滚子轴承滚道载荷分布测量方法、智能滚子和滚子轴承技术

本发明专利技术属于轴承载荷测量技术领域，具体涉及一种滚子轴承滚道载荷分布测量方法、智能滚子和滚子轴承。沿着滚子轴线方向将滚子划分为若干个单元，确定该滚子各个单元的等效均布载荷，进一步得到该滚子承受的载荷总值；其中，确定该滚子一个单元的等效均布载荷的手段为：测量该单元内孔壁的应变值以及滚子的自转角度与自转角速度，并输入至扩展卡尔曼滤波算法，得到该单元的均布载荷线密度，进而结合该单元的长度得到作用在该单元的等效均布载荷；进而得到滚子轴承中所选择的各个滚子承受的载荷总值，即滚道上不同位置处的载荷值，从而得到滚道载荷分布情况。本发明专利技术的测量准确度较高，可以实时监测轴承滚道上的载荷分布情况，以作及时进行调整。及时进行调整。及时进行调整。

【技术实现步骤摘要】
滚子轴承滚道载荷分布测量方法、智能滚子和滚子轴承


[0001]本专利技术属于轴承载荷测量
，具体涉及一种滚子轴承滚道载荷分布测量方法、智能滚子和滚子轴承。

技术介绍

[0002]大型圆柱滚子轴承被广泛应用于盾构机、起重机和风力发电机等大型机械设备，是大型机械设备的核心部件，其结构尺寸巨大，价格高昂，起到支撑两部件旋转和传递载荷的作用。常见的大型圆柱滚子轴承包括单列圆柱滚子轴承，三排圆柱滚子转盘轴承等。由于大型圆柱滚子轴承特殊的应用领域，大型圆柱滚子轴承常在低速重载工况下使用且工作环境恶劣，承受着复杂载荷例如大冲击、偏载、重载、变载等，复杂载荷由轴承中的滚子以及和滚子相接触的滚道承担，故而大型圆柱滚子轴承滚道上的载荷分布情况可直接反映出轴承承受的载荷情况。
[0003]一旦大型圆柱滚子轴承出现故障，影响大型机械设备正常运转，极易引起重大安全事故并造成巨大经济损失。大型圆柱滚子轴承滚道载荷分布情况对轴承的设计以及大型机械设备的运行都有着重要的影响，故而为了确保大型机械设备正常安全运行并为大型圆柱滚子轴承设计提供数据支撑，有必要专利技术出一种用于测量大型圆柱滚子轴承滚道载荷分布的测量方法。目前中国制造生产的应用于隧道掘进机、起重机和风力发电机械等大型机械设备中的各类大型圆柱滚子轴承与国外仍有较大差距，主要原因是相关实验参数不足，且对轴承设计起着重要作用的滚道载荷分布情况目前仍没有较好的测量手段。
[0004]授权公告号为CN107542758B的中国专利技术专利公开了一种传感化的滚子，其将滚子挖孔，中间放置应变传感器，进而测量滚子外表面的载荷。但其中仅有一组对称粘贴的应变片，无法考虑滚子在轴承中的自转引起的应变传感器与滚子滚道接触区域之间的相对位置变化，且在同一载荷作用下，滚子内孔壁处的应变值是随着滚子自转而变化的，滚子与滚道之间的接触力是沿着接触线不均匀分布的，因而按照这种方式是无法准确测量得到载荷的。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种滚子轴承滚道载荷分布测量方法，用以解决采用现有技术中的方法无法准确测量滚道载荷分布情况的问题，同时还提供了一种用于实现滚子轴承滚道载荷分布测量的智能滚子和滚子轴承。
[0006]为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种滚子轴承滚道载荷分布测量方法，包括如下步骤：
[0007]1)沿着滚子轴线方向将滚子划分为若干个单元，确定该滚子各个单元的等效均布载荷，进一步得到该滚子承受的载荷总值；其中，确定该滚子一个单元的等效均布载荷的手段为：测量该单元内孔壁的应变值以及滚子的自转角度与自转角速度，并输入至扩展卡尔曼滤波算法，得到该单元的均布载荷线密度，进而结合该单元的长度得到作用在该单元的
等效均布载荷；
[0008]且扩展卡尔曼滤波算法的系统状态向量为系统观测向量为系统控制向量为u
k
＝[ω
测
]T
，q为单元上的均布载荷线密度估计值，ε和ε
测
分别为单元内孔壁上的应变估计值和测量值，和分别为滚子自转角度估计值和测量值，ω
测
为滚子自转角速度测量值，状态量到观测量的观测函数向量由应变、角度和均布载荷线密度三者之间的非线性函数关系得到；
[0009]2)按照步骤1)方法得到滚子轴承中所选择的各个滚子承受的载荷总值，即滚道上不同位置处的载荷值，从而得到滚道载荷分布情况。
[0010]上述技术方案的有益效果为：经过理论和仿真研究分析，本专利技术将滚子自转对载荷的影响考虑在内，发现滚子的内孔壁上的应变值与滚子的自转角速度和均布载荷线密度之间存在非线性关系，基于该关系本专利技术构建出相应的扩展卡尔曼滤波算法模型，进而通过测量滚子单元内孔壁的应变值以及滚子的自转角度与自转角速度，并输入至扩展卡尔曼滤波算法，便可得到该单元的均布载荷线密度，进一步结合该单元的长度即可得到作用在该单元的等效均布载荷。该方法的测量准确度较高，可以实时监测轴承滚道上的载荷分布情况，以便于及时进行调整，保障大型机械设备的运行安全，提高经济效益。而且，本专利技术可以实现对承受着复杂载荷作用下的多种型号的大型圆柱滚子轴承滚道载荷分布的测量。
[0011]进一步地，获取所述非线性函数关系的手段为：建立滚子单元的力学模型，对滚子单元进行受力状态分析，包括仅受外力作用的横力弯曲状态和由内力矩引起的纯弯曲状态，将滚子单元的两种受力状态进行叠加，得到滚子单元内孔壁上的环向应变数学模型，该环向应变数学模型体现了应变、角度和均布载荷线密度三者之间的非线性函数关系。
[0012]上述技术方案的有益效果为：考虑到滚子轴承实际工作工况，承受较大的径向载荷的同时还承受较大的倾覆力矩，因而在对其进行受力状态分析时对仅受外力作用的横力弯曲状态和由内力矩引起的纯弯曲状态均进行分析。
[0013]进一步地，所述环向应变数学模型为：
[0014][0015]式中，为滚子单元承受的q的作用线方向处的环向应变值；q为滚子单元承受的均布载荷线密度；b为滚子外壁半径；n为滚子单元个数；E为滚子材料的弹性模量；ρ为无量纲半径；H为滚子空心度；M为内力矩。
[0016]为解决上述技术问题，本专利技术还提供了一种智能滚子，包括滚子主体，该智能滚子沿着滚子轴线方向被划分为若干个单元，滚子主体内孔中设有电路板，电路板上设有传感器模块，所述传感器模块包括用于测量滚子各个单元内孔壁应变值的应变采集传感器和用于测量滚子的自转角度与自转角速度的姿态传感器，以将传感器模块采集的数据输入至扩展卡尔曼滤波算法，得到该单元的均布载荷线密度，进而结合该单元的长度得到作用在该单元的等效均布载荷；
[0017]其中，扩展卡尔曼滤波算法的系统状态向量为系统观测向量为
系统控制向量为u
k
＝[ω
测
]T
，q为单元上的均布载荷线密度估计值，ε和ε
测
分别为单元内孔壁上的应变估计值和测量值，和分别为滚子自转角度估计值和测量值，ω
测
为滚子自转角速度测量值，状态量到观测量的观测函数向量由应变、角度和均布载荷线密度三者之间的非线性函数关系得到。
[0018]上述技术方案的有益效果为：为实现本专利技术的方法，提供了一种智能滚子，在该智能滚子主体的内孔内设有电路板，电路板上布设有用于测量滚子各个单元内孔壁应变值的应变采集传感器和用于测量滚子的自转角度与自转角速度的姿态传感器，进而结合本专利技术的方法，便可对轴承滚道上的载荷分布情况进行监测。该智能滚子实现了直接在轴承内部进行测量，不需要拆卸轴承或改变轴承结构，测量结果更加贴合真实情况。
[0019]进一步地，所述应变采集传感器包括用于测量内孔壁沿滚子轴向方向上的一条母线上的应变分布的应变片阵列。
[0020]进一步地，电路板上还设有无线传输模块，用于将传感器模块采集的数据进行传输。
[0021]上述技术方案的有益效果为：设置无线传输模块可以保证传感器采集数据的有效安全传输。
[0022]进一步地本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种滚子轴承滚道载荷分布测量方法，其特征在于，包括如下步骤：1)沿着滚子轴线方向将滚子划分为若干个单元，确定该滚子各个单元的等效均布载荷，进一步得到该滚子承受的载荷总值；其中，确定该滚子一个单元的等效均布载荷的手段为：测量该单元内孔壁的应变值以及滚子的自转角度与自转角速度，并输入至扩展卡尔曼滤波算法，得到该单元的均布载荷线密度，进而结合该单元的长度得到作用在该单元的等效均布载荷；且扩展卡尔曼滤波算法的系统状态向量为系统观测向量为系统控制向量为u
k
＝[ω
测
]
T
，q为单元上的均布载荷线密度估计值，ε和ε
测
分别为单元内孔壁上的应变估计值和测量值，和分别为滚子自转角度估计值和测量值，ω
测
为滚子自转角速度测量值，状态量到观测量的观测函数向量由应变、角度和均布载荷线密度三者之间的非线性函数关系得到；2)按照步骤1)方法得到滚子轴承中所选择的各个滚子承受的载荷总值，即滚道上不同位置处的载荷值，从而得到滚道载荷分布情况。2.根据权利要求1所述的滚子轴承滚道载荷分布测量方法，其特征在于，获取所述非线性函数关系的手段为：建立滚子单元的力学模型，对滚子单元进行受力状态分析，包括仅受外力作用的横力弯曲状态和由内力矩引起的纯弯曲状态，将滚子单元的两种受力状态进行叠加，得到滚子单元内孔壁上的环向应变数学模型，该环向应变数学模型体现了应变、角度和均布载荷线密度三者之间的非线性函数关系。3.根据权利要求2所述的滚子轴承滚道载荷分布测量方法，其特征在于，所述环向应变数学模型为：式中，为滚子单元承受的q的作用线方向处的环向应变值；q为滚子单元承受的均布载荷线密度；b为滚子外壁半径；n为滚子单元个数；E为滚子材料的弹性模量；ρ为无量纲半径；H为滚子空心度；M为内力矩。4.一种智能滚子，包括滚子...

【专利技术属性】
技术研发人员：仲志丹，陈小龙，谢兴会，郝文路，彭建军，何奎，崔允浩，杨芳，
申请(专利权)人：河南科技大学，
类型：发明
国别省市：