一種測量滾動軸承徑向動柔度的方法
2023-05-21 03:47:26 1
一種測量滾動軸承徑向動柔度的方法
【專利摘要】本發明提供一種測量滾動軸承徑向動柔度的方法，振動臺通過轉接段將動載荷直接施加在軸承內圈，振動臺和轉接段之間連接力傳感器和加速度傳感器，振動臺施加簡諧激勵，記錄加速度傳感器採集的數據、力傳感器採集的數據，利用轉接段影響消除技術得到加載在軸承內圈的真實荷載；利用多截面位移修正技術得到真實位移，最後根據直接加載下獲得的同步真實載荷和真實位移，繪製「力－位移滯回曲線」，最終得到滾動軸承在不同激頻、力幅等參數下的徑向動柔度。該方法易於實現，操作簡單，可以很方便的獲得不同激振頻率、激振力幅值等參數下的高精度動柔度測試值。
【專利說明】一種測量滾動軸承徑向動柔度的方法
[0001] _
【技術領域】
[0002] 本發明涉及機械工程領域中軸承徑向動柔度的測試方法，具體的說，涉及的是採用直接加載的方法來完成滾動軸承徑向動柔度的測試。
【背景技術】
[0003]滾動軸承廣泛應用於機械工程領域，它是旋轉機械中最為普遍採用的零件之一，其徑向支承動柔度是轉子/轉軸動力學特性的重要參數。然而，目前工程應用中對滾動軸承徑向動柔度還缺乏成熟的測試方法，實踐中依然採用工程構件動柔度測試的通用方法，這些方法並不完全適用滾動軸承徑向動柔度的高精度測試，測試結果誤差較大。通過現場測試獲得滾動軸承動柔度的兩個關鍵因素為:如何實時獲取加載於軸承處的真實動載荷以及對應載荷作用面處的真實位移。這兩個方面必須有機結合，缺一不可。目前工程中採用的軸承動柔度測試加載方法包括:激振器簡諧激勵、力錘瞬態激勵及質量偏心轉子激勵等。激振器簡諧激勵的激振力形式與滾動軸承實際工況下受載情況接近，但存在激振器加載時對軸承的不利約束並通常無法保證恆幅激振；力錘瞬態激勵方法簡單，操作方便，但其瞬態激勵形式與軸承實際工況下受簡諧激勵的情況相差較大，故所得結果的精度較差；質量偏心轉子激勵模擬滾動軸承實際工況下的受載狀態，其激勵形式與軸承實際情況非常接近，但要求其測試設備的複雜程度與原設備的轉子系統相近，這在大型複雜旋轉機械的軸承動柔度測試中很難實現。同時，試驗的頻率範圍受到轉子臨界轉速的限制和影響，試驗設備中的模擬偏心轉子系統的諸多特徵(不對中等)會給試驗結果帶來誤差。試驗中，滾動軸承所受徑向動態載荷及對應位移也無法直接測量，需要通過近似公式進行計算，所有這些累積誤差會大大降低試驗結果的精度。另一方面，在軸承徑向動柔度測試的位移獲取方法上，工程中普遍採用的加速度二次積分求位移的方法會進一步擴大試驗結果的誤差。
[0004]目前工程【技術領域】需要發展一種專門針對滾動軸承徑向動柔度的測試方法，該方法應該普遍適用於工程應用中最為廣泛的滾動軸承，方法易於實現，不受被測軸承實際工況的限制，可以直接測量獲得軸承徑向動柔度所需的兩個參數:時變動載荷及對應位移，同時考慮試驗設備裝配參數及試件動態慣性力的影響，從而實現滾動軸承徑向動柔度的高精度測試。
【發明內容】
[0005]目前軸承動柔度測試中依然採用工程構件動柔度測試的通用方法，這些方法對滾動軸承同步動載荷和位移往往無法同時直接測量，測試結果精度較差。本發明的目的是為了填補工程應用中缺乏滾動軸承徑向動柔度測試方法的空白，提出了一種採用直接加載方式測量滾動軸承徑向動柔度的方法。
[0006]滾動軸承徑向動柔度可以定義為軸承單位動態載荷下的徑向位移，即動柔度的獲得需要測量動態載荷和徑向位移兩個參數。要想通過試驗得到軸承動柔度的高精度測量值，最好能夠動態激勵直接加載，並同時實現軸承所受動態載荷和產生位移的同步、直接測量。
[0007]為達到上述目的，本發明採用如下的技術方案:
一種測量滾動軸承徑向動柔度的方法，其特徵在於，振動臺通過轉接段將動載荷直接施加在軸承內圈，振動臺和轉接段之間連接力傳感器和加速度傳感器，振動臺施加簡諧激勵，記錄加速度傳感器採集的數據、力傳感器採集的數據，將加速度傳感器採集到的加速度值和轉接段的質量相乘得到轉接段的慣性力，力傳感器採集的力值中去掉該慣性力就得到加載在軸承內圈的真實荷載；
在軸承的多個位置安裝渦流位移傳感器，用渦流位移傳感器測量軸承加載部位的多個截面的位移，將多個位移求平均值即可得到真實的位移；
最後根據直接加載下獲得的同步真實載荷和真實位移，繪製「力一位移滯回曲線」，最終得到滾動軸承在不同激頻、力幅等參數下的徑向動柔度。
[0008]採用多通道數據採集系統對加速度傳感器、力傳感器和渦流位移傳感器進行同步採集，保證所有傳感器信號的時間一致性。
[0009]所述轉接段包括:萬向鉸、連杆、加載龍門架和假軸，連杆一端通過萬向鉸連接振動臺另一端連接加載龍門架，連杆上同時布置加速度傳感器和力傳感器，加載龍門架下端連接假軸，它將連杆的激勵傳遞給假軸，假軸與軸承內圈緊密接觸。
[0010]對滾動軸承採用加載邊界間隙消除技術，所述加載邊界間隙消除技術是指通過專門設計的兩個環形壓板結構來消除軸承內圈-假軸、軸承外圈-基礎之間由於裝配所產生的加載邊界間隙。環形壓板上分布有多個軸對稱通孔，螺栓穿過這些通孔將壓板與假軸/基礎相連，壓板表面的內緣與假軸/軸承外圈接觸，壓板表面的外緣與軸承內圈/基礎接觸，當擰緊螺栓時，壓板將同時擠壓軸承內圈和假軸(或軸承外圈和基礎)，這種擠壓作用將使軸承內圈和假軸(或軸承外圈和基礎)發生徑向變形，從而達到加載邊界間隙消除的目的。
[0011]本發明的關出特點為:
1、提出了專門針對滾動軸承徑向動柔度的測試方法和整套技術方案，方法易於實現，操作簡單，可以很方便的獲得不同激振頻率、激振力幅值等參數下的高精度動柔度測試值；
2、實現了載荷的直接施加與直接測量
振動臺可以在指定頻率下實現加速度恆幅簡諧激振，這與滾動軸承在實際工況下因轉子/轉軸不平衡量引起的簡諧激振完全一致。利用這種特點，將振動臺與加速度傳感器、力傳感器以及特殊設計的轉接段相結合，實現滾動軸承徑向簡諧激勵的直接加載和直接測量。同時，這種軸承徑向直接加載方法為需要軸向定位的滾動軸承(例如角接觸球軸承)預留了軸向加載空間，完全適用於這類軸承的動柔度測試；
3、專門設計了用於滾動軸承徑向直接加載的轉接段機構
對轉接段機構進行特殊設計，包括萬向鉸、加載龍門架、假軸等構件。該機構可自動糾正振動臺輸出激勵偏向、保證轉接段與軸承內圈接觸情況與原工況一致，並使轉接段在整個加載過程中作剛體直線運動，同時便於軸承加載部位的動態位移直接測量； 4、提出了轉接段影響消除技術
在大部分動態試驗中，中間件慣性力的影響往往被忽視。為進一步提高軸承動載荷的測量精度，利用加速度數據得到轉接段慣性力，將其與力信號相結合，最終獲得作用在軸承內圈的真實動載荷；
5、提出了加載邊界間隙消除技術
在機械設備的安裝過程中，裝配間隙及誤差不可避免，這對載荷有效施加產生較大影響，為此在軸承加載邊界與基礎連接的部位設計了特殊的壓板結構來消除邊界間隙的影響。這種設計的另外一個作用是讓假軸與軸承內圈緊密配合，使軸承加載部位的位移直接測量成為可能；
6、實現了軸承動態位移的直接測量
使用非接觸式渦流位移傳感器採集動態位移信號，將假軸設計成在加載方向剛度足夠大的剛體部件，結合加載邊界間隙消除技術，從而實現軸承加載部位動態位移的直接測量;
7、提出了多截面位移修正技術
考慮到裝配過程中一定會出現不可避免的誤差以及由此帶來的加載力偏向問題，採用對稱多點布置位移傳感器並取算術平均值的方法來消除這種影響。同時，認為固定軸承的基礎邊界在軸承受到動載荷時不可能保持絕對靜止，故使用位移傳感器採集基礎運動的位移信號。綜合考慮以上因素，提出多截面位移修正技術來消除加載力偏向和基礎邊界隨動對軸承動態位移信號的影響；
8、所有傳感器均採用同一臺多通道系統來採集信號和處理數據，保證了力、加速度和位移信號的時間同步；
9、由實測數據繪製的「力一位移滯回曲線」得到滾動軸承在不同參數下的徑向動柔度。[0012] _
【專利附圖】
【附圖說明】
[0013]圖1為本發明【具體實施方式】中使用的測量臺的結構示意圖；
圖2為圖1的左視圖；
圖3為本發明【具體實施方式】中測量方法的示意圖。
【具體實施方式】
[0014]滾動軸承徑向動柔度可以定義為軸承單位動態載荷下的徑向位移，即動柔度的獲得需要測量動態載荷和徑向位移兩個參數。要想通過試驗得到軸承動柔度的高精度測量值，最好能夠動態激勵直接加載，並同時實現軸承所受動態載荷和產生位移的同步、直接測量。
[0015]如圖1所示，圖中描述的是用來測量滾動軸承徑向動柔度的測試臺，包括振動臺I，振動臺I通過轉接段將動荷載直接施加在軸承內圈，轉接段包括萬向鉸2、連杆、徑向力加載龍門架6和假軸9。連杆一端通過萬向鉸連接振動臺另一端連接加載龍門架，連杆上布置有加速度傳感器和力傳感器，加載龍門架專為假軸設計，它將連杆的激勵傳遞給假軸，假軸與軸承內圈接觸的部分，其幾何形狀、加工要求、裝配時的配合情況都要與軸承的實際工況一致，從而實現激勵的高保真加載。
[0016]待測的滾動軸承8被裝配在假軸9和基礎邊界7之間，假軸9的外緣和基礎邊界7的內緣處均設置有凸臺結構來分別定位軸承的內、外圈。兩塊壓板機構10分別通過螺栓與假軸9和基礎邊界7連接。同時，壓板機構10通過擠壓滾動軸承8的內、外圈將滾動軸承8定位並消除加載邊界間隙。基礎邊界7和假軸9的附近設置有電渦流位移傳感器5，電渦流位移傳感器是非接觸的，測試時只要放在被測物附近即可實現位移測量，連杆的作用是將振動臺激勵傳至加載龍門架，並最終通過假軸將激勵施加於軸承內圈。萬向鉸的作用為減小加載力偏向對結果的影響，連杆上同時布置加速度傳感器和力傳感器，用來測量轉接段的加速度信號和振動臺施加的力信號。
[0017]對滾動軸承採用加載邊界間隙消除技術，所述加載邊界間隙消除技術是指通過專門設計的兩個環形壓板結構來消除軸承內圈-假軸、軸承外圈-基礎之間由於裝配所產生的加載邊界間隙。環形壓板上分布有多個軸對稱通孔，螺栓穿過這些通孔將壓板與假軸/基礎相連，壓板表面的內緣與假軸/軸承外圈接觸，壓板表面的外緣與軸承內圈/基礎接觸，當擰緊螺栓時，壓板將同時擠壓軸承內圈和假軸(或軸承外圈和基礎)，這種擠壓作用將使軸承內圈和假軸(或軸承外圈和基礎)發生徑向變形，從而達到加載邊界間隙消除的目的。
[0018]圖2給出了滾動軸承徑向動柔度的測試方法，振動臺振動後，在指定頻率下實現加速度恆幅簡諧激振，記錄加速度傳感器的數據、力傳感器數據，將加速度傳感器採集到的加速度信號和轉接段的質量相乘得到轉階段的慣性力，在力傳感器數據中去掉該慣性力就得到加載在軸承內圈的真實荷載；
在軸承的多個位置安裝渦流位移傳感器，用渦流位移傳感器測量軸承加載部位的多個截面的位移，將多個位移求平均值即可得到真實的位移；
最後根據直接加載下獲得的同步真實載荷和真實位移，繪製「力一位移滯回曲線」，最終得到滾動軸承在不同激頻、力幅等參數下的徑向動柔度。
[0019]在測試過程中，需要利用多通道數據採集系統對加速度傳感器、力傳感器和位移傳感器進行同步採集，保證所有傳感器信號的時間一致性。
【權利要求】
1.一種測量滾動軸承徑向動柔度的方法，其特徵在於，振動臺通過轉接段將動載荷直接施加在軸承內圈，振動臺和轉接段之間連接力傳感器和加速度傳感器，振動臺施加簡諧激勵，記錄加速度傳感器採集的數據、力傳感器採集的數據，將加速度傳感器採集到的加速度值和轉接段的質量相乘得到轉接段的慣性力，力傳感器採集的力值中去掉該慣性力就得到加載在軸承內圈的真實荷載； 在軸承的多個位置安裝渦流位移傳感器，用渦流位移傳感器測量軸承加載部位的多個截面的位移，將多個位移求平均值即可得到真實的位移； 最後根據直接加載下獲得的同步真實載荷和真實位移，繪製「力一位移滯回曲線」，最終得到滾動軸承在不同激頻、力幅等參數下的徑向動柔度。
2.如權利要求1所述的一種測量滾動軸承徑向動柔度的方法，其特徵在於，採用多通道數據採集系統對加速度傳感器、力傳感器和渦流位移傳感器進行同步採集，保證所有傳感器信號的時間一致性。
3.如權利要求2所述的一種測量滾動軸承徑向動柔度的方法，其特徵在於，所述轉接段包括:萬向鉸、連杆、加載龍門架和假軸，連杆一端通過萬向鉸連接振動臺另一端連接加載龍門架，連杆上同時布置加速度傳感器和力傳感器，加載龍門架下端連接假軸，它將連杆的激勵傳遞給假軸，假軸與軸承內圈緊密接觸。
4.如權利要求3所述的一種測量滾動軸承徑向動柔度的方法，其特徵在於，對滾動軸承採用加載邊界間隙消除技術，所述加載邊界間隙消除技術是指通過專門設計的兩個環形壓板結構來消除軸承內圈-假軸、軸承外圈-基礎之間由於裝配所產生的加載邊界間隙，環形壓板上分布有多個軸對稱通孔，螺栓穿過這些通孔將壓板與假軸/基礎相連，壓板表面的內緣與假軸/軸承外圈接觸，壓板表面的外緣與軸承內圈/基礎接觸，當擰緊螺栓時，壓板將同時擠壓軸承內圈和假軸或軸承外圈和基礎，這種擠壓作用將使軸承內圈和假軸或軸承外圈和基礎發生徑向變形，從而達到加載邊界間隙消除的目的。
【文檔編號】G01M13/04GK103592125SQ201310464803
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2013年10月8日 優先權日:2013年10月8日
【發明者】李健, 李成剛, 王德友, 劉聰, 宛春博 申請人:東北大學, 中國航空工業集團公司瀋陽發動機設計研究所