一种测量滚动轴承径向动柔度的方法
【专利摘要】本发明提供一种测量滚动轴承径向动柔度的方法，振动台通过转接段将动载荷直接施加在轴承内圈，振动台和转接段之间连接力传感器和加速度传感器，振动台施加简谐激励，记录加速度传感器采集的数据、力传感器采集的数据，利用转接段影响消除技术得到加载在轴承内圈的真实荷载；利用多截面位移修正技术得到真实位移，最后根据直接加载下获得的同步真实载荷和真实位移，绘制“力－位移滞回曲线”，最终得到滚动轴承在不同激频、力幅等参数下的径向动柔度。该方法易于实现，操作简单，可以很方便的获得不同激振频率、激振力幅值等参数下的高精度动柔度测试值。
【专利说明】一种测量滚动轴承径向动柔度的方法
[0001] _
【技术领域】
[0002] 本发明涉及机械工程领域中轴承径向动柔度的测试方法，具体的说，涉及的是采用直接加载的方法来完成滚动轴承径向动柔度的测试。
【背景技术】
[0003]滚动轴承广泛应用于机械工程领域，它是旋转机械中最为普遍采用的零件之一，其径向支承动柔度是转子/转轴动力学特性的重要参数。然而，目前工程应用中对滚动轴承径向动柔度还缺乏成熟的测试方法，实践中依然采用工程构件动柔度测试的通用方法，这些方法并不完全适用滚动轴承径向动柔度的高精度测试，测试结果误差较大。通过现场测试获得滚动轴承动柔度的两个关键因素为:如何实时获取加载于轴承处的真实动载荷以及对应载荷作用面处的真实位移。这两个方面必须有机结合，缺一不可。目前工程中采用的轴承动柔度测试加载方法包括:激振器简谐激励、力锤瞬态激励及质量偏心转子激励等。激振器简谐激励的激振力形式与滚动轴承实际工况下受载情况接近，但存在激振器加载时对轴承的不利约束并通常无法保证恒幅激振；力锤瞬态激励方法简单，操作方便，但其瞬态激励形式与轴承实际工况下受简谐激励的情况相差较大，故所得结果的精度较差；质量偏心转子激励模拟滚动轴承实际工况下的受载状态，其激励形式与轴承实际情况非常接近，但要求其测试设备的复杂程度与原设备的转子系统相近，这在大型复杂旋转机械的轴承动柔度测试中很难实现。同时，试验的频率范围受到转子临界转速的限制和影响，试验设备中的模拟偏心转子系统的诸多特征(不对中等)会给试验结果带来误差。试验中，滚动轴承所受径向动态载荷及对应位移也无法直接测量，需要通过近似公式进行计算，所有这些累积误差会大大降低试验结果的精度。另一方面，在轴承径向动柔度测试的位移获取方法上，工程中普遍采用的加速度二次积分求位移的方法会进一步扩大试验结果的误差。
[0004]目前工程【技术领域】需要发展一种专门针对滚动轴承径向动柔度的测试方法，该方法应该普遍适用于工程应用中最为广泛的滚动轴承，方法易于实现，不受被测轴承实际工况的限制，可以直接测量获得轴承径向动柔度所需的两个参数:时变动载荷及对应位移，同时考虑试验设备装配参数及试件动态惯性力的影响，从而实现滚动轴承径向动柔度的高精度测试。
【发明内容】
[0005]目前轴承动柔度测试中依然采用工程构件动柔度测试的通用方法，这些方法对滚动轴承同步动载荷和位移往往无法同时直接测量，测试结果精度较差。本发明的目的是为了填补工程应用中缺乏滚动轴承径向动柔度测试方法的空白，提出了一种采用直接加载方式测量滚动轴承径向动柔度的方法。
[0006]滚动轴承径向动柔度可以定义为轴承单位动态载荷下的径向位移，即动柔度的获得需要测量动态载荷和径向位移两个参数。要想通过试验得到轴承动柔度的高精度测量值，最好能够动态激励直接加载，并同时实现轴承所受动态载荷和产生位移的同步、直接测量。
[0007]为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案:
一种测量滚动轴承径向动柔度的方法，其特征在于，振动台通过转接段将动载荷直接施加在轴承内圈，振动台和转接段之间连接力传感器和加速度传感器，振动台施加简谐激励，记录加速度传感器采集的数据、力传感器采集的数据，将加速度传感器采集到的加速度值和转接段的质量相乘得到转接段的惯性力，力传感器采集的力值中去掉该惯性力就得到加载在轴承内圈的真实荷载；
在轴承的多个位置安装涡流位移传感器，用涡流位移传感器测量轴承加载部位的多个截面的位移，将多个位移求平均值即可得到真实的位移；
最后根据直接加载下获得的同步真实载荷和真实位移，绘制“力一位移滞回曲线”，最终得到滚动轴承在不同激频、力幅等参数下的径向动柔度。
[0008]采用多通道数据采集系统对加速度传感器、力传感器和涡流位移传感器进行同步采集，保证所有传感器信号的时间一致性。
[0009]所述转接段包括:万向铰、连杆、加载龙门架和假轴，连杆一端通过万向铰连接振动台另一端连接加载龙门架，连杆上同时布置加速度传感器和力传感器，加载龙门架下端连接假轴，它将连杆的激励传递给假轴，假轴与轴承内圈紧密接触。
[0010]对滚动轴承采用加载边界间隙消除技术，所述加载边界间隙消除技术是指通过专门设计的两个环形压板结构来消除轴承内圈-假轴、轴承外圈-基础之间由于装配所产生的加载边界间隙。环形压板上分布有多个轴对称通孔，螺栓穿过这些通孔将压板与假轴/基础相连，压板表面的内缘与假轴/轴承外圈接触，压板表面的外缘与轴承内圈/基础接触，当拧紧螺栓时，压板将同时挤压轴承内圈和假轴(或轴承外圈和基础)，这种挤压作用将使轴承内圈和假轴(或轴承外圈和基础)发生径向变形，从而达到加载边界间隙消除的目的。
[0011]本发明的关出特点为:
1、提出了专门针对滚动轴承径向动柔度的测试方法和整套技术方案，方法易于实现，操作简单，可以很方便的获得不同激振频率、激振力幅值等参数下的高精度动柔度测试值；
2、实现了载荷的直接施加与直接测量
振动台可以在指定频率下实现加速度恒幅简谐激振，这与滚动轴承在实际工况下因转子/转轴不平衡量引起的简谐激振完全一致。利用这种特点，将振动台与加速度传感器、力传感器以及特殊设计的转接段相结合，实现滚动轴承径向简谐激励的直接加载和直接测量。同时，这种轴承径向直接加载方法为需要轴向定位的滚动轴承(例如角接触球轴承)预留了轴向加载空间，完全适用于这类轴承的动柔度测试；
3、专门设计了用于滚动轴承径向直接加载的转接段机构
对转接段机构进行特殊设计，包括万向铰、加载龙门架、假轴等构件。该机构可自动纠正振动台输出激励偏向、保证转接段与轴承内圈接触情况与原工况一致，并使转接段在整个加载过程中作刚体直线运动，同时便于轴承加载部位的动态位移直接测量； 4、提出了转接段影响消除技术
在大部分动态试验中，中间件惯性力的影响往往被忽视。为进一步提高轴承动载荷的测量精度，利用加速度数据得到转接段惯性力，将其与力信号相结合，最终获得作用在轴承内圈的真实动载荷；
5、提出了加载边界间隙消除技术
在机械设备的安装过程中，装配间隙及误差不可避免，这对载荷有效施加产生较大影响，为此在轴承加载边界与基础连接的部位设计了特殊的压板结构来消除边界间隙的影响。这种设计的另外一个作用是让假轴与轴承内圈紧密配合，使轴承加载部位的位移直接测量成为可能；
6、实现了轴承动态位移的直接测量
使用非接触式涡流位移传感器采集动态位移信号，将假轴设计成在加载方向刚度足够大的刚体部件，结合加载边界间隙消除技术，从而实现轴承加载部位动态位移的直接测量;
7、提出了多截面位移修正技术
考虑到装配过程中一定会出现不可避免的误差以及由此带来的加载力偏向问题，采用对称多点布置位移传感器并取算术平均值的方法来消除这种影响。同时，认为固定轴承的基础边界在轴承受到动载荷时不可能保持绝对静止，故使用位移传感器采集基础运动的位移信号。综合考虑以上因素，提出多截面位移修正技术来消除加载力偏向和基础边界随动对轴承动态位移信号的影响；
8、所有传感器均采用同一台多通道系统来采集信号和处理数据，保证了力、加速度和位移信号的时间同步；
9、由实测数据绘制的“力一位移滞回曲线”得到滚动轴承在不同参数下的径向动柔度。[0012] _
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1为本发明【具体实施方式】中使用的测量台的结构示意图；
图2为图1的左视图；
图3为本发明【具体实施方式】中测量方法的示意图。
【具体实施方式】
[0014]滚动轴承径向动柔度可以定义为轴承单位动态载荷下的径向位移，即动柔度的获得需要测量动态载荷和径向位移两个参数。要想通过试验得到轴承动柔度的高精度测量值，最好能够动态激励直接加载，并同时实现轴承所受动态载荷和产生位移的同步、直接测量。
[0015]如图1所示，图中描述的是用来测量滚动轴承径向动柔度的测试台，包括振动台I，振动台I通过转接段将动荷载直接施加在轴承内圈，转接段包括万向铰2、连杆、径向力加载龙门架6和假轴9。连杆一端通过万向铰连接振动台另一端连接加载龙门架，连杆上布置有加速度传感器和力传感器，加载龙门架专为假轴设计，它将连杆的激励传递给假轴，假轴与轴承内圈接触的部分，其几何形状、加工要求、装配时的配合情况都要与轴承的实际工况一致，从而实现激励的高保真加载。
[0016]待测的滚动轴承8被装配在假轴9和基础边界7之间，假轴9的外缘和基础边界7的内缘处均设置有凸台结构来分别定位轴承的内、外圈。两块压板机构10分别通过螺栓与假轴9和基础边界7连接。同时，压板机构10通过挤压滚动轴承8的内、外圈将滚动轴承8定位并消除加载边界间隙。基础边界7和假轴9的附近设置有电涡流位移传感器5，电涡流位移传感器是非接触的，测试时只要放在被测物附近即可实现位移测量，连杆的作用是将振动台激励传至加载龙门架，并最终通过假轴将激励施加于轴承内圈。万向铰的作用为减小加载力偏向对结果的影响，连杆上同时布置加速度传感器和力传感器，用来测量转接段的加速度信号和振动台施加的力信号。
[0017]对滚动轴承采用加载边界间隙消除技术，所述加载边界间隙消除技术是指通过专门设计的两个环形压板结构来消除轴承内圈-假轴、轴承外圈-基础之间由于装配所产生的加载边界间隙。环形压板上分布有多个轴对称通孔，螺栓穿过这些通孔将压板与假轴/基础相连，压板表面的内缘与假轴/轴承外圈接触，压板表面的外缘与轴承内圈/基础接触，当拧紧螺栓时，压板将同时挤压轴承内圈和假轴(或轴承外圈和基础)，这种挤压作用将使轴承内圈和假轴(或轴承外圈和基础)发生径向变形，从而达到加载边界间隙消除的目的。
[0018]图2给出了滚动轴承径向动柔度的测试方法，振动台振动后，在指定频率下实现加速度恒幅简谐激振，记录加速度传感器的数据、力传感器数据，将加速度传感器采集到的加速度信号和转接段的质量相乘得到转阶段的惯性力，在力传感器数据中去掉该惯性力就得到加载在轴承内圈的真实荷载；
在轴承的多个位置安装涡流位移传感器，用涡流位移传感器测量轴承加载部位的多个截面的位移，将多个位移求平均值即可得到真实的位移；
最后根据直接加载下获得的同步真实载荷和真实位移，绘制“力一位移滞回曲线”，最终得到滚动轴承在不同激频、力幅等参数下的径向动柔度。
[0019]在测试过程中，需要利用多通道数据采集系统对加速度传感器、力传感器和位移传感器进行同步采集，保证所有传感器信号的时间一致性。
【权利要求】
1.一种测量滚动轴承径向动柔度的方法，其特征在于，振动台通过转接段将动载荷直接施加在轴承内圈，振动台和转接段之间连接力传感器和加速度传感器，振动台施加简谐激励，记录加速度传感器采集的数据、力传感器采集的数据，将加速度传感器采集到的加速度值和转接段的质量相乘得到转接段的惯性力，力传感器采集的力值中去掉该惯性力就得到加载在轴承内圈的真实荷载； 在轴承的多个位置安装涡流位移传感器，用涡流位移传感器测量轴承加载部位的多个截面的位移，将多个位移求平均值即可得到真实的位移； 最后根据直接加载下获得的同步真实载荷和真实位移，绘制“力一位移滞回曲线”，最终得到滚动轴承在不同激频、力幅等参数下的径向动柔度。
2.如权利要求1所述的一种测量滚动轴承径向动柔度的方法，其特征在于，采用多通道数据采集系统对加速度传感器、力传感器和涡流位移传感器进行同步采集，保证所有传感器信号的时间一致性。
3.如权利要求2所述的一种测量滚动轴承径向动柔度的方法，其特征在于，所述转接段包括:万向铰、连杆、加载龙门架和假轴，连杆一端通过万向铰连接振动台另一端连接加载龙门架，连杆上同时布置加速度传感器和力传感器，加载龙门架下端连接假轴，它将连杆的激励传递给假轴，假轴与轴承内圈紧密接触。
4.如权利要求3所述的一种测量滚动轴承径向动柔度的方法，其特征在于，对滚动轴承采用加载边界间隙消除技术，所述加载边界间隙消除技术是指通过专门设计的两个环形压板结构来消除轴承内圈-假轴、轴承外圈-基础之间由于装配所产生的加载边界间隙，环形压板上分布有多个轴对称通孔，螺栓穿过这些通孔将压板与假轴/基础相连，压板表面的内缘与假轴/轴承外圈接触，压板表面的外缘与轴承内圈/基础接触，当拧紧螺栓时，压板将同时挤压轴承内圈和假轴或轴承外圈和基础，这种挤压作用将使轴承内圈和假轴或轴承外圈和基础发生径向变形，从而达到加载边界间隙消除的目的。
【文档编号】G01M13/04GK103592125SQ201310464803
【公开日】2014年2月19日 申请日期:2013年10月8日 优先权日:2013年10月8日
【发明者】李健, 李成刚, 王德友, 刘聪, 宛春博 申请人:东北大学, 中国航空工业集团公司沈阳发动机设计研究所