一種導(dǎo)電滑環(huán)軸系加載測量裝置

胡英貝，王恒迪，楊晨，曲強，李利

（1.河南科技大學(xué)，河南 洛陽 471039；2.洛陽軸承研究所有限公司，河南 洛陽 471039；3.北京控制工程研究所，北京 100094）

導(dǎo)電滑環(huán)是航海、航空、航天系統(tǒng)中信號傳輸、通信、供電的重要組件（下簡稱滑環(huán)組件），滑環(huán)組件運行過程要求有較高的旋轉(zhuǎn)精度，選用角接觸球軸承并施加一定的軸向預(yù)載荷將大大提高滑環(huán)組件運轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)精度。軸向預(yù)載荷可以在軸承原始安裝時產(chǎn)生一定的預(yù)變形，使軸承在實際使用中跳過初期變形較大階段，從而顯著提高其支承剛度，消除軸向及徑向竄動量［1］。但施加的軸向預(yù)載荷過大，會影響滑環(huán)組件內(nèi)軸承運轉(zhuǎn)的靈活度，并增大軸承運行的摩擦力，從而引起軸承發(fā)熱，嚴重影響軸承的使用壽命。

軸向預(yù)載荷的加載是否合適直接影響滑環(huán)組件的運轉(zhuǎn)情況和使用壽命。通常情況下，裝配人員通過計算滑環(huán)組件中各零件的尺寸鏈控制所施加的預(yù)載荷［2］，并確定滑環(huán)組件上端蓋的修磨尺寸。該種方法裝配效率低、裝配質(zhì)量差，并受制于裝配工人的經(jīng)驗和熟練程度，且裝配工人勞動強度大。針對上述問題，通過對滑環(huán)組件內(nèi)部結(jié)構(gòu)、軸承受力及成對軸承軸向剛度的研究，設(shè)計了一套模擬實際軸向預(yù)載荷下滑環(huán)組件框架定位面與軸承加載面位移測量的專用設(shè)備［3］，以提高滑環(huán)組件的裝機質(zhì)量和裝配效率。

1 主要功能及性能指標(biāo)

1.1 測量項目

在額定軸向預(yù)載荷下，測量滑環(huán)組件框架定位面與軸承加載面之間的位移值，得出滑環(huán)組件上端蓋的修磨尺寸。

1.2 性能指標(biāo)

設(shè)備使用范圍：滑環(huán)組件直徑（包括凸緣直徑）不大于80 mm。

滑環(huán)組件高度：50～120 mm。

設(shè)備位移測量量程：±2 000μm。

設(shè)備位移分辨力：0.1μm。

位移傳感器：MT1281 HEIDENHAI長度計，量程12 000μm，傳感器系統(tǒng)精度±0.2μm。

主軸輸出載荷范圍：Fa＝5～200 N，載荷分辨力0.1 N，載荷精度±0.5 N。

滑環(huán)組件剛度校驗性能要求：加載力分辨力1 N，位移分辨力1μm，量程300μm。

1.3 使用要求

環(huán)境溫度：20±0.5℃。

相對濕度：＜60%。

電源電壓：220 V±10%，電源頻率50 Hz。

供氣壓力：大于0.55 MPa。

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2 測量原理

2.1 導(dǎo)電滑環(huán)軸系結(jié)構(gòu)受力分析

滑環(huán)組件的結(jié)構(gòu)如圖1所示，由于軸承安裝的特殊性，內(nèi)部軸承型號不一定相同，軸系沒有內(nèi)外隔套，滑環(huán)組件的預(yù)載荷通過刷絲框架定位面與軸承加載面之間的尺寸進行控制。導(dǎo)電滑環(huán)加載測量設(shè)備可以在一定的軸向預(yù)載荷下直接測量出裝配過程中框架定位面與軸承加載面之間的高度差，方便裝配人員控制修磨量，保證滑環(huán)組件的預(yù)載荷要求，使軸承剛度、精度、轉(zhuǎn)速處于最優(yōu)狀態(tài)，從而提高滑環(huán)組件的裝配質(zhì)量。

圖1 SRA45-S-1A滑環(huán)組件結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 Structure diagram of slip ring component SRA45-S-1A

2.2 測量原理

采用比較測量方法，根據(jù)滑環(huán)組件的型號及具體尺寸選擇專用工裝附件和精密調(diào)壓閥控制空氣加載系統(tǒng)輸出的軸向預(yù)載荷，通過壓力傳感器檢測施加于滑環(huán)組件上的軸向預(yù)載荷，采用2支位移傳感器測量滑環(huán)組件框架定位面與軸承加載面的位移。上升空氣主軸使滑環(huán)組件內(nèi)上軸承外圈端面與上定位座相接觸，調(diào)整2支位移傳感器的位置，保證傳感器的測頭位于軸承兩側(cè)的框架定位面上，然后將其固定；下降空氣主軸，安裝滑環(huán)組件配套用定標(biāo)塊；上升空氣主軸，通過調(diào)整定標(biāo)塊確定2支位移傳感器的零位，安裝被測滑環(huán)組件，施加所需軸向預(yù)載荷，測出框架定位面與軸承內(nèi)圈端面的位移值，即可得到滑環(huán)組件加壓端蓋修磨后的尺寸。

例如：原加壓端蓋厚度為2 000μm，在額定載荷30 N下測得框架定位面與軸承內(nèi)圈端面的高度差值為1 212μm，則應(yīng)將加壓端蓋應(yīng)磨掉788μm，使用該加壓端蓋時滑環(huán)組件的軸向預(yù)載荷即為30 N。

3 主要結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 主體結(jié)構(gòu)

由于被測件為圓柱形結(jié)構(gòu)，故采用承載剛性較好的龍門式結(jié)構(gòu)作為測量設(shè)備的主體形式。在基準(zhǔn)頂板上放置2套位移調(diào)整機構(gòu)以適配不同型號的滑環(huán)組件，空氣主軸軸向加載系統(tǒng)放置于底座內(nèi)，保證軸向加載的準(zhǔn)確性和導(dǎo)向性。其主體結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 高精度軸承加載設(shè)備結(jié)構(gòu)原理簡圖Fig.2 Schematic diagram of structure of load device for high precision bearing

3.2 軸向加載系統(tǒng)

根據(jù)選定的總體技術(shù)方案，選用氣缸加載方式，通過精密調(diào)壓閥調(diào)節(jié)供給氣缸的壓強實現(xiàn)連續(xù)變化的軸向預(yù)載荷；通過精密壓力傳感器測量氣缸腔體中的壓強，利用壓強與氣缸活塞的面積換算出氣缸輸出的力，通過計算得到準(zhǔn)確施加到軸承上的軸向預(yù)載荷，即

式中：F為施加到軸承上的軸向預(yù)載荷；P為壓力傳感器測值；S為氣缸活塞面積；G1為導(dǎo)向空氣主軸產(chǎn)生的重力；G2為工裝定位座產(chǎn)生的重力；G3為滑環(huán)組件的重量。

為保證測試的準(zhǔn)確性，加載作用點應(yīng)通過被測軸承的中心，不允許有徑向分力，選用空氣主軸一方面可以保證加載系統(tǒng)的直線導(dǎo)向精度和自身的旋轉(zhuǎn)精度，軸向精密加載系統(tǒng)與被測滑環(huán)組件軸承的同心度以及加載工裝上定位座端面與加載系統(tǒng)軸線的垂直度；另一方面空氣主軸與軸套之間基本無摩擦，可以減小主軸自身摩擦力對加載載荷的影響［4］。

使用適度冗余設(shè)計的氣缸活塞面積為10 cm2，在0.4 MPa輸入氣壓下，空氣主軸軸向載荷可達400 N［5］，根據(jù)5～200 N的載荷測量范圍計算可知，選用YZD-2B型壓力傳感器，即可在減去工裝定位座及滑環(huán)組件的自重的同時滿足軸向預(yù)載荷的測量范圍要求。

3.3 測量系統(tǒng)

3.3.1 位移測量系統(tǒng)

位移測量系統(tǒng)包括位移傳感器及其測量電路，根據(jù)被測對象的實際情況，選用MT1281型高精度光柵位移傳感器，其具有量程大、精度高、穩(wěn)定性好的特點［6］。測量電路還包括增量式光電計數(shù)卡，作用是將光柵傳感器感應(yīng)的被測工件的計數(shù)信號等比例的細分轉(zhuǎn)換為長度信號，再轉(zhuǎn)換為計算機可識別處理的數(shù)字信號［7］。

3.3.2 壓力測量系統(tǒng)

壓力測量系統(tǒng)選用高精度壓力傳感器，該傳感器為組合式結(jié)構(gòu)，選用優(yōu)質(zhì)擴散硅壓力芯片作敏感元件，內(nèi)置放大器，具有零點調(diào)整和靈敏度調(diào)整的功能，可進行標(biāo)準(zhǔn)信號的輸出。

3.4 測量軟件系統(tǒng)

導(dǎo)電滑環(huán)軸系預(yù)載荷測量軟件系統(tǒng)主要包括以下程序：1）主面版設(shè)計；2）主程序，即系統(tǒng)管理程序；3）事件驅(qū)動程序；4）數(shù)據(jù)采集卡驅(qū)動程序；5）測量及數(shù)據(jù)處理程序；6）自檢測序，檢驗設(shè)備程序的工作狀態(tài)是否可靠，通過對計算機輸入一個標(biāo)準(zhǔn)信號來校驗輸出的準(zhǔn)確性，保證設(shè)備測量和數(shù)據(jù)處理的正確性；7）輔助程序，包括參數(shù)輸入、過載報警、數(shù)據(jù)存盤、歷史數(shù)據(jù)及打印程序等。

各程序采用LabWindows／CVI進行編制，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)處理板卡型號為PCI9111，用來處理壓力傳感器與位移傳感器的瞬時數(shù)據(jù)。傳感器每10 ms采集1個數(shù)值，采用了多點采集后合并的原則，使測量結(jié)果更接近于實際值。測量后通過測量軟件對數(shù)據(jù)進行濾波處理，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

3.5 氣路控制系統(tǒng)

氣路控制系統(tǒng)如圖3所示，其作用是控制設(shè)備的測量動作和精密加載，主要包括測量動作，復(fù)位動作以及加載動作控制。其中，通過二位五通電磁閥控制小氣缸升降動作完成測量和復(fù)位動作，采用精密調(diào)壓閥控制加載氣缸實現(xiàn)無級加載功能。

圖3 氣路控制系統(tǒng)框圖Fig.3 Block diagram of control system for gas path

4 試驗數(shù)據(jù)分析與驗證

使用型號為SPA45-S-1A的滑環(huán)組件，在30 N額定預(yù)載荷作用下進行20次重復(fù)測量，結(jié)果見表1。為驗證上述測試結(jié)果的準(zhǔn)確性，對完成上端蓋修研的SRA45-S-1A滑環(huán)組件的剛度拐點及加載準(zhǔn)確性進行驗證，滑環(huán)組件軸向剛度曲線如圖4所示。從圖中可以看出，輔助線分為3段曲線，2個明顯的拐點分別在8 N和32 N附近。8 N前，滑環(huán)組件內(nèi)部軸承的內(nèi)外圈與環(huán)體組件、刷絲框架座之間存在摩擦力處于自由狀態(tài)；在8～32 N階段，剛度明顯增大，此時為滑環(huán)組件受載剛度曲線；在32 N后，剛度增大，剛度曲線趨近于平直，此時上端蓋定位面與刷絲框架座定位面接觸剛度增大，應(yīng)為刷絲框架座剛度。

圖4 SRA45-S-1A滑環(huán)組件軸系剛度曲線界面Fig.4 Interface of axial stiffness curve of slip ring component SRA45-S-1A

表1 滑環(huán)組件框架定位面與軸承加載面之間的位移值Tab.1 Displacement value between the positioning surface of slip ring component and load surface of bearing

根據(jù)表1及軸系剛度拐點數(shù)據(jù)可知，該儀器測量準(zhǔn)確性和重復(fù)性均較好，滿足設(shè)計的性能指標(biāo)要求。

5 結(jié)束語

通過對滑環(huán)組件內(nèi)部結(jié)構(gòu)、軸承受力的分析，設(shè)計了導(dǎo)電滑環(huán)軸向預(yù)載荷測量設(shè)備。本設(shè)備主要用于對滑環(huán)組件軸承軸向預(yù)載荷測試，也可以用于滑環(huán)組件內(nèi)部軸承軸向剛度的測試；避免了通過計算滑環(huán)各個零件的尺寸鏈來控制所施加軸向預(yù)載荷的問題，使裝配人員可以精準(zhǔn)地把握和控制滑環(huán)組件中加壓端蓋尺寸修磨量；有效減小了裝配人員的勞動強度，可大大提高導(dǎo)電滑環(huán)軸系產(chǎn)品的裝機質(zhì)量和裝配效率。目前，該設(shè)備已完工并交付用戶使用，在實際工作中解決了導(dǎo)電滑環(huán)軸系軸向預(yù)載荷難以控制的問題，實際使用效果良好。