成對(duì)角接觸球軸承摩擦力矩測(cè)量裝置的設(shè)計(jì)*

□ 鐵曉艷 □ 張振潮 □ 李文超 □ 焦春照 □ 謝鵬飛 □ 鈔仲凱

洛陽(yáng)軸承研究所有限公司 河南洛陽(yáng) 471039

1 設(shè)計(jì)背景

滾動(dòng)軸承由于結(jié)構(gòu)特殊性,在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中各零件間不可避免會(huì)產(chǎn)生碰撞與摩擦,如滾動(dòng)體與內(nèi)外圈滾道之間的摩擦、滾動(dòng)體與保持架之間的摩擦、保持架與套圈之間的摩擦。摩擦力矩作為檢驗(yàn)軸承動(dòng)態(tài)性能的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo),越來(lái)越值得關(guān)注。與此同時(shí),越來(lái)越多的客戶也對(duì)滾動(dòng)軸承的摩擦力矩提出了出廠全檢的要求。為了滿足客戶需求,研究設(shè)計(jì)一種可在裝配現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)滾動(dòng)軸承摩擦力矩的裝置迫在眉睫。目前,軸承摩擦力矩測(cè)試設(shè)備在軸承領(lǐng)域內(nèi)尚未普及,只有在主機(jī)廠家有技術(shù)要求時(shí)才會(huì)對(duì)軸承的摩擦力矩進(jìn)行測(cè)試,并且只能對(duì)單套軸承進(jìn)行摩擦力矩測(cè)試,對(duì)成對(duì)角接觸球軸承的摩擦力矩則束手無(wú)策。蔣聰?shù)萚1]基于平衡力法測(cè)量原理,研制了一種動(dòng)態(tài)摩擦力矩測(cè)量設(shè)備,滿足了較大尺寸單套軸承批量快速測(cè)量要求。邢化友等[2]論述了一種基于阻尼振動(dòng)的軸承摩擦力矩測(cè)量原理,提出軸承摩擦力矩測(cè)量算法,并通過(guò)大量試驗(yàn)測(cè)試進(jìn)行分析,驗(yàn)證了這一方法的可行性,對(duì)高精度系統(tǒng)所用球軸承的技術(shù)發(fā)展可以起到促進(jìn)作用。劉杭[3]基于平衡測(cè)量法,設(shè)計(jì)針對(duì)中小型軸承的摩擦力矩測(cè)量?jī)x,規(guī)劃了儀器的性能參數(shù)和功能參數(shù),采用光電式力矩傳感器進(jìn)行測(cè)量,對(duì)傳感器主要性能指標(biāo)進(jìn)行了研究分析。

角接觸球軸承在實(shí)際使用中通常成對(duì)安裝,而現(xiàn)有的軸承摩擦力矩測(cè)量裝置通常只適用于單套軸承,沒(méi)有合適的測(cè)量設(shè)備測(cè)量成對(duì)角接觸球軸承在實(shí)際工況下的摩擦力矩。筆者基于滾動(dòng)軸承摩擦力矩的影響因素及理論計(jì)算,針對(duì)傳統(tǒng)角接觸球軸承摩擦力矩測(cè)量?jī)x測(cè)試條件與實(shí)際工況有出入的問(wèn)題,對(duì)成對(duì)角接觸球軸承摩擦力矩測(cè)量裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),不僅解決了現(xiàn)有技術(shù)中軸承摩擦力矩測(cè)試裝置無(wú)法實(shí)現(xiàn)軸承在軸向加載力實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)的技術(shù)問(wèn)題,而且能夠?qū)Τ蓪?duì)角接觸球軸承進(jìn)行摩擦力矩測(cè)試,從而實(shí)現(xiàn)以某一工況下的成對(duì)角接觸球軸承摩擦力矩性能為優(yōu)化目標(biāo),進(jìn)行角接觸球軸承的選配與優(yōu)化。

2 滾動(dòng)軸承摩擦力矩影響因素

滾動(dòng)軸承摩擦力矩主要由軸承在運(yùn)動(dòng)中兩件零件間發(fā)生摩擦運(yùn)動(dòng)所引起。數(shù)控機(jī)床的滾動(dòng)軸承主要承受徑向載荷和沖擊載荷,產(chǎn)生一個(gè)無(wú)法控制的動(dòng)態(tài)參數(shù),即摩擦力矩,摩擦力矩對(duì)滾動(dòng)軸承的運(yùn)動(dòng)性能有重要影響[4-6]。對(duì)影響摩擦力矩的相關(guān)因素進(jìn)行分析研究,對(duì)降低摩擦力矩能夠提供技術(shù)參考。

2.1 外部工況條件

軸承在承受不同的外部工況條件時(shí),內(nèi)部各零件間的碰撞和摩擦運(yùn)動(dòng)不相同。由外載荷引起的摩擦力矩M1為:

M1=f1Fβdm

(1)

f1=z(Fs/Cs)y

(2)

式中:dm為軸承節(jié)圓直徑;f1為與軸承結(jié)構(gòu)和載荷有關(guān)的因數(shù);Fβ為當(dāng)量載荷,根據(jù)軸承類(lèi)型取值;Fs為當(dāng)量靜載荷;Cs為基本額定靜載荷;z、y為常數(shù),取值見(jiàn)表1。

表1 常數(shù)z、y取值

對(duì)于向心深溝球軸承,Fβ為:

Fβ=3Fα-0.1Fr

(3)

對(duì)于角接觸球軸承,Fβ為:

Fβ=0.9Facotα-0.1Fr

(4)

式中:Fa為軸向載荷;Fr為徑向載荷;α為接觸角。

2.2 潤(rùn)滑劑

不同種類(lèi)的潤(rùn)滑劑,黏度及潤(rùn)滑性能不同。對(duì)于流體潤(rùn)滑的滾動(dòng)軸承,潤(rùn)滑劑占據(jù)軸承內(nèi)部的部分空間,阻礙球或滾子的運(yùn)轉(zhuǎn)。摩擦力矩的大小與潤(rùn)滑劑的性能、填充量均有關(guān)系。當(dāng)滾動(dòng)體穿過(guò)軸承內(nèi)部的黏性潤(rùn)滑劑時(shí),產(chǎn)生的摩擦力矩Mv為[7]:

(5)

式中:vo為潤(rùn)滑劑運(yùn)動(dòng)黏度;n為軸承轉(zhuǎn)速;fo為與軸承類(lèi)型和潤(rùn)滑方式有關(guān)的因數(shù),不同潤(rùn)滑條件下取值見(jiàn)表2。

表2 不同潤(rùn)滑條件下fo取值

3 測(cè)量裝置設(shè)計(jì)

3.1 測(cè)量原理

成對(duì)角接觸球軸承摩擦力矩測(cè)量裝置采用直接法測(cè)量軸承摩擦力矩。測(cè)量時(shí),主軸的一端連接變頻電機(jī)、扭矩傳感器,另一端安裝成對(duì)角接觸球軸承。被測(cè)軸承內(nèi)圈與主軸通過(guò)過(guò)盈配合一起轉(zhuǎn)動(dòng),要求被測(cè)軸承回轉(zhuǎn)中心與主軸同心,由定位工裝保證。被測(cè)軸承外圈安裝在測(cè)試軸承座上。變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn),帶動(dòng)成對(duì)角接觸球軸承內(nèi)圈旋轉(zhuǎn),此時(shí)扭矩傳感器的輸出力矩即為成對(duì)角接觸球軸承的摩擦力矩。扭矩傳感器的信號(hào)經(jīng)過(guò)電氣測(cè)量電路反饋至計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理,得出軸承摩擦力矩值。

由計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)整個(gè)測(cè)量過(guò)程的控制與數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理。測(cè)量結(jié)束后,對(duì)軸承摩擦力矩的測(cè)量結(jié)果、變動(dòng)曲線進(jìn)行評(píng)定與分析,繪制被測(cè)軸承轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中的力矩動(dòng)態(tài)曲線,即可分析被測(cè)軸承的啟動(dòng)摩擦力矩及動(dòng)態(tài)摩擦力矩的最大值、最小值、平均值、波動(dòng)值。

3.2 主要技術(shù)指標(biāo)

測(cè)量軸承尺寸范圍內(nèi)徑為φ40～φ200 mm,外徑為φ90～φ300 mm。測(cè)量量程為0～50 N·m,主軸轉(zhuǎn)速為0～3 000 r/min,滿量程測(cè)量相對(duì)誤差為±1.5%。軸向加載范圍為0～30 kN,環(huán)境溫度為10～30 ℃,相對(duì)濕度不高于80%。電源電壓為(1±10%)220 V、50 Hz,氣源壓力為0.55～0.65 MPa。

3.3 結(jié)構(gòu)

成對(duì)角接觸球軸承摩擦力矩測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示,主要包括驅(qū)動(dòng)裝置、扭矩傳感器等。

驅(qū)動(dòng)裝置主要包括變頻電機(jī)和主軸,變頻電機(jī)帶動(dòng)主軸轉(zhuǎn)動(dòng),轉(zhuǎn)速為0～3 000 r/min可調(diào),轉(zhuǎn)速相對(duì)誤差為±2%。設(shè)計(jì)有兩個(gè)聯(lián)軸器,分別設(shè)置在扭矩傳感器的兩端,實(shí)現(xiàn)同軸度的自我調(diào)節(jié),可以減小整個(gè)測(cè)量裝置在運(yùn)行過(guò)程中由于振動(dòng)、加工誤差等造成的轉(zhuǎn)動(dòng)精度誤差。扭矩傳感器轉(zhuǎn)矩量程為0～50 N·m,滿量程測(cè)量相對(duì)誤差為±1.5%。測(cè)試軸承座安裝在工作臺(tái)上,設(shè)計(jì)有待測(cè)成對(duì)角接觸球軸承安裝的內(nèi)孔,通過(guò)與軸承外圈小間隙配合而固定軸承外圈。加載活塞與被測(cè)軸承外圈端面貼合,通過(guò)加載油缸實(shí)現(xiàn)被測(cè)軸承的軸向載荷加載。加載裝置施加的載荷范圍為0～30 kN,壓力表測(cè)量范圍為0～10 MPa,精度為1.6級(jí)。

成對(duì)角接觸球軸承在進(jìn)行摩擦力矩測(cè)量時(shí),軸向加載油缸對(duì)被測(cè)軸承外圈施加軸向載荷,通過(guò)壓力表和控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)軸向載荷的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。扭矩傳感器接收到主軸因旋轉(zhuǎn)而傳遞出的扭矩信號(hào),測(cè)量記錄儀同步記錄扭矩值,從而實(shí)現(xiàn)摩擦力矩的測(cè)量。測(cè)量裝置設(shè)計(jì)有加載手柄,當(dāng)需要對(duì)被測(cè)軸承進(jìn)行加載時(shí),可以直接使用加載手柄操作手動(dòng)液壓泵進(jìn)行加壓,還能通過(guò)壓力表實(shí)時(shí)觀察手動(dòng)液壓泵的壓力值。當(dāng)壓力過(guò)大時(shí),停止加壓動(dòng)作,操作便捷,避免因壓力過(guò)大造成測(cè)量精度喪失,進(jìn)而保證測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

3.4 電氣及控制系統(tǒng)

測(cè)量裝置的電氣系統(tǒng)主要由計(jì)算機(jī)、電機(jī)控制電路、信號(hào)處理電路、模擬數(shù)字采樣設(shè)備、輸入輸出設(shè)備等組成,主要功能是控制電機(jī)轉(zhuǎn)速,測(cè)量載荷,對(duì)摩擦力矩信號(hào)進(jìn)行處理。計(jì)算機(jī)通過(guò)輸入輸出設(shè)備輸出信號(hào),通過(guò)電機(jī)控制電路驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)。對(duì)由扭矩傳感器檢測(cè)到的摩擦力矩信號(hào)進(jìn)行處理,實(shí)現(xiàn)模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量,輸入計(jì)算機(jī),即為被測(cè)軸承的摩擦力矩值。電氣系統(tǒng)原理如圖2所示。

測(cè)量軟件的總體設(shè)計(jì)思路是應(yīng)用可視化虛擬軟件來(lái)開(kāi)發(fā)一個(gè)經(jīng)濟(jì)、靈活的基于計(jì)算機(jī)平臺(tái)的摩擦力矩測(cè)量系統(tǒng),使主軸轉(zhuǎn)速、軸向施加載荷、測(cè)量力矩值等均可在測(cè)量軟件界面上顯示,如圖3所示。

測(cè)量軟件程序主要包括主面板設(shè)計(jì)程序、主程序、系統(tǒng)管理程序、事件驅(qū)動(dòng)程序、數(shù)據(jù)采集卡驅(qū)動(dòng)程序、測(cè)量及數(shù)據(jù)處理程序,以及具有參數(shù)輸入、數(shù)據(jù)存盤(pán)、歷史數(shù)據(jù)打印等功能的輔助程序。其中,數(shù)據(jù)采集卡驅(qū)動(dòng)程序要求速度快,能夠?qū)崟r(shí)顯示被測(cè)軸承的摩擦力矩。為保證采樣的精確性及時(shí)間間隔的準(zhǔn)確性,測(cè)量軟件直接調(diào)用各種函數(shù)及所編制的子程序模塊,使軟件具有人機(jī)界面友好、操作簡(jiǎn)單、可擴(kuò)充性好、代碼移植性強(qiáng)等特點(diǎn)。

3.5 關(guān)鍵點(diǎn)

(1) 扭矩傳感器。測(cè)量裝置中采用高精度扭矩傳感器,具有高穩(wěn)定前置放大電路、高精度數(shù)字處理電路及抗干擾電路,保證測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與真實(shí)性。前置放大電路主要用于摩擦力矩及力的測(cè)量和數(shù)據(jù)采集,可以用于微機(jī)模擬信號(hào)輸入輸出接口及指示器,具有低輸入失調(diào)溫漂、良好非線性度、低噪聲、小共模抑制比,增益可以在2～5 000之間調(diào)節(jié)。

(2) 驅(qū)動(dòng)軸系。驅(qū)動(dòng)軸系的作用是傳遞變頻電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力矩,要求具有較好的軸向、徑向承載能力和較高的旋轉(zhuǎn)精度。驅(qū)動(dòng)軸系采用密珠軸,滿足結(jié)構(gòu)軸向、徑向承載能力和旋轉(zhuǎn)精度要求。

(3) 電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制。由于被測(cè)軸承要求在穩(wěn)速條件下進(jìn)行動(dòng)態(tài)摩擦力矩測(cè)量,因此設(shè)計(jì)中驅(qū)動(dòng)單元采用變頻電機(jī),滿足0～3 000 r/min轉(zhuǎn)速連續(xù)可調(diào)要求,穩(wěn)速精度在滿量程的±2%以內(nèi)。驅(qū)動(dòng)軸系采用一套密珠軸,同時(shí)具有較高的回轉(zhuǎn)精度,徑向跳動(dòng)小于0.01 mm,提高了測(cè)量精度和可靠性。

(4) 校準(zhǔn)機(jī)構(gòu)。測(cè)量裝置設(shè)計(jì)有專(zhuān)用的摩擦力矩校準(zhǔn)機(jī)構(gòu),應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)砝碼施加標(biāo)準(zhǔn)力矩,通過(guò)輸入標(biāo)準(zhǔn)力矩來(lái)校準(zhǔn)精度。在校準(zhǔn)機(jī)構(gòu)中,校準(zhǔn)支承具有較小的摩擦力矩,保證校準(zhǔn)的精度。測(cè)量裝置校準(zhǔn)時(shí),采用的測(cè)力計(jì)量程為0～5 000 N,相對(duì)精度為0.5%。采用的砝碼精度為M1。采用的轉(zhuǎn)速表量程為0～10 000 r/min,精度為1級(jí)。校準(zhǔn)時(shí)環(huán)境溫度為20 ℃,相對(duì)濕度為65%。測(cè)量裝置校準(zhǔn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 測(cè)量裝置校準(zhǔn)結(jié)果

4 測(cè)試

以7038成對(duì)角接觸球軸承為測(cè)試對(duì)象,潤(rùn)滑方式采用脂潤(rùn)滑,主軸轉(zhuǎn)速設(shè)置為1 000 r/min,軸向載荷分別設(shè)置為2.5 kN、5 kN、10 kN、15 kN、20 kN,將被測(cè)軸承按照面對(duì)面的配對(duì)方式安裝在測(cè)量裝置上,測(cè)試軸承啟動(dòng)和動(dòng)態(tài)摩擦力矩[8-11]。

4.1 啟動(dòng)摩擦力矩

通過(guò)調(diào)整加載手柄操作手動(dòng)液壓泵,對(duì)被測(cè)軸承施加0.1 MPa軸向載荷,使被測(cè)軸承輕微受載。采用軟繩分別纏繞扭矩傳感器兩端的聯(lián)軸器,將扭矩傳感器連接至測(cè)試記錄儀。再次調(diào)整加載手柄,使加載油缸對(duì)被測(cè)軸承緩慢施加軸向載荷,分別為2.5 kN、5 kN、10 kN、15 kN、20 kN。此時(shí),盤(pán)動(dòng)靠近變頻電機(jī)端的聯(lián)軸器,使扭矩傳感器受到扭力,同時(shí)測(cè)試記錄儀通過(guò)扭矩傳感器自動(dòng)記錄扭矩值,即為被測(cè)軸承不同軸向載荷工況下的啟動(dòng)摩擦力矩,如圖4所示。

由圖4可以看出,在施加不同軸向載荷時(shí),被測(cè)軸承的啟動(dòng)摩擦力矩有所不同,隨著軸向載荷的增大,啟動(dòng)摩擦力矩也增大。

4.2 動(dòng)態(tài)摩擦力矩

與啟動(dòng)摩擦力矩測(cè)試相同,通過(guò)調(diào)整加載手柄操作手動(dòng)液壓泵,對(duì)被測(cè)軸承施加0.1 MPa軸向載荷,使被測(cè)軸承輕微受載。驅(qū)動(dòng)變頻電機(jī),以實(shí)際工況轉(zhuǎn)速帶動(dòng)被測(cè)軸承一起旋轉(zhuǎn)。待轉(zhuǎn)速進(jìn)入穩(wěn)定,再次調(diào)整加載手柄,通過(guò)加載油缸對(duì)被測(cè)軸承緩慢施加軸向載荷,分別為2.5 kN、5 kN、10 kN、15 kN、20 kN。此時(shí),測(cè)試記錄儀自動(dòng)記錄扭矩傳感器測(cè)量到的被測(cè)軸承在不同軸向載荷工況下的動(dòng)態(tài)摩擦力矩,如圖5所示。

由圖5可以看出被測(cè)軸承在不同軸向載荷工況下動(dòng)態(tài)摩擦力矩的變化趨勢(shì),隨著軸向載荷的增大,動(dòng)態(tài)摩擦力矩增大,呈現(xiàn)出階梯式增大的趨勢(shì)。

5 結(jié)束語(yǔ)

筆者從外部載荷引起的摩擦力矩和潤(rùn)滑劑黏性摩擦引起的力矩兩個(gè)方面,對(duì)滾動(dòng)軸承摩擦力矩的影響因素進(jìn)行了理論研究分析與計(jì)算?；诖?對(duì)成對(duì)角接觸球軸承摩擦力矩測(cè)量裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì),解決了現(xiàn)有技術(shù)中軸承摩擦力矩測(cè)試設(shè)備無(wú)法實(shí)現(xiàn)軸承軸向加載實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)的技術(shù)問(wèn)題。以7038成對(duì)角接觸球軸承作為測(cè)試對(duì)象進(jìn)行了啟動(dòng)和動(dòng)態(tài)摩擦力矩測(cè)試,得到啟動(dòng)摩擦力矩和動(dòng)態(tài)摩擦力矩隨軸向載荷的增大而增大的動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)。筆者的研究還可以為以摩擦力矩為性能優(yōu)化目標(biāo)時(shí),角接觸球軸承的選配與優(yōu)化提供測(cè)試手段和試驗(yàn)數(shù)據(jù)。采用所設(shè)計(jì)的測(cè)量裝置,可以為分析成對(duì)角接觸球軸承摩擦性能的影響因素提供可靠的檢測(cè)分析數(shù)據(jù),進(jìn)而對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)、加工工藝、潤(rùn)滑等影響成對(duì)角接觸球軸承摩擦力矩的因素進(jìn)行改善,提高成對(duì)角接觸球軸承的質(zhì)量,滿足軸承在主機(jī)裝配時(shí)摩擦性能的指標(biāo)。