一种连续载荷测量的轴承圆柱或圆锥滚子及轴承系统的制作方法

1.本发明涉及一种连续载荷测量的轴承圆柱或圆锥滚子及轴承系统，属于轴承滚子载荷测量技术领域，尤其涉及一种能够连续测量滚子载荷的轴承圆柱或圆锥滚子以及使用这种圆柱或圆锥滚子的轴承。


背景技术：

2.轴承是当代机械设备中一种重要零部件。它的主要功能是支撑机械旋转体，轴承承受的载荷分为径向载荷和轴向载荷，径向载荷是指沿着轴承中心指向轴承边沿方向的载荷，轴向载荷方向与其垂直。以圆柱滚子轴承为例，如图1所示是一种经典的圆柱滚子轴承，包括轴承内套11(轴承内圈)、轴承外套12(轴承外圈)和圆柱滚子13，圆柱滚子轴承因为其径向载荷承受能力强，在风电、盾构机等重大设备上广泛使用。
3.大载荷复杂工况下运行的轴承，其内部滚子作为核心的受力支撑部件，若能够连续测量工作状态滚子径向载荷变化和分布，对于改善轴承设计、分析轴承失效原因、现场使用中预警可能的轴承失效都有显著的指导意义。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种连续载荷测量的轴承圆柱或圆锥滚子及轴承系统，用以解决如何提供一种能够连续测量径向载荷的滚子和轴承的问题。
5.为实现上述目的，本发明的方案包括：
6.本发明的一种连续载荷测量的轴承圆柱或圆锥滚子的技术方案，包括轴心开设的通孔，所述通孔内壁周面上八等分位置分别设置应变片，应变片分为两组，其中第一组应变片和第二组应变片间隔设置；四个位置上的第一组应变片按周向上的顺序依次串联在第一电桥的四个首尾相连的桥臂上，四个位置上的第二组应变片按周向上的顺序依次串联在第二电桥的四个首尾相连的桥臂上，第一电桥和第二电桥相对的两个桥臂连接点均作为电桥输入端，剩余两个桥臂连接点均作为信号输出端。
7.本发明在轴承滚子轴向通孔内通过应变片检测滚子载荷，通过两组交替设置在通孔周向8个等分位置的应变片，并将每组4个应变片设置在电桥的4个桥臂当中，通过电桥输出值反应滚子载荷变化。每组应变片中，当相对的两个应变片转至载荷承受的方向时，应变片形变延伸，同组另外两个应变片压缩，使得两对相对的应变片电阻变化方向相反，使得该组应变片所在电桥输出值最大；而另一组应变片所在位置使得该组4个应变片形变程度相同，导致该组应变片所在电桥输出为零。随着滚子转动，应变片位置发生变化，对应两组电桥的输出周期性交替变化，且呈现此消彼长，一组电桥输出最大时另一组输出为零，对于输出小于一定值的电桥来说，难以根据电桥和滚子姿态计算准确滚子径向载荷，而两组电桥此消彼长交替输出时，即可实现任意时刻均根据输出较大值的电桥计算滚子径向载荷，保证了滚子转动周期内的连续载荷测量，且能保证精确度。
8.进一步地，还包括位置检测装置，当位置检测装置判断第一组应变片中相对的两
个分别位于滚子与轴承内、外套接触的对应位置范围时，根据第一电桥的输出计算得到滚子的径向载荷；当位置检测装置判断第二组应变片中相对的两个分别位于滚子与轴承内、外套接触的对应位置范围时，根据第二电桥的输出计算得到滚子的径向载荷。
9.根据滚子滚动姿态，判断当前哪个电桥处于输出值较大的有效区间，即可选择该电桥的输出用于载荷计算。
10.进一步地，所述位置检测装置根据滚子的转动角度判断哪一组应变片中相对的两个分别位于滚子与轴承内、外套接触的对应位置，任意一对相对的应变片位于滚子与轴承内、外套接触的对应位置时，轴承每转动π/4的角度，另一组应变片中的相对的应变片到达滚子与轴承内、外套接触的对应位置。
11.8等分位置的两组电桥，滚子每转动45
°
，便完成一个最大值到零的变化，根据滚子转动角度，判断哪个电桥输出值最大哪个输出值为零，方案简单准确，不易出错。
12.进一步地，所述位置范围为以滚子与轴承内套或外套接触的对应位置为中心、左右各π/8滚子转动角度的范围。
13.左右π/8的角度范围，是一个电桥输出值(绝对值)大于另一个的电桥输出值(绝对值)的范围，设置此范围能够最大程度对一个电桥输出值加以充分利用，保证结果准确可靠。
14.进一步地，所述位置检测装置以第一组应变片中一对相对的应变片位于滚子与轴承内、外套接触的对应位置为起始位置，当滚子转动角度在区间β＝[-π/8,π/8]，及β+n
·
π/4,n为自然数时，根据第一电桥的输出计算得到滚子的径向载荷；当滚子转动角度在区间γ＝[π/8,3π/8]，及γ+n
·
π/4时，根据第二电桥的输出计算得到滚子的径向载荷。
[0015]
设置区间范围，根据滚子转动角度落入哪个区间范围，选择对应的电桥输出值，作为周向载荷的计算基础，方案实施起来简单易行且准确可靠。
[0016]
进一步地，所述位置检测装置为设置在滚子通孔内设置的滚子姿态传感器，根据滚子当前姿态计算得到滚子当前转动角度。
[0017]
进一步地，滚子的径向载荷通过如下方式计算，根据滚子当前的转动角度对对应电桥当前的输出值进行修正，得到滚子当前的径向载荷。
[0018]
本发明的一种连续载荷测量的轴承系统的技术方案，包括至少一个如上所述的连续载荷测量的轴承圆柱或圆锥滚子。
附图说明
[0019]
图1是一种圆柱滚子轴承示意图；
[0020]
图2是单个圆柱滚子在轴承内、外套之间位置示意图；
[0021]
图3是单个圆柱滚子在轴承内、外套之间位置剖面示意图；
[0022]
图4是图3中滚子绕轴线顺时针旋转45
°
后在轴承内、外套之间位置剖面示意图；
[0023]
图5是实施例中a组4个应变片组成的电桥电路示意图；
[0024]
图6是实施例中b组4个应变片组成的电桥电路示意图；
[0025]
图7是实施例中a组应变片组成电桥输出载荷va随夹角α角度变化示意图；
[0026]
图8是实施例中b组应变片组成电桥输出载荷vb随夹角α角度变化示意图；
[0027]
图9是带有采集系统的圆柱滚子示意图。
具体实施方式
[0028]
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明了，下面结合附图及实施例，对本发明作进一步的详细说明。
[0029]
圆柱滚子实施例：
[0030]
本实施例中以圆柱滚子为例，对本发明的方案进行说明，本领域技术人员应当明了，本发明方案也可适用于圆锥滚子。
[0031]
如图2所示的圆柱滚子在轴承内、外套之间位置关系的三维示意图，为了测量滚子载荷，在不影响滚子工作强度的情况下，在圆柱滚子13中心轴线位置加工一个通孔131，该通孔直径小于滚子直径的29％，例如本实施例中的圆柱滚子13的直径为100mm，沿中心轴线方向加工的通孔131直径为29mm。实验表明，圆柱滚子经过热处理，其表面3mm以内硬度大于内部硬度，经过力学分析，加工过通孔的圆柱滚子131与实心滚子在额定载荷范围内变形情况差异小于1％，不影响滚子的正常使用。
[0032]
在圆柱滚子13的通孔131轴向的中间部位沿通孔内圆的圆周方向贴了两组应变片132，a组应变片4个，b组应变片4个。如图3所示的圆柱滚子与轴承内、外套位置关系的剖面图所示，4个a组应变片a1～a4分别沿图中水平方向和竖直方向上下左右对称，4个b组应变片b1～b4的位置在a组应变片位置的基础上沿滚子通孔131圆周方向顺时针或者逆时针偏转45
°
，即在周向布置的4个a组应变片a1～a4之间的中间位置设置4个b组应变片，即滚子通孔131圆周上的八等分位置间隔设置4个a组应变片和4个b组应变片。每个应变片的应变方向沿着通孔131的圆周方向。
[0033]
如图4所示为在图3基础上圆柱滚子沿顺时针方向旋转了π/4时的剖面图，圆柱滚子13与轴承内、外套的两个接触点的连线c是滚子承受径向载荷的方向，本实施例中简称滚子径向载荷线c。另外本实施例中定义应变片a1、a3的中心连线为滚子姿态零位线d，滚子径向载荷线c与滚子姿态零位线d之间的夹角为夹角α，图4中所示状态夹角α＝π/4。图3中所示状态定义为初始状态，此时滚子径向载荷线c与滚子姿态零位线d重合，夹角α为0
°
。随着圆柱滚子13在轴承内套11、轴承外套12之间的滚道上的滚动，夹角α呈现从0
°
到360
°
之间循环变化(超过360
°
时，可以认为又从0
°
开始)。夹角α的角度也即初始状态后滚子的转动角度。
[0034]
两组应变片分别组成两个电桥，两组应变片共8个应变片分别串联在两个电桥的8个桥臂当中。如图5所示，a组应变片的4个应变片分别位于一个电桥的4个桥臂上，每个应变片所在桥臂分别与通孔内壁周向上相邻的应变片所在桥臂相邻，4个桥臂形成4个连接点，相对的两个桥臂连接点构成电桥的输入端vin，剩余两个桥臂连接点构成桥臂输出端vout，输出值为va。同样地，对于b组应变片构成的电桥，如图6所示，b组应变片的4个应变片分别位于第二个电桥的4个桥臂上，每个应变片所在桥臂分别与通孔内壁周向上相邻的应变片所在桥臂相邻，4个桥臂形成4个连接点，相对的两个桥臂连接点构成电桥的输入端vin，剩余两个桥臂连接点构成桥臂输出端vout，输出值为vb。
[0035]
显然可知，在初始状态，应变片a1和a3位于圆柱滚子径向载荷方向上，两个应变片为最大延伸状态，电阻达到最大，而应变片a2、a4位于滚子形变的压缩方向上，应变片压缩程度最大阻值最小，对于图5中的a组应变片电桥，此时va输出值最大。而b组应变片分别位于两两对称的形变位置上，4个应变片阻值变化相同，因此此时图6中所示的b组应变片电桥，vb输出值为零。随着滚子顺时针转动，应变片b1～b4逐渐分别转动至应变片a1～a4在初
始状态的位置，vb输出值逐渐达到最大，当转动π/4角度时(即夹角α＝π/4时，如图4所示状态)，vb输出值达到最大，同时va输出值降为零。随着转动的继续，当转动到π/2角度时(即夹角α＝π/2时)，初始状态时压缩量最大的应变片a4、a2分别到达延伸量最大的位置(即滚子分别与轴承内、外套接触点的位置)，此时对于图5中的a组应变片电桥，va输出值变为反方向的最大(相对于初始位置的最大值，此时为带有符号符号的最小值)，同时vb输出值从最大降为零。同理，继续转动时，当夹角α＝3π/4时，va输出值上升为零，vb输出值从零降为最小值；当夹角α＝π时，va输出值继续上升为最大，vb输出值从最小上升为零，然后周而复始。滚子每转动半圈，即夹角α每变化π或者180
°
，电桥输出变化一个周期。
[0036]
因此，假设滚子在滚道内受到的径向载荷m不变，把滚子所受的载荷进行归一化处理后，两个电桥对应的输出值随着夹角α角度的不同而不同，结合上述变化过程，其变化规律分别如图7、图8所示。即输出值va、vb随夹角α角度的变化分别呈现余弦曲线和正弦曲线的变化规律。夹角α角度为0时，a组电桥输出载荷va达到最大值，b组电桥四个应变片应力形变相同，输出信号为零，夹角α角度为π/4时，a组应变片输出为0，b组应变桥输出vb达到最大
……
两组载荷输出规律如下公式所示：
[0037]
va＝m cos 2α；
[0038]
vb＝m sin 2α。
[0039]
理论上，基于特定时刻夹角α角度值和任意一个电桥的输出值，通过实验室标定的方式获得计算模型，利用夹角α角度值对电桥的输出值进行修正可以计算得出滚子当前径向载荷的数值。但是当对应电桥输出值接近零时，由于输出值的绝对值太小，加上噪声的干扰，导致数据出现严重失真，此时将无法通过该电桥的输出值计算得到载荷。
[0040]
可以看出由于滚子在滚道内的滚动，a组应变片和b组应变片组成的电桥都只能在夹角α处于靠近输出值最大区域的特定角度时测得对应滚子的径向载荷。例如，夹角α＝0时，a组应变片组成的电桥输出va＝最大，b组应变片组成的电桥输出vb＝0，此时无法根据vb计算得到滚子载荷，一定范围的邻域内vb接近于0，也难以根据vb计算得到准确的滚子载荷；夹角α＝π/4时，a组应变片组成的电桥输出va＝0，b组应变片组成的电桥输出vb＝最大，此时无法根据va计算得到滚子载荷，一定范围的邻域内va接近于0，也难以根据va计算得到准确的滚子载荷：夹角α＝π/2及夹角α＝3π/4时同理。
[0041]
因此，在对应电桥输出等于0的邻域内，通过另一个电桥输出值结合夹角α角度值计算滚子载荷，如此交替循环，即可实现滚子载荷的连续不间断的检测。根据以上分析，结合图7、图8所示的两个电桥周期性变化规律，在对应电桥输出等于0的夹角α的
±
π/8邻域内，通过另一个电桥的输出计算载荷，即夹角α每变化π/8，进行一次采用用于载荷计算的输出值的切换，即可满足连续检测需求。
[0042]
具体地，当夹角α在区间β＝[-π/8,π/8]及β+n
·
π/4,n为自然数时，基于a组应变片组成的电桥输出值va计算滚子载荷；当夹角α在区间γ＝[π/8,3π/8]及γ+n
·
π/4,n为自然数时，基于b组应变片组成的电桥输出值vb计算滚子载荷。如此，舍弃掉va、vb输出过小且失真的区间，通过va、vb的接力修正值，就可以连续准确的测算滚子所承受的径向载荷。
[0043]
如图9所示，在圆柱滚子13通孔131内设置采集系统133，采集系统133包括a、b两组应变片及对应的电桥电路以及姿态测量电路，通过电池自供电测量滚子姿态进而计算出滚子径向载荷线c与滚子姿态零位线d之间的夹角α，同时按照上述周期轮流修正两个电桥的
输出值，即可实现连续测量滚子的径向载荷。滚子的姿态检测为成熟的现有技术，本实施例不再赘述。
[0044]
轴承系统实施例：
[0045]
本发明的一种连续载荷测量的轴承系统，该轴承系统中，轴承的至少一个滚子采用圆柱滚子实施例中的圆柱滚子，或者带有相同采集系统的圆锥滚子，该圆柱滚子及采集系统已在圆柱滚子实施例中介绍的足够清楚，此处不再赘述。

技术特征：
1.一种连续载荷测量的轴承圆柱或圆锥滚子，其特征在于，包括轴心开设的通孔，所述通孔内壁周面上八等分位置分别设置应变片，应变片分为两组，其中第一组应变片和第二组应变片间隔设置；四个位置上的第一组应变片按周向上的顺序依次串联在第一电桥的四个首尾相连的桥臂上，四个位置上的第二组应变片按周向上的顺序依次串联在第二电桥的四个首尾相连的桥臂上，第一电桥和第二电桥相对的两个桥臂连接点均作为电桥输入端，剩余两个桥臂连接点均作为信号输出端。2.根据权利要求1所述的连续载荷测量的轴承圆柱或圆锥滚子，其特征在于，还包括位置检测装置，当位置检测装置判断第一组应变片中相对的两个分别位于滚子与轴承内、外套接触的对应位置范围时，根据第一电桥的输出计算得到滚子的径向载荷；当位置检测装置判断第二组应变片中相对的两个分别位于滚子与轴承内、外套接触的对应位置范围时，根据第二电桥的输出计算得到滚子的径向载荷。3.根据权利要求2所述的连续载荷测量的轴承圆柱或圆锥滚子，其特征在于，所述位置检测装置根据滚子的转动角度判断哪一组应变片中相对的两个分别位于滚子与轴承内、外套接触的对应位置，任意一对相对的应变片位于滚子与轴承内、外套接触的对应位置时，轴承每转动π/4的角度，另一组应变片中的相对的应变片到达滚子与轴承内、外套接触的对应位置。4.根据权利要求3所述的连续载荷测量的轴承圆柱或圆锥滚子，其特征在于，所述位置范围为以滚子与轴承内套或外套接触的对应位置为中心、左右各π/8滚子转动角度的范围。5.根据权利要求4所述的连续载荷测量的轴承圆柱或圆锥滚子，其特征在于，所述位置检测装置以第一组应变片中一对相对的应变片位于滚子与轴承内、外套接触的对应位置为起始位置，当滚子转动角度在区间β＝[-π/8,π/8]，及β+n
·
π/4,n为自然数时，根据第一电桥的输出计算得到滚子的径向载荷；当滚子转动角度在区间γ＝[π/8,3π/8]，及γ+n
·
π/4时，根据第二电桥的输出计算得到滚子的径向载荷。6.根据权利要求5所述的连续载荷测量的轴承圆柱或圆锥滚子，其特征在于，所述位置检测装置为设置在滚子通孔内设置的滚子姿态传感器，根据滚子当前姿态计算得到滚子当前转动角度。7.根据权利要求6所述的连续载荷测量的轴承圆柱或圆锥滚子，其特征在于，滚子的径向载荷通过如下方式计算，根据滚子当前的转动角度对对应电桥当前的输出值进行修正，得到滚子当前的径向载荷。8.一种连续载荷测量的轴承系统，其特征在于，包括至少一个如权利要求1～7任一项所述的连续载荷测量的轴承圆柱或圆锥滚子。

技术总结
本发明涉及连续载荷测量的轴承圆柱或圆锥滚子及轴承系统，通过两组交替设置在通孔周向8个等分位置的应变片，并将每组4个应变片设置在电桥的4个桥臂当中，通过电桥输出值反应滚子载荷变化。每组应变片中，当相对的两个应变片转至载荷方向时，应变片延伸形变，同组另外两个应变片压缩，使得两对相对的应变片电阻变化方向相反，该组应变片所在电桥输出值最大；而另一组应变片所在位置形变程度相同，导致该组应变片所在电桥输出为零。随着滚子转动，应变片位置发生变化，对应两组电桥的输出周期性交替变化，呈现此消彼长交替输出，可实现任意时刻均根据输出较大值的电桥计算滚子径向载荷，保证了滚子转动周期内的连续载荷测量，且能保证精确度。且能保证精确度。且能保证精确度。


技术研发人员：庞永星 白玉格 梅旭东 王腾飞 周洁玉
受保护的技术使用者：洛阳乾禾仪器有限公司
技术研发日：2023.07.10
技术公布日：2023/10/15