具有变速曲面满球轴承的综合分析装置及分析方法与流程

本发明属于轴承分析技术领域，具体涉及一种具有变速曲面满球轴承的综合分析装置及分析方法。

背景技术：

由于目前满球轴承应用于航空发动机中，为了减少高速带来滚动体互相碰撞进而影响轴承性能及寿命等问题，现已研究出在轴承外圈的内沟道位置设置变速曲面的新型满球轴承(具有变速曲面满球轴承)，由于满球轴承应用于航空发动机等高速轻载条件下，滚动体之间运动速度过快，且滚动体数量较普通带有保持架的球轴承多，而普通摄像头捕捉不到滚动体运动状态及运动特性；因此对于新型带有变速曲面满球轴承的振动、温升、预紧力调节、滚动体运动情况、滚动体与滚道接触力等性能测试目前尚未有综合性分析装置及具体分析方法，对于新型轴承的性能研究尚缺少实验数据，现有实验方法步骤繁琐、设备集成化低导致效率低下，且无法专门针对新型轴承的特点进行专项分析，不利于新型变速曲面满球轴承的开发及优化推广。

综上所示，有必要为新型的具有变速曲面满球轴承提供一种综合分析方法，结合现代计算技术、图像分析技术、光学技术、信号采集处理技术等测试手段对新型轴承的振动、温升、预紧力调节、滚动体运动情况、滚动体与滚道接触力等性能开展研究，并集成于一套完整的具有变速曲面满球轴承综合分析装置，为轴承状态监控、寿命评估等分析提供有效的实验手段及设备装置。

技术实现要素：

为了解决现有轴承分析装置及分析方法无法对新型具有变速曲面满球轴承进行全面、准确的综合分析的问题，本发明公开了一种具有变速曲面满球轴承的综合分析装置及分析方法，该综合分析装置设有试件单元、照明单元和采集单元，将具有变速曲面满球轴承(试件轴承)的两个滚珠分别标记为滚动体一和滚动体二，并在滚动体一的表面涂满荧光剂一，在滚动体二的表面用荧光剂二涂成一个圆点，通过试件单元驱动试件轴承旋转，照明单元发射激光照射试件轴承，荧光剂一和荧光剂二在激光照射下反射的光线经采集单元的摄像装置捕捉，采集单元的温度传感器试件轴承的温度，采集单元的压力传感器采集滚珠与沟道之间的压力信号，采集单元的陀螺仪采集转动角速度信号，经分析处理可以获得试件轴承的振动、温升、滚动体运动情况、滚动体与滚道接触力等综合情况。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种具有变速曲面满球轴承的综合分析装置，所述具有变速曲面满球轴承包括轴承外圈、轴承内圈以及设置在轴承外圈和轴承内圈之间的滚珠，所述轴承外圈的内沟道上具有一凹坑，选择两个所述滚珠并分别标记为滚动体一和滚动体二，在所述滚动体一的表面涂满荧光剂一，在所述滚动体二的表面用荧光剂二涂成一个圆点；

所述综合分析装置包括

底座；

试件单元，所述试件单元包括固定在底座上的试件轴承座和驱动装置，所述具有变速曲面满球轴承安装在试件轴承座内，所述驱动装置用于驱动所述具有变速曲面满球轴承旋转；

照明单元，所述照明单元包括固定在底座上的激光激发器，用于辐照整个具有变速曲面满球轴承；和

采集单元，所述采集单元包括摄像装置、温度传感器、压力传感器和陀螺仪；

所述摄像装置固定在底座上，设置在具有变速曲面满球轴承的周围，用于捕捉滚动体一和滚动体二表面荧光剂反射的光线；所述温度传感器穿过试件轴承座与轴承外圈接触，用于采集具有变速曲面满球轴承的温度；所述压力传感器胶粘固定在凹坑内，用于采集滚珠与沟道之间的压力信号；所述陀螺仪固定于驱动装置的旋转中心上，用于采集转动角速度信号。

作为优选，上述驱动装置包括驱动轴、驱动电机、电机座和联轴器，所述驱动电机通过电机座固定在底座上，所述驱动轴的一端通过联轴器与驱动电机连接，并通过驱动电机提供旋转动力，另一端穿过固定在试件轴承座上的具有变速曲面满球轴承，与轴承内圈过盈配合。

作为优选，上述驱动装置还包括至少一个支撑机构，所述支撑机构位于试件轴承座和联轴器之间，包括相互配合的支撑轴承和支撑轴承座，所述支撑轴承套设在驱动轴上。

作为优选，上述激光激发器为可调蓝绿光激光发射器，可调节波长为476-570nm；

所述荧光剂一的吸收波长范围为476-570nm，激发波长范围为560-605nm；

所述荧光剂二的吸收波长范围为476-570nm，激发波长范围为490-560nm；

所述滚动体二的表面用荧光剂二涂成的圆点的直径为1.8-4mm。

作为优选，上述摄像装置包括至少一个摄像装置一和至少一个摄像装置二，所述摄像装置一用于捕捉荧光剂一反射的光线；所述摄像装置二用于捕捉荧光剂二反射的光线。

作为优选，上述摄像装置一和摄像装置二分别设有两个，均匀分布在具有变速曲面满球轴承的周围，且摄像装置一和摄像装置二间隔设置；所述摄像装置为ccd高速摄像机，所述ccd高速摄像机上还设有滤光镜，用于对所述激光激发器发射的光线及外界反射干扰光线起过滤作用。

作为优选，上述压力传感器为无线柔性压力传感器；所述照明单元还包括激光扩束镜，所述激光扩束镜安装于激光激发器的发射端，用于将激发激光扩展成均匀的大直径光束。

作为优选，上述试件单元还包括施压装置，所述施压装置包括压电陶瓷柱和压电陶瓷柱支架，所述压电陶瓷柱至少设有两个，一端压设在轴承外圈上，另一端通过压电陶瓷柱支架固定在底座上，用于在温度传感器采集的温度信号急剧上升时，对轴承外圈施压，迫使轴承外圈轴向移动；作为优选，所述压电陶瓷柱设有四个，均匀压设在轴承外圈上。

一种具有变速曲面满球轴承的分析方法，包括如下步骤：

(1)采用如上所述的具有变速曲面满球轴承的综合分析装置；

(2)开启激光激发器，发射指定波长激光，启动驱动电机带动具有变速曲面满球轴承转动，转速为18000-36000r/min；

(3)利用摄像装置捕捉荧光剂一和荧光剂二反射的光线，并分别对荧光剂一和荧光剂二的轨迹图像分析处理，得到滚动体一的公转运动轨迹和滚动体二的自转运动轨迹；

(4)利用温度传感器采集具有变速曲面满球轴承的温度信号；

(5)利用压力传感器采集滚珠与沟道之间的压力信号；

(6)利用陀螺仪采集角速度信号，建立陀螺仪中心坐标系及具有变速曲面满球轴承的回转中心坐标系，经分析处理，通过坐标系几何关系，将角速度信号转化成具有变速曲面满球轴承的角速度信息及偏转信息。

作为优选，上述的具有变速曲面满球轴承的分析方法，还包括如下步骤：所述温度传感器采集的温度信号急剧上升时，命令压电陶瓷柱伸长推动轴承外圈轴向移动，增大滚珠活动的空间，调节预紧力，使温度变化趋于平缓，记录压电陶瓷柱对预紧力的调节情况。

本发明具有如下的有益效果：

(1)本发明针对具有变速曲面满球轴承设计了综合分析装置，该装置可以对试件轴承的振动、温升、滚动体运动情况、滚动体与滚道接触力等各项指标进行综合测试，通过一套装置实现上述多参数测试，效率高，操作简便；

(2)本发明的综合分析装置还包括施压装置，其中的压电陶瓷柱可以根据温度传感器采集的温度信号发挥作用，当温度急剧升高时，压电陶瓷柱可伸长推动轴承外圈轴向移动，增大滚珠活动的空间，调节预紧力，使温度变化趋于平缓，此部分的设置有利于为温度变化与轴承预紧力调节的研究提供一定的试验数据；

(3)本发明同时提供了振动、温升、预紧力调节、滚动体运动情况、滚动体与滚道接触力等多项性能的测试，可以同时获得多项数据，分析效率高，为新型轴承的研制开发提供了更为优化的综合分析装置及分析方法。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明综合分析装置的结构示意图(包括与同步控制器、上位机处理器和供电电源的连接关系)；

图2是图1中a部分的放大图；

图3是具有变速曲面满球轴承的结构示意图；

图4是具有变速曲面满球轴承中凹坑(变速曲面)示意图；

图5是轴承外圈沿切向面的剖视图；

图6是轴承外圈沿轴向面的剖视图；

图7是θ1和θ2的示意图；

图中：1.底座；21.试件轴承座；22.驱动轴；23.驱动电机；24.电机座；25.联轴器；26.支撑机构；261.支撑轴承；262.支撑轴承座；271.压电陶瓷柱；272.压电陶瓷柱支架；31.激光激发器；32.激光扩束镜；41.摄像装置；411.摄像装置一；412.摄像装置二；413.滤光镜；81.同步控制器；82.上位机处理器；83.供电电源；9.具有变速曲面满球轴承；91.轴承外圈；92.轴承内圈；93.滚珠；931.滚动体一；932.滚动体二；94.凹坑。

具体实施方式

现在结合实施例对本发明作进一步详细的说明。

一种具有变速曲面满球轴承的综合分析装置，如图1-4所示，具有变速曲面满球轴承9包括轴承外圈91、轴承内圈92以及设置在轴承外圈91和轴承内圈92之间的滚珠93，轴承外圈91的内沟道上具有一凹坑94，选择两个滚珠93并分别标记为滚动体一931和滚动体二932，在滚动体一931的表面涂满荧光剂一，在滚动体二932的表面用荧光剂二涂成一个圆点；综合分析装置包括底座1、试件单元、照明单元和采集单元；试件单元包括固定在底座1上的试件轴承座21和驱动装置，具有变速曲面满球轴承9安装在试件轴承座21内，驱动装置用于驱动具有变速曲面满球轴承9旋转；照明单元包括固定在底座1上的激光激发器31，用于辐照整个具有变速曲面满球轴承9；采集单元包括摄像装置41、温度传感器42、压力传感器43和陀螺仪44；摄像装置41固定在底座1上，设置在具有变速曲面满球轴承9的周围，用于捕捉滚动体一931和滚动体二932表面荧光剂反射的光线；温度传感器42穿过试件轴承座21与轴承外圈91接触，用于采集具有变速曲面满球轴承9的温度；压力传感器43胶粘固定在凹坑94内，用于采集滚珠93与沟道之间的压力信号；陀螺仪44固定于驱动装置的旋转中心上，用于采集转动角速度信号。在具体实施方式中，试件轴承座21顶部具有一通孔，温度传感器42穿过该通孔与轴承外圈91接触。

如图5-7所示，具有变速曲面满球轴承9的凹坑94为腰圆形，凹坑94关于轴承切向面对称，凹坑94根据轴承内径及滚动体尺寸设计，其中dw为滚动体直径、d0为轴承外圈沟底直径、dm为轴承节圆直径、re为轴承外圈沟道曲率半径，则

轴承没有了保持架，滚珠93之间会发生接触摩擦，通过在轴承外圈91的内沟道上设置腰圆形凹坑94，当滚珠93运动经过腰圆形凹坑94(变速曲面)时，使得滚珠93与沟道接触方式由原来的单点接触变为两点接触，滚珠93运动接触半径变小，滚动体瞬时速度减小，开始与前一个经过变速曲面的滚珠93产生速度差，并分离，在稳定后保证各个滚珠93互不接触，减小碰撞，增大轴承使用寿命。

在一种具体的实施方式中，如图1所示，驱动装置包括驱动轴22、驱动电机23、电机座24和联轴器25，驱动电机23通过电机座24固定在底座1上，驱动轴22的一端通过联轴器25与驱动电机23连接，并通过驱动电机23提供旋转动力，另一端穿过固定在试件轴承座21上的具有变速曲面满球轴承9，与轴承内圈92过盈配合。

在一种具体的实施方式中，如图1-2所示，驱动装置还包括至少一个支撑机构26，支撑机构26位于试件轴承座21和联轴器25之间，包括相互配合的支撑轴承261和支撑轴承座262，支撑轴承261套设在驱动轴22上。在具体实施方式中，优选地，支撑机构26设有两个，如图1所示，一个支撑机构26靠近试件轴承座21设置，另一个支撑机构26靠近联轴器25设置。

在一种具体的实施方式中，激光激发器31为可调蓝绿光激光发射器，可调节波长为476-570nm；荧光剂一的吸收波长范围为476-570nm，激发波长范围为560-605nm；荧光剂二的吸收波长范围为476-570nm，激发波长范围为490-560nm；滚动体二932的表面用荧光剂二涂成的圆点的直径为1.8-4mm。因变速曲面轴承外圈91挡边尺寸，为保证有效捕捉荧光轨迹，该荧光圆点的直径范围为1.8～4mm。在具体实施方式中，荧光剂一和荧光剂二只要能够发出不同颜色的荧光即可，便于区分。

在具体实施方式中，荧光剂一可以选用罗丹明b200，该荧光剂可吸收523～557nm的光波，且能激发波长595nm的橙色荧光；荧光剂一还可以选用菁类染剂cy3，该荧光剂可吸收552nm光波，且能激发波长为570nm的黄橙色荧光；荧光剂一还可以选用alexafluor555，该荧光剂可吸收555nm光波，且能激发波长为565nm的黄橙色荧光。荧光剂二可以选用异硫氰酸荧光剂(fitc)，该荧光剂可吸收490～495nm光波，且能激发波长为525～530nm的绿色荧光；荧光剂二还可以选用菁类染剂cy2，该荧光剂可吸收489nm光波，且能激发波长为510nm的绿色荧光；荧光剂二还可以选用alexafluor488，该荧光剂可吸收493nm光波，且能激发波长为520nm的绿色荧光。荧光剂一和荧光剂二选择能够发出不同荧光的荧光剂，便于摄像装置41分别捕捉滚动体一931和滚动体二932的运动轨迹。

在一种具体的实施方式中，如图1-2所示，摄像装置41包括至少一个摄像装置一411和至少一个摄像装置二412，摄像装置一411用于捕捉荧光剂一反射的光线；摄像装置二412用于捕捉荧光剂二反射的光线。

在一种具体的实施方式中，如图1-2所示，摄像装置一411和摄像装置二412分别设有两个，均匀分布在具有变速曲面满球轴承9的周围，且摄像装置一411和摄像装置二412间隔设置；摄像装置41为ccd高速摄像机，ccd高速摄像机上还设有滤光镜413，用于对激光激发器31发射的光线及外界反射干扰光线起过滤作用。如图1所示，4个ccd高速摄像机围绕试件轴承在水平面内圆周方向均匀布置，其中一个摄像装置一411和一个摄像装置二412位于试件轴承座21的一侧，另一个摄像装置一411和另一个摄像装置二412位于试件轴承座21的另一侧，两个摄像装置一411的连线和两个摄像装置二412的连线均经过具有变速曲面满球轴承9的中心。

在一种具体的实施方式中，如图1-2所示，压力传感器43为无线柔性压力传感器；照明单元还包括激光扩束镜32，激光扩束镜32安装于激光激发器31的发射端，用于将激发激光扩展成均匀的大直径光束。当滚珠93静止放置于腰圆形变速曲面上时，滚珠93底部刚好为点接触到压力传感器43上表面，当滚动体滚过变速曲面处时，滚动体底部接触无线柔性压力传感器采集力变化信号，记录滚动体与试件轴承滚道接触力的变化情况。

在具体实施方式中，无线柔性压力传感器所用柔性材料为石墨/pdms复合材料，为无线传输方式，用于测量滚动体经过变速曲面时的压力值，通过计算测得试件轴承的滚动体与滚道之间接触力。

在一种具体的实施方式中，如图1-2所示，试件单元还包括施压装置，施压装置包括压电陶瓷柱271和压电陶瓷柱支架272，压电陶瓷柱271至少设有两个，一端压设在轴承外圈91上，另一端通过压电陶瓷柱支架272固定在底座1上，用于在温度传感器42采集的温度信号急剧上升时，对轴承外圈91施压，迫使轴承外圈91轴向移动；作为优选，压电陶瓷柱271设有四个，均匀压设在轴承外圈91上。在具体实施方式中，压电陶瓷柱支架272可设置在试件轴承座21左侧或右侧，压电陶瓷柱支架272的设置应避免影响ccd高速摄像机的拍摄区域。具有变速曲面满球轴承9高速旋转过程中，温度升高，轴承内圈92膨胀，径向游隙变小，预紧力增大，温度传感器42采集温度数据并转化为电信号；当温度升高至某一值后，压电陶瓷柱271接收温度传感器42反馈的温度数据电信号后轴向伸长，压电陶瓷柱271推动轴承外圈91轴向移动，增大滚珠活动的空间，进行轴承预紧力调节。

一种具有变速曲面满球轴承的分析方法，包括如下步骤：(1)采用上述具有变速曲面满球轴承的综合分析装置；(2)开启激光激发器31，发射指定波长激光，启动驱动电机23带动具有变速曲面满球轴承9转动，转速为18000-36000r/min；(3)利用摄像装置41捕捉荧光剂一和荧光剂二反射的光线，并分别对荧光剂一和荧光剂二的轨迹图像分析处理，得到滚动体一931的公转运动轨迹和滚动体二932的自转运动轨迹；(4)利用温度传感器42采集具有变速曲面满球轴承9的温度信号；(5)利用压力传感器43采集滚珠93与沟道之间的压力信号；(6)利用陀螺仪44采集角速度信号，建立陀螺仪44中心坐标系及具有变速曲面满球轴承9的回转中心坐标系，经分析处理，通过坐标系几何关系，将角速度信号转化成具有变速曲面满球轴承9的角速度信息及偏转信息。以上各步骤前所标序号并不用于限定各步骤的先后顺序，其中步骤(2)-(6)可以是同时进行的，各项数据可以同时采集，可以在试件轴承开始旋转就对各项数据进行采集。

在具体实施例中，可通过在18000-36000r/min范围内调整转速，获得不同转速下，具有变速曲面满球轴承9的各项信息，利于对新型的具有变速曲面满球轴承提供更为全面的研究数据。

如图1所示，上位机处理器82通过传输线连接同步控制器81，同步控制器81分别通过传输线连接采集单元的摄像装置41、温度传感器42和陀螺仪44均连接同步控制器81，压力传感器43为无线柔性压力传感器，也与同步控制器81连接，同步控制器81和上位机处理器82均联通供电电源83。上位机处理器82向同步控制器81发送控制指令开启或关闭ccd高速摄像机，上位机处理器82接收并处理温度传感器42、无线柔性压力传感器43、陀螺仪44采集的信号，得到具有变速曲面满球轴承9(试件轴承)运转过程中的振动、温度、滚动体与滚道接触力信息。

在具体实施方式中，选择间隔最远的两个滚珠分别作为滚动体一931和滚动体二932(在具体实施例中，滚动体一931和滚动体二932的位置不受限制，可以是间隔最远的，也可以是相邻的，也可以选择同一颗滚珠)，在滚动体一931的表面涂满荧光剂一，在滚动体二932的表面用荧光剂二涂成一个直径为3mm的圆点，调节激光激发器31的发射波长，先发射550nm波长激光，上位机处理器82命令同步控制器81发出开启控制命令，驱动电机23带动驱动轴22转动至转速达到36000r/min，开启4个ccd高速摄像机并校准，通过上位机处理器82将4个ccd高速摄像机所拍摄的重叠区域空间分割成以毫米为单位的测量空间，为了在后续ccd高速摄像机拍摄中确定两个滚动体的运动坐标，通过摄像装置一411(ccd高速摄像机)同时从不同角度拍摄滚动体一931的荧光运动轨迹，经过上位机处理器82对摄像装置一411采集的荧光轨迹图像分析处理，得到同一时刻不同ccd高速摄像机拍摄的坐标，经过计算得到滚动体一931在试件轴承内绕轴承旋转公转运动轨迹；再调节激光激发器31发射490nm波长激光，摄像装置二412(ccd高速摄像机)同时从不同角度拍摄滚动体二932的荧光运动轨迹，经过上位机处理器82对摄像装置二412采集的荧光轨迹图像分析处理，得到同一时刻不同ccd高速摄像机拍摄的坐标，经过计算得到滚动体二932在试件轴承内自行旋转运动轨迹。温度传感器42调零并采集试件轴承的温度信号，无线柔性压力传感器采集滚珠93与沟道之间的压力信号，建立陀螺仪44中心坐标系及具有变速曲面满球轴承9的回转中心坐标系，经分析处理，通过坐标系几何关系，将角速度信号转化成具有变速曲面满球轴承9的角速度信息及偏转信息。

在一种具体的实施方式中，具有变速曲面满球轴承的分析方法，还包括如下步骤：温度传感器42采集的温度信号急剧上升时，命令压电陶瓷柱271伸长推动轴承外圈91轴向移动，增大滚珠93活动的空间，调节预紧力，使温度变化趋于平缓，记录该调节过程中的温度变化数值，通过计算压电陶瓷柱271伸长量数值，该伸长量值即为轴承外圈轴向移动量，通过轴向移动轴承外圈91达到调节预紧的作用。

当具有变速曲面满球轴承9运转至设定转速后，记录无线柔性压力传感器所采集的滚动体与轴承外圈91滚道接触力数值，随着试件轴承发热，轴承内圈92膨胀，径向游隙减小，轴承内外圈之间所构成的空间减小，预紧力增大，温度剧烈升高，且无线柔性压力传感器采集的力信号发生变化，温度传感器42采集的急剧升高的温度数据经处理反馈给压电陶瓷柱271，压电陶瓷柱271伸长推动轴承外圈91轴向移动，以初始时刻滚珠93与滚道接触力为参考量，通过压电陶瓷柱271调整试件轴承内外圈的轴向空间，接触力数值逐渐恢复至参考量，同时观察温度变化趋于平缓，记录该调节过程中的温度变化数值，通过计算压电陶瓷柱271伸长量数值，该伸长量值即为轴承外圈轴向移动量，分析温度与外圈轴向位移量关系，通过轴向移动轴承外圈91达到调节预紧的作用，为后续实际工况监测中可直接根据温度变化值调整外圈位移量进而调节轴承预紧。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。