一種大型三排圓柱滾子軸承徑向游隙測(cè)量方法的研究

王立超，陽(yáng)雪兵，李興林，章 滔，王連吉*

（1. 大連理工大學(xué)，遼寧 大連 116023；2. 哈電風(fēng)能有限公司，湖南 湘潭 411100；3. 杭州軸承試驗(yàn)研究中心有限公司，浙江 杭州 310022；4. 機(jī)械工業(yè)軸承產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)中心（杭州）ISO/IEC 檢測(cè)/校準(zhǔn) CNASL0309，浙江 杭州 310022）

1 前言

徑向游隙是大型三排圓柱滾子軸承重要的技術(shù)指標(biāo)，其很大程度上決定著大型三排圓柱滾子軸承的使用性能和使用壽命能否達(dá)到技術(shù)要求[1]。

大型軸承套圈在加工完成以后，其形狀一般為非正圓，因此存在長(zhǎng)軸與短軸，反映在徑向游隙上，就存在最大值和最小值。目前測(cè)量大型三排圓柱滾子軸承的徑向游隙的方法主要是測(cè)幾個(gè)點(diǎn)位置的徑向游隙值，然后取其平均值來(lái)作為最終的徑向游隙值[2]，由于測(cè)點(diǎn)有限,不能真實(shí)反映出大型三排圓柱滾子軸承的徑向游隙，同時(shí)，也無(wú)法判斷軸承內(nèi)外圈的最大、最小徑向游隙值的方向，鑒于此，本文設(shè)計(jì)了一套風(fēng)電主軸三排圓柱滾子軸承徑向游隙測(cè)量設(shè)備，并應(yīng)用于生產(chǎn)當(dāng)中。

2 徑向游隙測(cè)量的方法和原理

利用位移傳感器對(duì)軸承內(nèi)外圈進(jìn)行 360°掃描，得到軸承內(nèi)外圈相對(duì)于其零點(diǎn)的位移尺寸，通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行擬合，得到內(nèi)外圈的形狀。然后夾緊內(nèi)外圈某一位置（角度α位置）測(cè)出其徑向間隙值。

如圖 1 所示，圖中所示α角位置的徑向間隙值可由上述所測(cè)得的值與圖形上所示的δ對(duì)應(yīng)位置進(jìn)行比較，可按該比例算出其他任意位置對(duì)應(yīng)的間隙值。取圖形上均勻分布的n個(gè)角度，分別計(jì)算其徑向間隙，然后根據(jù)軸承游隙定義，通過(guò)圓心的兩個(gè)方向的n個(gè)間隙值相加，取其算術(shù)平均值，即得出徑向游隙平均值。

對(duì)于大型三排圓柱滾子軸承來(lái)說(shuō)，其內(nèi)外圈的形狀一般為非正圓，因此在裝配成軸承成品后，其徑向游隙在各個(gè)位置是不相等的。當(dāng)外圈滾道的長(zhǎng)軸與內(nèi)圈滾道的短軸重合時(shí)，此時(shí)測(cè)得的徑向游隙為最大值，當(dāng)外圈滾道的短軸與內(nèi)圈滾道的長(zhǎng)軸重合時(shí)，此時(shí)測(cè)得的徑向游隙值為最小值。找出徑向游隙的最大值、最小值及其位置，在工程實(shí)踐當(dāng)中有一定的指導(dǎo)意義，本文利用旋轉(zhuǎn)卡殼法來(lái)找出軸承套圈的長(zhǎng)短軸，進(jìn)行徑向游隙最大值與最小值的測(cè)量。

旋轉(zhuǎn)卡殼法是利用對(duì)踵點(diǎn)對(duì)進(jìn)行凸多邊形或光滑表面長(zhǎng)短軸確定的方法，所謂的對(duì)踵點(diǎn)對(duì)指的是凸多邊形或者光滑表面上由一對(duì)平行線相切于凸多邊形或光滑表面的邊界，其切點(diǎn)對(duì)即為一對(duì)對(duì)踵點(diǎn)對(duì)（如圖 2）。

圖 1 徑向間隙的測(cè)量圖形

圖 2 對(duì)踵點(diǎn)對(duì)

在確定軸承內(nèi)外圈長(zhǎng)軸時(shí)，確定長(zhǎng)軸的對(duì)踵點(diǎn)對(duì)不可能在軸承內(nèi)外圈的內(nèi)部，因此只需要利用旋轉(zhuǎn)卡殼法在軸承內(nèi)外圈邊界上搜索長(zhǎng)軸的對(duì)踵點(diǎn)對(duì)即可。其具體流程如下[3]：

（1）找出軸承內(nèi)外圈形狀上一對(duì)X方向上的端點(diǎn)，稱之為A和B，見(jiàn)上圖。

（2）構(gòu)造通過(guò)A點(diǎn)，B點(diǎn)的一對(duì)平行切線，由于它們已經(jīng)是一對(duì)對(duì)踵點(diǎn)了，計(jì)算出他們之間的距離，并保存為當(dāng)前距離的最大值。

（3）旋轉(zhuǎn)上述的平行切線，直至一條平行線與軸承內(nèi)外圈形狀上的一條邊重合為止。

（4）由此產(chǎn)生一對(duì)新的對(duì)踵點(diǎn)，計(jì)算他們之間的距離，并與之前距離的最大值進(jìn)行比較，若大于當(dāng)前最大值，則對(duì)當(dāng)前最大值進(jìn)行更新，若小于當(dāng)前最大值，則舍棄該對(duì)對(duì)踵點(diǎn)。

（5）重復(fù)（3）和（4）步驟，直至重現(xiàn)對(duì)踵點(diǎn)A點(diǎn)和B點(diǎn)。

（6）輸出距離最大值的對(duì)踵點(diǎn)點(diǎn)對(duì)，完成對(duì)于軸承內(nèi)外圈形狀長(zhǎng)軸的位置計(jì)算，并結(jié)束計(jì)算流程。

在完成對(duì)于軸承內(nèi)外圈長(zhǎng)軸的確定之后，軸承內(nèi)外圈的短軸的計(jì)算流程和長(zhǎng)軸的相似，唯一不同的是計(jì)算短軸需要保存對(duì)踵點(diǎn)之間最小的距離值并即時(shí)進(jìn)行更新，直至重現(xiàn)原始點(diǎn)對(duì)為止，最終得到軸承內(nèi)外圈短軸的位置。

由上述得到的長(zhǎng)短軸位置，將軸承內(nèi)外圈長(zhǎng)短軸進(jìn)行重合，利用上述測(cè)量原理，完成徑向游隙最大值與最小值的測(cè)量。

3 測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)

基于以上徑向游隙測(cè)量，設(shè)計(jì)出相應(yīng)的徑向游隙測(cè)量裝置，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如下：

圖 3 測(cè)量裝置簡(jiǎn)圖

由圖 3 可知，該軸承徑向游隙測(cè)量裝置由支撐臂組件、壓板、被測(cè)軸承、旋轉(zhuǎn)掃描機(jī)構(gòu)、夾緊機(jī)構(gòu)等組成。采用固定外圈，移動(dòng)內(nèi)圈的方式進(jìn)行徑向間隙的測(cè)量，其測(cè)量過(guò)程如下：將被測(cè)軸承吊裝到試驗(yàn)裝置臺(tái)面上，調(diào)整被測(cè)軸承中心，使其與回轉(zhuǎn)中心的同心度不大于 5mm，然后利用測(cè)量桿上位移傳感器，分別掃描軸承內(nèi)外圈上的兩個(gè)止口，從而測(cè)出內(nèi)外圈的相對(duì)形狀，利用上述測(cè)量方法完成徑向游隙的測(cè)量。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

隨機(jī)抽取10套規(guī)格為φ1 816×φ2 195×150mm 的 130.45.2000 型三排圓柱滾子軸承作為測(cè)量對(duì)象，分別利用本文所提到的方法與傳統(tǒng)方法在測(cè)量裝置上進(jìn)行徑向游隙的測(cè)量，得到如下數(shù)據(jù)結(jié)果，參見(jiàn)表 1 和圖 4。

表1 10組徑向游隙測(cè)量值 μm

圖 4 10 組徑向游隙測(cè)量值

然后對(duì)上述被測(cè)軸承進(jìn)行徑向游隙最大值與最小值的測(cè)量，數(shù)據(jù)結(jié)果見(jiàn)表 2：

表2 徑向游隙最大值與最小值的測(cè)量 μm

由上述圖表可知：

（1）利用本文方法測(cè)量得到的徑向游隙均值與用傳統(tǒng)方法測(cè)量得到的徑向游隙值，兩者差距最大 6μm，最小 0μm，差距微小，由此本文中的測(cè)量方法可作為傳統(tǒng)方法的替代方法。

（2）對(duì)于徑向游隙最大值與最小值的測(cè)量，其徑向游隙最大值的均值為 256.5μm，標(biāo)準(zhǔn)差為 6.2μm，其徑向游隙最小值的均值為213.8μm，標(biāo)準(zhǔn)差 3.4μm，徑向游隙最大值與最小值的離散程度較小，可為徑向游隙的測(cè)量提供一定的參考。

5 誤差分析

以上測(cè)量數(shù)據(jù)，存在以下幾個(gè)方面的誤差：

（1）旋轉(zhuǎn)主軸的徑向跳動(dòng)誤差

由于傳感器固定在測(cè)量桿上，在驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)主軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)掃描時(shí)，旋轉(zhuǎn)主軸的徑向跳動(dòng)會(huì)造成測(cè)量誤差。對(duì)于本測(cè)量裝置來(lái)說(shuō)，旋轉(zhuǎn)主軸的徑向跳動(dòng)在 7 ~ 8μm之間，跟本文方法測(cè)出的徑向游隙均值相比，其相對(duì)誤差為 3 ~ 3.5%，因此可忽略不計(jì)。

（2）旋轉(zhuǎn)主軸與支撐臂平面的垂直度誤差

理論上四個(gè)支撐臂所形成的水平面應(yīng)保持絕對(duì)水平，以保證軸承內(nèi)外圈端面的水平，但在實(shí)際徑向游隙測(cè)量中，四個(gè)支撐臂所形成的平面與理論水平面存在誤差。為此可先用水平儀對(duì)四個(gè)支撐臂所形成的平面進(jìn)行初步調(diào)平，然后分別利用尺寸較小的軸承與尺寸較大的軸承對(duì)四個(gè)支撐臂所形成的平面做進(jìn)一步的水平校核，從而保證旋轉(zhuǎn)主軸與支撐臂平面的垂直度在 0.02mm之內(nèi)。假設(shè)軸承幅高 0.5m，經(jīng)計(jì)算在旋轉(zhuǎn)測(cè)量時(shí)形成的誤差為 0.02mm，跟本文方法測(cè)出的徑向游隙均值相比，其相對(duì)誤差為 8 ~ 8.7%，因此可忽略此誤差。

（3）夾緊時(shí)引起的變形誤差

在對(duì)軸承內(nèi)外圈進(jìn)行夾緊的過(guò)程中，軸承內(nèi)外圈及圓柱滾子會(huì)產(chǎn)生微弱的變形，由此也會(huì)產(chǎn)生一定的測(cè)量誤差，但經(jīng)過(guò)有限元計(jì)算，該測(cè)量誤差與本文方法測(cè)出的徑向游隙均值相比，其相對(duì)誤差為 0.5% 左右，因而忽略此誤差。

（4）止口與滾道的不同軸度引起的測(cè)量誤差

此誤差由軸承制造產(chǎn)生，為系統(tǒng)誤差。

（5）安裝軸承時(shí)軸承圓心與傳感器回轉(zhuǎn)中心不同軸度所產(chǎn)生的誤差

采用掃描法測(cè)量軸承內(nèi)外圈形狀，理論上是不會(huì)產(chǎn)生測(cè)量誤差，但在實(shí)際測(cè)量過(guò)程當(dāng)中，考慮到傳感器的量程，因此安裝時(shí)對(duì)同心度有一定要求。

（6）傳感器測(cè)量誤差

本裝置所使用的傳感器測(cè)量誤差是 0.5μm，因此可以忽略此誤差。另外傳感器與軸承止口表面夾角也可產(chǎn)生一定的測(cè)量誤差，因此在測(cè)量時(shí)，盡量保證傳感器測(cè)量桿與被測(cè)表面保持垂直。

綜上所述，除軸承本身制造誤差之外，本測(cè)量裝置所產(chǎn)生的相對(duì)誤差大約 10% 左右，在誤差允許范圍之內(nèi)。

6 結(jié)論

通過(guò)對(duì)實(shí)際軸承徑向游隙的測(cè)量，可得出以下結(jié)論：

（1）該測(cè)量設(shè)備能夠真實(shí)有效地測(cè)量出軸承內(nèi)外圈的相對(duì)形狀與徑向游隙，測(cè)量的相對(duì)誤差在 10% 的范圍內(nèi)。

（2）用掃描法測(cè)量的軸承徑向游隙，更能反映軸承徑向游隙的實(shí)際狀況。

（3）基于旋轉(zhuǎn)卡殼法測(cè)得的軸承徑向游隙的最大值、最小值，以及方向，在軸承裝配時(shí)有更好的指導(dǎo)意義。