专利名称：一种轴承径向刚度和轴向刚度的动力学测量方法
技术领域：
本发明属于机械测量技术领域，可用于滚动轴承以及部分滑动轴承的径向刚度、轴向刚度的测量。
背景技术：
轴承刚度的测量方法，一般依据胡克定理F=Kx,通过测量力F和力引起的位移X，从而计算得到刚度K。最新的关于轴承刚度测试的专利技术，比如“轴承刚度测试装置”(申请号200810137157)、“气浮轴承的刚度测试装置”(申请号201010530570)，都是对基于胡克定理的测试装置的改进和发明。基于胡克定理的测试方法，属于静力学方法，虽然原理简单，但对设备要求较高，原因在于轴承刚度K 一般较大，施加很大的力F但却产生很小的位移X，导致测试设备既需要产生并测量很大的载荷力，又需要精密测量力产生的极其微小的位移，容易造成测试装置的结构复杂、成本高昂。另外，根据最近科技论文的研究成果，有诸多因素影响轴承的刚度，主要包括预紧力、内外圈变形等，而这些因素，基于胡克定理的测试装置通常无法予以考虑，也就不容易测出实际安装状态下轴承的刚度。

发明内容
本发明的目的是为了解决轴承径向刚度、轴向刚度的测量，而提出的一种动力学测量方法。本发明的目的是通过下述技术方案实现的
1、轴承径向刚度和轴向刚度的动力学测量方法，其特征在于测量轴承径向刚度时，包括以下步骤
步骤1.1:确定轴承径向刚度&与测试用轴一阶横向振动固有频率f的函数关系Kr=Kr(f)；
步骤I. 2 :组建测试用轴--被测轴承--刚性支座的物理系统；
步骤I. 3 :测量测试用轴的一阶横向振动固有频率，设测量值为& Hz ；
步骤I. 4 :按照公式计算轴承的径向刚度，公式为&= Kr (f0)；
2、根据权利要求I所述的轴承径向刚度和轴向刚度的动力学测量方法，其特征在于步骤I. I进一步包括以下步骤
步骤I. I. I :建立以弹簧单元为支撑的测试用轴的有限元模型；
步骤I. I. 2 :设置弹簧单元刚度& ；
步骤I. I. 3 :求解测试用轴的一阶横向振动固有频率f ；
步骤I. I. 4 :改变弹簧单元刚度&，重复步骤I. I. 2和I. I. 3，得到一系列&、f数对； 步骤I. I. 5 :构建K,与f的函数关系Κ,=Κ, (f)；
3、根据权利要求I所述的轴承径向刚度和轴向刚度的动力学测量方法，其特征在于步骤I. 2中，测试用轴的两端分别安装被测轴承，被测轴承安装在刚性支座上；
4、根据权利要求I所述的轴承径向刚度和轴向刚度的动力学测量方法，其特征在于步骤I. 2中，在测试用轴中部通过电磁力等柔性接触方式施加径向力，以测量不同径向力下轴承的径向刚度；
5、根据权利要求I所述的轴承径向刚度和轴向刚度的动力学测量方法，其特征在于步骤I. 2中，被测轴承可以加装预紧装置，但要求两端的被测轴承处于同样的预紧状态，以测量不同预紧力下轴承的径向刚度；
6、轴承径向刚度和轴向刚度的动力学测量方法，其特征在于测量轴承轴向刚度时，包括以下步骤
步骤2. I :求出测试用轴的质量M ；
步骤2. 2 :组建测试用轴一被测轴承一刚性轴承座的物理系统；
步骤2. 3 :测量测试用轴的一阶轴向振动固有频率，设测量值为f Hz ；
步骤2. 4 :按照公式计算轴承的径向刚度，公式为Ka=4 π 2f2M ；
7、根据权利要求6所述的轴承径向刚度和轴向刚度的动力学测量方法，其特征在于步骤2. 2中，测试用轴的一端安装被测轴承，另一端仅需限定径向位移、允许轴向位移，测试用轴和被测轴承安装在刚性支座上；
8、根据权利要求7所述的轴承径向刚度和轴向刚度的动力学测量方法，其特征在于测试用轴仅需限定径向位移、允许轴向位移的一端，可安装无挡边的圆柱滚子轴承；
9、根据权利要求6所述的轴承径向刚度和轴向刚度的动力学测量方法，其特征在于步骤2. 2中，在测试用轴上通过电磁力等柔性接触方式施加轴向力，以测量不同轴向力下轴承的轴向刚度；
10、根据权利要求6所述的轴承径向刚度和轴向刚度的动力学测量方法，其特征在于步骤2. 2中，被测轴承上可加装预紧装置，以测量不同预紧力下轴承的轴向刚度；
11、根据权利要求6所述的轴承径向刚度和轴向刚度的动力学测量方法，其特征在于步骤2. 2中，测试用轴的两端分别安装被测轴承，被测轴承安装在刚性支座上，同时，步骤
2.4中，采用公式Ka=2 π 2f2M。 有益效果
本发明相对于已有技术，具有以下创新点
1.测试原理基于动力学中振动固有频率与刚度之间的关系；
2.运用动力学知识，忽略阻尼，将轴承简化为弹簧，构建轴以弹簧为支撑的有限元模
型；
3.在测试用轴一被测轴承一刚性支座系统中，测量轴承刚度；
本发明相对于已有技术，具有以下显著优点
1.可以测量轴承实际安装状态下的径向刚度、轴向刚度；
2.可以测量带有轴承预紧装置的、不同预紧力下的轴承的径向刚度、轴向刚度；
3.通过柔性接触施加径向载荷，可以测量不同径向载荷力下的轴承的径向刚度、轴向刚度；
利用成熟的振动测试系统，很容易测量一阶振动固有频率，尤其采用锤击法作为冲击激励时，测试更方便、成本更低。


图I测量轴承径向刚度的物理系统示意图。图2测量轴承径向刚度的有限元模型示意图。图3轴承径向刚度&与测试用轴一阶横向振动固有频率f的函数关系示意图。图4实施例I的模型结构主要参数。图5测量轴承轴向刚度的物理系统示意图。图6测量轴承轴向刚度的有限元模型示意图。图7测量轴承轴向刚度的单自由度振动模型示意图。
图8实施例2的模型结构主要参数。
具体实施例方式下面结合附图和实施例，对本发明作进一步的详细说明。轴承径向刚度的测量
请参阅图I测量轴承径向刚度的物理系统示意图，将被测轴承(或者被测轴承对)2安装在测试用轴3两端的轴颈上，并利用紧定装置4，限定轴承相对于测试用轴3的位移；把轴承安装在刚性支座I上，并利用紧定装置5，限定轴承相对于刚性支座I的位移，这样就组建成为测试用轴一被测轴承一刚性支座的物理系统；
请参阅图2测量轴承径向刚度的有限元模型示意图，它对应于测试用轴一被测轴承一刚性支座的物理系统。在该有限元模型中，改变弹簧单元的刚度值，求得不同刚度值下的测试用轴一阶横向振动频率，再通过数值方法，建立轴承径向刚度与测试用轴一阶横向振动固有频率的函数关系，函数形式请参看图3轴承径向刚度&与测试用轴一阶横向振动固有频率f的函数关系不意 运用振动测试系统，在测试用轴一被测轴承一刚性支座的物理系统中，测量测试用轴的一阶横向振动固有频率；
测试用轴上可安装轴承预紧装置，测量轴承不同预紧状态下的径向刚度；
测试用轴中部，通过电磁铁施加非接触式的径向力，或者通过柔性绳、柔性弹簧等柔性接触的方式施加径向力，以测量不同径向载荷下的轴承径向刚度。轴承轴向刚度的测量
请参阅图5测量轴承轴向刚度的物理系统示意图，将被测轴承(或者被测轴承对)4安装在测试用轴3 —端轴的颈上，并利用紧定装置5，限定轴承相对于测试用轴3的位移；测试用轴3 —端轴的颈上，安装径向限定装置2，并把径向限定装置2也安装在刚性支座I上，这样就组建成了测试用轴一被测轴承一刚性支座的物理系统；
请参阅图6测量轴承轴向刚度的有限元模型示意图，它对应于测试用轴一被测轴承一刚性支座的物理系统；
请参看图7测量轴承轴向刚度的单自由度振动模型示意图，它对应于测量轴承轴向刚度的有限元模型，通过该模型，可以构建轴承轴向刚度Ka与测试用轴一阶轴向振动固有频率f的函数关系；
运用振动测试系统，在测试用轴一被测轴承一刚性支座物理系统中，测量测试用轴的一阶轴向振动固有频率；
测试用轴上可安装轴承预紧装置，测量不同预紧状态下的轴承轴向刚度；
测试用轴端部，通过电磁铁施加非接触式的径向力，或者通过柔性绳、柔性弹簧等柔性接触的方式施加轴向力，以测量不同轴向载荷下的轴承径向刚度。实施例I :径向刚度计算方法的验证
模型材料密度7850 Kg/m3,弹性模量2E+llPa，泊松比O. 3，模型结构请参看图4实施例I的模型结构主要参数，单位是毫米。建立结构的有限元模型，求解不同弹簧刚度下的测试用轴一阶横向振动固有频率，部分计算结果如表I所示
表I :
刚度 Kr(N/m) llE+07 I2E+07 I3E+07 I4E+07 I5E+07 I6E+07 I7E+07 I8E+07 I9E+07 llE+08频率 f (Hz) |98· 55 |l37. 56 | 66· 32 | 89· 64 !209. 41 \22&. 62 \24 . 87 !255. 56 \2& . 96 \279. 93
利用表1，拟合频段98. 55 279. 93 Hz之间的刚度与频率的关系，这里采用幂函数拟合，拟合函数为1=209. 06206 Xf2-31959 ；
现设弹簧刚度为87654321N/m，计算出测试用轴一阶横向振动固有频率为265. 04Hz。假设弹簧刚度未知，采用拟合函数来计算弹簧刚度值，则1=209 . 06 2 06 X 26 5 . 042_31959=87370368. 78 N/m,与 87654321N/m 相比误差约为 O. 32%。实施例2 :轴向刚度计算方法的验证
模型材料密度7850 Kg/m3,弹性模量2E+llPa，泊松比O. 3，模型结构请参看图8实施例2的模型结构主要参数，单位是毫米。结构质量M为16. 757Kg，建立结构的有限元模型，设弹簧刚度为lE+6N/m，计算出测试用轴一阶轴向振动固有频率为38. 897 Hz0现假设弹簧的刚度未知，采用公式计算弹簧刚度值，则Ka=4 π 2f2M=4 π 2 X 38 . 89 72 X 16 . 7 5 7=100 0 8 94. 3IN/m，与lE+6N/m相比误差约为O. 09%。
权利要求
1.轴承径向刚度和轴向刚度的动力学测量方法，其特征在于测量轴承径向刚度时，包括以下步骤 步骤1.1:确定轴承径向刚度与测试用轴一阶横向振动固有频率f的函数关系Kr=Kr(f)； 步骤I. 2 :组建测试用轴--被测轴承--刚性支座的物理系统； 步骤I. 3 :测量测试用轴的一阶横向振动固有频率，设测量值为& Hz ； 步骤I. 4 :按照公式计算轴承的径向刚度，公式为&= Kr (f0)。
2.根据权利要求I所述的轴承径向刚度和轴向刚度的动力学测量方法，其特征在于步骤I. I进一步包括以下步骤 步骤I. I. I :建立以弹簧单元为支撑的测试用轴的有限元模型；· 步骤I. I. 2 :设置弹簧单元刚度I ； 步骤I. I. 3 :求解测试用轴的一阶横向振动固有频率f ； 步骤I. I. 4 :改变弹簧单元刚度&，重复步骤I. I. 2和I. I. 3，得到一系列&、f数对； 步骤I. I. 5 :构建&与f的函数关系。
3.根据权利要求I所述的轴承径向刚度和轴向刚度的动力学测量方法，其特征在于步骤I. 2中，测试用轴的两端分别安装被测轴承，被测轴承安装在刚性支座上。
4.根据权利要求I所述的轴承径向刚度和轴向刚度的动力学测量方法，其特征在于步骤I. 2中，在测试用轴中部通过电磁力等柔性接触方式施加径向力，以测量不同径向力下轴承的径向刚度。
5.根据权利要求I所述的轴承径向刚度和轴向刚度的动力学测量方法，其特征在于步骤I. 2中，被测轴承可以加装预紧装置，但要求两端的被测轴承处于同样的预紧状态，以测量不同预紧力下轴承的径向刚度。
6.轴承径向刚度和轴向刚度的动力学测量方法，其特征在于测量轴承轴向刚度时，包括以下步骤 步骤2. I :求出测试用轴的质量M ; 步骤2. 2 :组建测试用轴一被测轴承一刚性轴承座的物理系统； 步骤2. 3 :测量测试用轴的一阶轴向振动固有频率，设测量值为f Hz ； 步骤2. 4 :按照公式计算轴承的径向刚度，公式为Ka=4 π 2f2M。
7.根据权利要求6所述的轴承径向刚度和轴向刚度的动力学测量方法，其特征在于步骤2. 2中，测试用轴的一端安装被测轴承，另一端仅需限定径向位移、允许轴向位移，测试用轴和被测轴承安装在刚性支座上。
8.根据权利要求7所述的轴承径向刚度和轴向刚度的动力学测量方法，其特征在于测试用轴仅需限定径向位移、允许轴向位移的一端，可安装无挡边的圆柱滚子轴承。
9.根据权利要求6所述的轴承径向刚度和轴向刚度的动力学测量方法，其特征在于步骤2. 2中，在测试用轴上通过电磁力等柔性接触方式施加轴向力，以测量不同轴向力下轴承的轴向刚度。
10.根据权利要求6所述的轴承径向刚度和轴向刚度的动力学测量方法，其特征在于步骤2. 2中，被测轴承上可加装预紧装置，以测量不同预紧力下轴承的轴向刚度。
11.根据权利要求6所述的轴承径向刚度和轴向刚度的动力学测量方法，其特征在于步骤2. 2中，测试用轴的两端分别安装被测轴承，被测轴承安装在刚性支座上，同时，步骤 .2.4中，采用公式Ka=2 π 2f2M。
全文摘要
本发明属于机械测量技术领域，可用于测量轴承的径向刚度和轴向刚度。测量原理基于轴承刚度与测试用轴振动固有频率之间的关系。测轴承径向刚度时，先求出轴承径向刚度与测试用轴一阶横向振动频率的函数关系，再组建测试用轴--被测轴承--刚性支座物理系统，然后测量测试用轴的一阶径向振动固有频率，最后根据振动固有频率与轴承径向刚度之间的函数关系，计算出轴承的径向刚度；测轴承轴向刚度时，先求出测试用轴的质量，再组建测试用轴—被测轴承—刚性支座物理系统，然后测量测试用轴的一阶轴向振动固有频率，最后根据振动固有频率与轴承轴向刚度之间的关系，计算出轴承轴向刚度。
文档编号G01M13/04GK102889990SQ20121035438
公开日2013年1月23日 申请日期2012年9月22日 优先权日2012年9月22日
发明者马会防, 谌勇, 华宏星 申请人:马会防