载荷加载装置及方法与流程

本发明属于载荷测试技术领域，尤其涉及一种载荷加载装置及方法。

背景技术：

风电发电机组用的变桨轴承为大型构件，主要包括环状内圈、外圈及其之间的滚子。变桨轴承在使用过程中外圈安装孔的外缘和内缘处均受到周向的拉力，会发生安装孔疲劳开裂的现象，导致整个轴承失效。测试安装孔受载荷情况及评估其寿命与所受疲劳载荷的关系具有重要意义。

技术实现要素：

本发明实施例提供一种载荷加载装置及方法，能够对环状构件端面上安装孔的内缘或外缘处进行载荷加载并实现疲劳测试。

第一方面，提供一种载荷加载装置，包括底座、第一支座、第二支座和压头组件。底座具有支撑面；第一支座和第二支座均具有圆周支撑面，设置于支撑面上，第一支座与第二支座之间具有预定距离；压头组件至少包括压头；其中，载荷加载装置在使用时，压头组件设置于环段试件的上表面，第一支座和第二支座支撑环段试件的下表面，压头组件向环段试件施加测试载荷。

在第一种可能的实现方式中，载荷加载装置还包括两个垫板，两个垫板设置于底座上并分别用于支撑第一支座和第二支座。

结合上述可能的实现方式，在第二种可能的实现方式中，两个垫板嵌于底座的支撑面内。

结合上述可能的实现方式，在第三种可能的实现方式中，第一支座和第二支座均为包括多段相同直径且同轴设置的圆柱体。

结合上述可能的实现方式，在第四种可能的实现方式中，环段试件为轴承支撑圈的部分环体；环段试件具有外圆周面、内圆周面、至少一个安装孔以及相对的两个端面，其中，待测安装孔是至少一个安装孔中的一个安装孔，待测安装孔设置在环段试件中部并贯穿两个端面。

结合上述可能的实现方式，在第五种可能的实现方式中，压头靠近环段试件的端部设置有沟槽，沟槽沿环段试件宽度方向延伸，沟槽内部容纳至少一个球体，至少一个球体在沟槽内依次排布，且与环段试件的上表面接触。

结合上述可能的实现方式，在第六种可能的实现方式中，沟槽的两侧均设置沿沟槽延伸方向排布的至少两个凸台。

结合上述可能的实现方式，在第七种可能的实现方式中，环段试件的内圆周面为上表面，环段试件的外圆周面为下表面；并且，内圆周面具有轨道，至少一个球体设置在轨道和沟槽之间。

结合上述可能的实现方式，在第八种可能的实现方式中，压头靠近环段试件的端部设置有截面呈U形的抵触部，抵触部与环段试件的上表面接触。

结合上述可能的实现方式，在第九种可能的实现方式中，环段试件的内圆周面为下表面，环段试件的外圆周面为上表面。

结合上述可能的实现方式，在第十种可能的实现方式中，压头与待测安装孔对应设置，压头施加的载荷压力处于待测安装孔所在的竖直平面内。

第二方面，提供一种载荷加载方法，用于测试轴承支撑圈上待测安装孔外缘或内缘的强度，包括以下步骤：

a，截取轴承支撑圈上包含有待测安装孔的一段环体以获得环段试件；

b，提供第一支座和第二支座，通过第一支座和第二支座支撑环段试件的下表面，第一支座和第二支座的支点分布于待测安装孔的两侧；

c，向环段试件施加测试载荷，测试载荷的作用点位于第一支座和第二支座之间，施加测试载荷的方向与第一支座和第二支座所提供的支撑力方向相反。

在第一种可能的实现方式中，还包括步骤d：在待测安装孔的内缘或外缘处设置应变传感器，当向环段试件施加测试载荷时收集应变传感器的检测信号。

结合上述可能的实现方式，在第二种可能的实现方式中，测试载荷为交变的压力载荷。

本发明提供的载荷加载装置及方法，通过截取轴承支撑圈上含有安装孔的一段环体作为被测试件进行模拟载荷加载测试，无需对整个轴承支撑圈进行装夹和加载载荷，可采用如拉压试验机的通用设备进行测试，对测试设备的要求较低。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为变桨轴承外圈及由变桨轴承外圈获得的环段试件结构示意图；

图2为根据本发明一个实施例提供的载荷加载装置的结构示意图；

图3为图2中压头的结构示意图；

图4为根据本发明另一个实施例提供的载荷加载装置的结构示意图。

其中：

1-连接杆，2-压头，3-钢球，4-挡板，5-待测安装孔，6-底座，7-垫板，8-第一圆柱体，9-第二圆柱体，10a-内缘环段试件，10b-外缘环段试件，11-支撑面，21-沟槽，22-凸台。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在下面的详细描述中，提出了许多具体细节，以便提供对本发明的全面理解。但是，对于本领域技术人员来说很明显的是，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明的更好的理解。本发明绝不限于下面所提出的任何具体结构和配置，而是在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了零件、部件和连接方式的任何修改、替换和改进。

此外，所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本发明的实施例的充分理解。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

本发明提供一种载荷加载装置和方法，可用于对轴承支撑圈上安装孔外缘或内缘处施加载荷。轴承支撑圈一般分为内圈和外圈，二者均包括外圆周面、内圆周面和相对的两个端面，即二者均为截面形状为矩形的回转环体。轴承支撑圈上设置有包括待测安装孔在内的多个安装孔，安装孔的轴线平行于轴承支撑圈的轴线。安装孔的外缘是指安装孔与支撑圈外圆周面之间的实体部分，内缘是指安装孔与支撑圈内圆周面之间的实体部分。

参考图1和图2，图1为变桨轴承外圈及由变桨轴承外圈获得的环段试件结构示意图，图2中示出了内缘环段试件10a的结构示意图。内缘环段试件10a为由变桨轴承外圈上截取并加工出的具有待测安装孔5的试件，包括外圆周面、内圆周面和相对的两个端面；其外圆周面上加工有第一支撑部和第二支撑部，且待测安装孔5与外圆周面之间的材料被去除；其内圆周面上具有用于容纳轴承滚珠的滚道；第一支撑部和第二支撑部均为平行于待测安装孔5的沟槽。外缘环段试件10b为由变桨轴承外圈上截取并加工出的具有待测安装孔5的试件，包括外圆周面、内圆周面和相对的两个端面，其内圆周面上加工有第一支撑部和第二支撑部，且待测安装孔5与内圆周面之间的材料被去除；其外圆周面为弧形面；第一支撑部和第二支撑部均为平行于待测安装孔5的沟槽。

本发明提供了一种载荷加载装置，可用于对由变桨轴承内圈或外圈上获取的部分环体或由部分环体加工成的环段试件施加载荷。

请继续参考图2，图2为根据本发明一个实施例提供的载荷加载装置的结构示意图，可用于对内缘环段试件10a施加载荷。载荷加载装置包括底座6、第一支座、第二支座、两个垫板7、多个挡板4和压头组件。

底座6为矩形板状，包括矩形的支撑面11，支撑面11上设置有两个平行且具有预定间距的槽。两个垫板7均为长条矩形片，其形状与底座6上的槽相同并嵌于槽中。在可选实施例中，支撑面11上可不设置上述两个平行的槽，两个垫板7可通过螺钉或其他形式可拆卸地固定于支撑面11上，垫板7可由硬度较大的材料制成，当垫板7被磨损或变形后可更换。

第一支座和第二支座分别为具有圆周支撑面的第一圆柱体8和第二圆柱体9，通过其圆周支撑面放置于两个垫板7上，二者之间具有预定距离，该预定距离可以与待支撑的部分环体或环段试件的长度大致相等。在可选实施例中，还可以不设置垫板7，第一圆柱体8和第二圆柱体9可通过其圆周支撑面直接放置在支撑面11上。

参考图3，图3为图2中压头2的结构示意图。压头组件包括连接杆1、压头2和钢球3。连接杆1为圆柱杆，压头2包括施压端和与之相对的安装平面。施压端上设置有用于容置钢球3的沟槽21和四个凸台22。沟槽21的截面宽度与钢球3直径相同，沟槽21的两侧均设置沿沟槽21延伸方向排布的两个凸台22。沟槽21的部分侧壁形成于凸台22上，且凸台22处的沟槽截面形状为优弧，钢球3位于沟槽21中的凸台22处时无法从沟槽开口处脱出。压头2的安装平面上设置有安装孔，连接杆1连接于该安装孔中。使用时，压头2靠近内缘环段试件10a的上表面，即内圆周面侧。沟槽21沿内缘环段试件10a宽度方向延伸，沟槽21内部容纳两个球体3，两个球体3在沟槽21内依次排布，且分别位于内缘环段试件10a的两个滚道中，并与内缘环段试件10a的上表面接触。

挡板4为矩形金属片，其侧边设有通孔，用于将挡板4安装至底座6的侧面。挡板4安装在环绕底座6的四个侧面并高于底座6的支撑面11。多个挡板4作为防护板，用于防止支撑面11上发生试件迸溅或弹出。

本实施例提供的载荷加载装置可对内缘环段试件10a施加载荷。使用时，内缘环段试件10a通过其第一支撑部和第二支撑部卡合于第一圆柱体8和第二圆柱体9上形成简支梁结构。压头组件靠近内缘环段试件10a的上表面并对其施压，具体地，压头2上的沟槽21垂直于内缘环段试件10a上的滚道，钢球3同时容置于内缘环段试件10a中的滚道和压头2上的沟槽21内，压头组件仅通过钢球3与内缘环段试件10a接触并施压。当对内缘环段试件10a中部施压时，即，对与待测安装孔5竖直对应的位置施压时，内缘环段试件10a发生弯曲，并使待测安装孔5的内缘处产生周向应力，因此可以无需对整个变桨轴承外圈进行载荷加载即可实现对待测安装孔5内缘处的疲劳强度测试。

第一圆柱体8和第二圆柱体9放置在支撑面11上，通过其圆柱面与底座6的支撑面11接触。第一圆柱体8和第二圆柱体9在平行于支撑面11的方向上不受约束，即，二者不会对内缘环段试件10a的两个端部产生平行于支撑面11的移动或转动，只承受压头2施加的作用力。因此，对内缘环段试件10a施加较小的载荷即可使待测安装孔5内缘处产生足够应变。

在一个可选实施例中，第一圆柱体8和第二圆柱体9均可以由多段同直径同轴设置的圆柱体组成，如可由较短的轴类下脚料加工而成。

参考图4，图4为根据本发明另一个实施例提供的载荷加载装置的结构示意图。本实施例中与图2中介绍说明的载荷加载装置具有基本相同的结构，此处仅对不同之处进行描述，相同之处请参考上述说明，此处不再赘述。

本实施例中压头组件包括连接杆1和压头2，压头2用于施压的面为圆弧面且不设置沟槽，其截面大致呈“U”形。本实施例提供的载荷加载装置用于装夹外缘环段试件10b，外缘环段试件10b为由变桨轴承外圈上截取并加工出的具有待测安装孔5的试件，其内圆周面上加工有第一支撑部和第二支撑部，其外圆周面为弧形面。外缘环段试件10b的内圆周面为下表面，其外圆周面为上表面，压头2与外缘环段试件10b的上表面接触，并与待测安装孔5对应设置，可对外缘环段试件10b施压。载荷加载装置在使用时，外缘环段试件10b通过其第一支撑部和第二支撑部卡合于第一圆柱体8和第二圆柱体9形成简支梁结构，压头组件靠近外缘环段试件10b的上表面并对其施压时，即，对与待测安装孔5竖直对应的位置施压时，外缘环段试件10b发生弯曲，并使待测安装孔5的外缘处产生周向应力。

本发明实施例提供的载荷加载方法包括如下步骤：

S10，截取变桨轴承外圈上包含有待测安装孔的一段环体以获得环段试件，待测安装孔位于该环段试件圆周方向上的中间位置，换言之，待测安装孔与环段的两个截断面的距离大致相等。在可选实施例中，还可以截取变桨轴承内圈上包含有安装孔的环段作为试件。

S20，在环段试件的外圆周面上加工第一支撑部和第二支撑部得到内缘环段试件10a，具体包括以下过程。

除去环段试件的部分外圆周侧材料，并在该侧加工出第一支撑部和第二支撑部，二者均为平行于待测安装孔并贯穿环段试件的长槽，长槽的截面形状为半圆弧或劣弧。并且，第一支撑部和第二支撑部关于对称平面对称，该对称平面经过待测安装孔轴线和变桨轴承外圈中心线。并且去除待测安装孔与基准平面之间的材料，使待测安装孔变为长槽。

S30，提供第一支座和第二支座，通过第一支座和第二支座分别支撑内缘环段试件10a的两端，即支撑内缘环段试件10a的第一支撑部和第二支撑部，此时内缘环段试件10a与两个支座构成简支梁结构。参考图2，图2示出了该简支梁的构成。本实施例中第一支座和第二支座为圆柱状支撑体，通过圆柱状支撑体的圆周面嵌入内缘环段试件10a的第一支撑部和第二支撑部的长槽，形成对内缘环段试件10a的稳定支撑。

S40，向内缘环段试件10a施加交变测试载荷，测试载荷的方向与第一支座和第二支座所提供的支力方向相反，且该测试载荷的作用点位于待测安装孔轴线和内缘环段试件10a轴线所共面的平面内。具体地，该步骤可在拉压试验机上执行，可通过图2中所示的压头组件对内缘环段试件10a施加交变载荷，压头组件作用于内缘环段试件10a的内圆周面。待测安装孔的内缘会受到周向交变应力，该交变应力可使内缘处疲劳失效，实现对变桨轴承外圈安装孔内缘疲劳强度的测定。

通过上述方法，截取变桨轴承外圈上含有安装孔的一段环体作为试件进行模拟载荷加载测试，无需对整个变桨轴承外圈进行装夹和加载载荷测试，可采用如拉压试验机的通用设备进行测试，对测试设备的要求较低。另外，由于除去了待测安装孔外缘的材料，对内缘环段试件10a施加较小的载荷即可使待测安装孔的内缘处产生足够的应变，可降低对实验设备加载能力的要求。

在一个可选实施例中，可以将环段试件加工成图1中所示的外缘环段试件10b。具体加工过程包括如下步骤：

除去环段试件的部分内圆周侧材料，在该侧加工第一支撑部和第二支撑部，二者均为平行于待测安装孔并贯穿环段试件的长槽，长槽的截面形状为半圆弧或劣弧。并且，第一支撑部和第二支撑部关于对称平面对称，该对称平面经过待测安装孔轴线和变桨轴承外圈中心线，并去除待测安装孔与基准平面之间的材料，使待测安装孔形成长槽。

可以通过两个支座支撑外缘环段试件10b的第一支撑部和第二支撑部，从而将外缘环段试件10b也设置为简支梁结构，通过对外缘环段试件10b的外圆周面施加载荷可以使待测安装孔的外缘处产生周向应力，实现对变桨轴承外圈安装孔外缘疲劳强度的测定。

在一个可选实施例中，加工第一支撑部和第二支撑部时，不对待测安装孔与外圆周面或内圆周面之间的材料进行去除处理。即，保留环段试件上待测安装孔的内缘和外缘的实体材料。具有完整内缘和外缘的环段试件，在载荷加载测试时其受力情况更接近实际，测试结果更准确。

在一个可选实施例中，可以不在环段试件上加工第一支撑部和第二支撑部，直接以其内圆周面或外圆周面作为支撑部接受第一支座和第二支座的支撑，第一支座和第二支座进行适应性变形，与环段试件形成简支梁结构即可。

在另一个实施例中，载荷加载方法还包括步骤S50：在待测安装孔的内缘或外缘处设置应变传感器，当向环段试件施加测试载荷时收集应变传感器的检测信号。通过应变传感器可收集环段试件内缘和/或外缘处周向应变值，可以判断径向载荷与内缘和/或外缘处的应变关系。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。