軸承接觸角測量技術研究現狀分析

方偉，沈雪瑾，陳曉陽，郭夢媛，顧家銘

(1.上海大學 機械自動化工程系，上海 200072；2.上海天安軸承有限公司，上海 200233)

接觸角是角接觸球軸承的重要結構參數，在相關標準中對其有明確的要求和規定。大量的理論研究和試驗證明，對于精密主軸用角接觸球軸承，尤其是配對用軸承，其接觸角的大小及一致性直接影響整個軸系的剛度、旋轉精度及使用壽命[1]。隨著軸承接觸角測量研究技術的不斷發展以及對軸承接觸角測量精度要求的不斷提高，研究軸承接觸角測量技術有重要意義[2-7]。

文中從幾何學與動力學兩方面對軸承接觸角測量原理進行闡述，介紹目前主要的軸承接觸角測量儀器及測量方法，分析其不足之處，并提出可行的處理方法。

1 接觸角測量原理

1.1 幾何學原理

由軸承幾何學[3]可知,軸承接觸角與原始徑向游隙(設計游隙)之間的幾何關系為

(1)

式中：α為軸承接觸角；Gr為軸承原始徑向游隙；fi為內圈溝曲率半徑系數；fe為外圈溝曲率半徑系數；Dw為鋼球直徑。

根據(1)式，可以通過檢測軸承的徑向游隙計算軸承接觸角，但該方法建立在軸承具有理想幾何形狀的基礎上。而在實際生產中，原始游隙與實際游隙、軸承套圈的溝曲率半徑有一定的公差范圍和測量誤差，因此計算誤差較大[9]。

1.2 動力學原理

軸承接觸角測量儀都是應用了行星輪系的運動原理[2]，即軸承內(外)圈固定，鋼球和外(內)圈按一定的轉速比轉動，該轉速比是軸承接觸角的函數。測出對應的保持架與外(內)圈轉速，并將結果代入接觸角函數關系式即可得出被測軸承的接觸角。角接觸球軸承結構模型如圖1所示。

圖1 角接觸球軸承結構模型

由軸承運動學可知，軸承內圈固定、外圈旋轉時，接觸角與保持架轉速、外圈轉速的關系為

(2)

同理，軸承外圈固定、內圈旋轉時，接觸角與保持架轉速、內圈轉速的關系為

(3)

式中：Dpw為球組節圓直徑；nc為保持架轉速；ne為外圈轉速；ni為內圈轉速。

2 測量儀器及方法

目前，軸承接觸角測量主要是依據運動學測量原理[10]，測量系統一般由加載部分、驅動部分、測量部分組成，測量時軸承的運動形式則主要分為內圈固定外圈旋轉、外圈固定內圈旋轉、內外圈反向旋轉3種形式。

2.1 內圈固定、外圈旋轉

J6915型軸承接觸角測量儀[2]如圖2所示，由載荷拉桿、墊片和砝碼杠桿所產生的載荷加在被測軸承的內圈上。步進電動機通過齒輪傳動裝置帶動被測軸承的外圈旋轉。在保持架上貼1片反光測量標記，保持架每轉1周，光電計數裝置中的光電管接受1次反光信號，送給計數裝置1個脈沖，該脈沖數就是保持架的轉數，可以換算為轉速。外圈的轉速由步進電動機提供。鎖相倍頻電路將50 Hz的交流電轉換成43.2 kHz的脈沖列作為步進電動機的電源，步進電動機每得到1個脈沖便轉動一定角度，經過齒輪傳動裝置傳給主軸，使主軸正好轉過1′轉角。用計數裝置將步進電動機所接收的脈沖數，除以21 600即為外圈的轉數。當光電計數裝置接收到保持架的第1個脈沖時，控制電路發出指令，使另一個計數器同時也對步進電動機的脈沖開始計數，當計數裝置得到預定轉數的最后1個脈沖時，由控制電路發出指令，2個計數器同時停止計數。根據軸承的Dw和Dpw值以及測得的外圈轉速ne和保持架轉速nc，按(2)式計算得到接觸角值α，并由顯示器顯示出來。

1—過渡輪；2—主動輪；3—步進電動機；4—計算器；5—顯示器；6—光電管；7—載荷拉桿；8—墊片；9—被測軸承；10—軸承座；11—從動輪；12—杠桿；13—砝碼；14—凸輪

文獻[11]研究了滾動軸承接觸角測量儀，軸承內圈固定、外圈旋轉，采用紅外調制光電頭傳感器，利用單片機測量控制系統測量軸承接觸角。測量儀結構原理圖如圖3所示。

1—電動機；2—光電編碼器；3—皮帶； 4—測量儀主軸；5—被測軸承；6—光電頭

該測量儀工作原理為：先設置被測軸承的鋼球直徑Dw、球組節圓直徑Dpw和保持架旋轉次數，在內圈施加一定的軸向載荷以保證鋼球與內外圈做純滾動；使用光電傳感器測量軸承保持架的轉速，測量時程序接受來自光電頭的中斷信號并對中斷次數進行計數，當中斷次數與設定測量次數相等時，讀出此時光電編碼器的值，即得到軸承外圈轉速ne和保持架轉數nc，最后根據(3)式計算軸承接觸角。

文獻[12]提出了一種接觸角的簡易測量法。繪制如圖4所示的轉角圖，其中由內到外3個圓的直徑分別等于軸承的內徑、球組節圓直徑和外徑。在0°畫一橫線作為起始線，根據計算確定的外圈終止角，從起始線開始按順時針方向分別畫出接觸角度為22°，25°，27°的角度線，載荷塊為1.5 kg。合套后用轉角法在如圖5所示的簡易儀器上進行測量，測量時將合套后的軸承放在簡易儀器的支承塊上，在軸承的外圈、內圈和保持架上做好起始點標記，并讓3個零件的起始標記對齊。放上載荷塊，轉動外圈并記錄保持架的轉數。當保持架轉到轉角圖中規定的圈數(10圈)時，用轉角圖對照，如果外圈標記落在轉角圖的規定范圍內，即表示該套軸承接觸角合格。

圖4 轉角圖

1—內圈；2—載荷塊；3—保持架；4—外圈；5—支承塊

文獻[13]基于球軸承接觸角的測量方法，根據生產實際情況提出了球軸承實際接觸角的測量方法并設計了相應的測量裝置，其示意圖如圖6所示。

該測量方法通過旋轉螺母加載，使軸承外圈旋轉一定圈數，讀出軸承保持架上指針偏轉的角度，根據保持架上指針偏轉角度與接觸角的關系即可測得軸承實際接觸角。

1—刻度盤；2—被測軸承；3—墊塊；4—輔測軸承；5—加載螺母；6—螺桿；7—墊圈；8—指針

2.2 外圈固定、內圈旋轉

文獻[14]介紹了軸承接觸角測量儀，外圈固定，電動機驅動主軸，并與內圈一起轉動，通過主軸末端光電編碼器獲得內圈轉速，在被測軸承上貼反光片感應光電信號，通過光電傳感器獲得保持架轉速，最后通過接觸角與內圈轉速和鋼球繞軸承中心轉速的關系，就能得出所測軸承的接觸角。

J6928軸承接觸角測量儀[3-4]如圖7所示，測量儀由驅動機構、加載機構和電氣測量控制系統組成。在J6915型軸承接觸角測量儀基礎之上，將原來的杠桿和砝碼加載換成氣缸加載，更便于加載力的控制。軸承外圈固定，同步電動機通過同步齒形帶帶動主軸及被測軸承內圈旋轉，電動機同步鎖相器檢測內圈轉速，光電轉速傳感器測量保持架轉速，代入(3)式計算得到接觸角。

1—同步電動機；2—同步帶；3—軸承胎具；4—加載盤；5—轉速傳感器；6—加載氣缸；7—氣缸支承； 8—被測軸承； 9—密珠軸系

文獻[15]介紹了軸承接觸角與凸出量綜合檢測儀。通過杠桿砝碼加載，外圈固定、內圈旋轉一周，刻度盤顯示外圈的角度，將外圈角度代入內圈轉速和保持架轉速與接觸角的關系式中，就能得出軸承接觸角，同時也測量出軸承凸出量。

1—支承地腳；2—基面；3—底座；4—測頭；5—被測軸承；6—刻度盤；7—回轉盤；8—轉軸； 9—第2臂；10—支架；11—杠桿；12—砝碼

在測量軸承保持架轉速時，文獻[16]檢測了內圈轉速以及在相同周期上鋼球的轉速。鋼球轉速通過一種光學檢測裝置檢測，該檢測裝置通過內、外圈之間的間隙投射射線，射線被球或保持架直接截取，從而獲得鋼球或者保持架的轉速。通過保持架轉速和內圈轉速與接觸角的關系得到接觸角。

2.3 內外圈反向旋轉

文獻[17]介紹了一種軸承接觸角測量方法及裝置，如圖9所示。在外圈上施加軸向預載荷，使內圈與外圈以相反的方向旋轉，調整內圈與外圈的轉速，在保持架相對靜止時記錄下內外圈的轉速，然后通過內外圈差動速度等于0時的轉速比計算接觸角。

1—工作臺；2—調速電動機；3—第1光電測速器；4—第2光電測速器；5—測速器固定架；6—高壓氣嘴；7—節流閥；8—氣管支架；9—載荷塊；10—內圈；11—軸承保持架；12—外圈；13—芯軸；14—氣管支承塊；15—氣管

3 測量技術存在的問題和處理方法

3.1 軸承軸向加載不穩定

目前，軸承接觸角測量儀器及測量方法的加載方式主要有2種：一種是砝碼、杠桿和凸輪聯合加載，聯合加載時軸向加載力與軸承中心線不重合，容易使內外圈產生偏擺角，而且凸輪加載會使被測軸承受到一定沖擊力，會損壞被測軸承；另一種是氣缸加載，氣缸加載時空氣的可壓縮性大，氣壓傳動系統的速度穩定性差，給系統的速度和位置控制精度帶來很大影響。

處理方法：加載時應使加載力與軸承中心線重合，確保加載力穩定，且勻速增加到預定載荷。建議使用穩定性比較好的彈簧加載，在軸承中心線上使彈簧與軸承加載部分連接，然后，通過增減砝碼的或者調節螺栓螺母、伺服電動機控制絲桿的方式對軸承進行加載。

3.2 驅動部分傳動鏈過長

現有的測量儀及測量方法均選用普通電動機作為驅動源，經過減速機構降低轉速、提升轉矩,導致整個傳動鏈過長，降低了系統精度及效率。而且目前的驅動部分不能任意改變驅動電動機轉速，測量環境單一。

處理方法：用直接驅動電動機或輸出轉速比較穩定的其他直接驅動方式對測量儀器進行驅動,減少驅動傳動鏈。

3.3 測量精度不高

在測量軸承外圈轉速時很難做到與保持架測量完全同步，測量精度受到影響。用光電傳感器測量保持架轉速的缺點是光斑較大，轉速細分倍率較小。現有軸承接觸角測量儀驅動部分傳動鏈過長也會降低測量精度。

處理方法：應用高精度的工業照相機測量保持架的轉速，或者選擇精度更高的傳感器測量保持架轉速，縮短驅動部分傳動鏈。

3.4 控制不同步

現有的軸承接觸角測量儀控制部分通過單片機實現，當光電計數裝置接收到保持架的第1個脈沖時，控制電路發出指令，使另一個計數器同時對步進電動機開始計數，當保持架轉到預定轉數時，2個計數器同時停止。整個控制過程可能存在時間不同步的問題，在理論上應該是同時控制光電傳感器和外圈轉過的角度，但目前的測量儀器及測量方法都是光電傳感器先獲得光電信號，然后給外圈開始信號，結束時也是光電傳感器先結束，然后給外圈停止信號，其中可能存在信號延遲的問題。

處理方法：可以考慮在測量儀控制部分使用可靠性和穩定性更好的工控機或者PLC，在測量外圈(內圈)和保持架轉速時，最好使用同步采集卡，同時給出信號控制保持架和外圈轉速計數，保證計數的同步性。

3.5 缺少校準功能

現有的軸承接觸角儀器都只有簡單的測量控制部分和儀器標定，沒有對測量儀器和測量控制系統進行校準。

處理方法：應當考慮軸承接觸角測量的溯源性，必要時需考慮運用由上級計量單位校準過的標準器件對軸承接觸角儀器進行校準。

4 結束語

隨著軸承接觸角測量技術水平的不斷提高，其技術逐步朝著高性能測控系統的應用和測量儀的多功能化方向發展；隨著軸承多樣化的發展趨勢，測量儀也必然呈現出多品種、高精度、多控制和群控化、模擬工況化、專用性的格局。

軸承品種多樣性和應用領域廣泛性，決定了軸承接觸角測量儀、測量技術、測量方法和測量結果處理方法的研究和發展方向，是一門將數學、電控學、力學、機械學等綜合學科交織在一起的應用學科。在軸承行業廣大技術人員的共同努力下，軸承接觸角測量技術必定迅速向前發展。