一种弹性支承轴承套圈的径向刚度检测装置

时可可，张帅军，孟艳艳，康延辉，王典仁

(1. 洛阳LYC轴承有限公司，河南 洛阳 471039;2.航空精密轴承国家重点实验室，河南 洛阳 471039)

弹性支承轴承是一种能够起柔性支承作用并确保两结构部件相对旋转的机械元件，广泛应用于航空航天等精密机械装备的关键部位。套圈的径向刚度指标是弹性支承轴承的重要特性[1-4]，关系到配套主机能否安全可靠地运行，因此，需要对此类轴承套圈的径向刚度进行准确检测。

对于弹性支承轴承套圈径向刚度的检测，目前在国内还没有相关的检测标准和仪器，大多数研究只是针对单套或组配轴承径向刚度的理论分析及计算求解等方面[5-8]，而针对单套弹性支承轴承，尤其是对带外安装边弹性支承轴承套圈径向刚度的研究还不多见。因此，针对此类轴承套圈径向刚度的检测，提出一种检测方案并设计了相应检测装置。

1 检测方案

弹性支承轴承通常应用于航空发动机的关键部位，经常在承受交变载荷的工况下进行服役。一种带外安装边的弹性支承轴承套圈如图1所示，轴承套圈具有悬臂结构且带有外安装边。悬臂部分除了拥有普通轴承的外径、外内径和外沟结构以外，还具有一定数量的弹性梁结构，与外安装边相连接；安装边上则非均匀分布着大小不一的安装孔。

图1 带外安装边的弹性支承轴承套圈

分析可知，该套圈的刚度类型为弯曲刚度和径向刚度，为确保轴承在交变载荷工况下满足正常工作需求，必须对套圈的径向刚度指标进行准确检测。根据带外安装边弹性支承轴承套圈的结构特性，结合刚度理论提出了一种径向刚度检测方案，即利用径向载荷与相应变形量的比值关系获取径向刚度，理论径向刚度计算公式为

K=F/δ，

式中：K为被测工件的径向刚度；F为被测工件承受的径向载荷；δ为被测工件在相应载荷下所产生的位移量。

2 检测装置

基于上述检测方案，设计的弹性支承轴承套圈径向刚度检测装置如图2所示。该检测装置由基础部件(底座和立板)、固定部件(定位盘及所用螺钉螺母)、加载部件(加载、挂盘组件)和测量部件(表、表架)组成。该检测装置可实现600 N承载下的稳定检测，位移量测量精度高达0.5 μm，具有较高稳定性和重复性，可以满足外径D≤200 mm轴承套圈径向刚度的精密测量。

图2 弹性支承轴承套圈径向刚度检测装置

固定部件的功能是利用定位盘、内六角螺钉及螺母将被测轴承套圈带安装边的一端固定在立板上。定位盘结构如图3所示，为中心具有阶梯通孔的环状结构，且圆周均布8个安装孔。

加载部件的功能是利用加载组件和挂盘组件实现在被测轴承套圈自由端进行加载，从而通过测量表检测相应载荷下产生的径向变形量。加载组件由上、下半环组成，其结构如图4所示，上半环的顶面为测量表测量变形量用的接触平面，下半环上具有为挂盘组件承载用的通孔。在加工上、下半环的内径面时，需要进行特殊工艺处理，防止加载时对被测轴承套圈外径面产生损伤。挂盘组件由挂钩、承盘和载荷块组成，其结构如图5所示。

图3 定位盘

图4 加载组件

图5 挂盘组件

3 实际测量及应用

通过上述对检测装置的介绍，特针对某型号带有外安装边的弹性支承轴承套圈进行实际测量和应用。实际测量过程可分为放置、安装加载和测量，即首先将检测装置的基础部件平稳放置在平台上；其次完成被测轴承套圈与固定部件以及加载部件的固定安装；最后逐步施加载荷进行测量并记录测量数据。具体操作步骤如下：

1)将检测装置放置在水平台面上，适当凸出平台，使加载组件与检测装置及周围环境不发生干涉，并安放配重以保证检测装置在使用过程中保持稳定。

2)将定位盘的台阶面紧贴被测轴承套圈的安装边台面，并用8个内六角螺钉及螺母将其固定在立板上。

3)将加载组件的上、下半环安装在被测轴承套圈的自由端外径面部位，调整加载组件的外侧端面，使其与被测轴承套圈的自由端面平齐，同时保证加载组件上半环的顶面保持水平，并用螺钉螺母进行适当紧固。

4)将测量表架安装在立板上端，使测量表架上高精度测量表的表尖与加载组件上半环顶面相接触。

5)将挂盘组件悬挂于加载组件下半环的挂孔中，在承盘上平稳放置载荷块，调整测量表使其接近自然量程零位并调零。

6)在上述基础上进行依次加载至100，200，300，400，500 N，加载过程中要求依次平稳增加载荷块，待载荷及测量表示值稳定后，记录相应载荷下的位移量。

7)完成1次完整测量后，依次平稳取下所有施加的载荷块和挂盘，并取下测量表和加载组件，使被测轴承套圈静置进行弹性自然恢复。

8)依次松开固定被测轴承套圈和定位盘的螺钉及螺母，使被测套圈可自由转动。随后将被测套圈依次旋转一定角度，并按照上述步骤进行安装、加载和测量，最终完成3次或多次测量，计算平均值得到实际刚度。

依照上述步骤对某型号弹性支承轴承套圈的刚度进行测量和计算，具体结果见表1。由表1可知：相应载荷下测得的径向刚度值都非常接近且均位于理论刚度值范围((3.2±0.15)×107N/m)内，可以判定该套圈的径向刚度指标合格；同时可以看出载荷与位移量间存在一定的线性关系，即随着套圈承受载荷量的增大，变形量按一定的比例系数随之增大，比例系数即是刚度值。

表1 不同载荷下的径向刚度测量结果

4 结束语

通过对带有外安装边弹性支承轴承套圈结构的分析，结合刚度理论设计了该类型套圈的径向刚度检测装置。对某型号弹性支承轴承套圈径向刚度的实际测量结果表明：该检测装置结构简单，操作简捷，测量准确，重复性及稳定性较高，解决了现有带外安装边的弹性支承轴承套圈径向刚度的检测技术难题。