挡，这样所述滚动体装配在保持架上后，置于静盘的滚道和动盘的滚道之间，且可以露出，以便于红外热像仪对其温度的测量。

进一步的，静盘上的滚道深度浅于动盘上的滚道，使得设置在轴承模拟装置一侧的红外热像仪能够对滚动体和静盘滚道接触区域测温。

所述保持架用以引导滚动体进行旋转，同时可在两圈滚道之间涂抹润滑脂，使模拟装置更接近于实际情况。

为了便于轴承模拟装置的拆装，所述动盘的盘面下表面设有花键轴，传动轴上端设有轴套，花键轴和轴套之间通过花键连接；所述静盘整体的纵截面呈“工”字形，即静盘的下圆盘为设置滚道和滚动体接触的工作圆盘，上圆盘为连接法兰，连接法兰和液压缸的活塞通过可拆卸连接组件连接。

进一步的，所述连接法兰的中心设有定位中心孔，用于与加载系统中液压缸的活塞杆端部进行配合连接。

所述的加载系统包括由液压泵、液压缸以及控制阀组成的液压系统，液压缸的活塞杆端部设有和所述连接法兰直径相同的固定法兰。

进一步的，所述可拆卸连接组件包括U形卡和固定销，U形卡用以从侧面将静盘的连接法兰和活塞杆的固定法兰卡在U形槽内，并由所述固定销穿过U形卡、连接法兰和固定法兰上的孔将U形卡、连接法兰和固定法兰固定连接。

所述的加载系统通过液压缸中活塞杆的上下活动，可以实现轴承模拟装置中静盘的上下升降，以安装或取出滚动体及保持架，还可以模拟轴承运行中的轴向载荷，进一步确保轴承工作状态模拟的真实性，此外，活塞杆的上下活动还可以实现轴承模拟装置中滚动体位置的调整。

所述加载系统施加载荷的大小可以通过压电式力传感器测定并通过数据线传输，显示到电脑上。所述的压电式力传感器设置在所述活塞杆的固定法兰和静盘的连接法兰之间。

本实用新型还包括相连接的齿轮箱体和测试台框架，其中齿轮箱体位于测试台框架的下方，齿轮箱箱盖即为测试台框架的底板，齿轮箱箱底固定在所述的实验台底座上表面。所述的大齿轮和小齿轮均设置在齿轮箱体内，齿轮箱箱盖和齿轮箱箱底上设有上下对应的轴承孔，并安装轴承，所述传动轴和轴分别和所述轴承配合安装；所述测试台框架的顶板上还设有液压缸安装孔，液压缸安装孔的中心和下方轴承孔的中心对应，以保证液压缸活塞杆中心轴线和传动轴中心轴线对应。

所述测试台框架的顶板通过支撑杆和齿轮箱箱盖连接，支撑杆的两端分别通过螺纹和顶板及齿轮箱箱盖实现连接，且相邻的支撑杆之间设置透明玻璃，以将测试台框架围成一个与外界相隔离的空间，进而确保试验不受外界干扰，降低试验误差。

所述的红外热像仪设置在所述的测试台框架内，位于轴承模拟装置的一侧，用于测量轴承模拟装置中滚动体和滚道接触区域的温度，测得的数据经过数据线传入计算机，经计算机处理后显示于屏幕上。

利用本实用新型所述的试验机可以获得轴承模拟装置在模拟轴承工作状态时，滚动体和滚道接触区域的温度，即测试热源温度，然后以该测试热源温度为标准，对轴承热源温度反识别方法获得的轴承反识别热源温度的误差进行计算，当误差在允许的范围内时，所述的反识别热源温度是可靠的。该类轴承不同规格、不同工况下的热源温度即可利用轴承热源温度反识别方法进行理论计算。

下面对本实用新型所述试验机的使用过程进行进一步的说明，以说明测试热源温度的获得过程。

步骤一：轴承模拟装置安装后，开启变频调速电机和红外热像仪进行预热，通过传动系统实现轴承模拟装置中动盘、滚动体的高速转动，以模拟实际工况，变频调速电机完成预热后，将其转速调整至实际工况需要的目标转速；

步骤二：待轴承模拟装置运行稳定后，通过液压缸和活塞杆对轴承模拟装置施加载荷，并通过电磁换向阀控制液压缸加载力的大小，由小到大逐渐提高载荷，施加载荷的大小通过压力传感器测量，并传输显示在计算器上；

步骤三：待加载力数值稳定后，利用红外热像仪采集滚动体和滚道接触区域的温度分布图像，并由计算机分析得到滚动体和滚道接触区域的温度，作为测试热源温度。

所述计算机对红外热像仪采集图像的分析属于本领域常规技术，在此不做过多的阐述。

下面对轴承热源温度反识别方法进行详细说明。

1、基于热网络法进行轴承温度正问题分析

轴承热分析包括生热、传热以及热变形，生热分析包括内部摩擦的热源以及转速和载荷对生热的影响。轴承热分析示意图如图4所示。

然后，根据轴承的传热特性，建立如图5所示的轴承热网络节点图，具体的网络节点名称如图6所示。

再者，根据热量传递路线建立热网络分析图，如图7所示。

根据图7的热网络分析图得到热传递方程组如下：

根据轴承结构特点，可得式(1)中轴承热阻为：

上式中，k₁，k₂，k₃分别代表轴、轴承、轴承座的导热系数；α₁，α₂，α₃，α₄分别表示内圈、外圈、滚动体及轴承座的对流系数，D_h为轴承座外径，d为轴承内圈外径，d_i为轴承内圈的内径，Z为轴承的滚动体球数，B为轴承宽度，D为轴承外圈内径，D₀为轴承外圈外径，Dw为滚动体球径，T₀～T₈分别是图6中节点序号对应的节点名称处的温度。

上式中，

H为轴承生热，H＝1.01×10^-5M·n。

所述的轴承生热主要来于滚动体和套圈间的摩擦，在此以摩擦力矩M为研究重点，采用Palmgren生热模型进行计算。

M＝M₁+M₂

式中：M₁——与轴承类型、转速相关的摩擦力矩；

M₁＝10^-7f₀(νn)^2/3d_m；

M₂——轴承受载相关的摩擦力矩；

M₂＝f₁P₁d_m；

f₀——与轴承润滑相关的系数，取1.5～2；

n——轴承转速；

d_m——轴承外径和内径的平均值；

f₁——与轴承类型及受载系数有关，f₁＝0.0009(P₀/C₀)^0.5；

P₀——轴承当量静载荷；

C₀——轴承额定静载荷；

P₁——确定轴承摩擦力矩的计算载荷。

利用轴承热阻和上述参数对式(1)求解，可得到T₂，即轴承外圈外表面的仿真计算温度。

2、轴承热源温度的反识别

根据以上轴承热网络温度模型(即所述的式(1))得到的外圈外表面温度，构建被检测部位(即轴承外圈外表面)理论仿真计算温度和测试温度之差的误差函数，对误差函数进行最小化研究，采用共轭梯度方法构建以热源温度为目标函数的反演模型，反演模型见下式(2)，开发程序对下式进行迭代计算，直至满足要求为止。

J(T_y)＝||T_c-T_m||²+α||T_y||²≤ε (2)

式中：T_c是被测点测试温度；T_m是被测点仿真计算温度；T_y是热源温度；α是正则化因子；ε是给定的一小正数。

所述热源温度的迭代方式为：

Tⁿ⁺¹ _y＝Tⁿ _y+λⁿηⁿ (3)

式中：n为迭代次数，λⁿ为搜索步长，ηⁿ为共轭搜索方向。

ηⁿ＝-kⁿ+βη^n-1 (4)

式中：梯度

共轭系数：β＝(kⁿ)²/(k^n-1)² (6)

通过下式(7)、(8)优化目标函数J(Tⁿ _y+λⁿηⁿ)获得搜索步长。

则用共轭梯度方法对式(2)进行迭代计算的程序如下：

1)给定某一小正数ε，选择初始猜测值T⁰ _y；

2)求正则化因子α；

3)求解式(1)获得测试点处(外圈外表面T₂)温度的仿真计算值；

4)判断是否满足条件J＝||T_c-T_m||²+α||T_y||²≤ε；如果满足则停止迭代，获得轴承反识别热源温度；否则继续下一步；

5)按照式(6)和(5)计算共轭系数和梯度；按照式(4)和(7)计算搜索方向和搜索步长；

6)n＝n+1，按照式(3)对反识别参数进行更新，并返回步骤3)。

至此，得到轴承反识别热源温度和利用试验机获得的测试热源温度，然后以测试热源温度为标准，按照下式计算轴承反识别热源温度的相对误差率：

7)当所计算的误差率小于或等于5％时，证明反识别热源温度是可靠的，该轴承热源温度的反识别方法是可靠、可用的，这样就可以通过理论计算获得轴承的热源温度。

下面通过几个实施例说明本实用新型所述试验机用于轴承反识别热源的验证。

实施例1

轴承转速6000r/min，轴向载荷2000N下，轴承测试温度和反识别热源温度见表1。

表1轴承测试/计算及反识别温度

实施例2

轴承转速7000r/min，轴向载荷3000N下，轴承测试温度和反识别热源温度见表2。

表2轴承测试计算及反识别温度

实施例3

轴承转速8000r/min，轴向载荷4000N下，轴承测试温度和反识别热源温度见表3。

表3轴承测试计算及反识别温度

从上述的三个实施例可以看出，计算得出的反识别热源温度和本发明试验机试验验证得出的红外热像仪测试热源温度相比，其相对误差率小于5％，是可靠的。

需要说明的是，为了确保试验机的验证准确性，试验机的轴承模拟装置中动盘的直径和模拟对象的内圈外径相同、静盘中工作圆盘的直径和模拟对象的外圈外径相同。

以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对其进行限制，所属领域的普通技术人员应当理解，参照上述实施例可以对本实用新型的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本实用新型精神和范围的任何修改或者等同替换均在申请待批的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种对轴承反识别热源温度进行试验验证的试验机，包括轴承模拟装置（2）、驱动装置、传动系统和加载系统，所述驱动装置通过传动系统驱动轴承模拟装置（2）模拟使用工况下轴承的运动状态，所述加载系统作用于轴承模拟装置（2）中用以模拟轴承外圈的静盘（17）；其特征在于：所述轴承模拟装置（2）中，滚动体（20）和滚道接触区域处于开放环境中，以使红外热像仪（12）能够对轴承模拟装置（2）中滚动体（20）和滚道接触区域进行测温，获得用于验证轴承反识别热源温度的测试热源温度。

2.根据权利要求1所述的一种对轴承反识别热源温度进行试验验证的试验机，其特征在于：所述轴承模拟装置（2）还包括保持架（21）和用以模拟轴承内圈的动盘（18），所述动盘（18）和传动系统相连以实现旋转；所述滚动体（20）装配在保持架（21）上后，置于静盘（17）的滚道和动盘（18）的滚道之间，静盘（17）上的滚道深度浅于动盘（18）上的滚道，使得设置在轴承模拟装置（2）一侧的红外热像仪（12）能够对滚动体（20）和静盘（17）滚道接触区域测温。

3.根据权利要求1所述的一种对轴承反识别热源温度进行试验验证的试验机，其特征在于：所述静盘（17）上的滚道和动盘（18）上的滚道均涂抹润滑脂。

4.根据权利要求2所述的一种对轴承反识别热源温度进行试验验证的试验机，其特征在于：所述驱动装置为变频调速电机（3）。

5.根据权利要求4所述的一种对轴承反识别热源温度进行试验验证的试验机，其特征在于：所述传动系统包括两级传动机构，分别为一级传动机构和二级传动机构，所述变频调速电机（3）的动力依次通过一级传动机构和二级传动机构驱动所述动盘（18）旋转，所述一级传动机构和二级传动机构中至少一个传动机构还具有放大转速的作用。

6.根据权利要求5所述的一种对轴承反识别热源温度进行试验验证的试验机，其特征在于：所述一级传动机构为带传动机构，所述二级传动机构为齿轮传动机构。

7.根据权利要求1所述的一种对轴承反识别热源温度进行试验验证的试验机，其特征在于：所述加载系统包括由液压泵、液压缸（13）以及控制阀组成的液压系统，液压缸（13）的活塞杆（14）和所述静盘（17）固定连接。

8.根据权利要求7所述的一种对轴承反识别热源温度进行试验验证的试验机，其特征在于：所述静盘（17）的纵截面呈“工”字型，具有上下两个圆盘，其下圆盘为接触滚动体（20）的工作圆盘，上圆盘为连接法兰，连接法兰和液压缸（13）的活塞杆（14）通过可拆卸连接组件连接。

9.根据权利要求8所述的一种对轴承反识别热源温度进行试验验证的试验机，其特征在于：所述活塞杆（14）端部设有固定法兰，所述可拆卸连接组件包括U形卡（19）和固定销（16），U形卡（19）用以从侧面将静盘（17）的连接法兰和活塞杆（14）的固定法兰卡在U形槽内，并由所述固定销（16）将U形卡（19）、连接法兰和固定法兰固定连接。

10.根据权利要求8所述的一种对轴承反识别热源温度进行试验验证的试验机，其特征在于：所述静盘（17）上连接法兰的中心设有定位中心孔，所述活塞杆（14）的底端能够插入该定位中心孔内，以使活塞杆（14）的中心轴线和轴承模拟装置（2）的中心轴线对应。

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