CN115014760A - 平坦应变型轴向压力传感器转换弹性体 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种平坦应变型轴向压力传感器转换弹性体，包括环形本体，环形本体的两个环形表面分别设有若干用于承受轴向力挤压的凸台，凸台的周向截面为等腰曲边梯形。本发明通过转换弹性体上等腰曲边梯形凸台结构设计，使得环状弹性体横截面形状发生变化，其截面惯性矩变化规律与环上受力时弯矩的变化规律一致；在测力弹性体表面上的应变具有不变的特点。这种较宽的应变平坦区，为粘贴应变传感器提供极大便利，使得应变传感器上不会出现非均匀应力，从而极大提高了应变传感器的测量精度，更有利于高精度轴向力传感器的设计开发。
Description
技术领域
本发明涉及机械测量领域，具体涉及一种平坦应变型轴向压力传感器转换弹性体。
背景技术
轴承是航空发动机、燃气轮机等众多旋转装备的关键支撑部件，其性能直接决定装备的使用寿命和可靠性。轴承所受轴向力过大，会造成轴承腔温度升高、接触应力过大，严重缩短轴承寿命；若轴向力过小或换向，会造成轻载打滑、滑蹭或冲击损伤，严重时造成设备停车事故。如何实现在狭小的轴承安装空间内实现大量程、高精度轴向力测量已成为制约旋转机械研制、改进的一项关键技术。
目前广泛采用的轴承轴向力监测方法为测力环法，其本质上是将应变传感器固定在一种结构如图1a和图1b所示的环形转换弹性体上，其中图1b为图1a的仰视图。当环形转换弹性体两侧挤压时，其受力情况类似于简支梁，两个相邻支撑点间产生变形，粘贴在环上的应变传感器感受压力作用带来的变形，从而反映轴向力的变化。这种两端支撑，中间受压的等截面简支梁，其上应变沿周向并非均匀分布，而是具有中间高，两侧低的特点。在测量20kN以下载荷时，这种非均匀应变对测量结果影响不大，但是随着载荷的不断增大，凸台数量增多，应变梯度急剧增大，严重影响测量精度。
为了消除应变梯度影响，现有技术还提供了一种双凸台测力环。这种结构在两凸台之间有一小段应变平坦区，实现了40kN载荷、2％误差水平的测量。但是受结构尺寸限制，双凸台测力环想要进一步扩大应变平坦区，进而增大量程十分困难。
发明内容
本发明主要目的在于：提供一种平坦应变型轴向压力传感器转换弹性体，能够提供较大的等应变区。
本发明所采用的技术方案是：一种平坦应变型轴向压力传感器转换弹性体，包括环形本体，环形本体的两个环形表面分别设有若干用于承受轴向力挤压的凸台，凸台的周向截面为等腰曲边梯形。
按上述方案，所述的等腰曲边梯形包括一条与所述环形表面重合的长边，一条与所述长边平行的短边，短边的两端分别设有与长边两端对应连接的两腰，两腰为相互对称的曲线。
按上述方案，位于同一环形表面的凸台沿圆周均匀分布，称为一组；分设在环形本体两个环形表面共有两组凸台；两组凸台交错分布，且任意某个凸台的中心位于其相反表面相邻凸台的正中间。
按上述方案，每个凸台对应的环形本体的圆心角为30～60度。
按上述方案，每个凸台的形状、大小、高度均相等。
按上述方案，凸台各个截面处的截面惯性矩与该处的弯矩比值为定值。
按上述方案，所述环形本体的侧面设有防转销钉孔。
一种轴向压力传感器，它包括所述的平坦应变型轴向压力传感器转换弹性体，在环形本体的其中一个环形表面上、每相邻的凸台之间均布置有应变传感器，应变传感器相互串联。
按上述轴向压力传感器，每个所述的应变传感器与环形本体的圆心距离相等。
本发明产生的有益效果是：通过转换弹性体上等腰曲边梯形凸台结构设计，使得环状弹性体横截面形状发生变化，其截面惯性矩变化规律与环上受力时弯矩的变化规律一致。根据材料力学原理，梁表面的应变大小由
(其中ε为应变，M为梁上弯矩，I为截面惯性矩，E为弹性体材料的弹性模量，y为离弹性体中性层垂直方向的距离)决定。因而，在测力弹性体表面上的应变具有不变的特点。这种较宽的应变平坦区，为粘贴应变传感器(比如应变片)提供极大便利，使得应变传感器上不会出现非均匀应力，从而极大提高了应变传感器的测量精度，更有利于高精度轴向力传感器的设计开发。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1a是传统测力环转换弹性体的结构示意图。
图1b是图1a的仰视图。
图2为本发明一实施例的结构立体图。
图3a为本发明一实施例的仰视图。
图3b为本发明一实施例的主视图。
图3c为图3b的局部放大图。
图3d为本发明一实施例的俯视图。
图4a为本发明一实施例受力时的弯矩分布图。
图4b为传统测力转换弹性体受力时表面的应变分布图。
图4c为本发明一实施例受力时表面的应变分布图。
图5为本发明一实施例的传感器安装示意图。
图中：1-环形本体，2-凸台，201-第一凸台，202-第二凸台，203-第三凸台，2031-短边，2032-长边，2033-腰，3-连接线缆，4-应变传感器。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图2至图3d所示，本发明提供一种平坦应变型轴向压力传感器转换弹性体，包括环形本体1，环形本体1的两个环形表面分别设有若干用于承受轴向力挤压的凸台2，凸台2的周向截面为等腰曲边梯形。位于同一环形表面的凸台2沿圆周均匀分布，称为一组；分设在环形本体1两个环形表面共有两组凸台2；两组凸台2交错分布，且任意某个凸台2的中心位于其相反表面相邻凸台2的正中间。例如图3a、图3b和图3d所示，第一凸台201与第二凸台202是位于同一表面相邻的凸台2，第三凸台203位于其相反表面、第一凸台201与第二凸台202之间的正中间。第三凸台的结构如图3c所示，包括一条与所述环形表面重合的长边2032，一条与所述长边2032平行的短边2031，短边2031的两端分别设有与长边2032两端对应连接的两腰2033，两腰2033为相互对称的曲线，曲线使得凸台2两侧厚度逐渐减小至环形本体1上。
每个凸台2对应的环形本体1的圆心角为30～60度。每个凸台2的形状、大小、高度均相等。
凸台各个截面处的截面惯性矩与该处的弯矩比值为定值。
为了便于安装在轴承上，所述环形本体的侧面设有防转销钉孔。
当转换弹性体受到沿着圆环轴线方向的挤压力时，第一凸台201、第三凸台203、第二凸台202即可形成一组简支梁，其中第一凸台201、第二凸台202为简支梁的两个支撑点，第三凸台203为压力点。这段简支梁受力弯矩分布参看图4a。
当第一凸台201和第三凸台203之间的距离为L时，图4a中，x轴代表距第一凸台201的位置，y轴代表所受弯矩M的大小，在0至L/2范围内，测力弹性体承受的弯矩为：
即在轴向力P，凸台个数n、相邻两凸台之间距离L一定时，两相邻凸台之间的弯矩M与位置x成正比例变化。
在一实施例中，环形转换弹性体两侧相邻两凸台即第一凸台201、第三凸台203、第二凸台202采用等腰曲边梯形结构(上下两边为平行直线，左右两腰为对称曲线)。两腰底部延伸至环形转换弹性体上下两表面相邻两凸台的中点处，使得该区域环形本体1截面惯性矩变化和弯矩变化一致，根据材料力学中弯曲应变计算方法：
可知，应变将保持不变，从而使转换弹性体表面的应变变化平稳，其应变变化如图4c所示。传统测力转换弹性体受力时表面的应变分布图参看图4b，通过图4b与图4c对比，明显发现本发明的应变变化非常平稳，使得应变传感器上不会出现非均匀应力。
由于制造加工及载荷的问题，将变化简化为凸台处后，向两边延伸变薄，环形转换弹性体两侧面相邻凸台之间的中点处最薄。
一种轴向压力传感器，如图5所示，它包括所述的平坦应变型轴向压力传感器转换弹性体，在环形本体1的其中一个环形表面上、每相邻的凸台2之间均布置有应变传感器4，应变传感器4通过连接线缆3串联。
本实施例中，每个所述的应变传感器4与环形本体1的圆心距离相等。
本实施例中，平坦应变型轴向压力传感器转换弹性体的材料为40CrNiMoA。应变传感器4可以是应变片，连接线缆3为电缆；或者应变传感器4为光纤光栅，连接线缆3为光纤。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (9)
1.一种平坦应变型轴向压力传感器转换弹性体，其特征在于，包括环形本体，环形本体的两个环形表面分别设有若干用于承受轴向力挤压的凸台，凸台的周向截面为等腰曲边梯形。
2.根据权利要求1所述的平坦应变型轴向压力传感器转换弹性体，其特征在于，所述的等腰曲边梯形包括一条与所述环形表面重合的长边，一条与所述长边平行的短边，短边的两端分别设有与长边两端对应连接的两腰，两腰为相互对称的曲线。
3.根据权利要求1所述的平坦应变型轴向压力传感器转换弹性体，其特征在于，位于同一环形表面的凸台沿圆周均匀分布，称为一组；分设在环形本体两个环形表面共有两组凸台；两组凸台交错分布，且任意某个凸台的中心位于其相反表面相邻凸台的正中间。
4.根据权利要求1所述的平坦应变型轴向压力传感器转换弹性体，其特征在于，每个凸台对应的环形本体的圆心角为30～60度。
5.根据权利要求1所述的平坦应变型轴向压力传感器转换弹性体，其特征在于，每个凸台的形状、大小、高度均相等。
6.根据权利要求1所述的平坦应变型轴向压力传感器转换弹性体，其特征在于，凸台各个截面处的截面惯性矩与该处的弯矩比值为定值。
7.根据权利要求2所述的平坦应变型轴向压力传感器转换弹性体，其特征在于，所述环形本体的侧面设有防转销钉孔。
8.一种轴向压力传感器，其特征在于：它包括权利要求1至7中任意一项所述的平坦应变型轴向压力传感器转换弹性体，在环形本体的其中一个环形表面上、每相邻的凸台之间均布置有应变传感器，应变传感器相互串联。
9.根据权利要求8所述的轴向压力传感器，其特征在于：每个所述的应变传感器与环形本体的圆心距离相等。
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