轴系轴承的配合质量测量方法及测量系统与流程

1.本发明涉及轴承检测技术领域，特别是涉及一种轴系轴承的配合质量测量方法及测量系统。


背景技术：

2.风力发电机组的发电机的定子与转子同轴设置，定子一般与轴系的固定轴连接，转子与轴系的转动轴连接，而固定轴与转动轴之间大多采用一对单列圆锥滚子轴承实现相对转动，既能够承受径向载荷，还可以平衡单列圆锥滚子轴承的轴向载荷。轴承装配后的装配游隙及运转时的工作游隙大小对轴承的疲劳寿命、温升、噪声、振动等性能有影响，进而影响风力发电机组的整体质量及寿命。
3.轴承的游隙测量方法一般采用常规的塞尺、百分表、深度尺等结合使用，但是这样的测量过程耗时费力且测量结果存在较大误差，尤其在测量滚动体与内圈上方的间隙时更不理想，无法得知轴承游隙是否达到设计要求，也无法测量发电机运行时游隙的变化。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种轴系轴承的配合质量测量方法及测量系统，该方法可以间接测量出轴承的游隙变化情况。
5.一方面，本发明实施例提出了一种轴系轴承的配合质量测量方法，轴系包括第一轴、套设于第一轴外周侧的第二轴、设置于第一轴与第二轴之间的轴承，以及与轴承的内圈及外圈配合的端盖，该配合质量测量方法包括：根据轴系各部件的材质、形状及尺寸建立轴系的三维数据模型；在第一轴的三维数据模型的远离端盖的端面上施加第一载荷，并对轴系进行有限元分析，以获得轴系的轴向位移与轴承的游隙之间的第一关系曲线；将位移传感器安装于轴系中，以测量轴系的实际轴向位移；根据第一关系曲线及位移传感器测得的实际轴向位移，得出轴承的实际游隙。
6.根据本发明实施例一个方面，该配合质量测量方法还包括：在端盖的三维数据模型上施加第二载荷，并对轴系进行有限元分析，以获得轴承的游隙与预紧力之间的第二关系曲线；根据轴承的实际游隙及第二关系曲线，得出轴承的实际预紧力。
7.根据本发明实施例一个方面，在端盖的三维数据模型上施加第二载荷，包括：端盖包括与轴承的内圈配合的第一端盖和与轴承的外圈配合的第二端盖，轴承为成对安装的单列圆锥滚子轴承；当成对安装的单列圆锥滚子轴承背对背安装时，在第一端盖的三维数据模型上施加第二载荷；当成对安装的单列圆锥滚子轴承面对面安装时，在第二端盖的三维数据模型上施加第二载荷。
8.根据本发明实施例一个方面，轴系的实际轴向位移为第一轴与第二轴沿轴向的相对位移；或者，轴系的轴向位移为第二轴与轴承内圈沿轴向的相对位移；或者，轴系的轴向位移为轴承与端盖沿轴向的相对位移。
9.根据本发明实施例一个方面，位移传感器设置于第一轴或者第二轴上，且至少三
个位移传感器沿第一轴或者第二轴的周向间隔分布。
10.根据本发明实施例一个方面，将位移传感器安装于轴系中，以测量轴系的实际轴向位移，包括：根据轴承的工作状态确定预定预紧力；根据预定预紧力设计端盖与轴承的配合过盈量，以将配合过盈量转化为施加于轴系的轴向载荷；通过位移传感器检测轴系在轴向载荷作用下的实际轴向位移。
11.另一方面，本发明实施例还提供了一种轴系轴承的配合质量测量系统，轴系包括第一轴、套设于第一轴外周侧的第二轴、设置于第一轴与第二轴之间的轴承，以及与轴承配合的端盖，该配合质量测量系统包括：数据分析单元，用于根据轴系各部件的材质、形状及尺寸建立轴系的三维数据模型，在第一轴的三维数据模型的远离端盖的端面上施加第一载荷，并对轴系进行有限元分析，以获得轴系的轴向位移与轴承的游隙之间的第一关系曲线；感测单元，包括设置于轴系的位移传感器，感测单元用于检测轴系的实际轴向位移；数据处理单元，用于根据数据分析单元获得的第一关系曲线和感测单元检测的轴系的实际轴向位移，得出轴承的实际游隙。
12.根据本发明实施例的一个方面，数据分析单元还用于，在端盖的三维数据模型上施加第二载荷，并对轴系进行有限元分析，以获得轴承的游隙与预紧力之间的第二关系曲线。
13.根据本发明实施例的一个方面，端盖包括与轴承的内圈配合的第一端盖和与轴承的外圈配合的第二端盖，轴承为成对安装的单列圆锥滚子轴承；当成对安装的单列圆锥滚子轴承背对背安装时，数据分析单元还用于在第一端盖的三维数据模型上施加第二载荷，并对轴系进行有限元分析，以获得轴承的游隙与预紧力之间的第二关系曲线。
14.根据本发明实施例的一个方面，当成对安装的单列圆锥滚子轴承面对面安装时，数据分析单元还用于在第二端盖的三维数据模型上施加第二载荷，并对轴系进行有限元分析，以获得轴承的游隙与预紧力之间的第二关系曲线。
15.根据本发明实施例的一个方面，数据处理单元还用于，根据轴承的实际游隙及第二关系曲线，得出轴承的实际预紧力。
16.根据本发明的一个方面，数据分析单元中，轴系的轴向位移为第一轴与第二轴沿轴向的相对位移；或者，轴系的轴向位移为第二轴与轴承内圈沿轴向的相对位移；或者，轴系的轴向位移为轴承与端盖沿轴向的相对位移。
17.根据本发明的一个方面，感测单元的位移传感器安装于第一轴或者第二轴上，且至少三个位移传感器沿第一轴或者第二轴的周向间隔分布。
18.本发明提供的一种轴系轴承的配合质量测量方法及测量系统，通过在轴系中设置位移传感器来测量轴系的轴向位移，并与有限元分析推导出的轴向位移与轴承游隙的第一关系曲线相结合，可以间接测量出轴承整个寿命周期内的游隙变化情况，配置简单、省时省力、测量精度高，便于及时调整轴承的配合质量，提高轴承的使用寿命。
附图说明
19.下面将参考附图来描述本发明示例性实施例的特征、优点和技术效果。在附图中，相同的部件使用相同的附图标记，附图并未按照实际的比例绘制。
20.图1是本发明实施例提供的一种轴系轴承的配合质量测量方法的流程框图；
21.图2图1所示的轴系轴承的配合质量测量方法中的轴承在轴系中的组装效果示意图；
22.图3是图1所示的轴系的轴向位移与轴承的游隙之间的第一关系曲线的示意图；
23.图4是图1所示的轴承的预紧力与游隙之间的第二关系曲线的示意图；
24.图5是本发明实施例提供的一种轴系轴承的配合质量测量系统的结构示意图。
25.附图标记说明：
26.1-第一轴；2-第二轴；3-轴承；4-端盖；41-第一端盖；42-第二端盖；5-位移传感器；10-数据分析单元；20-感测单元；30-数据处理单元。
具体实施方式
27.下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例。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。在附图和下面的描述中，至少区域的公知结构和技术没有被示出，以便避免对本发明造成不必要的模糊；并且，为了清晰，可能夸大了区域结构的尺寸。此外，下文中所描述的特征、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。
28.下述描述中出现的方位词均为图中示出的方向，并不是对本发明的具体结构进行限定。在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸式连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
29.为了更好地理解本发明，下面结合图1至图4对本发明实施例提供的一种轴系轴承的配合质量测量方法及测量系统进行详细描述。
30.轴承游隙是轴承滚动体与外圈滚道之间的间隙，沿径向的最大活动量为径向游隙，沿轴向的最大活动量为轴向游隙。一般来说，径向游隙越大，轴向游隙也越大，反之亦然。不同类型轴承的承载能力不同，对径向游隙或者轴向游隙的要求也不同。例如，圆柱滚子轴承主要承受径向载荷，关注点是轴承的径向游隙。单列圆锥滚子轴承可以承受径向载荷和单一方向轴向载荷，所以单列圆锥滚子轴承通常成对使用，关注点是轴承的轴向游隙。
31.轴承装配到轴系后一般会预留装配游隙，其作用是为轴承的内圈、外圈、滚动体受热膨胀预留空间和保存润滑油膜。轴承装配游隙过大，会使轴承在轴向力的作用下来回做轴向窜动，产生噪声、振动；在工作时还会产生侧向力，导致不能使所有滚子同时受力，而是只有部分滚子受力，加剧轴承的磨损，导致轴承寿命减短或碾压起皮而使轴承损坏。装配游隙过小，会在轴承工作过程中温度升高后，因其热膨胀而使游隙消除，使其在无间隙状态或过盈状态下工作，导致轴承在运行发热卡死，严重的还会使轴承提前失效。
32.另外，轴承在工作状态时的游隙为工作游隙。轴承工作时内圈温升最大，热膨胀最大，将会减小轴承的工作游隙。同时，由于载荷的作用，滚动体与滚道接触处产生弹性变形，使轴承的工作游隙增大。因此，轴承的工作游隙相对于装配游隙的变化量，取决于上述两种因素的综合作用。
33.考虑到现有技术中仅凭塞尺、百分表、深度尺等测得的尺寸链进行计算，耗时费力且测量结果存在较大误差，为此，本发明实施例提供了一种轴系轴承的配合质量测量方法。
34.请一并参阅图1至图3，轴系包括第一轴1、套设于第一轴1外周侧的第二轴2、设置于第一轴1与第二轴2之间的轴承3，以及与轴承3配合的端盖4。
35.本发明实施例中，以应用于风力发电机组的发电机的一对单列圆锥滚子轴承为例。如图2所示，轴承3为背靠背安装的一对单列圆锥滚子轴承，分别设置于轴系的轴向两端，其中一个轴承3通过第一轴1及第二轴2一端的轴肩限制其沿轴向窜动，另一个轴承3通过第二轴2另一端的轴肩及端盖4限制其沿轴向窜动。对于一对单列圆锥滚子轴承来说，该游隙即为轴承3的轴向游隙。
36.本发明实施例提供的轴系轴承的配合质量测量方法，包括：
37.步骤s1：根据轴系各部件的材质、形状及尺寸建立轴系的三维数据模型。一般通过三维建模软件建立轴系各部件的三维数据模型，并为各部件选择实际的材质，以使各部件的密度、弹性模量等参数与实际部件相符合。
38.步骤s2：在第一轴1的三维数据模型的远离端盖4的端面上施加第一载荷，并对轴系进行有限元分析，以获得轴系的轴向位移与轴承3的游隙之间的第一关系曲线。
39.将三维数据模型导入有限元分析软件中，设置边界条件，即在第一轴1的三维数据模型的远离端盖4的端面上施加第一载荷，第一载荷可以为力、力矩或者力与力矩的组合，不作限制。然后对轴系的三维数据模型划分网格，从而得出轴系的轴向位移与轴承3的游隙之间的第一关系曲线。如图3所示，第一关系曲线基本上为反比例线性函数，轴向位移越大，游隙越小。
40.步骤s3：将位移传感器5安装于轴系中，以测量轴系的实际轴向位移。
41.位移传感器5属于金属感应的线性器件，用于把各种被测物理量转换为电量。位移传感器5可为接触式位移传感器，也可以为非接触式位移传感器。接触式位移传感器适用于测量轴承的装配游隙时使用。由于接触式位移传感器在测量轴承的轴向游隙的过程中可能会对轴承造成碰撞、冲击等不利影响，所以测量轴承的工作游隙时，一般使用非接触式位移传感器，例如，非接触电涡流位移传感器，可以静态和动态地非接触、高线性度、高分辨力地测量轴承距探头表面的距离，即轴系的实际轴向位移。
42.步骤s4：根据第一关系曲线及位移传感器5测得的实际轴向位移，得出轴承的实际游隙。
43.将位移传感器5测得的实际轴向位移与第一关系曲线进行比对，可以间接地得出轴承的实际游隙。例如，当实际轴向位移为18mm时，可以得出轴承的实际游隙为0.12mm。
44.如果该实际游隙小于游隙限值，则说明轴承的配合质量良好。如果测量轴承为刚组装完的轴承，则说明轴承的装配游隙满足使用要求，组装过程合理；如果测量轴承为工作过程中的轴承，则说明轴承的工作游隙满足使用要求，否则需要调整轴承的游隙。例如可以通过重新组装轴系，根据第一关系曲线的数值调整轴系的轴向位移，进而调整轴承的游隙，而不需要通过将游隙“找零”的方式重新组装轴承，然后再次测量轴承的游隙，提高了轴承的测量效率及调整效率。
45.本发明实施例提供的一种轴系轴承的配合质量测量方法，通过在轴系中设置位移传感器5来测量轴系的轴向位移，并与有限元分析推导出的轴向位移与轴承游隙的第一关
系曲线相结合，可以间接测量出轴承整个寿命周期内的游隙变化情况，配置简单、省时省力、测量精度高，便于及时调整轴承的配合质量，提高了轴承的使用寿命。
46.参阅图4，本发明实施例提供的轴系轴承的配合质量测量方法还包括：
47.步骤s5：在端盖4的三维数据模型上施加第二载荷，并对轴系进行有限元分析，以获得轴承3的游隙与预紧力之间的第二关系曲线。
48.将三维数据模型导入有限元分析软件中，设置边界条件，即在端盖4的三维数据模型上施加第二载荷，第二载荷可以为力、力矩或者力与力矩的组合，不作限制。然后对轴系的三维数据模型划分网格，从而获得轴承3的游隙与预紧力之间的第二关系曲线。如图4所示，第二关系曲线基本上为正比例线性函数，轴承3的游隙越大，预紧力越大。
49.步骤s6：根据轴承3的实际游隙及第二关系曲线，得出轴承3的实际预紧力。
50.将步骤s3中间接获得的轴承的实际游隙与第二关系曲线进行比对，可以间接地得出轴承的实际预紧力。例如，当实际游隙为200μm时，可以得出轴承的实际预紧力为100kn。如果该实际预紧力没有超出预紧力限值，则说明轴承的配合质量良好。如果轴承的实际预紧力过大，则可能需要调整轴承3的装配工艺，防止轴承3因预紧力过大加剧磨损。
51.如图2所示，对于成对布置的单列圆锥滚子轴承来说，为了避免轴系的轴向力影响单列圆锥滚子轴承的使用寿命，端盖4包括与轴承3的内圈配合的第一端盖41和与轴承3的外圈配合的第二端盖42。
52.由此，步骤s5中，在端盖4的三维数据模型上施加第二载荷，包括：
53.当成对安装的单列圆锥滚子轴承背对背安装时，在第一端盖41的三维数据模型上施加第二载荷；
54.当成对安装的单列圆锥滚子轴承面对面安装时，在第二端盖42的三维数据模型上施加第二载荷。
55.在第一端盖41或者第二端盖42的三维数据模型上施加第二载荷后，对轴系进行有限元分析，从而获得单列圆锥滚子轴承3的轴向游隙与预紧力之间的第二关系曲线。根据单列圆锥滚子轴承3的实际轴向游隙及第二关系曲线，可以得出单列圆锥滚子轴承3的实际预紧力。
56.可以理解的是，如果轴承3为圆柱滚子轴承、深沟球轴承等能够承受径向载荷的轴承，端盖4可以直接与轴承3的内圈和外圈接触，在端盖4的三维数据模型上施加第二载荷，并对轴系进行有限元分析，从而获得轴承3的径向游隙与预紧力之间的第二关系曲线。根据轴承3的实际径向游隙及第二关系曲线，进而可以得出轴承3的实际预紧力。
57.进一步地，轴系的实际轴向位移可以为第一轴1与第二轴2沿轴向的相对位移，也可以为第二轴2与轴承3的内圈沿轴向的相对位移，还可以为轴承3与端盖4沿轴向的相对位移。
58.由此，根据如上所述的实际轴向位移的取值方法，结合轴系的具体结构放置位移传感器5。可选地，位移传感器5设置于第一轴1或者第二轴2上，且至少三个位移传感器5沿第一轴1或者第二轴2的周向间隔分布。
59.具体来说，可以将位移传感器5放置于轴系的相对位移与轴承3的活动方向一致的位置，同时考虑装配空间及可拆卸，便于重复利用位移传感器5进行测量。例如图2中第一轴1的轴肩附近，根据轴系的具体结构而定。
60.另外，为了获得更加精确的测量结果，可以将至少三个位移传感器5沿第一轴1或者第二轴2的周向间隔分布。然后将至少三个位移传感器5的测量结果进行数据处理，例如，对多个测量值求取平均值或者均方根值等，提高轴系的测量精度。
61.另外，通过位移传感器5测量的轴系的实际轴向位移需要考虑位移传感器5本身的测量精度。可选地，位移传感器5的测量精度为
±
5μm。
62.进一步地，步骤s2中，将位移传感器5安装于轴系中，以测量轴系的实际轴向位移，包括：
63.步骤s21：根据轴承3的工作状态确定预定预紧力。一般可以根据轴承3的工况类别查询轴承设计手册对应的预定预紧力大小，例如重载荷下预定轴承寿命曲线对应的预定预紧力值；也可以根据经验公式计算该预定预紧力值。
64.步骤s22：根据预定预紧力设计端盖4与轴承3的配合过盈量，以将配合过盈量转化为施加于轴系的轴向载荷。
65.端盖4通过其与轴承3的配合过盈量作为施加于轴系的轴向载荷，即轴承3受到的轴向载荷。由此，当测量出轴承3的实际预紧力超过预紧力的目标限制时，可以通过调整端盖4的过盈量来调整轴承3的实际预紧力。
66.步骤s23：通过位移传感器5检测轴系在轴向载荷作用下的实际轴向位移。
67.另外，本发明实施例提供的轴系轴承的配合质量测量方法不仅可以测量轴承的装配游隙，确保轴承安装可靠，也可以测量轴承的工作游隙，便于随时监测轴承的运行状态，保证整个寿命周期内轴承的游隙满足使用要求。尤其将该方法应用于风力发电机组时，通过该测量方法测量的轴承游隙，结合风力发电机组实时记录的风速数据、工况数据、温度数据等，联合评估轴承当前的运行状态，提前预知游隙变化对轴承运行寿命的影响风险，进而可以预测风机运行生命周期中轴承的运行寿命。
68.参阅图5，本发明实施例还提供了一种轴系轴承的配合质量测量系统，轴系包括第一轴1、套设于第一轴1外周侧的第二轴2、设置于第一轴1与第二轴2之间的轴承3，以及与轴承3的内圈及外圈配合的端盖4。该配合质量测量系统包括：数据分析单元10、感测单元20和数据处理单元30。
69.数据分析单元10用于根据轴系各部件的材质、形状及尺寸建立轴系的三维数据模型，在第一轴1的三维数据模型的远离端盖4的端面上施加第一载荷，并对轴系进行有限元分析，以获得轴系的轴向位移与轴承3的游隙之间的第一关系曲线。
70.感测单元20包括设置于轴系的位移传感器5，感测单元20用于检测轴系的实际轴向位移；
71.数据处理单元30用于根据数据分析单元10获得的第一关系曲线和感测单元20检测的轴系的实际轴向位移，得出轴承3的实际游隙。
72.进一步地，数据分析单元10还用于，在端盖4的三维数据模型上施加第二载荷，并对轴系进行有限元分析，以获得轴承3的游隙与预紧力之间的第二关系曲线。
73.当轴承3为成对安装的单列圆锥滚子轴承时，端盖4包括与轴承3的内圈配合的第一端盖41和与轴承3的外圈配合的第二端盖42。当成对安装的单列圆锥滚子轴承背对背安装时，数据分析单元10还用于在第一端盖41的三维数据模型上施加第二载荷，并对轴系进行有限元分析，以获得轴承3的游隙与预紧力之间的第二关系曲线。
74.当成对安装的单列圆锥滚子轴承面对面安装时，数据分析单元10还用于在第二端盖42的三维数据模型上施加第二载荷，并对轴系进行有限元分析，以获得轴承3的游隙与预紧力之间的第二关系曲线。
75.数据处理单元30还用于，根据轴承3的实际游隙及第二关系曲线，得出轴承3的实际预紧力。
76.进一步地，数据分析单元30中，轴系的轴向位移为第一轴1与第二轴2沿轴向的相对位移；或者，轴系的轴向位移为第二轴2与轴承3的内圈沿轴向的相对位移；或者，轴系的轴向位移为轴承3与端盖4沿轴向的相对位移。
77.进一步地，感测单元20的位移传感器5安装于第一轴1或者第二轴2的靠近轴承3的位置，且至少三个位移传感器5沿第一轴1或者第二轴2的周向间隔分布。
78.本发明提供的一种轴系轴承的配合质量测量系统，通过数据分析单元10、包括多个位移传感器5的感测单元20和数据处理单元30，将位移传感器与有限元分析相结合，可以间接测量出轴承的实际游隙或者实际预紧力，便于及时调整轴承的配合质量，提高了轴承的使用寿命。
79.虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。