高速球軸承保持架動態(tài)特性試驗方案設(shè)計

王林泉，陳曉陽，張濤，顧金芳，顧家銘

(1.上海大學(xué) 機電工程及自動化學(xué)院，上海 200072；2.上海天安軸承有限公司，上海 201108)

精度失效是軸承早期失效形式之一。對于機床和儀表類軸承，一旦其發(fā)生精度失效，會對整個設(shè)備的精度及壽命造成很大影響。高速時保持架的運動狀態(tài)和受力情況較為復(fù)雜，且保持架斷裂是軸承主要失效現(xiàn)象之一。因此，無論是延長軸承的使用壽命，預(yù)防軸承早期失效，還是提高軸承的精度，研究保持架動態(tài)特性都具有重要意義。

目前,對保持架的試驗研究主要集中在運動穩(wěn)定性、溫度檢測等方面[1-5]。文獻[2]針對工程中出現(xiàn)的保持架渦動現(xiàn)象，以陀螺儀球軸承為例進行了試驗研究，通過高速攝像機觀測到保持架運動不穩(wěn)定。文獻[6]通過特殊方法加工軸承外圈,使激光光束導(dǎo)入并直接照到保持架上,測量其徑向振動，但試驗轉(zhuǎn)速較低。文獻[7-8]采用了基于圖像的方法，在試驗軸承軸向放置高速攝像機，對7008角接觸球軸承保持架運動狀態(tài)進行拍照分析，用分辨率512×512，最高幀率11 500 fps的高速攝像機參數(shù)進行計算，試驗時采用外圈固定、內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動方式，通過跟蹤保持架上標(biāo)記的白點運動獲取其圖像數(shù)據(jù)，在內(nèi)圈轉(zhuǎn)速為1 500 r/min以上時白點受攝像機幀率影響清晰度會下降。由于保持架運動復(fù)雜，測量較為困難，目前對高速軸承保持架非接觸式測量的相關(guān)研究較少。

因此，在保持試驗軸承實際結(jié)構(gòu)和正常約束狀態(tài)的條件下，提出一種新原理的高速球軸承保持架動態(tài)特性試驗方案，并研制原理樣機，通過內(nèi)外圈反向旋轉(zhuǎn)使保持架公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速降低，以便用現(xiàn)有高速攝像機清晰地獲取軸承高速運行時保持架的運動信息。

1 試驗

1.1 試樣及試驗條件

試驗軸承與配對軸承均為7003高速電主軸軸承，其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。保持架為酚醛夾布實體保持架，套圈和鋼球材料為GCr15。試驗軸承內(nèi)外圈反向旋轉(zhuǎn)，內(nèi)圈轉(zhuǎn)速為3 000～10 166 r/min，定壓軸向加載力為2.5 N，試驗溫度為25～30 ℃。

表1 7003軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.2 試驗原理

試驗原理圖如圖1所示。軸向預(yù)緊的試驗軸承與配對軸承的內(nèi)、外圈分別相連，同步旋轉(zhuǎn)，兩軸承內(nèi)圈轉(zhuǎn)速為ni，球與溝道之間的摩擦帶動兩軸承外圈以轉(zhuǎn)速ne反方向轉(zhuǎn)動。通過精確控制配對軸承的保持架轉(zhuǎn)速n1，使其與試驗軸承的保持架產(chǎn)生差動,從而調(diào)節(jié)試驗軸承保持架的公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速n2，使其接近于零。通過配對軸承和試驗軸承外圈之間的壓縮彈簧實現(xiàn)軸向定壓加載，即軸向預(yù)緊。

圖1 試驗原理圖

1.3 試驗設(shè)備

采用MKROTRON的EoSens?CL視覺高速攝像機測量保持架的運動軌跡，其參數(shù)見表2。試驗機結(jié)構(gòu)如圖2所示，試驗測量系統(tǒng)如圖3所示，攝像機正對試驗軸承保持架，拍攝的圖像通過圖像采集卡傳輸?shù)接嬎銠C上。

表2 高速攝像機參數(shù)

1—底座；2—伺服電動機；3—主動齒形帶輪；4—figure；5—配對軸承及壓縮彈簧；6—支架；7—電主軸

圖3 試驗機測量系統(tǒng)

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗結(jié)果的提取

圖像數(shù)據(jù)提取及處理方法示意圖如圖4所示。從圖4a中可以清晰區(qū)分試驗過程中試驗軸承的內(nèi)、外圈及保持架，保持架上白點用于控制轉(zhuǎn)速時辨別保持架是否發(fā)生公轉(zhuǎn)。圖4a的刻度尺為PS(Photoshop)的標(biāo)尺功能，紅線為軟件的參考線。假設(shè)圖像中水平方向為x方向，垂直方向為y方向，y方向2條紅線與保持架邊緣相切，通過這2條紅線對應(yīng)的刻度值求出平均值，即為保持架質(zhì)心x方向的坐標(biāo)x1；同理，x方向2條紅線與保持架邊緣相切，通過這2條紅線對應(yīng)的刻度值求出平均值，即為保持架質(zhì)心y方向的坐標(biāo)y1，采用相同方法可得內(nèi)圈中心坐標(biāo)，設(shè)為(0,0)，定為基準(zhǔn)點。圖4a中2條藍線與內(nèi)圈擋邊相切，其差值除以實際內(nèi)圈的擋邊直徑，即可確定圖像與實際軸承尺寸的比例關(guān)系，其值用C表示。

圖4 保持架動態(tài)軌跡提取及處理

將保持架質(zhì)心坐標(biāo)刻度值與內(nèi)圈中心坐標(biāo)刻度值求差值并除以比例C，即為保持架運轉(zhuǎn)過程中質(zhì)心相對于內(nèi)圈中心的位移。已知內(nèi)圈中心坐標(biāo)(0,0)和保持架質(zhì)心坐標(biāo)(x1,y1)，利用三角函數(shù)求斜邊方法，可求得保持架質(zhì)心偏距L(圖4b)。

2.2 外圈固定、內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)

試驗軸承在外圈固定、內(nèi)圈逆時針旋轉(zhuǎn)且轉(zhuǎn)速為3 000 r/min時，保持架質(zhì)心軌跡如圖5a所示；Adore商業(yè)軸承性能分析軟件在相同軸承參數(shù)及工況下仿真得到的保持架質(zhì)心軌跡如圖5b所示，牽引模型選擇Adore中簡化的兩斜率牽引-滑動模型。從圖中可以看出，試驗結(jié)果與仿真結(jié)果中保持架的質(zhì)心軌跡比較接近，軌跡圓直徑也基本一致，由此證明了試驗結(jié)果的可靠性，研究的試驗方法可以用于測試保持架的動態(tài)特性。

圖5 外圈固定、內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)時保持架質(zhì)心軌跡對比

2.3 內(nèi)外圈反向旋轉(zhuǎn)

當(dāng)內(nèi)外圈反向旋轉(zhuǎn)時，在不同內(nèi)圈轉(zhuǎn)速下保持架的質(zhì)心運動軌跡如圖6所示，坐標(biāo)原點即為內(nèi)圈中心，每種轉(zhuǎn)速下保持架公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速都基本為零。由圖可知，內(nèi)圈轉(zhuǎn)速為3 000 r/min時，保持架質(zhì)心在相對于坐標(biāo)原點偏上方做無規(guī)律運動；當(dāng)內(nèi)圈轉(zhuǎn)速為4 800，6 000 r/min時，保持架的質(zhì)心軌跡相對于坐標(biāo)原點的偏移位置發(fā)生了逆時針轉(zhuǎn)動；當(dāng)內(nèi)圈轉(zhuǎn)速增加至6 600 r/min時，保持架質(zhì)心在相對于坐標(biāo)原點偏左上方做無規(guī)律運動；當(dāng)內(nèi)圈轉(zhuǎn)速為7 200 r/min時，保持架質(zhì)心在相對于坐標(biāo)原點偏右下方做無規(guī)律運動；當(dāng)內(nèi)圈轉(zhuǎn)速為9 000 r/min時，保持架質(zhì)心在相對于坐標(biāo)原點偏左上方做無規(guī)律運動。

圖6 內(nèi)外圈反向旋轉(zhuǎn)時不同轉(zhuǎn)速下保持架的質(zhì)心軌跡

綜上，當(dāng)軸承內(nèi)、外圈反向旋轉(zhuǎn)，保持架轉(zhuǎn)速基本為0時，保持架的質(zhì)心軌跡比較混亂，且其中心偏離內(nèi)圈中心。出現(xiàn)這種情況的原因是內(nèi)、外圈反向旋轉(zhuǎn)時，保持架公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速降低，保持架兜孔與球之間以及保持架與套圈引導(dǎo)面之間的頻繁碰撞減少，套圈對保持架的引導(dǎo)作用降低。

試驗和Adore仿真中保持架質(zhì)心偏距L隨轉(zhuǎn)速的變化曲線如圖7所示。由圖可知，試驗中在轉(zhuǎn)動圈數(shù)一致的情況下，當(dāng)轉(zhuǎn)速從3 000 r/min增加到6 600 r/min時，L最大值和平均值呈增加趨勢；當(dāng)轉(zhuǎn)速從6 600 r/min增加到9 000 r/min時，L最大值和平均值呈減小趨勢，并趨近于穩(wěn)定。用Adore軟件在相同工況下進行仿真，L平均值的變化規(guī)律與試驗情況近似，而L最大值隨轉(zhuǎn)速的增加呈緩慢減小的趨勢，其與試驗結(jié)果不同的原因是仿真時忽略了機械裝置由于轉(zhuǎn)速增加而引起的振動的影響。

圖7 保持架質(zhì)心偏距隨內(nèi)圈轉(zhuǎn)速的變化曲線

3 結(jié)束語

1)通過試驗軸承和配對軸承內(nèi)外圈反向旋轉(zhuǎn)，并精確控制其保持架差動速度原理研制的高速球軸承保持架動態(tài)特性試驗機，可使保持架公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速大幅降低，且試驗軸承保持架不需改變結(jié)構(gòu)和工作時的約束狀態(tài)，就可以用現(xiàn)有的高速攝像機清晰地獲取軸承高速運行時的保持架信息。

2)當(dāng)試驗軸承外圈固定、內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)且不約束配對軸承保持架運動時，在低轉(zhuǎn)速下測得的保持架質(zhì)心軌跡與仿真結(jié)果基本一致。

3)當(dāng)內(nèi)外圈反向旋轉(zhuǎn)、保持架公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速接近于零時，不同內(nèi)圈轉(zhuǎn)速下，保持架質(zhì)心軌跡偏于內(nèi)圈中心一側(cè)做無規(guī)律運動。隨著內(nèi)圈轉(zhuǎn)速的增加，保持架最大質(zhì)心偏距和平均質(zhì)心偏距呈先增大后減小并趨于穩(wěn)定的趨勢，這與Adore軟件仿真結(jié)果略有差別。

在軸承高速運動時，采用文中試驗機僅能獲取保持架高精度徑向二維動態(tài)軌跡，而其實際工作于復(fù)雜的三維狀態(tài)下，因此還需探索可獲取其三維動態(tài)軌跡的非接觸測量方法。