一种轴承支撑装置、刚度标定系统及方法与流程

本发明属于飞机结构强度试验验证技术领域，具体涉及一种轴承支撑装置、刚度标定系统及方法。

背景技术：

轴类部件(如涡轮轴)是军、民用机械结构中的关键传动部件，具有核心地位。而目前国内对于该类部件疲劳性能的研究较少，在国内的文献报道中很少可以见到关于轴类部件在复杂疲劳载荷条件下性能验证方面的工作。由于对轴类部件的疲劳性能指标的评估方法较少，导致在设计中轴类部件往往偏于保守，重量较大，虽然在一定程度上保证了机械结构的可靠性和安全性，但是这却在一方面降低了整体性能指标，而在另一方面也提高了其在服役周期内的成本，造成极大的能源资源浪费。所以，开展轴类部件性能指标试验验证方法的研究，研发部件的轴承支撑装置和试验加载方法，不仅具有填补国内在该领域的空白状态的现实性意义，而且对于建立完善、可靠地轴类部件性能验证体系具有重要的指导意义。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题至少之一，本申请提供了一种轴承支撑装置、刚度标定系统及方法，通过轴承支撑装置固定轴类部件，以便加载设备对轴类部件进行载荷加载，可以解决军、民用飞机中轴类部件的固定、加载和试验验证中存在的边界条件难以模拟、不易施加耦合载荷等难题，为飞机轴类部件和结构的可靠性验证提供技术能力。而所提出的刚度标定试验系统及方法，用于验证所设计的轴承支撑装置的刚度状态。

本发明第一方面提供了一种轴承支撑装置，用于固定轴类部件，该轴类部件沿轴向至少能够安装两个环形固定轴承，轴承支撑装置包括：

外轴承支座，一端设置有能够适配安装一个所述环形固定轴承的第一内环面，另一端固定连接试验台架，外轴承支座的两端之间沿周向设置有台阶面；

内轴承支座，设置在所述外轴承支座内，一端设置有能够适配安装另一个所述环形固定轴承的第二内环面，另一端固定连接所述台阶面。

根据本申请的至少一个实施方式，所述外轴承支座沿周向设置有减重孔。

根据本申请的至少一个实施方式，所述内轴承支座沿周向设置有减重孔。

根据本申请的至少一个实施方式，所述减重孔为椭圆形孔。

根据本申请的至少一个实施方式，所述外轴承支座具有内径较大的第一部分及内径较小的第二部分，所述台阶面为所述第一部分与所述第二部分之间的过渡区域。

根据本申请的至少一个实施方式，所述内轴承支座与所述外轴承支座螺栓连接。

根据本申请的至少一个实施方式，所述外轴承支座与所述试验台架螺栓连接。

本发明第二个方面提供了一种刚度标定系统，用于标定如上所述的轴承支撑装置的刚度，所述刚度标定系统包括：

卡箍，套接在所述轴承支撑装置的外轴承支座的具有第一内环面一端的外圈上，或者套接在所述轴承支撑装置的内轴承支座的具有第二内环面一端的外圈上；

链条，一端固定连接所述卡箍，另一端连接有施力机构，并在所述施力机构与所述链条之间设置有载荷传感器；

位移计，固定设置在轴承支撑装置内部，且位于由所述链条限定的加载线上，所述位移计的测头固定在所述第一内环面或第二内环面上。

根据本申请的至少一个实施方式，还包括磁力表座，所述磁力表座依靠磁力可拆卸连接在所述第一内环面或第二内环面上，所述磁力表座上设置有卡合部位，用于卡接所述位移计的测头。

本申请又一方面提供了一种刚度标定方法，采用如上所述的刚度标定系统，对如上所述轴承支撑装置进行标定，所述刚度标定方法包括：

将卡箍套接在所述轴承支撑装置的任一外圈上，拉直所述链条；

在对应外圈的内部固定所述位移计，以使所述位移计位于所述链条限定的加载线上，将所述位移计的测头固定在对应外圈的内环面上，读取位移计第一示数；

通过施力机构对所述链条按设定载荷步长施加载荷，记录位移计对应的多个第二示数，并与所述第一示数比较，获取多个位移值；

将所述载荷值与对应的位移值置于二维坐标系内，通过最小二乘法进行数据拟合，以拟合所得的直线斜率作为外轴承支座或内轴承支座的刚度。

本发明提供的轴承支撑装置安装拆卸方便，模拟、限制了轴类部件的轴向和径向位移，与其在真实工作状态下的边界状态相一致，为疲劳性能验证试验中施加复杂耦合载荷提供了必备条件，本发明所提供的刚度标定系统及刚度标定方法针对该轴承支撑装置具有设计简便、试验精度高、易于施加等优点。

附图说明

图1是本申请轴承支撑装置的一实施方式的结构示意图。

图2是本申请图1所示实施例的轴承支撑装置与涡轮轴连接示意图。

图3为本申请刚度标定系统结构示意图。

其中，1-承力柱、2-手动葫芦、3-载荷传感器、4-链条、5-卡箍、6-外轴承支座、7-轴承支撑装置、8-内轴承支座、9-试验台架、10-位移计、11-涡轮轴、61-第一内环面、62-台阶面、63-第一部分、64-第二部分、81-第二内环面。

具体实施方式

为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请实施方式中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施方式是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施方式，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方式，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本申请的实施方式进行详细说明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

本申请第一方面提供了一种轴承支撑装置7，参考图1及图2，其包括外轴承支座6与内轴承支座8，其中，外轴承支座6的一端设置有能够适配安装一个所述环形固定轴承的第一内环面61，另一端固定连接试验台架9，外轴承支座6的两端之间沿周向设置有台阶面62；

内轴承支座8设置在所述外轴承支座6内，一端设置有能够适配安装另一个所述环形固定轴承的第二内环面81，另一端固定连接所述台阶面62。

本申请轴类部件包括但不限于涡轮轴、压气机轴、螺旋桨轴等，尤其适用于涡轮轴，涡轮轴沿周向一般具有两个固定环，外套有轴承，以限定涡轮轴的轴向或径向运动，本申请提供的轴承支撑装置就在于支撑这两个轴承，用于模拟轴类部件的真实位移边界条件，便于施加轴类部件工作时的弯矩、扭矩和拉压载荷，解决军、民用飞机中轴类部件的固定、加载和试验验证中存在的边界条件难以模拟、耦合载荷不易施加等难题。

图2是图1的反向剖视图，其中，外轴承支座6具有一个内环面，用于固定涡轮上11的第一个轴承，内轴承支座8具有另一个内环面，用于固定涡轮轴上11的第二个轴承，在一个具体应用案例中，外轴承支座6与内轴承支座8的内环面半径分别为：225mm和175mm，即适配于所要求的轴承和轴类部件组合后的半径。

本实施例中，内轴承支座8及外轴承支座6均呈圆柱状，其中，外轴承支座6轴向较长，内轴承支座8轴向较短，且套接在外轴承支座6的内部，外轴承支座6在靠近中间的位置具有台阶面62，用于固定连接内轴承支座8，可以理解的是，台阶面62可以是向外轴承支座6的圆柱内部突起形成的，也可以是如图2所示的由两个不同内径段相互过渡形成的。

在如图2所示的由两个不同内径段相互过渡形成的实施例中，所述外轴承支座6具有内径较大的第一部分63及内径较小的第二部分64，所述台阶面62为所述第一部分63与所述第二部分64之间的过渡区域。

在一些可选的实施方式中，所述外轴承支座6沿周向设置有减重孔。

在一些可选的实施方式中，所述内轴承支座8沿周向设置有减重孔。

在一些可选的实施方式中，上述减重孔为椭圆形孔，可以理解的是，在如图2所示的由两个不同内径段相互过渡形成的实施例中，外轴承支座6的第一部分及第二部分均有椭圆形减重孔。通过优化设计的减重孔不仅减轻了结构重量，而且便于轴类部件安装时监测线路的布置。

在一些可选的实施方式中，所述内轴承支座8与所述外轴承支座6螺栓连接，该实施例中，外轴承支座6的台阶面上沿周向设置有多个(例如16个)通孔，相应的内轴承支座8的端部也具有台阶面，两个台阶面重叠后通过螺栓进行固定。

在一些可选的实施方式中，如图3所示，外轴承支座6与所述试验台架9螺栓连接，连接形式简单，便于拆卸和安装，降低时间和人工成本。

本申请第二方面提供了一种刚度标定系统，用于标定上述的轴承支撑装置7的刚度，继续参考图3，所述刚度标定系统包括：

卡箍5，套接在所述轴承支撑装置7的外轴承支座6的具有第一内环面61一端的外圈上，或者套接在所述轴承支撑装置7的内轴承支座8的具有第二内环面81一端的外圈上；

链条4，一端固定连接所述卡箍5，另一端连接有施力机构，并在所述施力机构与所述链条4之间设置有载荷传感器3；

位移计10，固定设置在轴承支撑装置7内部，且位于由所述链条4限定的加载线上，所述位移计10的测头固定在所述第一内环面61或第二内环面81上。

本实施例中，试验加载台架9通过四组地脚螺栓固定在地坪上，试验加载台架9与轴承支撑装置7之间通过16个螺栓进行固定，保证轴承支座与实际位移边界条件的一致性，为复杂载荷的施加提供基础条件，轴承支撑装置7呈圆柱形，如前所述不再赘述，承力柱1通过地脚螺栓固定在与试验加载台架9相距0.5m的位置处，用于固定施力机构，这里的施力机构可以是手动葫芦2，也可以是作动器等受控类载荷加载器。

本实施例中，第一内环面61及第二内环面81是为了连接轴承的，其必然设置为适配连接轴承的结构，例如具有卡边，本申请在进行轴承支撑装置7刚度标定时，必须将位移计的测头固定到轴承支撑装置7的第一内环面61及第二内环面81上，例如可以是在轴承支撑装置7的第一内环面61及第二内环面81的位置处绑有其他夹持件，通过夹持件来夹持测头，也可以是通过胶接方式固定，在一些可选的实施方式中，为了拆装方便且不破坏轴承支撑装置7的结构，采用磁力链接，例如加工一个具有磁性的磁力表座，该磁力表座上具有卡合部位，用于卡接所述位移计10的测头，同时，该磁力表座依靠磁性吸附在第一内环面61及第二内环面81上。

上述实施方式中，位移计10为数显位移计，例如千分表，其具有0.001mm的灵敏度，具有较高的变形识别能力。

上述实施方式中，载荷传感器3可以通过通讯线与moog数据采集系统相连，从而保证所采集的载荷数据的稳定性、精确性。

在一些可选实施方式中，位移计10通过固定支柱进行固定，如图1所示及上述描述可知，位移计10的表盘及测头等都位于第一内环面61及第二内环面81内，而表盘是通过竖直设置的固定支柱固定在试验加载台架9上或者地坪上的，其不随第一内环面61及第二内环面81内运动，从而在施力机构作用到轴承支撑装置7上，位移计10能够产生读数，固定支柱高度是可调的，以便在将外轴承支座6的刚度标定完成后，将位移计由第一内环面61移动到第二内环面81处，继续完成内轴承支座8的刚度标定。固定支柱高度是可调的方式例如可以是滑杆或者螺纹杆等。

基于上述系统，本申请第三个方面提供了一种刚度标定方法，包括：

将卡箍5套接在所述轴承支撑装置7的任一外圈上，拉直所述链条4；

在对应外圈的内部固定所述位移计10，以使所述位移计10位于所述链条限定的加载线上，将所述位移计10的测头固定在对应外圈的内环面上，读取位移计10第一示数；

通过施力机构对所述链条按设定载荷步长施加载荷，记录位移计10对应的多个第二示数，并与所述第一示数比较，获取多个位移值；

将所述载荷值与对应的位移值置于二维坐标系内，通过最小二乘法进行数据拟合，以拟合所得的直线斜率作为外轴承支座6或内轴承支座8的刚度。

具体的，对外轴承支座6进行刚度标定时，将卡箍5的中心位置与外轴承支座6的中心位置相重合，参考图1，卡箍5的外侧通过螺栓与链条4相连，然后将载荷传感器3与链条4的另一端相连，载荷传感器3的另一侧与手动葫芦2上的链条相连，手动葫芦2固定在承力柱1上。施加刚度标定的载荷时，要保证轴承支座中心、卡箍中心、链条、载荷传感器和手动葫芦的加载中心在一条直线上。同样的方法，对内轴承支座8进行刚度标定。

上述实施方式中，刚度标的试验前，将试验加载的目标载荷按载荷步长设置为1kn、2kn、3kn、4kn、5kn，并分别在传感器载荷达到相应数值时，利用数显位移计测定外(内)轴承支座的变形量。

上述实施方式中，刚度标定试验共进行多次，例如3次-5次，并针对每一个步长时数显位移计的3-5个读数求取平均值，保证试验过程的精确性和重复性，然后通过拟合载荷-变形数据来确定轴承支撑装置的内、外轴承支座处的刚度值。

本发明的有益效果是：

(1)轴承支撑装置为圆柱形分体结构，安装和拆卸方便，可极大地减少试验安装、拆卸及检查所需的工作量、降低人力成本；

(2)轴承支撑装置模拟、限制了轴类部件的轴向和径向位移，与其在真实工作状态下的边界状态相一致，为疲劳性能验证试验中施加复杂耦合载荷提供了必备条件；

(3)轴承支撑装置的两个轴承支座的刚度设计与轴类试验件之间具有良好的相容性，保证了试验验证过程中支撑系统的可行性、可信度和准确性；

(4)轴承支撑支座的刚度标定试验以手动葫芦对轴承支座进行加载，以moog采集系统进行数据采集，不仅试验精度高，而且试验步骤简便、操作性强，经济实用；

(5)试验台架和轴承支撑装置可以解决轴类部件的边界条件模拟难度大、复杂耦合载荷(弯矩、扭矩和拉压载荷)不易施加等难题，设计形式新颖，应用性强，增强了国内对轴类部件的性能验证技术能力；

(6)试验台架和轴承支撑装置填补了国内在轴类部件综合验证试验能力的空白，为国内疲劳性能试验验证提供了技术支持。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请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申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。