一種大型三排圓柱滾子軸承徑向游隙測量方法的研究

王立超，陽雪兵，李興林，章 滔，王連吉*

（1. 大連理工大學，遼寧 大連 116023；2. 哈電風能有限公司，湖南 湘潭 411100；3. 杭州軸承試驗研究中心有限公司，浙江 杭州 310022；4. 機械工業軸承產品質量檢測中心（杭州）ISO/IEC 檢測/校準 CNASL0309，浙江 杭州 310022）

1 前言

徑向游隙是大型三排圓柱滾子軸承重要的技術指標，其很大程度上決定著大型三排圓柱滾子軸承的使用性能和使用壽命能否達到技術要求[1]。

大型軸承套圈在加工完成以后，其形狀一般為非正圓，因此存在長軸與短軸，反映在徑向游隙上，就存在最大值和最小值。目前測量大型三排圓柱滾子軸承的徑向游隙的方法主要是測幾個點位置的徑向游隙值，然后取其平均值來作為最終的徑向游隙值[2]，由于測點有限,不能真實反映出大型三排圓柱滾子軸承的徑向游隙，同時，也無法判斷軸承內外圈的最大、最小徑向游隙值的方向，鑒于此，本文設計了一套風電主軸三排圓柱滾子軸承徑向游隙測量設備，并應用于生產當中。

2 徑向游隙測量的方法和原理

利用位移傳感器對軸承內外圈進行 360°掃描，得到軸承內外圈相對于其零點的位移尺寸，通過計算機進行擬合，得到內外圈的形狀。然后夾緊內外圈某一位置（角度α位置）測出其徑向間隙值。

如圖 1 所示，圖中所示α角位置的徑向間隙值可由上述所測得的值與圖形上所示的δ對應位置進行比較，可按該比例算出其他任意位置對應的間隙值。取圖形上均勻分布的n個角度，分別計算其徑向間隙，然后根據軸承游隙定義，通過圓心的兩個方向的n個間隙值相加，取其算術平均值，即得出徑向游隙平均值。

對于大型三排圓柱滾子軸承來說，其內外圈的形狀一般為非正圓，因此在裝配成軸承成品后，其徑向游隙在各個位置是不相等的。當外圈滾道的長軸與內圈滾道的短軸重合時，此時測得的徑向游隙為最大值，當外圈滾道的短軸與內圈滾道的長軸重合時，此時測得的徑向游隙值為最小值。找出徑向游隙的最大值、最小值及其位置，在工程實踐當中有一定的指導意義，本文利用旋轉卡殼法來找出軸承套圈的長短軸，進行徑向游隙最大值與最小值的測量。

旋轉卡殼法是利用對踵點對進行凸多邊形或光滑表面長短軸確定的方法，所謂的對踵點對指的是凸多邊形或者光滑表面上由一對平行線相切于凸多邊形或光滑表面的邊界，其切點對即為一對對踵點對（如圖 2）。

圖 1 徑向間隙的測量圖形

圖 2 對踵點對

在確定軸承內外圈長軸時，確定長軸的對踵點對不可能在軸承內外圈的內部，因此只需要利用旋轉卡殼法在軸承內外圈邊界上搜索長軸的對踵點對即可。其具體流程如下[3]：

（1）找出軸承內外圈形狀上一對X方向上的端點，稱之為A和B，見上圖。

（2）構造通過A點，B點的一對平行切線，由于它們已經是一對對踵點了，計算出他們之間的距離，并保存為當前距離的最大值。

（3）旋轉上述的平行切線，直至一條平行線與軸承內外圈形狀上的一條邊重合為止。

（4）由此產生一對新的對踵點，計算他們之間的距離，并與之前距離的最大值進行比較，若大于當前最大值，則對當前最大值進行更新，若小于當前最大值，則舍棄該對對踵點。

（5）重復（3）和（4）步驟，直至重現對踵點A點和B點。

（6）輸出距離最大值的對踵點點對，完成對于軸承內外圈形狀長軸的位置計算，并結束計算流程。

在完成對于軸承內外圈長軸的確定之后，軸承內外圈的短軸的計算流程和長軸的相似，唯一不同的是計算短軸需要保存對踵點之間最小的距離值并即時進行更新，直至重現原始點對為止，最終得到軸承內外圈短軸的位置。

由上述得到的長短軸位置，將軸承內外圈長短軸進行重合，利用上述測量原理，完成徑向游隙最大值與最小值的測量。

3 測量裝置的結構

基于以上徑向游隙測量，設計出相應的徑向游隙測量裝置，其結構簡圖如下：

圖 3 測量裝置簡圖

由圖 3 可知，該軸承徑向游隙測量裝置由支撐臂組件、壓板、被測軸承、旋轉掃描機構、夾緊機構等組成。采用固定外圈，移動內圈的方式進行徑向間隙的測量，其測量過程如下：將被測軸承吊裝到試驗裝置臺面上，調整被測軸承中心，使其與回轉中心的同心度不大于 5mm，然后利用測量桿上位移傳感器，分別掃描軸承內外圈上的兩個止口，從而測出內外圈的相對形狀，利用上述測量方法完成徑向游隙的測量。

4 試驗結果與分析

隨機抽取10套規格為φ1 816×φ2 195×150mm 的 130.45.2000 型三排圓柱滾子軸承作為測量對象，分別利用本文所提到的方法與傳統方法在測量裝置上進行徑向游隙的測量，得到如下數據結果，參見表 1 和圖 4。

表1 10組徑向游隙測量值 μm

圖 4 10 組徑向游隙測量值

然后對上述被測軸承進行徑向游隙最大值與最小值的測量，數據結果見表 2：

表2 徑向游隙最大值與最小值的測量 μm

由上述圖表可知：

（1）利用本文方法測量得到的徑向游隙均值與用傳統方法測量得到的徑向游隙值，兩者差距最大 6μm，最小 0μm，差距微小，由此本文中的測量方法可作為傳統方法的替代方法。

（2）對于徑向游隙最大值與最小值的測量，其徑向游隙最大值的均值為 256.5μm，標準差為 6.2μm，其徑向游隙最小值的均值為213.8μm，標準差 3.4μm，徑向游隙最大值與最小值的離散程度較小，可為徑向游隙的測量提供一定的參考。

5 誤差分析

以上測量數據，存在以下幾個方面的誤差：

（1）旋轉主軸的徑向跳動誤差

由于傳感器固定在測量桿上，在驅動旋轉主軸進行旋轉掃描時，旋轉主軸的徑向跳動會造成測量誤差。對于本測量裝置來說，旋轉主軸的徑向跳動在 7 ~ 8μm之間，跟本文方法測出的徑向游隙均值相比，其相對誤差為 3 ~ 3.5%，因此可忽略不計。

（2）旋轉主軸與支撐臂平面的垂直度誤差

理論上四個支撐臂所形成的水平面應保持絕對水平，以保證軸承內外圈端面的水平，但在實際徑向游隙測量中，四個支撐臂所形成的平面與理論水平面存在誤差。為此可先用水平儀對四個支撐臂所形成的平面進行初步調平，然后分別利用尺寸較小的軸承與尺寸較大的軸承對四個支撐臂所形成的平面做進一步的水平校核，從而保證旋轉主軸與支撐臂平面的垂直度在 0.02mm之內。假設軸承幅高 0.5m，經計算在旋轉測量時形成的誤差為 0.02mm，跟本文方法測出的徑向游隙均值相比，其相對誤差為 8 ~ 8.7%，因此可忽略此誤差。

（3）夾緊時引起的變形誤差

在對軸承內外圈進行夾緊的過程中，軸承內外圈及圓柱滾子會產生微弱的變形，由此也會產生一定的測量誤差，但經過有限元計算，該測量誤差與本文方法測出的徑向游隙均值相比，其相對誤差為 0.5% 左右，因而忽略此誤差。

（4）止口與滾道的不同軸度引起的測量誤差

此誤差由軸承制造產生，為系統誤差。

（5）安裝軸承時軸承圓心與傳感器回轉中心不同軸度所產生的誤差

采用掃描法測量軸承內外圈形狀，理論上是不會產生測量誤差，但在實際測量過程當中，考慮到傳感器的量程，因此安裝時對同心度有一定要求。

（6）傳感器測量誤差

本裝置所使用的傳感器測量誤差是 0.5μm，因此可以忽略此誤差。另外傳感器與軸承止口表面夾角也可產生一定的測量誤差，因此在測量時，盡量保證傳感器測量桿與被測表面保持垂直。

綜上所述，除軸承本身制造誤差之外，本測量裝置所產生的相對誤差大約 10% 左右，在誤差允許范圍之內。

6 結論

通過對實際軸承徑向游隙的測量，可得出以下結論：

（1）該測量設備能夠真實有效地測量出軸承內外圈的相對形狀與徑向游隙，測量的相對誤差在 10% 的范圍內。

（2）用掃描法測量的軸承徑向游隙，更能反映軸承徑向游隙的實際狀況。

（3）基于旋轉卡殼法測得的軸承徑向游隙的最大值、最小值，以及方向，在軸承裝配時有更好的指導意義。