非接觸式微型軸承啟動(dòng)摩擦力矩測量儀

胡波，朱孔敏，高奮武，李國斌，廖家祥

( 洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039)

軸承啟動(dòng)摩擦力矩是一個(gè)隨機(jī)變量，其影響因素相當(dāng)復(fù)雜且與檢測裝置的測量條件有關(guān)，如軸承的工作溫度、結(jié)構(gòu)形式、規(guī)格尺寸、載荷大小以及潤滑劑黏度等因素都會(huì)影響軸承啟動(dòng)摩擦力矩。而微型軸承的摩擦力矩?cái)?shù)量級(jí)比較小，因此在進(jìn)行檢測儀器的總體方案設(shè)計(jì)時(shí)，需根據(jù)微型軸承尺寸小和靈敏度高的特點(diǎn)來設(shè)計(jì)檢測儀器的測量方案、工裝卡具等，從而滿足微型軸承啟動(dòng)摩擦性能的測量要求。

1 機(jī)械結(jié)構(gòu)及測量原理

儀器設(shè)計(jì)依據(jù)的是能量轉(zhuǎn)換法[1]。力矩發(fā)生器產(chǎn)生渦流，驅(qū)動(dòng)鋁盤上的渦流與交變磁通相互作用從而產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)渦流力矩，與負(fù)責(zé)監(jiān)控驅(qū)動(dòng)鋁盤狀態(tài)的光電傳感器組成閉環(huán)系統(tǒng)。

儀器的機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由光電傳感器、驅(qū)動(dòng)鋁盤、軸承壓套、測量心軸、負(fù)荷銅塊、心軸底座、鋁外套和力矩發(fā)生器組成[2]。測量心軸安裝在底座上，被測軸承則安裝在測量心軸上；軸承壓套壓在被測軸承外圈上，并通過螺釘與鋁外套連接；驅(qū)動(dòng)鋁盤被壓緊在軸承壓套和鋁外套之間，兩端分別安裝力矩發(fā)生器和光電傳感器；施加到被測軸承上的軸向載荷由負(fù)荷銅塊控制，負(fù)荷銅塊通過過盈配合與鋁外套連接，測量界面顯示的軸向載荷即為負(fù)荷銅塊與驅(qū)動(dòng)鋁盤、軸承壓套和鋁外套的質(zhì)量。

1—光電傳感器；2—驅(qū)動(dòng)鋁盤；3—軸承壓套； 4—被測軸承； 5—測量心軸；6—力矩發(fā)生器；7—鋁外套；8—負(fù)荷銅塊；9—心軸底座

實(shí)際測量時(shí)，測量心軸的下端部裝入心軸底座孔內(nèi)，通過調(diào)整底座上的頂絲實(shí)現(xiàn)牢固配合，被測軸承安裝于測量心軸上端部，驅(qū)動(dòng)鋁盤置于力矩發(fā)生器中，上下間隙約0.5 mm。工控機(jī)驅(qū)動(dòng)電氣系統(tǒng)通過控制力矩發(fā)生器加載電壓逐步加載力矩。當(dāng)電磁渦流力矩足夠大并能夠驅(qū)動(dòng)鋁盤帶動(dòng)被測軸承旋轉(zhuǎn)時(shí)，光電傳感器可監(jiān)控到反射光源發(fā)生變化，被測軸承變?yōu)閱?dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，光電傳感器通過I/O輸出停止力矩加載信號(hào),工控機(jī)自動(dòng)停止向力矩發(fā)生器提供電壓，力矩發(fā)生器停止工作并紀(jì)錄當(dāng)前功率值，此時(shí)的功率值即為被測軸承的啟動(dòng)摩擦力矩值。

儀器中2個(gè)力矩發(fā)生器成90°方向放置，通過輸入不同方向的電壓帶動(dòng)被測軸承沿順時(shí)針或逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，從而測量2個(gè)方向的啟動(dòng)摩擦力矩。驅(qū)動(dòng)鋁盤按照1°開齒分度，即每隔1°用線切割開齒,如齒輪狀并涂上黑色，光電傳感器通過檢測是否有反射光來判斷驅(qū)動(dòng)盤是否轉(zhuǎn)動(dòng)。

2 電氣控制系統(tǒng)

電氣控制系統(tǒng)主要包括力矩發(fā)生器和光電傳感器的控制，控制原理如圖2所示。

圖2 電氣控制系統(tǒng)原理框圖

力矩發(fā)生器的驅(qū)動(dòng)力矩僅與輸入電壓有嚴(yán)格的函數(shù)關(guān)系，因此，重點(diǎn)是對(duì)2路線圈輸入電壓的控制。經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換和前置電路可精確控制電壓輸入精度，從而控制渦流力矩的加載精度。力矩的加載精度和起步值均可通過測量軟件設(shè)定。

被測軸承從靜態(tài)進(jìn)入啟動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)后，光電傳感器輸出光電信號(hào)，并進(jìn)行放大、濾波等信號(hào)處理，通過I/O輸入計(jì)算機(jī)，從而停止施加輸入電流并紀(jì)錄實(shí)時(shí)功率值。

3 測量軟件

測量軟件基于LabWindows/cvi操作平臺(tái)，主要包括測量界面設(shè)計(jì)，主程序和輔助程序3部分。其中，主程序包括系統(tǒng)管理子程序、力矩驅(qū)動(dòng)子程序、前置電路驅(qū)動(dòng)子程序、光電傳感器監(jiān)控及數(shù)據(jù)處理子程序；輔助程序包括參數(shù)輸入、數(shù)據(jù)存盤、歷史數(shù)據(jù)及打印程序。

測量界面局部示意圖如圖3所示。測值顯示部分可實(shí)時(shí)顯示力矩、轉(zhuǎn)動(dòng)角度和軸向載荷的數(shù)值。測量參數(shù)設(shè)置部分可以對(duì)啟動(dòng)角度和起步值進(jìn)行自主設(shè)定。

圖3 顯示界面局部示意圖

啟動(dòng)角度是判斷軸承啟動(dòng)的狀態(tài)參數(shù)，即轉(zhuǎn)多少度算作啟動(dòng)，建議的啟動(dòng)角度為1°～3°，通常設(shè)定為1°；起步值用于設(shè)定力矩發(fā)生器的初始電壓，初始電壓逐步增加，直到被測軸承達(dá)到啟動(dòng)角度。設(shè)定起步值是為了縮短測量過程，提高測量效率，如初次測量某一型號(hào)軸承時(shí)，起步值應(yīng)設(shè)為零，隨后可根據(jù)被測軸承力矩的大小設(shè)定。注意的是，起步值不宜設(shè)定過大，建議不超過初步測值的1/2。

4 儀器校準(zhǔn)

根據(jù)輸入標(biāo)準(zhǔn)力矩值與儀器實(shí)際輸出測量值相比較的方法進(jìn)行儀器的校準(zhǔn)。

標(biāo)準(zhǔn)力矩值由掛載砝碼的方法獲取，砝碼對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)力矩為

M=(9.8×10-3)FL，

式中：M為標(biāo)準(zhǔn)力矩，N·m；F為砝碼質(zhì)量，kg；L為砝碼輪半徑，mm。其中力臂L精度為±0.01，砝碼質(zhì)量精度級(jí)別M3，可滿足精度要求。

另外，設(shè)計(jì)了專用定標(biāo)鑒定裝置，將標(biāo)準(zhǔn)砝碼經(jīng)定標(biāo)支承系統(tǒng)懸掛于空氣軸系支承系統(tǒng)上，通過空氣軸承傳遞到力矩傳感器，力矩傳感器通過電氣處理輸出測量值。將測量值與標(biāo)準(zhǔn)力矩對(duì)比即可進(jìn)行儀器的校準(zhǔn)。

5 結(jié)束語

目前，國內(nèi)尚無成熟的微型軸承啟動(dòng)摩擦力矩檢測儀器，而現(xiàn)有測量設(shè)備中，大部分的測量誤差較大。本儀器能夠較為準(zhǔn)確地測量微型軸承啟動(dòng)摩擦力矩，實(shí)現(xiàn)軸承啟動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)的自動(dòng)監(jiān)控，完成自動(dòng)測量。滿足軸承制造廠家和軸承用戶對(duì)微型軸承啟動(dòng)摩擦力矩測量的需求，具有較好的市場前景。