СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СИЛ, ДЕЙСТВУЮЩИХ НА ПОДШИПНИК КАЧЕНИЯ ПРИ СТАТИЧЕСКОМ И ДИНАМИЧЕСКОМ НАГРУЖЕНИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕНЗОДАТЧИКОВ СОПРОТИВЛЕНИЯ
METHOD OF MEASURING EFFORT APPLIED TO BEARING WITH STATIC AND DYNAMIC LOADING USING STRAIN GAUGES

Изобретение относится к способам измерения осевых и радиальных сил, воздействующих на работающий подшипник качения. Изобретение может найти применение во всех узлах, имеющих подшипники качения.
Известен способ измерения осевого усилия тензометрическими кольцами («Основы конструирования авиационных двигателей и энергетических установок» авторы А.А. Иноземцев, М.А. Нихамкин, В.Л. Сандрацкий. - М.: машиностроение, 2008. - Т. 1. - 201 с.) располагаемыми с обеих сторон радиально-упорного подшипника качения. Тензометрические кольца представляют собой плоские упругие кольца с упорными площадками. На плоских поверхностях между опорными выступами устанавливаются тензодатчики. При приложении осевого усилия на опорные выступы происходит деформация площадок с тензодатчиками с появлением сжимающих напряжений с одной стороны площадки и растягивающих - с другой. Показания по указанным деформациям градуируют на технологической установке. Основным недостатком указанного способа является необходимость использования технологической опоры в двигателе, в которой следует установить тензометрические кольца, что значительно увеличивает массу опоры, и дает возможность измерения только осевой силы.
Наиболее близким к изобретению является способ измерения радиальных сил, действующих на подшипник качения при статическом и динамическом нагружении с использованием тензодатчиков сопротивления (авторское свидетельство №212594, опубл. 29.11.1968, бюл. №9, МПК G01M 13/04), при котором тензодатчики установлены на неподвижном кольце подшипника. Основным недостатком данного способа является отсутствие возможности измерения осевых нагрузок, т.к. данное расположения тензодатчиков позволяет выполнять измерения только радиальных нагрузок.
Техническим результатом, на достижение которого направлено изобретение, является возможность одновременного измерения как радиальной, так и осевой сил, воздействующих на радиально-упорный подшипник качения, с использованием градуировочных коэффициентов.
Технический результат достигается тем, что в способе измерения сил, действующих на подшипник качения при статическом и динамическом нагружении с использованием тензодатчиков сопротивления, при котором тензодатчики установлены на наружной посадочной поверхности неподвижного кольца подшипника, в отличие от известного, тензодатчики устанавливают на наклонные к оси вращения подшипника участки наружной посадочной поверхности неподвижного кольца, при этом для тензодатчиков выполняют градуировку усилий, соответствующих рабочим частотам вращения, нагрузкам и тепловому состоянию подшипника при работе в узле.
На фигурах показаны:
Фиг. 1 - пример схемы расположения тензодатчиков.
Фиг. 2 - пример спектра амплитудно-частотной характеристики динамических напряжений на одной из частот вращения ротора.
Фиг. 3 - пример зависимости динамических напряжений от осевого усилия.
Способ осуществляется следующим образом.
На неподвижном кольце, под углом к оси вращения выполняются пазы, в которые устанавливаются тензодатчики сопротивления. Для тензодатчиков выполняется градуировка усилий для определения градуировочных коэффициентов.
Для повышения точности градуировки, например, на технологической установке или в составе двигателя, режимы градуировки должны соответствовать рабочим частотам вращения, нагрузкам и тепловому состоянию подшипников при работе в узле.
При градуировке по результатам измерений динамических напряжений в каждый момент времени получают амплитудно-частотную характеристику, в которой полезными сигналами являются амплитуды напряжений на частотах прокатывания тел качения по дорожкам качения наружных колец.
Градуировочный коэффициент для усилия определяется при сопоставлении амплитуды напряжений на частоте прокатывания тел качения и эталонным усилием на технологической установке в каждый момент времени.
Пример.
С помощью динамического тензометрирования выполняется измерения, например, осевого усилия в стендовых условиях на двигателе при проведении предварительных испытаний (фиг. 1). Величины измеряемых осевых нагрузок определяются по записям на контрольно-измерительную аппаратуру величины динамических напряжений, измеренных тензодатчиками, расположенными на наружном кольце подшипника.
Перед проведением испытаний подшипник дорабатывается: в наружном кольце подшипника на посадочной поверхности под углом к оси вращения выполняются пазы, в которые устанавливаются тензодатчики, которые размещаются в зоне наибольших расчетных напряжений, определенных на основании 3D математического моделирования напряженно-деформированного состояния наружного кольца.
Для определения зависимости между показаниями тензодатчиков и величиной осевого усилия перед испытаниями в составе ГТД выполняется градуировка. Градуировка показаний тензодатчиков осуществляется на специальной технологической установке в диапазоне рабочих частот вращения ротора ГТД и в диапазоне ожидаемых величин осевого усилия. Градуировка тензодатчиков выполняется в два этапа: при действии осевого усилия, как в сторону компрессора, так и в сторону турбины. Для повышения точности градуировки напряжения, записанные всеми тензодатчиками, усредняются.
По результатам градуировки строится зависимость динамических напряжений с частотой прокатывания шаров от осевого усилия (фиг. 2, фиг. 3) и далее определяется линейный градуировочный коэффициент (К). Для тензодатчиков со стороны компрессора и со стороны турбины определяются свои градуировочные коэффициенты. В процессе проведения градуировки, для каждого отдельного подшипника определяется свой градуировочный коэффициент.
По результатам измерений динамических напряжений в каждый момент времени получают амплитудно-частотную характеристику, в которой полезным сигналом является амплитуда напряжений на частоте прокатывания шариков по наружной обойме. Амплитуда динамических напряжений с частотой прокатывания шаров пропорциональна величине осевой нагрузки. По полученной амплитуде, с помощью градуировочного коэффициента, вычисляется действующее осевое усилие на подшипник в каждый момент времени и направление его действия. При этом погрешность измерений осевого усилия не превышает 10%.
Таким образом, данное техническое решение позволяет выполнить измерения с использованием градуировочных коэффициентов, как осевой силы, воздействующей на радиально-упорный подшипник качения, так и радиальной.