魏力, 張雙貴, 段富宣 ,葉亞飛，高奮武

(洛陽(yáng)軸研科技股份有限公司，河南 洛陽(yáng) 471039)

某系統(tǒng)平臺(tái)在較強(qiáng)的振動(dòng)、沖擊條件下低速工作，要求軸承在軸向和徑向承載下具有較高的定位精度和較低的摩擦力矩。配對(duì)角接觸球軸承由于可提高支承的剛度、旋轉(zhuǎn)精度并減小振動(dòng)而被采用[1]。

配對(duì)軸承摩擦力矩的大小和波動(dòng)直接影響系統(tǒng)的壽命、穩(wěn)定性和可靠性。在施加軸向載荷和徑向載荷的工況下，對(duì)配對(duì)軸承摩擦力矩進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量，可以為配對(duì)軸承摩擦性能的評(píng)定和分析提供可靠的依據(jù)。因此，設(shè)計(jì)了配對(duì)軸承摩擦力矩測(cè)量?jī)x。

1 測(cè)量原理

配對(duì)軸承摩擦力矩測(cè)量?jī)x如圖1所示，被測(cè)軸承垂直配對(duì)安裝在驅(qū)動(dòng)主軸上，軸向加載機(jī)構(gòu)和徑向加載機(jī)構(gòu)分別施加軸向載荷和徑向載荷于被測(cè)軸承，被測(cè)軸承外圈安裝測(cè)量外套并與傳感器相連。當(dāng)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)主軸驅(qū)動(dòng)被測(cè)軸承內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于摩擦力矩的存在，會(huì)帶動(dòng)被測(cè)軸承外圈旋轉(zhuǎn)，而傳感器彈性體變形所產(chǎn)生的力矩會(huì)阻礙被測(cè)軸承外圈轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)被測(cè)軸承的摩擦力矩與傳感器的阻礙力矩保持動(dòng)態(tài)平衡，通過(guò)傳感器即可測(cè)量軸承的摩擦力矩大小與變化。

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)

如圖1所示，測(cè)量?jī)x主要由測(cè)量機(jī)構(gòu)、軸向加載機(jī)構(gòu)、徑向加載機(jī)構(gòu)和傳動(dòng)部件4部分組成。

1—電動(dòng)機(jī)；2—密珠軸系；3—測(cè)桿；4—力傳感器；5—測(cè)量外套；6—驅(qū)動(dòng)主軸；7—軸向加載機(jī)構(gòu)；8—滾動(dòng)導(dǎo)軌；9—軸向力傳感器；10—軸向加載套；11—被測(cè)軸承；12—徑向加載機(jī)構(gòu)；13—徑向加載支承；14—徑向載荷

2.1 測(cè)量部分

摩擦力矩的測(cè)量是應(yīng)用力傳感器通過(guò)與測(cè)桿組成的力臂的作用轉(zhuǎn)換成力矩的測(cè)量，傳感器采用目前廣泛應(yīng)用的電阻應(yīng)變式傳感器，具有高靈敏性和良好的穩(wěn)定性[2]。傳感器前置電路由精密檢測(cè)裝置放大器、雙通道低通濾波器和可調(diào)式傳感激勵(lì)器3個(gè)部分組成，具體包含輸入偏移量調(diào)節(jié)(可將輸入偏移量調(diào)零)；激勵(lì)電壓調(diào)節(jié)；輸出偏移量調(diào)節(jié)(調(diào)節(jié)輸出電壓可以對(duì)固定負(fù)載進(jìn)行補(bǔ)償，平衡橋路)；濾波器截止頻率的設(shè)計(jì)；輸入保護(hù)裝置等功能。具有低輸入失調(diào)溫漂、良好的非線性度、低噪聲和低共模抑制比等特點(diǎn)，可滿足測(cè)量需求。

2.2 軸向加載機(jī)構(gòu)

軸向加載機(jī)構(gòu)如圖2所示，由氣缸、軸向力傳感器、直線導(dǎo)軌和加載軸等組成。當(dāng)給氣缸供氣時(shí)，氣缸會(huì)產(chǎn)生向下的壓力(即軸向載荷)，并經(jīng)軸向力傳感器和加載軸傳遞到被測(cè)軸承上。其中，軸向載荷的大小通過(guò)調(diào)節(jié)供氣壓力控制；軸向力傳感器用于測(cè)量軸向載荷的大??；加載軸將軸向載荷直接作用于被測(cè)軸承上；直線導(dǎo)軌采用滾動(dòng)導(dǎo)軌，具有良好的導(dǎo)向性和靈活性，用來(lái)保證加載過(guò)程中加載軸運(yùn)動(dòng)的直線度，實(shí)現(xiàn)精確加載。

1—?dú)飧祝?—軸向力傳感器；3—加載軸；4—直線導(dǎo)軌；5—被測(cè)軸承

2.3 徑向加載機(jī)構(gòu)

徑向加載機(jī)構(gòu)如圖3所示。被測(cè)軸承安裝在測(cè)量外套內(nèi)，加載盤由轉(zhuǎn)動(dòng)支承支承并通過(guò)細(xì)線與被測(cè)軸承水平連接，徑向載荷通過(guò)加載盤傳遞和載荷支承傳遞并轉(zhuǎn)向后施加到被測(cè)軸承上。

1—測(cè)量外套；2—被測(cè)軸承；3—細(xì)線；4—加載盤；5—轉(zhuǎn)動(dòng)支承； 6—載荷支承；7—徑向載荷

測(cè)量過(guò)程中，測(cè)量外套只是隨傳感器彈性體的彈性變形進(jìn)行微動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)支承選用低摩擦靈敏軸承，保證加載盤微動(dòng)時(shí)的靈活性，載荷支承采用滾動(dòng)支承，使徑向載荷可準(zhǔn)確施加到被測(cè)軸承上。

2.4 傳動(dòng)部件

傳動(dòng)部件主要包括驅(qū)動(dòng)軸系、電動(dòng)機(jī)、同步帶和帶輪。驅(qū)動(dòng)軸系采用密珠主軸，具有較高的旋轉(zhuǎn)精度和軸、徑向承載能力，可提高測(cè)量精度和可靠性；電動(dòng)機(jī)采用直流力矩測(cè)速機(jī)組，轉(zhuǎn)速在0.5 ～30 r/min無(wú)級(jí)可調(diào)，保證在低速下的測(cè)量要求。

3 測(cè)量及誤差分析

3.1 測(cè)量與控制過(guò)程

測(cè)量前，需安裝被測(cè)軸承及其更換件，并通過(guò)直線導(dǎo)軌將傳感器移到工作位置，完成準(zhǔn)備工作。

整個(gè)測(cè)量過(guò)程采用人機(jī)對(duì)話方式進(jìn)行測(cè)量和控制，具體流程如圖4所示。首先，計(jì)算機(jī)給出軸向加載指令，由I/O輸出后經(jīng)繼電器驅(qū)動(dòng)啟動(dòng)軸向加載電磁閥，軸向加載氣缸施加軸向載荷；接著，計(jì)算機(jī)給出徑向加載指令，由I/O輸出經(jīng)繼電器驅(qū)動(dòng)啟動(dòng)徑向加載電磁閥，徑向加載氣缸施加徑向載荷；然后計(jì)算機(jī)給出開始測(cè)量指令，由I/O輸出啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)，測(cè)量系統(tǒng)開始采樣，由傳感器輸出，將傳感器接收到的軸承摩擦力矩信號(hào)，經(jīng)前置放大濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D轉(zhuǎn)換后送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，獲取軸承的摩擦力矩大小與變化曲線。

圖4 測(cè)量與控制原理流程圖

3.2 誤差分析

存在的誤差主要有2個(gè)方面：

(1)主軸跳動(dòng)造成的誤差。主要包括主軸振動(dòng)帶來(lái)的測(cè)值不穩(wěn)和主軸跳動(dòng)導(dǎo)致傳感器測(cè)點(diǎn)與主軸中心線距離的偏差而形成的測(cè)量值偏差。減小此項(xiàng)誤差的方法是提高工件的制造精度。

(2)徑向加載造成附加力矩的誤差。徑向加載直接施加在被測(cè)軸承外圈上，徑向加載機(jī)構(gòu)中支承的摩擦力會(huì)產(chǎn)生附加力矩，但在校準(zhǔn)過(guò)程中，僅將該支承的摩擦力矩的平均值作為定值進(jìn)行修正，其誤差值為相對(duì)于平均值的波動(dòng)值。減小此項(xiàng)誤差的辦法是減小徑向支承的摩擦力，可使用具有極小摩擦力的微型軸承或者空氣軸承。

4 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)的配對(duì)軸承摩擦力矩測(cè)量?jī)x解決了配對(duì)軸承在軸向和徑向載荷作用下摩擦力矩的測(cè)量難題，為評(píng)定配對(duì)軸承的摩擦性能提供了可靠的依據(jù)，可用于分析配對(duì)軸承的預(yù)緊狀態(tài)，為提高軸承質(zhì)量，改進(jìn)軸承工藝參數(shù)提供可靠依據(jù)。