工程機(jī)械用滑動軸承徑向載荷測試方法研究

閆玉平　朱永生　張優(yōu)云　錢思思

摘要：針對傳統(tǒng)軸銷式傳感器不能測量滑動軸承變方向徑向載荷的缺點，基于力的正交效應(yīng)，提出一種新的測試方法，消除兩個正交分力的相互影響，并且設(shè)計出相應(yīng)的新型軸銷式傳感器，解決工程機(jī)械用滑動軸承變方向徑向載荷的測量問題。通過數(shù)字仿真和試驗結(jié)果驗證方法的有效性和可行性。

關(guān)鍵詞：滑動軸承；軸銷式傳感器；力的正交效應(yīng)；工程機(jī)械

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-5124（2015）01-0009-04

0引言

軸承工作載荷是進(jìn)行軸承設(shè)計、疲勞分析與計算、室內(nèi)模擬實驗、磨損研究、可靠性設(shè)計的重要依據(jù)，也是編制軸承載荷譜的基礎(chǔ)。對于工程機(jī)械用滑動軸承，在工作過程中大多承受隨機(jī)載荷的作用。作為回轉(zhuǎn)支撐部件的滑動軸承，其載荷大小及方向隨所支撐部件的位置時刻改變，因此，直接測試軸承徑向載荷存在困難。

軸銷是工程機(jī)械裝置中最常見的零件，工程機(jī)械的可動部分大多采用軸銷作為支撐及傳力零件，其受力直接反映各個臂架連接處軸承的受力，通過測試軸銷的受力可以得到軸承的載荷。

傳統(tǒng)的測試軸銷受力方法是把機(jī)械裝置中的軸銷改造為應(yīng)變式測力傳感器，即軸銷式傳感器。這種方法能把許多原本困難的測力問題變得極為簡單，而又不需要改變結(jié)構(gòu)和增加零件。根據(jù)不同用途，將軸銷式傳感器安裝在兩個結(jié)構(gòu)連接處，既起到替代原有軸銷的功能，又起到測力傳感器的作用，從而使整個測力系統(tǒng)的機(jī)械部件大大簡化。因此，軸銷式傳感器在機(jī)械行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用。但目前的軸銷式傳感器只能測量單一方向的載荷，而對變方向載荷的測量無能為力。然而工程機(jī)械在工作過程中總是承受多方向復(fù)雜的隨機(jī)載荷，載荷方向作為力的三要素之一，在實際應(yīng)用中也必不可少。因此，傳統(tǒng)的軸銷式傳感器在工程機(jī)械測力方面的應(yīng)用受到極大的限制。

本文針對傳統(tǒng)軸銷式傳感器不能測量滑動軸承變方向徑向載荷的問題，基于力的正交效應(yīng)，提出一種新的測試方法。

1測試原理

軸銷式傳感器是一個承載器與傳感器合二為一的集成化結(jié)構(gòu)，它主要由兩部分組成，一部分是彈性敏感元件，利用它把被測的載荷轉(zhuǎn)換為彈性體的應(yīng)變值；另一部分是電阻應(yīng)變片，它作為變換元件將彈性體的應(yīng)變同步轉(zhuǎn)換為電阻值的變化。由于作用于軸銷上的力的大小和方向是變化的，因此必須測量兩個相互垂直方向的力信號，才能得到作用于軸銷上的徑向力的大小及方向。傳感器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，應(yīng)變片粘貼在距軸銷一端為L₁處，4個應(yīng)變片沿圓周方向均布，且應(yīng)變片均沿軸向粘貼。為了避免開槽帶來的麻煩，如果結(jié)構(gòu)強(qiáng)度允許，也可將傳感器做成空心結(jié)構(gòu)，將應(yīng)變片粘貼在空心內(nèi)部。

軸銷式傳感器可以簡化為兩端簡支中間受集中載荷p作用的梁，其力學(xué)模型如圖2所示。

當(dāng)載荷方向固定時，徑向力p與傳感器相應(yīng)橋路輸出的總應(yīng)變s是正比例關(guān)系，即p=kε₀對于兩個相互正交的方向x、y，系數(shù)k分別記為k₁與k₂，即兩個正交分力p₁、p₂分別為

p₁=k₁·ε_x，p₂=k₂2·ε_y

當(dāng)載荷方向變化時，傳感器同時受兩個相互正交的載荷作用（如圖3所示），由于這兩個正交分力相互影響，導(dǎo)致實際測出的兩個正交分力中都分別混雜有正交方向分力所引起的正交效應(yīng)力，如下式所示：

F₁=p₁+k₁₂p₂=k₁ε_x+k₁₂k₂ε_y=k₁（ε_x+ε_xy）

F₂=p₂+k₂₁p₁=k₂ε_y+k₂₁k₁ε_x=k₂（ε_y+ε_yx）

（1）式中：F₁、F₂——實測得出的兩個分力；

k₁₂——p₂：在其正交方向引起的正交效應(yīng)系數(shù)；

k₂₁——p₁在其正交方向引起的正交效應(yīng)系數(shù)；

ε_xy——p₁、p₂同時作用時2方向分力引起的1方向橫向應(yīng)變；

ε_yx——P₁、p₂：同時作用時1方向分力引起的2方向橫向應(yīng)變。

為了消除正交效應(yīng)的影響，必須對兩個正交方向的總應(yīng)變分別記錄并做相應(yīng)處理，求出k₁₂與k₂₁，并將k₁₂和k₂₁代入式（1），即可求出：式中：ε_x+ε_xy——傳感器在1方向的輸出應(yīng)變（包含2方向分力引起的1方向橫向應(yīng)變ε_xy）；

ε_y+ε_yx——傳感器在2方向的輸出應(yīng)變（包含1方向分力引起的2方向橫向應(yīng)變ε_yx）。

得到兩個正交分力p₁、p₂之后，就可以合成總的徑向力。進(jìn)一步可以確定徑向力的作用方向。

由于軸銷式傳感器本身就是一個彈性元件，既沒有保護(hù)外殼，又沒有加載壓頭和承載底座，因此在標(biāo)定與測試時，應(yīng)該采用與實際安裝使用時相同的邊界支撐，最好就是同一個支撐。為了獲得兩個正交方向的信號并進(jìn)行溫度補償，采集應(yīng)變時，4個應(yīng)變片被分成兩組，位置相對的應(yīng)變片為一組，每組應(yīng)變片組成一個半橋，電橋的輸出為兩個應(yīng)變片的應(yīng)變之差。

2傳感器系數(shù)及載荷獲取方法

現(xiàn)場測試前需要對軸銷式傳感器進(jìn)行標(biāo)定（即獲取式（1）中的系數(shù)k₁、k₂、k₁₂、k₂₁），傳感器標(biāo)定試驗在試驗機(jī)上加載進(jìn)行，方法流程具體如下。

2.1k₁，k₂的標(biāo)定方法

采用與實際安裝使用時相同的邊界支撐將軸銷式傳感器兩端固定，在實際受力位置施加徑向載荷。當(dāng)x、y方向分別單獨受力的作用時，對傳感器進(jìn)行標(biāo)定。也就是說，只在傳感器的x方向施加一組力p₁[i]，得到x方向的一組相應(yīng)的總應(yīng)變ε_x[i]=ε₁[i]-ε₃[i]，用Matlab對ε_x[i]與p₁[i]司進(jìn)行擬合，得到系數(shù)k₁。同理，對y方向進(jìn)行相同的處理，得到系數(shù)k₂。則有：

2.2正交效應(yīng)系數(shù)k₁₂、k₂₁的標(biāo)定方法

采用與實際安裝使用時相同的邊界支撐將軸銷式傳感器兩端固定，在實際受力位置施加大小不變、方向變化的徑向載荷F（i），沿圓周方向，從0°開始，每隔若干度加載一次（如圖4所示），分別提取x、y方向相應(yīng)的應(yīng)變，記z方向的應(yīng)變（包含2方向分力引起的1方向橫向應(yīng)變ε_xy）（ε_x+ε_xy）=ε₁-ε₃方向的應(yīng)變（包含1方向分力引起的2方向橫向應(yīng)變ε_yx）（ε_y+ε_yx）=ε₂-ε₄，根據(jù)式（3）標(biāo)定結(jié)果，計算兩個方向?qū)崪y載荷值：

由于測到的應(yīng)變中已經(jīng)包含了正交效應(yīng)的影響，所以實測載荷和真實載荷并不相等。又由于x、y兩個方向的真實載荷值為

因此根據(jù)式（1），結(jié)合式（4）、式（5），可得到k₁₂：與k₂₁的求解公式，如下式所示：

2.3兩個正交方向的真實載荷p₁、p₂的計算

通過上面兩步得到傳感器的4個系數(shù)之后，便可以根據(jù)式（2）計算兩個正交方向的分力p₁、p₂。

2.4徑向載荷計算

根據(jù)兩個正交分力p₁、p₂計算總的載荷F，并進(jìn)一步確定徑向力作用線與x軸方向的夾角θ。對于徑向力角度的確定，首先根據(jù)實測應(yīng)變的符號判斷載荷所處的象限，然后根據(jù)反正切公式計算其作用角度。

3ANSYS仿真

為驗證上述方法的可行性，對圖1所示的實心軸銷式傳感器，用ANSYS建立仿真模型。模型中，軸銷兩端固定，中間承受徑向載荷F，提取出圖1所示的4個應(yīng)變片所在位置節(jié)點的應(yīng)變值，采用上述方法，首先求解4個系數(shù)，然后計算軸銷承受的徑向載荷F及載荷作用角度θ，最后將計算結(jié)果與已知徑向力進(jìn)行對比，得到計算結(jié)果的相對誤差。

現(xiàn)以L=198 mm.D=60 mm、L₁=33mm為基本參數(shù)的軸銷為例進(jìn)行仿真計算，軸銷模型沿圓周方向劃分40個單元，仿真結(jié)果如圖5～圖8所示。

4試驗驗證

1）為了進(jìn)一步驗證本方法的可行性，結(jié)合某型號混凝土泵車臂架軸承用軸銷的具體結(jié)構(gòu)設(shè)計并制造了軸銷式傳感器。按照本文所述方法流程在全自動疊加式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)上對傳感器進(jìn)行了標(biāo)定和驗證。試驗時軸銷式傳感器采用與實際安裝使用時相同的邊界支撐，徑向力的大小通過液壓自動控制，徑向力方向的變化通過轉(zhuǎn)動軸銷傳感器來間接實現(xiàn)。為了保證徑向力角度的精度，在傳感器的一個端面加工了角度刻線。用DEWETRON應(yīng)變儀采集與每一個徑向力對應(yīng)的電橋電路的輸出。試驗后用Maflab處理試驗數(shù)據(jù)，得到了傳感器的4個系數(shù)后k₁、k₂、k₁₂、k₂₁。

2）計算相應(yīng)的正交分力p₁和p₂，最終根據(jù)p₁和p₂計算徑向力大小F及其作用角度θ。本次試驗中徑向力分別控制在50，30，20t3個載荷量級，沿圓周方向每隔30°加載一次，試驗結(jié)果如圖9～圖12所示。

試驗結(jié)果表明，本文所提出的測試方法能夠解決滑動軸承變方向徑向載荷測量問題。徑向力大小計算誤差在8%以內(nèi)，角度計算誤差在4%以內(nèi)，兩者都能滿足工程領(lǐng)域中的測力準(zhǔn)確度要求，證明了本方法的可行性。

5結(jié)束語

本文提出的工程機(jī)械用滑動軸承徑向載荷測試方法考慮了兩個正交方向分力的相互影響，克服了傳統(tǒng)軸銷式傳感器不能測量變方向載荷的缺點，擴(kuò)大了軸銷式傳感器在工程機(jī)械測力方面的應(yīng)用范圍。數(shù)字仿真和試驗結(jié)果均表明，本方法是有效可行的，能夠滿足工程領(lǐng)域中的測力精度要求。