一种转盘轴承滚动体与外圈滚道间接触载荷的测量方法与流程

本发明涉及一种转盘轴承滚动体与外圈滚道间接触载荷的测量方法，属于科学研究领域。

背景技术：

单排四点角接触球转盘轴承内、外圈上各有两条滚道，每个套圈上的两条滚道由两段中心不重合的圆弧构成。该类型的转盘轴承结构紧凑、重量轻、钢球与滚道为四点接触，可以同时承受轴向力、径向力及倾覆力矩。在回转式焊接操作机、中小型起重机和挖掘机等工程机械上有着非常广泛的应用，风力发电机的偏航、变桨轴承目前也大量采用四点接触球结构的转盘轴承。

大部分的转盘轴承尺寸相对较大并广泛应用于大型的工程机械，其安全性问题尤为突出，因而众多研究者讨论了转盘轴承的选型计算问题，这些选型计算多依靠转盘轴承的载荷-力矩承载曲线。转盘轴承的承载曲线是转盘轴承在工作过程中许用的承载极限，其中静载荷承载曲线是指转盘轴承滚动体与滚道接触处达到许用接触应力时的轴承静载荷承载能力；动载荷承载曲线是指一批相同结构尺寸的转盘轴承，其中90％的使用寿命达到或者超过标准工作循环数时的动载荷承载曲线，对比分析各种转盘轴承生产厂家的承载曲线图可以发现，即使同种材料、类型一致、尺寸相同的转盘轴承，其承载曲线也不尽相同，造成承载曲线差异的最主要原因在于转盘轴承载荷分布计算方法的差异。

和其他类型的转盘轴承一样，单排四点接触球转盘轴承工作时一般也是作转速很低的回转运动或间歇摆动，各元件上的应力变化次数相对于其他滚动轴承很少，故而其主要失效形式是各元件在静载荷或冲击载荷作用下产生的塑性变形，局部点蚀、剥落以及滚动体破碎等。转盘轴承的主要失效形式决定了内部的载荷分布状态分析的重要意义。载荷分布状态决定受载最大滚动体位置及载荷值的大小；轴承内的载荷分布状态也为内、外圈与外结构联结的螺栓强度校核提供重要数据；另外，轴承内部的载荷分布状态决定了固定圈与活动圈之间的相对位移，间接决定了轴承的刚性。

现阶段国内对转盘轴承载荷分布的研究主要是理论分析，并且对同一轴承使用不同方法得出的结果也不尽相同。所以计算结果必须与实验台实验数据进行对比。并且工厂生产出转盘轴承的寿命与可靠性大多采用实验台实验得到。如果需要更深入地研究转盘轴承，提出更精确的理论模型就更加需要通过实验台进行实验。而要完成这些实验，首先得解决转盘轴承内部接触载荷的测量。

技术实现要素：

本发明提供了一种转盘轴承滚动体与外圈滚道间接触载荷的测量方法，以解决转盘轴承内部接触载荷的测量问题，便于进行转盘轴承接触载荷分布的相关研究。

本发明的技术方案是：一种转盘轴承滚动体与外圈滚道间接触载荷的测量方法，所述方法的具体步骤如下：

Step1、加工电涡流位移传感器4安装孔：在转盘轴承外圈5加工有电涡流位移传感器4安装孔，电涡流位移传感器4安装孔的公称直径为b且b≥a，电涡流位移传感器4安装孔的轴线与垂直于转盘轴承轴线的径向平面间的夹角等于转盘轴承的初始接触角且电涡流位移传感器4安装孔的轴线与转盘轴承轴线在同一平面内，电涡流位移传感器4安装孔的纵向深度下满足被测面位移大小的变化范围介于电涡流位移传感器4的分辨率和量程之间；其中，a表示电涡流位移传感器4的最小被测面直径，电涡流位移传感器4安装孔的底面为被测面；

Step2、安装电涡流位移传感器4并测量：将电涡流位移传感器4通过电涡流位移传感器安装套3安装于电涡流位移传感器4安装孔中，通过电涡流位移传感器4测得转盘轴承受载时被测面的位移；

Step3、将被测面的位移转换为接触载荷：通过有限元仿真分析模拟转盘轴承的受载工况计算后可得到被测面的位移为s 时，滚动体2与转盘轴承外圈5滚道间的接触载荷为；再通过最小二乘法，将这些对应数据拟合为被测面的位移和滚动体2与转盘轴承外圈5滚道间接触载荷的转换公式：

F =A s³+B s²+C s+ D

其中，A 、B 、C 和D 均为由最小二乘法求得的系数。

所述转盘轴承为无齿式单排四点接触球式转盘轴承。

其中，有限元分析中，采用的是ANSYS有限元分析软件。电涡流位移传感器4能静态和动态地非接触、高线性度、高分辨率地测量被测体6的被测面距探头表面间的距离。它是一种非接触的线性化计量工具，能准确测量被测体6（必须是金属导体）的被测面与探头端面之间静态和动态的相对位移变化。另外，为保证电涡流位移传感器4的测量性能，被测体6上的被测面不得小于最小被测面，且最小被测面通常以直径为a的圆面表示。

本发明的有益效果是：

由于滚动体与滚道接触处的接触应力非常大（超过1GPa），无法用传感器直接测量出接触载荷，也无法直接测量出接触变形。而以上的间接测量方法，实现了滚动体与滚道间接触载荷的测量。

可在转盘轴承外圈沿圆周方向加工多个电涡流位移传感器安装孔，并安装多个电涡流位移传感器进行测量。其中，电涡流位移传感器安装孔沿圆周的位置和电涡流位移传感器安装孔的数量根据具体研究目的而定。可得到转盘轴承受载时，圆周方向不同位置的接触载荷，进行转盘轴承内部接触载荷分布的相关研究。

在实现转盘轴承内部接触载荷分布的测量基础上，可研究联接螺栓的数目和分布以及转盘轴承支架的结构等对转盘轴承内部接触载荷分布的影响，进而对联接螺栓的数目和分布以及支架的结构进行优化。

附图说明

图1是单排四点接处球式转盘轴承的结构示意图；

图2是单排四点接处球式转盘轴承的结构分解示图；

图3是电涡流位移传感器的工作示意图；

图4是电涡流位移传感器与安装套的安装示意图；

图5是电涡流位移传感器与转盘轴承的安装示意图；

图6是电涡流位移传感器与转盘轴承的安装剖面图；

图中各标号：1-转盘轴承内圈、2-滚动体、3-位移传感器安装套、4-电涡流位移传感器、5-转盘轴承外圈、6-被测体、L1-电涡流位移传感器安装孔的轴线、L2-转盘轴承轴线、E-垂直于转盘轴承轴线的径向平面、c-电涡流位移传感器安装孔的轴线与垂直于转盘轴承轴线的径向平面间的夹角。

具体实施方式

实施例1：如图1-6所示，一种转盘轴承滚动体与外圈滚道间接触载荷的测量方法，所述方法的具体步骤如下：

Step1、加工电涡流位移传感器4安装孔：在转盘轴承外圈5加工有电涡流位移传感器4安装孔，电涡流位移传感器4安装孔的公称直径为b且b≥a，电涡流位移传感器4安装孔的轴线与垂直于转盘轴承轴线的径向平面间的夹角等于转盘轴承的初始接触角且电涡流位移传感器4安装孔的轴线与转盘轴承轴线在同一平面内，电涡流位移传感器4安装孔的纵向深度下满足被测面位移大小的变化范围介于电涡流位移传感器4的分辨率和量程之间；其中，a表示电涡流位移传感器4的最小被测面直径，电涡流位移传感器4安装孔的底面为被测面；

Step2、安装电涡流位移传感器4并测量：将电涡流位移传感器4通过电涡流位移传感器安装套3安装于电涡流位移传感器4安装孔中，通过电涡流位移传感器4测得转盘轴承受载时被测面的位移；

Step3、将被测面的位移转换为接触载荷：通过有限元仿真分析模拟转盘轴承的受载工况计算后可得到被测面的位移为s 时，滚动体2与转盘轴承外圈5滚道间的接触载荷为；再通过最小二乘法，将这些对应数据拟合为被测面的位移和滚动体2与转盘轴承外圈5滚道间接触载荷的转换公式：

F =A s³+B s²+C s+ D

其中，A 、B 、C 和D 均为由最小二乘法求得的系数。

所述转盘轴承为无齿式单排四点接触球式转盘轴承。

实施例2：如图1-6所示，一种转盘轴承滚动体与外圈滚道间接触载荷的测量方法，所述方法的具体步骤如下：

Step1、加工电涡流位移传感器4安装孔：在转盘轴承外圈5加工有电涡流位移传感器4安装孔，电涡流位移传感器4安装孔的公称直径为b且b≥a，电涡流位移传感器4安装孔的轴线与垂直于转盘轴承轴线的径向平面间的夹角等于转盘轴承的初始接触角且电涡流位移传感器4安装孔的轴线与转盘轴承轴线在同一平面内，电涡流位移传感器4安装孔的纵向深度下满足被测面位移大小的变化范围介于电涡流位移传感器4的分辨率和量程之间；其中，a表示电涡流位移传感器4的最小被测面直径，电涡流位移传感器4安装孔的底面为被测面；

Step2、安装电涡流位移传感器4并测量：将电涡流位移传感器4通过电涡流位移传感器安装套3安装于电涡流位移传感器4安装孔中，通过电涡流位移传感器4测得转盘轴承受载时被测面的位移；

Step3、将被测面的位移转换为接触载荷：通过有限元仿真分析模拟转盘轴承的受载工况计算后可得到被测面的位移为s 时，滚动体2与转盘轴承外圈5滚道间的接触载荷为；再通过最小二乘法，将这些对应数据拟合为被测面的位移和滚动体2与转盘轴承外圈5滚道间接触载荷的转换公式：

F =A s³+B s²+C s+ D

其中，A 、B 、C 和D 均为由最小二乘法求得的系数。

实施例3：如图1-6所示，测量洛阳轴承厂型号为787/434G2的单排四点接触球式转盘轴承（无齿式），此类转盘轴承主要由内圈、外圈和滚动体组成，且内外圈可相对转动。其中，内圈和外圈依靠滚动体装配，且滚动体与内外圈之间均为点接触。而转盘轴承受载时，滚动体与内外圈滚道因点接触而产生的作用力即为转盘轴承滚动体与滚道间的接触载荷，本发明测量的接触载荷为转盘轴承受载时，滚动体与外圈滚道间的接触载荷。

选择位移传感器：选择德国balluff巴鲁夫的型号为BAWM12MG2-IAC20B-BP00,2-GS04的电涡流位移传感器，该电涡流位移传感器的量程为2mm，分辨率为0.5μm（电涡流位移传感器能测到的最小位移），安装螺纹尺寸为M12，最小被测面底面直径为20mm。

加工电涡流位移传感器安装孔：电涡流位移传感器安装孔为螺纹孔且加工于787/434G2转盘轴承的外圈，电涡流位移传感器安装孔底面即为被测面。电涡流位移传感器安装孔的轴线与垂直于转盘轴承轴线的径向平面间的夹角等于787/434G2转盘轴承的初始接触角30°，且电涡流位移传感器安装孔的轴线与转盘轴承轴线在同一平面内。根据所选的德国balluff巴鲁夫的型号为BAWM12MG2-IAC20B-BP00,2-GS04的电涡流位移传感器的最小被测面直径为20mm的要求，将位移传感器安装孔的螺纹尺寸定为M20mm(公称直径为20mm)，并通过位移传感器安装套3将安装尺寸为M12的电涡流位移传感器安装于M20的位移传感器安装孔中。通过有限元仿真分析，当位移传感器安装孔的纵向深度为27mm时，转盘轴承受载时被测面的位移在3.96μm至84.78μm之间。被测面的位移大于所选电涡流位移传感器的分辨率且小于其量程，故位移传感器安装孔的纵向深度为27mm，此时位移传感器安装孔底面至转盘轴承787/434G2的外圈滚道间的厚度约为5mm。

安装电涡流位移传感器并测量：将电涡流位移传感器通过电涡流位移传感器安装套安装于电涡流位移传感器安装孔中，便可测得转盘轴承受载时被测体的位移。

将被测面的位移转换为接触载荷：通过有限元仿真分析，模拟转盘轴承的受载工况，计算后可得到被测面的位移为时，滚动体2与转盘轴承外圈5滚道间的接触载荷为。如下表所示：

再通过最小二乘法，将这些对应数据拟合为被测面的位移和滚动体与转盘轴承外圈滚道间接触载荷的转换公式：

F =0.0004s ³+0.4404s ²+255.0353s -14.1476

其中，s 为电涡流位移传感器所测的被测面位移，F 为787/434G2转盘轴承滚动体与外圈滚道间的接触载荷。

上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。