一種導電滑環軸系加載測量裝置

胡英貝，王恒迪，楊晨，曲強，李利

（1.河南科技大學，河南 洛陽 471039；2.洛陽軸承研究所有限公司，河南 洛陽 471039；3.北京控制工程研究所，北京 100094）

導電滑環是航海、航空、航天系統中信號傳輸、通信、供電的重要組件（下簡稱滑環組件），滑環組件運行過程要求有較高的旋轉精度，選用角接觸球軸承并施加一定的軸向預載荷將大大提高滑環組件運轉的旋轉精度。軸向預載荷可以在軸承原始安裝時產生一定的預變形，使軸承在實際使用中跳過初期變形較大階段，從而顯著提高其支承剛度，消除軸向及徑向竄動量［1］。但施加的軸向預載荷過大，會影響滑環組件內軸承運轉的靈活度，并增大軸承運行的摩擦力，從而引起軸承發熱，嚴重影響軸承的使用壽命。

軸向預載荷的加載是否合適直接影響滑環組件的運轉情況和使用壽命。通常情況下，裝配人員通過計算滑環組件中各零件的尺寸鏈控制所施加的預載荷［2］，并確定滑環組件上端蓋的修磨尺寸。該種方法裝配效率低、裝配質量差，并受制于裝配工人的經驗和熟練程度，且裝配工人勞動強度大。針對上述問題，通過對滑環組件內部結構、軸承受力及成對軸承軸向剛度的研究，設計了一套模擬實際軸向預載荷下滑環組件框架定位面與軸承加載面位移測量的專用設備［3］，以提高滑環組件的裝機質量和裝配效率。

1 主要功能及性能指標

1.1 測量項目

在額定軸向預載荷下，測量滑環組件框架定位面與軸承加載面之間的位移值，得出滑環組件上端蓋的修磨尺寸。

1.2 性能指標

設備使用范圍：滑環組件直徑（包括凸緣直徑）不大于80 mm。

滑環組件高度：50～120 mm。

設備位移測量量程：±2 000μm。

設備位移分辨力：0.1μm。

位移傳感器：MT1281 HEIDENHAI長度計，量程12 000μm，傳感器系統精度±0.2μm。

主軸輸出載荷范圍：Fa＝5～200 N，載荷分辨力0.1 N，載荷精度±0.5 N。

滑環組件剛度校驗性能要求：加載力分辨力1 N，位移分辨力1μm，量程300μm。

1.3 使用要求

環境溫度：20±0.5℃。

相對濕度：＜60%。

電源電壓：220 V±10%，電源頻率50 Hz。

供氣壓力：大于0.55 MPa。

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2 測量原理

2.1 導電滑環軸系結構受力分析

滑環組件的結構如圖1所示，由于軸承安裝的特殊性，內部軸承型號不一定相同，軸系沒有內外隔套，滑環組件的預載荷通過刷絲框架定位面與軸承加載面之間的尺寸進行控制。導電滑環加載測量設備可以在一定的軸向預載荷下直接測量出裝配過程中框架定位面與軸承加載面之間的高度差，方便裝配人員控制修磨量，保證滑環組件的預載荷要求，使軸承剛度、精度、轉速處于最優狀態，從而提高滑環組件的裝配質量。

圖1 SRA45-S-1A滑環組件結構簡圖Fig.1 Structure diagram of slip ring component SRA45-S-1A

2.2 測量原理

采用比較測量方法，根據滑環組件的型號及具體尺寸選擇專用工裝附件和精密調壓閥控制空氣加載系統輸出的軸向預載荷，通過壓力傳感器檢測施加于滑環組件上的軸向預載荷，采用2支位移傳感器測量滑環組件框架定位面與軸承加載面的位移。上升空氣主軸使滑環組件內上軸承外圈端面與上定位座相接觸，調整2支位移傳感器的位置，保證傳感器的測頭位于軸承兩側的框架定位面上，然后將其固定；下降空氣主軸，安裝滑環組件配套用定標塊；上升空氣主軸，通過調整定標塊確定2支位移傳感器的零位，安裝被測滑環組件，施加所需軸向預載荷，測出框架定位面與軸承內圈端面的位移值，即可得到滑環組件加壓端蓋修磨后的尺寸。

例如：原加壓端蓋厚度為2 000μm，在額定載荷30 N下測得框架定位面與軸承內圈端面的高度差值為1 212μm，則應將加壓端蓋應磨掉788μm，使用該加壓端蓋時滑環組件的軸向預載荷即為30 N。

3 主要結構設計

3.1 主體結構

由于被測件為圓柱形結構，故采用承載剛性較好的龍門式結構作為測量設備的主體形式。在基準頂板上放置2套位移調整機構以適配不同型號的滑環組件，空氣主軸軸向加載系統放置于底座內，保證軸向加載的準確性和導向性。其主體結構示意圖如圖2所示。

圖2 高精度軸承加載設備結構原理簡圖Fig.2 Schematic diagram of structure of load device for high precision bearing

3.2 軸向加載系統

根據選定的總體技術方案，選用氣缸加載方式，通過精密調壓閥調節供給氣缸的壓強實現連續變化的軸向預載荷；通過精密壓力傳感器測量氣缸腔體中的壓強，利用壓強與氣缸活塞的面積換算出氣缸輸出的力，通過計算得到準確施加到軸承上的軸向預載荷，即

式中：F為施加到軸承上的軸向預載荷；P為壓力傳感器測值；S為氣缸活塞面積；G1為導向空氣主軸產生的重力；G2為工裝定位座產生的重力；G3為滑環組件的重量。

為保證測試的準確性，加載作用點應通過被測軸承的中心，不允許有徑向分力，選用空氣主軸一方面可以保證加載系統的直線導向精度和自身的旋轉精度，軸向精密加載系統與被測滑環組件軸承的同心度以及加載工裝上定位座端面與加載系統軸線的垂直度；另一方面空氣主軸與軸套之間基本無摩擦，可以減小主軸自身摩擦力對加載載荷的影響［4］。

使用適度冗余設計的氣缸活塞面積為10 cm2，在0.4 MPa輸入氣壓下，空氣主軸軸向載荷可達400 N［5］，根據5～200 N的載荷測量范圍計算可知，選用YZD-2B型壓力傳感器，即可在減去工裝定位座及滑環組件的自重的同時滿足軸向預載荷的測量范圍要求。

3.3 測量系統

3.3.1 位移測量系統

位移測量系統包括位移傳感器及其測量電路，根據被測對象的實際情況，選用MT1281型高精度光柵位移傳感器，其具有量程大、精度高、穩定性好的特點［6］。測量電路還包括增量式光電計數卡，作用是將光柵傳感器感應的被測工件的計數信號等比例的細分轉換為長度信號，再轉換為計算機可識別處理的數字信號［7］。

3.3.2 壓力測量系統

壓力測量系統選用高精度壓力傳感器，該傳感器為組合式結構，選用優質擴散硅壓力芯片作敏感元件，內置放大器，具有零點調整和靈敏度調整的功能，可進行標準信號的輸出。

3.4 測量軟件系統

導電滑環軸系預載荷測量軟件系統主要包括以下程序：1）主面版設計；2）主程序，即系統管理程序；3）事件驅動程序；4）數據采集卡驅動程序；5）測量及數據處理程序；6）自檢測序，檢驗設備程序的工作狀態是否可靠，通過對計算機輸入一個標準信號來校驗輸出的準確性，保證設備測量和數據處理的正確性；7）輔助程序，包括參數輸入、過載報警、數據存盤、歷史數據及打印程序等。

各程序采用LabWindows／CVI進行編制，實現數據采集及數據處理。數據處理板卡型號為PCI9111，用來處理壓力傳感器與位移傳感器的瞬時數據。傳感器每10 ms采集1個數值，采用了多點采集后合并的原則，使測量結果更接近于實際值。測量后通過測量軟件對數據進行濾波處理，以實現數據的準確性。

3.5 氣路控制系統

氣路控制系統如圖3所示，其作用是控制設備的測量動作和精密加載，主要包括測量動作，復位動作以及加載動作控制。其中，通過二位五通電磁閥控制小氣缸升降動作完成測量和復位動作，采用精密調壓閥控制加載氣缸實現無級加載功能。

圖3 氣路控制系統框圖Fig.3 Block diagram of control system for gas path

4 試驗數據分析與驗證

使用型號為SPA45-S-1A的滑環組件，在30 N額定預載荷作用下進行20次重復測量，結果見表1。為驗證上述測試結果的準確性，對完成上端蓋修研的SRA45-S-1A滑環組件的剛度拐點及加載準確性進行驗證，滑環組件軸向剛度曲線如圖4所示。從圖中可以看出，輔助線分為3段曲線，2個明顯的拐點分別在8 N和32 N附近。8 N前，滑環組件內部軸承的內外圈與環體組件、刷絲框架座之間存在摩擦力處于自由狀態；在8～32 N階段，剛度明顯增大，此時為滑環組件受載剛度曲線；在32 N后，剛度增大，剛度曲線趨近于平直，此時上端蓋定位面與刷絲框架座定位面接觸剛度增大，應為刷絲框架座剛度。

圖4 SRA45-S-1A滑環組件軸系剛度曲線界面Fig.4 Interface of axial stiffness curve of slip ring component SRA45-S-1A

表1 滑環組件框架定位面與軸承加載面之間的位移值Tab.1 Displacement value between the positioning surface of slip ring component and load surface of bearing

根據表1及軸系剛度拐點數據可知，該儀器測量準確性和重復性均較好，滿足設計的性能指標要求。

5 結束語

通過對滑環組件內部結構、軸承受力的分析，設計了導電滑環軸向預載荷測量設備。本設備主要用于對滑環組件軸承軸向預載荷測試，也可以用于滑環組件內部軸承軸向剛度的測試；避免了通過計算滑環各個零件的尺寸鏈來控制所施加軸向預載荷的問題，使裝配人員可以精準地把握和控制滑環組件中加壓端蓋尺寸修磨量；有效減小了裝配人員的勞動強度，可大大提高導電滑環軸系產品的裝機質量和裝配效率。目前，該設備已完工并交付用戶使用，在實際工作中解決了導電滑環軸系軸向預載荷難以控制的問題，實際使用效果良好。