張瑜，張慧，宋曉波，李利歌

(洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039)

為了提高主機(jī)的動(dòng)態(tài)性能和適應(yīng)軸承的有效裝配性能，需要對(duì)影響軸承裝配的各種參數(shù)進(jìn)行嚴(yán)格控制。目前市場(chǎng)上針對(duì)內(nèi)徑100 mm以上的精密軸承，一般在靜態(tài)下進(jìn)行徑向游隙的測(cè)量，這種測(cè)量方式精度較低，且顯示方式的主觀誤差較大，已經(jīng)不能滿足行業(yè)對(duì)高精密大型軸承徑向游隙檢測(cè)的需要，為此開發(fā)了一種高精度的徑向游隙檢測(cè)儀器。

1 測(cè)量原理

1.1 數(shù)學(xué)模型

1.2 測(cè)量原理

X095J徑向游隙動(dòng)態(tài)測(cè)量?jī)x采用內(nèi)圈定位并旋轉(zhuǎn)，上、下載荷施加于外圈，通過測(cè)量外圈相對(duì)內(nèi)圈的移動(dòng)量進(jìn)行徑向游隙的測(cè)量[1-2]。通過內(nèi)圈軸向鎖緊可以消除四點(diǎn)接觸球軸承雙半內(nèi)圈的配合間隙對(duì)徑向游隙測(cè)量帶來的影響，從而保證測(cè)量精度。

在測(cè)量過程中，電動(dòng)機(jī)始終帶動(dòng)高精密主軸旋轉(zhuǎn)，并通過安裝在主軸上的專用測(cè)量芯軸帶動(dòng)被測(cè)軸承內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)(內(nèi)圈由緊固螺母固定，相對(duì)主軸不作軸向運(yùn)動(dòng))。上載荷加載頭在被測(cè)軸承上側(cè)中部?jī)蓚?cè)對(duì)稱加力，使外圈不做圓周運(yùn)動(dòng)，主軸旋轉(zhuǎn)時(shí)帶動(dòng)鋼球落入溝底，通過高精度軸向傳感器將外圈的位移量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，通過交流放大、相敏檢波和直流放大送入單片機(jī)系統(tǒng)。內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)一周后，電路經(jīng)過運(yùn)算就可顯示出外圈單側(cè)的位移量平均值。然后施加下載荷，得出外圈另一個(gè)極限位置的位移量。外圈2個(gè)極限位置位移量的變化值即為徑向游隙值。

徑向游隙的動(dòng)態(tài)測(cè)量結(jié)果是外圈2個(gè)極限位置的測(cè)頭位移量平均值的差值，因安裝測(cè)量芯軸的徑向跳動(dòng)對(duì)測(cè)頭位移量的影響基本相同，經(jīng)和差運(yùn)算后，在一定程度上消除了其帶來的影響，相應(yīng)地保證了測(cè)值的準(zhǔn)確性和可靠性。

2 性能指標(biāo)

軸承類型：深溝球軸承，四點(diǎn)接觸球軸承。

測(cè)量范圍：內(nèi)徑95～140 mm，外徑<300 mm。

徑向載荷：49～150 N可調(diào)。

測(cè)量系統(tǒng)量程和分辨率：±100 μm，0.1 μm；±200 μm，0.2 μm；±500 μm，0.5 μm。

系統(tǒng)線性誤差：δi=±0.3%(|Si|+L)，Si為受檢點(diǎn)的標(biāo)稱值，μm；L為檢定時(shí)所用的量程，μm。

測(cè)量系統(tǒng)重復(fù)性(用微動(dòng)臺(tái)架檢定)：0.3+0.2%(|Si|+L) μm。

示值重復(fù)性：3 μm(最大差值)。

3 儀器設(shè)計(jì)

3.1 機(jī)械設(shè)計(jì)

3.1.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)

如圖1所示，儀器的機(jī)械部分主要由測(cè)量臺(tái)架、測(cè)量主軸與傳動(dòng)部分、加載氣缸、傳感器及其調(diào)整支架等組成。

1—支座；2—傳感器；3—傳感器調(diào)整裝置；4—上載荷加載裝置；5—被測(cè)軸承；6—測(cè)量附件；7—測(cè)量主軸；8—下載荷加載裝置；9—測(cè)速傳感器；10—傳動(dòng)裝置；11—同步電動(dòng)機(jī)圖1 X095J測(cè)量?jī)x機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖

測(cè)量臺(tái)架由鈑金架和花崗巖工作臺(tái)組成，可有效消除環(huán)境振動(dòng)對(duì)測(cè)量造成的影響，從而保證測(cè)量的穩(wěn)定性；主軸驅(qū)動(dòng)部分采用轉(zhuǎn)矩較大的同步電動(dòng)機(jī)，可以為傳動(dòng)系統(tǒng)提供穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速和足夠的轉(zhuǎn)矩；主軸傳動(dòng)部分采用同步帶和密珠軸系，在一定程度上消除了因驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)振動(dòng)對(duì)主軸旋轉(zhuǎn)精度帶來的誤差，保證了測(cè)量的高精度；加載裝置采用自動(dòng)精密加載的專用加載氣路和氣缸系統(tǒng)，保證測(cè)量過程中的加載不會(huì)導(dǎo)致外圈相對(duì)偏擺和上下移動(dòng)；通過載荷調(diào)整旋鈕及氣壓表可以方便地加載和卸載。

3.1.2 誤差分析

在軸承安裝過程中，應(yīng)使加載力和測(cè)量力的方向通過主軸旋轉(zhuǎn)中心，以保證測(cè)量的準(zhǔn)確性。但實(shí)際上加載力與測(cè)量力的方向經(jīng)常出現(xiàn)偏差，從而導(dǎo)致測(cè)量過程中內(nèi)、外圈相互錯(cuò)位，進(jìn)而使徑向游隙測(cè)量值出現(xiàn)誤差，其幾何關(guān)系如圖2所示[3]。

圖2 內(nèi)、外圈相錯(cuò)時(shí)鋼球與溝道的幾何關(guān)系

設(shè)內(nèi)、外圈溝道相錯(cuò)的位移為Δ，則有

式中：Ri,Re分別為內(nèi)、外圈溝曲率半徑，mm;Dw為鋼球直徑，mm；Gr為徑向游隙，μm;θ為加載力F出現(xiàn)偏載時(shí)軸承內(nèi)、外圈的偏角，(°)。

由以上分析可知，在調(diào)整上載荷軸和傳感器測(cè)頭的前后位置時(shí)，盡可能使其處于軸承外徑寬度的1/2處，否則，測(cè)量時(shí)外圈會(huì)產(chǎn)生傾斜而影響測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。以6220軸承為例，其主要參數(shù)為Ri=13.08 mm,Re=13.34 mm,Dw=25.4 mm,Gr= 12～36 μm,取中間值為Gr=25 μm。若取Δ=0.2 mm時(shí)，ΔGr=0.5 μm；而若取Δ=0.1 mm時(shí)，ΔGr= 0.1 μm。由以上推導(dǎo)可以得出，通過反轉(zhuǎn)法可以控制軸承在安裝后的Δ偏移值在0.1 mm以內(nèi)，其對(duì)游隙值的影響在0.1 μm以內(nèi)，對(duì)于儀器的示值誤差3 μm而言，可以忽略不計(jì)。

3.2 電氣設(shè)計(jì)

電氣部分由顯示屏、數(shù)據(jù)處理芯片、數(shù)據(jù)采集卡和位移前置電路組成，其工作框圖如圖3所示。

圖3 電氣原理框圖

3.3 測(cè)量流程

圖4為一次測(cè)量的流程圖，顯示了徑向游隙的測(cè)量方法和故障處理辦法。

3.3.1 量程選擇

對(duì)于小游隙組別(150 μm以下)的軸承可選擇±100 μm的量程，大游隙組別(150～350 μm)的軸承可選擇±200 μm的量程，更大游隙組別(350 μm以上)可選用±500 μm的量程。

3.3.2 測(cè)量過程

該儀器通過電磁閥控制氣缸自動(dòng)施加上、下載荷。 首先安裝軸承并將內(nèi)圈緊固，打開電箱面板上的電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)開關(guān)，進(jìn)入實(shí)際測(cè)量狀態(tài)。根據(jù)產(chǎn)品情況選擇合適的量程，施加上載荷，調(diào)整傳感器測(cè)頭，觀察傳感器測(cè)頭數(shù)值變化，使顯示值穩(wěn)定在量程下限范圍，按“測(cè)量”按鈕，儀器自動(dòng)按圖4步驟進(jìn)行加載和測(cè)量，最后直接顯示被測(cè)量軸承的徑向游隙值(第1個(gè)測(cè)值減去第2個(gè)測(cè)值)，完成一次測(cè)量過程。

圖4 徑向游隙一次測(cè)量框圖

4 結(jié)束語

X095J徑向游隙動(dòng)態(tài)測(cè)量?jī)x實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)加載和自動(dòng)測(cè)量，提高了測(cè)量效率，并排除了機(jī)械表顯示的主觀誤差；測(cè)量重復(fù)性可達(dá)3 μm，可實(shí)現(xiàn)內(nèi)徑100 mm以上大尺寸軸承的高精度徑向游隙的測(cè)量，解決了以往靜態(tài)測(cè)量精度低，主觀誤差大的問題；采用大量程高精度電感傳感器在測(cè)量過程中連續(xù)實(shí)時(shí)采樣，一周采樣點(diǎn)數(shù)可達(dá)500點(diǎn)以上，解決了靜態(tài)測(cè)量采樣點(diǎn)單一的問題，有效保證了測(cè)值的準(zhǔn)確性，更符合軸承實(shí)際使用情況下的游隙測(cè)量要求；并可按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定進(jìn)行測(cè)量徑向游隙的限定，超限報(bào)警；特殊的測(cè)量工裝還可實(shí)現(xiàn)四點(diǎn)接觸球軸承等專用軸承徑向游隙的精密測(cè)量。