鄭昊天，邱明，王東峰，李慶林，丁文峰

(1.河南科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，河南 洛陽 471003; 2.洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039；3.河南省高性能軸承技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽 471039；4.滾動(dòng)軸承產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟，河南洛陽 471039)

機(jī)器人用薄壁軸承是工業(yè)機(jī)器人的關(guān)鍵配套零部件,其振動(dòng)特性極大影響機(jī)器人的運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)性、重復(fù)定位精度、回轉(zhuǎn)精確度以及工作的可靠性等關(guān)鍵性能指標(biāo)[1],因此，上述指標(biāo)均可通過軸承振動(dòng)進(jìn)行考核。

機(jī)器人用薄壁軸承大多屬于超精密軸承范疇，抗沖擊、振動(dòng)能力較弱，易受振動(dòng)的影響[2-3]。目前，國內(nèi)對機(jī)器人用薄壁軸承已開展一些相關(guān)的研究并取得了一定的成果，但基本處于探索階段,而且主要在軸承設(shè)計(jì)、制造、測試等方面。文獻(xiàn)[1, 4-5]從機(jī)器人軸承的設(shè)計(jì)角度出發(fā)，分別對機(jī)器人用薄壁軸承的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、主參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)、壽命計(jì)算進(jìn)行研究。文獻(xiàn)[6-8]從結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、性能、應(yīng)用等方面評價(jià)了機(jī)器人軸承。文獻(xiàn)[9]針對薄壁軸承的測試技術(shù)進(jìn)行了研究。國外關(guān)于機(jī)器人用薄壁軸承的研究處于基本成熟階段，并能專業(yè)化研發(fā)和生產(chǎn)，但研究成果及文獻(xiàn)資料很少公開[10-11]。

鑒于此，下文采用專門設(shè)計(jì)的機(jī)器人軸承動(dòng)態(tài)性能試驗(yàn)機(jī)，對ZR76/82C型機(jī)器人用薄壁角接觸球軸承在不同轉(zhuǎn)速和載荷下的振動(dòng)特性展開研究。

1 機(jī)器人軸承振動(dòng)測試方案

1.1 動(dòng)態(tài)性能試驗(yàn)機(jī)

GM-DXJ-12-1型軸承動(dòng)態(tài)性能試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由試驗(yàn)機(jī)主體、加載系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、冷油機(jī)、電氣系統(tǒng)以及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成。該試驗(yàn)機(jī)采用懸臂式結(jié)構(gòu)，2套油潤滑的陪試軸承處于試驗(yàn)頭中部，1套脂潤滑軸承位于試驗(yàn)頭一端。可實(shí)現(xiàn)0～2 000 r/min的無極調(diào)速、0～50 kN的軸向載荷加載和0～70 kN的徑向載荷加載。

1—軸向加載；2—徑向加載；3—試驗(yàn)軸承；4—陪試軸承

試驗(yàn)過程中，可實(shí)現(xiàn)對試驗(yàn)軸承軸向載荷、徑向載荷和轉(zhuǎn)速的控制，并能同時(shí)對試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行定時(shí)采樣、存儲(chǔ)、顯示和打印，還可排除主軸振動(dòng)和試驗(yàn)機(jī)底座振動(dòng)對試驗(yàn)軸承的影響。

1.2 振動(dòng)測量原理

根據(jù)現(xiàn)行專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，在考核向心軸承振動(dòng)時(shí)，只考核徑向振動(dòng)。試驗(yàn)過程中試驗(yàn)軸承內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)，外圈固定不動(dòng)。振動(dòng)傳感器為YD系列加速度傳感器，固定于外圈的夾具上(圖2)，傳感器的頭部頂在外圈外圓柱面寬度的1/2處，用重力加速度g(9.8 m/s2)度量其徑向振動(dòng)加速度。

圖2 振動(dòng)值的測試原理圖

1.3 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)軸承為薄壁角接觸球軸承ZR76/82C，精度等級P4，套圈、鋼球由經(jīng)過真空電弧重熔的高碳鉻軸承鋼GCr15制造，保持架材料選用酚醛樹脂。其外徑和寬度均非標(biāo)，外形尺寸小于一般工況條件下使用的角接觸球軸承，主要結(jié)構(gòu)參數(shù)及技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)與技術(shù)指標(biāo)

為了保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，試驗(yàn)前設(shè)定4 h的磨合時(shí)間，使軸承充分磨合，保證潤滑脂均勻分布于軸承中，此階段軸承運(yùn)轉(zhuǎn)工況如下：1)軸向載荷1 kN、徑向載荷1 kN、轉(zhuǎn)速300 r/min; 2)軸向載荷1.5 kN、徑向載荷3 kN、轉(zhuǎn)速600 r/min;3)軸向載荷2 kN、徑向載荷6 kN、轉(zhuǎn)速900 r/min，每種工況運(yùn)行20 min，依次循環(huán)運(yùn)行。4 h后各測量參數(shù)值基本趨于穩(wěn)定，達(dá)到穩(wěn)定磨損階段，對軸承進(jìn)行試驗(yàn)，方案如下：

1)測試轉(zhuǎn)速對軸承振動(dòng)值的影響。分別對軸承施加2種不同的軸向載荷和徑向載荷：軸向載荷1 kN、徑向載荷2 kN；軸向載荷2 kN、徑向載荷3 kN。轉(zhuǎn)速均從100 r/min增加到1 700 r/min，每30 min增加100 r/min。

2)測試軸向載荷對軸承振動(dòng)值的影響。在轉(zhuǎn)速1 700 r/min、徑向載荷2，3 kN這2種情況下，分別施加1.0，1.5，2.0，2.5，3.0 kN的軸向載荷，各運(yùn)行30 min。

3)測試徑向載荷對軸承振動(dòng)值的影響。在1 700 r/min轉(zhuǎn)速下，分別施加1.0，1.5，2.0，2.5 kN的軸向載荷。每種軸向載荷下，分別施加不同的徑向載荷。

4)測試運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間對軸承振動(dòng)值的影響。對軸承施加軸向載荷2.5 kN、徑向載荷5.5 kN，在1 700 r/min的轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn)10 h。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 轉(zhuǎn)速對軸承振動(dòng)的影響

軸承振動(dòng)值隨轉(zhuǎn)速的變化曲線如圖3所示。由圖可知，振動(dòng)值隨轉(zhuǎn)速的增加而增加，但并非成完全線性關(guān)系。隨著轉(zhuǎn)速增加，一方面，內(nèi)圈和鋼球受到的離心力不斷增加，擠壓外圈，使振動(dòng)值增加；另一方面，潤滑油黏性摩擦產(chǎn)生的阻力增大。此外，轉(zhuǎn)速增大，鋼球與保持架兜孔、保持架與套圈引導(dǎo)面、套圈與鋼球之間碰撞更加劇烈。

圖3 轉(zhuǎn)速對軸承振動(dòng)值的影響

2.2 軸向載荷對軸承振動(dòng)的影響

振動(dòng)值隨軸向載荷的變化曲線如圖4所示。由圖可知，振動(dòng)值隨軸承軸向載荷的增加而增加；當(dāng)軸向載荷增加到2.5 kN(額定動(dòng)載荷的1/10)時(shí)，振動(dòng)值趨于穩(wěn)定。這是由于開始時(shí)軸向載荷較小，軸承處于彈性變形階段，隨著載荷的增加，彈性變形不斷增大，當(dāng)軸向載荷增加到2.5 kN時(shí)，軸向載荷除抵消徑向載荷的軸向分量外，還對軸承起到預(yù)緊作用。已達(dá)到預(yù)緊狀態(tài)的軸承，隨著軸向載荷的增加，其彈性變形量不會(huì)明顯增加。

圖4 軸向載荷對軸承振動(dòng)值的影響

2.3 徑向載荷對軸承振動(dòng)的影響

振動(dòng)值隨徑向載荷的變化曲線如圖5所示。由圖可知，當(dāng)軸承轉(zhuǎn)速和軸向載荷保持不變時(shí)，振動(dòng)值隨徑向載荷的增加有所增加，但變化不顯著。當(dāng)徑向載荷超過軸向載荷的2倍(拐點(diǎn))時(shí)，振動(dòng)值顯著上升。

圖5 徑向載荷對軸承振動(dòng)值的影響

這是由于軸向載荷、轉(zhuǎn)速保持不變時(shí)，徑向載荷逐漸增大，徑向載荷的軸向分量也不斷增大，抵消了軸向載荷，使軸承的剛度減小；當(dāng)徑向載荷達(dá)到拐點(diǎn)時(shí)，軸承剛度明顯不足，振動(dòng)值快速上升。當(dāng)施加較大的軸向載荷時(shí)，需要更大的徑向載荷來抵消軸向載荷。

2.4 軸承運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間對軸承振動(dòng)的影響

軸向載荷2.5 kN、徑向載荷5.5 kN、轉(zhuǎn)速1 700 r/min下振動(dòng)值隨運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間的變化曲線如圖6所示。由圖可知，振動(dòng)值隨著時(shí)間的推移而逐漸趨于平緩。開始運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，軸承配合面間的相對表面粗糙度值較大，兩接觸表面有少量的輪廓峰接觸。隨著軸承的運(yùn)轉(zhuǎn)，輪廓峰逐漸消失，表面粗糙度值穩(wěn)定，振動(dòng)值不斷減小，最終長時(shí)間保持恒定。

圖6 運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間對軸承振動(dòng)值的影響

3 結(jié)論

1)轉(zhuǎn)速對機(jī)器人用薄壁角接觸球軸承振動(dòng)影響顯著，轉(zhuǎn)速越高，振動(dòng)值越大。

2)在工況轉(zhuǎn)速下，機(jī)器人用薄壁角接觸球軸承振動(dòng)值隨軸向載荷的增加而增加。當(dāng)軸向載荷增加到額定動(dòng)載荷的1/10時(shí)，振動(dòng)值趨于穩(wěn)定，軸承處于彈性變形穩(wěn)定階段。為避免軸承振動(dòng)隨載荷產(chǎn)生較大的變動(dòng)，應(yīng)使軸承在適當(dāng)大的軸向載荷下運(yùn)轉(zhuǎn)。

3)在工況轉(zhuǎn)速下，當(dāng)徑向載荷超過軸向載荷的2倍時(shí)，軸承振動(dòng)值顯著上升，在滿足需求的情況下，盡量選擇小于軸向載荷2倍的徑向載荷。

4)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間對機(jī)器人用薄壁角接觸球軸承的振動(dòng)性能有一定影響，但并不顯著。