交变载荷滚动轴承应力超声原位监测试验装置及方法

摘要

本发明涉及一种交变载荷滚动轴承应力超声原位监测试验装置及方法，装置主要包括驱动电机、加载电机、受载轴、交变载荷发生件、被测滚动轴承、探头移动架、超声纵波探头。其中驱动电机驱动受载轴转动，使受载轴右端的被测滚动轴承以特定转速转动；加载电机驱动交变载荷发生件产生交变载荷，经受载轴对被测滚动轴承实现不同大小和频率的交变载荷加载；探头移动架可调节超声纵波探头与被测滚动轴承两侧的贴合位置；通过超声纵波探头监测被测轴承在模拟工作状态下的应力。该试验装置可模拟滚动轴承在不同转速、承受不同大小和频率的交变载荷的工作状态，并监测应力分布情况，从而用于滚动轴承承载和使用性能的实验研究。

说明书

技术领域

本发明涉及一种交变载荷滚动轴承应力超声原位监测试验装置及方法，尤其适用于模拟滚动轴承处于不同转速、承受不同大小和频率的交变载荷的工作状态，并监测滚动轴承的应力分布的实验研究。

背景技术

滚动轴承是用于支撑回转构件的基本机械元件，在现代装备、机器和仪器等领域的机构中有着广泛的使用。机构中滚动轴承的选用和失效形式在使用过程中备受关注，它对提高滚动轴承使用性能、保障机械系统的可靠性和稳定性具有重要作用。

实际中，滚动轴承的选用和失效形式主要与轴承转速和承受的载荷有关，原因是轴承的工作转速和载荷决定了滚动轴承的应力状况。所以探究轴承所受应力与转速和载荷的关系，对指导机构中轴承的选用及提高轴承的寿命有着重要意义。

由于机构在运作时内部和外部的作用力往往呈周期变化，所以轴承承受的载荷常常是交变载荷。并且理论表明，滚动轴承在经向载荷作用下，滚动摩擦副不同部位的载荷分布是不同的。所以研究工作中的滚动轴承的应力状况，需综合考虑轴承转速、交变载荷的加载和轴承周向位置等因素。

目前，超声波检测技术已经十分成熟，广泛应用于构件的应力无损检测。利用超声波法监测滚动轴承工作时滚动摩擦副的应力，无需破坏或停止运转的轴承，能够极大限度地减少测量手段对轴承实际应力状况的影响。

经专利查询和文献检索，目前还没有在综合考虑滚动轴承转速、交变载荷的加载和轴承周向位置等因素的情况下，利用超声纵波监测轴承应力状况的类似试验装置。鉴于此，发明一种利用超声波探究滚动轴承在交变载荷下应力状况的试验装置，将对滚动轴承的使用性能研究和工程应用具有重要意义。

发明内容

发明目的：为了模拟滚动轴承的实际工作状态并对滚动轴承应力状况进行研究，本发明提出了一种利用超声纵波波监测滚动轴承受交变载荷时应力状况的试验装置。

技术方案：本发明交变载荷滚动轴承应力超声原位监测试验装置，主要包括工作台、驱动电机、加载电机、左支撑、右支撑、前支撑、后支撑、受载轴、交变载荷发生件、被测滚动轴承、探头移动架、超声纵波探头、超声发射接收器、数字示波器、计算机。

所述的交变载荷滚动轴承应力超声原位监测试验装置，受载轴分别通过左端的一般轴承和右端的被测滚动轴承支撑在左支撑和右支撑上，左支撑和右支撑均固定在工作台上；驱动电机驱动受载轴及其右端的被测滚动轴承转动，改变驱动电机转速可模拟被测轴承以不同转速转动；加载电机驱动交变载荷发生件运作，产生正弦交变载荷经受载轴作用于被测滚动轴承，通过改变加载调速电机转速和交变载荷发生件上配置块质量，可模拟不同大小、不同频率的交变载荷加载；前支撑和后支撑固定在工作台上，用于保证交变载荷发生件在非竖直方向上的稳定；探头移动架置于右支撑上，探头移动架的两侧各布置一个超声纵波探头，利用探头移动架可实现超声探头的空间位置调整，使超声探头与被测轴承外圈不同位置贴合并进行应力监测；右支撑采用可分离形式，并内置了轴承内外径调整环，方便被测轴承的安装和更换，可对不同尺寸的轴承进行实验；超声发射接收器用于激励发射探头产生纵波，纵波经被测轴承外圈传播后由另一侧接收探头接收，且超声发射接收器可将接收和发射的声信号转换为电信号；实验中，数字示波器和计算机用于对超声发射接收器输出的电信号进行波形显示、数据存储和分析处理。

有益效果：采用上述方案，具有以下优点和突出效果：

1)改变驱动电机转速可模拟被测轴承以不同转速转动，便于研究转速对滚动轴承应力状况的影响；

2)利用交变载荷发生件实现正弦交变载荷施加于滚动轴承上，非常贴切地模拟出滚动轴承实际工作状态下的受载情况；

3)通过改变加载电机转速和交变载荷发生件上配置块质量，可改变交变载荷的大小和频率，提高了实验中交变载荷的可变性和丰富性；

4)利用探头移动架上可调整超声探头的空间位置，使探头能对轴承外圈不同位置的应力状况经行监测，且探头移动架的操作简单方便，在不停机状态下便可进行探头位置调整；

5)右支撑采用可分离形式，便于被测轴承的安装和更换，并内置了滚动轴承内外径调整环，可以使装置用于不同内外径滚动轴承的实验研究；

6)采用超声纵波手段对实验中轴承外圈的应力进行监测，不会破环轴承且能够实现轴承运转情况下进行原位监测，极大限度减小了测量手段对滚动轴承实际应力状况的影响；

7)整个实验装置结构紧凑，各部件布置合理，装置的操作简单方便，在充分考虑了实验人员实际操作情况下进行了人性化设计。

附图说明

图1为交变载荷滚动轴承应力超声原位监测装置右等轴侧视图

图2为交变载荷滚动轴承应力超声原位监测装置左等轴侧视图

图3为交变载荷发生件结构图

图4为滚动轴承载荷分布示意图

图5为右支撑及探头移动架结构图

图6为超声纵波信号发射、接收和处理示意图

图7为交变载荷滚动轴承应力超声原位监测装置操作流程图

图中：1-计算机；2-数字示波器；3-超声发射接收器；4-前支撑；5-探头移动架；5-1-水平移动台；5-2-水平锁紧螺母；5-3-贴合移动台；5-4-齿轮Z

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细说明：

如图1和图2所示，交变载荷滚动轴承应力超声原位监测试验装置主要包括工作台6、驱动电机28、加载电机18、驱动座23、左支撑21、右支撑10、前支撑4、后支撑12、受载轴11、交变载荷发生件19、被测滚动轴承9、探头移动架5、超声纵波发射探头7、超声纵波接收探头8、超声发射接收器3、数字示波器2、计算机1。驱动电机28、加载电机18、驱动座23、左支撑21、右支撑10、前支撑4、后支撑12固定于工作台6上；受载轴11左右两端分别支撑于左支撑21和右支撑10上；被测滚动轴承9置于右支撑10内，并支撑受载轴11的右端；交变载荷发生件19通过前支撑4和后支撑12限制在受载轴11上方；探头移动架5设置在右支撑10上；超声纵波发射探头7和超声纵波接收探头8分别设置在探头移动架5两侧，并与被测滚动轴承9外圈两侧贴合；超声发射接收器3、数字示波器2和计算机1按图示位置摆放在工作台6上。

如图2所示，V带轮R

如图2和图3所示，V带轮R

如图3所示，交变载荷发生件19由加载座19-6、右加载轴19-1、左加载轴19-4、齿轮Z

如同4所示，滚动轴承受径向载时，只有半圈有载荷分布，且各处的载荷分布并不相同，所以用超声纵波对滚动轴承应力监测时，通过探头移动架5改变超声纵波发射探头7和超声纵波接收探头8的空间位置，以实现对被测滚动轴承9受载半圈的不同位置进行监测。

如图5所示，探头移动架5由竖直滚珠丝杠5-10、竖直移动台5-6、齿轮Z

探头移动架5的工作原理和操作方式：旋动齿轮Z

如图5所示，右支撑10由右立柱上盖10-1、右立柱10-2、外径调整环10-3、键10-4和内径调整环10-5组成。右立柱上盖10-1固定于右立柱10-2上；外径调整环10-3置于右立柱上盖10-1和右立柱10-2组成的环内；内径调整环10-5通过键10-4与受载轴11右端固连；被测滚动轴承9置于外径调整环10-3和内径调整环10-5之间。当对不同尺寸的被测滚动轴承9进行实验时，只需将右立柱上盖10-1与右立柱10-2分离后，更换被测滚动轴承9及与其内外直径匹配的外径调整环10-3和内径调整环10-5。

如图6所示，超声纵波发射探头7和超声纵波接收探头8分别与被测滚动轴承9外圈两侧贴合(探头一个发射超声纵波，另一个接收超声纵波，不区分两侧位置)；超声发射接收器3用电信号激励超声纵波发射探头7产生纵波，纵波经被测滚动轴承9外圈传播后被超声纵波接收探头8接收，超声发射接收器3再将超声纵波接收探头8接收到纵波转换为电信号；超声发射接收器3将发出和接收到的电信号输出给数字示波器2，数字示波器2用于实验时信号的显示，同时将电信号数字化；数字示波器2将数字信号传输给计算机，便于数据的存储和处理。从而利用超声纵波法检测被测滚动轴承9在不同转速、承受不同大小和频率的交变载荷状态时的应力及其分布情况。

如图7所示，交变载荷滚动轴承应力超声原位监测试验装置的操作流程为：开始试验时，先为被测滚动轴承9匹配对应尺寸的外径调整环10-3和内径调整环10-5，并将被测滚动轴承9、外径调整环10-3内径调整环10-5装配置右支撑10内；接着启动驱动电机28和加载电机18，并开启计算机1、数字示波器2和超声发射接收器3；然后使用探头移动架5调整超声纵波发射探头7和超声纵波接收探头8位置，并对监测到的信号进行观察、记录和分析处理；实验中，如需改变测被测滚动轴承9的工作转速，可调节驱动电机28转速；实验中，如需改变交变载荷大小和频率，需先关闭加载电机18，然后更换交变载荷发生件19上配重块19-7的质量，再开启加载电机18并调至特定转速；实验中，如需监测被测滚动轴承9不同位置的应力分布情况，无需关停各设备便可调节探头移动架5；实验中，如需对不同尺寸的被测滚动轴承9进行监测，需先关闭驱动电机28和加载电机18，再更换被测滚动轴承9、外径调整环10-3内径调整环10-5；试验结束前，需先关闭驱动电机28和加载电机18，再拆卸被测滚动轴承9、外径调整环10-3内径调整环10-5，最后关闭计算机1、数字示波器2和超声发射接收器3。