成對角接觸球軸承摩擦力矩測量裝置的設計*

□ 鐵曉艷 □ 張振潮 □ 李文超 □ 焦春照 □ 謝鵬飛 □ 鈔仲凱

洛陽軸承研究所有限公司 河南洛陽 471039

1 設計背景

滾動軸承由于結構特殊性,在運動過程中各零件間不可避免會產生碰撞與摩擦,如滾動體與內外圈滾道之間的摩擦、滾動體與保持架之間的摩擦、保持架與套圈之間的摩擦。摩擦力矩作為檢驗軸承動態(tài)性能的一個關鍵指標,越來越值得關注。與此同時,越來越多的客戶也對滾動軸承的摩擦力矩提出了出廠全檢的要求。為了滿足客戶需求,研究設計一種可在裝配現(xiàn)場快速檢測滾動軸承摩擦力矩的裝置迫在眉睫。目前,軸承摩擦力矩測試設備在軸承領域內尚未普及,只有在主機廠家有技術要求時才會對軸承的摩擦力矩進行測試,并且只能對單套軸承進行摩擦力矩測試,對成對角接觸球軸承的摩擦力矩則束手無策。蔣聰?shù)萚1]基于平衡力法測量原理,研制了一種動態(tài)摩擦力矩測量設備,滿足了較大尺寸單套軸承批量快速測量要求。邢化友等[2]論述了一種基于阻尼振動的軸承摩擦力矩測量原理,提出軸承摩擦力矩測量算法,并通過大量試驗測試進行分析,驗證了這一方法的可行性,對高精度系統(tǒng)所用球軸承的技術發(fā)展可以起到促進作用。劉杭[3]基于平衡測量法,設計針對中小型軸承的摩擦力矩測量儀,規(guī)劃了儀器的性能參數(shù)和功能參數(shù),采用光電式力矩傳感器進行測量,對傳感器主要性能指標進行了研究分析。

角接觸球軸承在實際使用中通常成對安裝,而現(xiàn)有的軸承摩擦力矩測量裝置通常只適用于單套軸承,沒有合適的測量設備測量成對角接觸球軸承在實際工況下的摩擦力矩。筆者基于滾動軸承摩擦力矩的影響因素及理論計算,針對傳統(tǒng)角接觸球軸承摩擦力矩測量儀測試條件與實際工況有出入的問題,對成對角接觸球軸承摩擦力矩測量裝置進行結構設計,不僅解決了現(xiàn)有技術中軸承摩擦力矩測試裝置無法實現(xiàn)軸承在軸向加載力實時調節(jié)的技術問題,而且能夠對成對角接觸球軸承進行摩擦力矩測試,從而實現(xiàn)以某一工況下的成對角接觸球軸承摩擦力矩性能為優(yōu)化目標,進行角接觸球軸承的選配與優(yōu)化。

2 滾動軸承摩擦力矩影響因素

滾動軸承摩擦力矩主要由軸承在運動中兩件零件間發(fā)生摩擦運動所引起。數(shù)控機床的滾動軸承主要承受徑向載荷和沖擊載荷,產生一個無法控制的動態(tài)參數(shù),即摩擦力矩,摩擦力矩對滾動軸承的運動性能有重要影響[4-6]。對影響摩擦力矩的相關因素進行分析研究,對降低摩擦力矩能夠提供技術參考。

2.1 外部工況條件

軸承在承受不同的外部工況條件時,內部各零件間的碰撞和摩擦運動不相同。由外載荷引起的摩擦力矩M1為:

M1=f1Fβdm

(1)

f1=z(Fs/Cs)y

(2)

式中:dm為軸承節(jié)圓直徑;f1為與軸承結構和載荷有關的因數(shù);Fβ為當量載荷,根據(jù)軸承類型取值;Fs為當量靜載荷;Cs為基本額定靜載荷;z、y為常數(shù),取值見表1。

表1 常數(shù)z、y取值

對于向心深溝球軸承,Fβ為:

Fβ=3Fα-0.1Fr

(3)

對于角接觸球軸承,Fβ為:

Fβ=0.9Facotα-0.1Fr

(4)

式中:Fa為軸向載荷;Fr為徑向載荷;α為接觸角。

2.2 潤滑劑

不同種類的潤滑劑,黏度及潤滑性能不同。對于流體潤滑的滾動軸承,潤滑劑占據(jù)軸承內部的部分空間,阻礙球或滾子的運轉。摩擦力矩的大小與潤滑劑的性能、填充量均有關系。當滾動體穿過軸承內部的黏性潤滑劑時,產生的摩擦力矩Mv為[7]:

(5)

式中:vo為潤滑劑運動黏度;n為軸承轉速;fo為與軸承類型和潤滑方式有關的因數(shù),不同潤滑條件下取值見表2。

表2 不同潤滑條件下fo取值

3 測量裝置設計

3.1 測量原理

成對角接觸球軸承摩擦力矩測量裝置采用直接法測量軸承摩擦力矩。測量時,主軸的一端連接變頻電機、扭矩傳感器,另一端安裝成對角接觸球軸承。被測軸承內圈與主軸通過過盈配合一起轉動,要求被測軸承回轉中心與主軸同心,由定位工裝保證。被測軸承外圈安裝在測試軸承座上。變頻電機驅動主軸旋轉,帶動成對角接觸球軸承內圈旋轉,此時扭矩傳感器的輸出力矩即為成對角接觸球軸承的摩擦力矩。扭矩傳感器的信號經過電氣測量電路反饋至計算機進行處理,得出軸承摩擦力矩值。

由計算機實現(xiàn)整個測量過程的控制與數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理。測量結束后,對軸承摩擦力矩的測量結果、變動曲線進行評定與分析,繪制被測軸承轉動過程中的力矩動態(tài)曲線,即可分析被測軸承的啟動摩擦力矩及動態(tài)摩擦力矩的最大值、最小值、平均值、波動值。

3.2 主要技術指標

測量軸承尺寸范圍內徑為φ40～φ200 mm,外徑為φ90～φ300 mm。測量量程為0～50 N·m,主軸轉速為0～3 000 r/min,滿量程測量相對誤差為±1.5%。軸向加載范圍為0～30 kN,環(huán)境溫度為10～30 ℃,相對濕度不高于80%。電源電壓為(1±10%)220 V、50 Hz,氣源壓力為0.55～0.65 MPa。

3.3 結構

成對角接觸球軸承摩擦力矩測量裝置結構簡圖如圖1所示,主要包括驅動裝置、扭矩傳感器等。

驅動裝置主要包括變頻電機和主軸,變頻電機帶動主軸轉動,轉速為0～3 000 r/min可調,轉速相對誤差為±2%。設計有兩個聯(lián)軸器,分別設置在扭矩傳感器的兩端,實現(xiàn)同軸度的自我調節(jié),可以減小整個測量裝置在運行過程中由于振動、加工誤差等造成的轉動精度誤差。扭矩傳感器轉矩量程為0～50 N·m,滿量程測量相對誤差為±1.5%。測試軸承座安裝在工作臺上,設計有待測成對角接觸球軸承安裝的內孔,通過與軸承外圈小間隙配合而固定軸承外圈。加載活塞與被測軸承外圈端面貼合,通過加載油缸實現(xiàn)被測軸承的軸向載荷加載。加載裝置施加的載荷范圍為0～30 kN,壓力表測量范圍為0～10 MPa,精度為1.6級。

成對角接觸球軸承在進行摩擦力矩測量時,軸向加載油缸對被測軸承外圈施加軸向載荷,通過壓力表和控制系統(tǒng)實現(xiàn)軸向載荷的實時調節(jié)。扭矩傳感器接收到主軸因旋轉而傳遞出的扭矩信號,測量記錄儀同步記錄扭矩值,從而實現(xiàn)摩擦力矩的測量。測量裝置設計有加載手柄,當需要對被測軸承進行加載時,可以直接使用加載手柄操作手動液壓泵進行加壓,還能通過壓力表實時觀察手動液壓泵的壓力值。當壓力過大時,停止加壓動作,操作便捷,避免因壓力過大造成測量精度喪失,進而保證測試數(shù)據(jù)的準確性。

3.4 電氣及控制系統(tǒng)

測量裝置的電氣系統(tǒng)主要由計算機、電機控制電路、信號處理電路、模擬數(shù)字采樣設備、輸入輸出設備等組成,主要功能是控制電機轉速,測量載荷,對摩擦力矩信號進行處理。計算機通過輸入輸出設備輸出信號,通過電機控制電路驅動電機旋轉。對由扭矩傳感器檢測到的摩擦力矩信號進行處理,實現(xiàn)模擬量轉換為數(shù)字量,輸入計算機,即為被測軸承的摩擦力矩值。電氣系統(tǒng)原理如圖2所示。

測量軟件的總體設計思路是應用可視化虛擬軟件來開發(fā)一個經濟、靈活的基于計算機平臺的摩擦力矩測量系統(tǒng),使主軸轉速、軸向施加載荷、測量力矩值等均可在測量軟件界面上顯示,如圖3所示。

測量軟件程序主要包括主面板設計程序、主程序、系統(tǒng)管理程序、事件驅動程序、數(shù)據(jù)采集卡驅動程序、測量及數(shù)據(jù)處理程序,以及具有參數(shù)輸入、數(shù)據(jù)存盤、歷史數(shù)據(jù)打印等功能的輔助程序。其中,數(shù)據(jù)采集卡驅動程序要求速度快,能夠實時顯示被測軸承的摩擦力矩。為保證采樣的精確性及時間間隔的準確性,測量軟件直接調用各種函數(shù)及所編制的子程序模塊,使軟件具有人機界面友好、操作簡單、可擴充性好、代碼移植性強等特點。

3.5 關鍵點

(1) 扭矩傳感器。測量裝置中采用高精度扭矩傳感器,具有高穩(wěn)定前置放大電路、高精度數(shù)字處理電路及抗干擾電路,保證測量數(shù)據(jù)的準確性與真實性。前置放大電路主要用于摩擦力矩及力的測量和數(shù)據(jù)采集,可以用于微機模擬信號輸入輸出接口及指示器,具有低輸入失調溫漂、良好非線性度、低噪聲、小共模抑制比,增益可以在2～5 000之間調節(jié)。

(2) 驅動軸系。驅動軸系的作用是傳遞變頻電機的驅動力矩,要求具有較好的軸向、徑向承載能力和較高的旋轉精度。驅動軸系采用密珠軸,滿足結構軸向、徑向承載能力和旋轉精度要求。

(3) 電機及其驅動控制。由于被測軸承要求在穩(wěn)速條件下進行動態(tài)摩擦力矩測量,因此設計中驅動單元采用變頻電機,滿足0～3 000 r/min轉速連續(xù)可調要求,穩(wěn)速精度在滿量程的±2%以內。驅動軸系采用一套密珠軸,同時具有較高的回轉精度,徑向跳動小于0.01 mm,提高了測量精度和可靠性。

(4) 校準機構。測量裝置設計有專用的摩擦力矩校準機構,應用標準砝碼施加標準力矩,通過輸入標準力矩來校準精度。在校準機構中,校準支承具有較小的摩擦力矩,保證校準的精度。測量裝置校準時,采用的測力計量程為0～5 000 N,相對精度為0.5%。采用的砝碼精度為M1。采用的轉速表量程為0～10 000 r/min,精度為1級。校準時環(huán)境溫度為20 ℃,相對濕度為65%。測量裝置校準結果見表3。

表3 測量裝置校準結果

4 測試

以7038成對角接觸球軸承為測試對象,潤滑方式采用脂潤滑,主軸轉速設置為1 000 r/min,軸向載荷分別設置為2.5 kN、5 kN、10 kN、15 kN、20 kN,將被測軸承按照面對面的配對方式安裝在測量裝置上,測試軸承啟動和動態(tài)摩擦力矩[8-11]。

4.1 啟動摩擦力矩

通過調整加載手柄操作手動液壓泵,對被測軸承施加0.1 MPa軸向載荷,使被測軸承輕微受載。采用軟繩分別纏繞扭矩傳感器兩端的聯(lián)軸器,將扭矩傳感器連接至測試記錄儀。再次調整加載手柄,使加載油缸對被測軸承緩慢施加軸向載荷,分別為2.5 kN、5 kN、10 kN、15 kN、20 kN。此時,盤動靠近變頻電機端的聯(lián)軸器,使扭矩傳感器受到扭力,同時測試記錄儀通過扭矩傳感器自動記錄扭矩值,即為被測軸承不同軸向載荷工況下的啟動摩擦力矩,如圖4所示。

由圖4可以看出,在施加不同軸向載荷時,被測軸承的啟動摩擦力矩有所不同,隨著軸向載荷的增大,啟動摩擦力矩也增大。

4.2 動態(tài)摩擦力矩

與啟動摩擦力矩測試相同,通過調整加載手柄操作手動液壓泵,對被測軸承施加0.1 MPa軸向載荷,使被測軸承輕微受載。驅動變頻電機,以實際工況轉速帶動被測軸承一起旋轉。待轉速進入穩(wěn)定,再次調整加載手柄,通過加載油缸對被測軸承緩慢施加軸向載荷,分別為2.5 kN、5 kN、10 kN、15 kN、20 kN。此時,測試記錄儀自動記錄扭矩傳感器測量到的被測軸承在不同軸向載荷工況下的動態(tài)摩擦力矩,如圖5所示。

由圖5可以看出被測軸承在不同軸向載荷工況下動態(tài)摩擦力矩的變化趨勢,隨著軸向載荷的增大,動態(tài)摩擦力矩增大,呈現(xiàn)出階梯式增大的趨勢。

5 結束語

筆者從外部載荷引起的摩擦力矩和潤滑劑黏性摩擦引起的力矩兩個方面,對滾動軸承摩擦力矩的影響因素進行了理論研究分析與計算?；诖?對成對角接觸球軸承摩擦力矩測量裝置進行結構設計、電氣系統(tǒng)設計,解決了現(xiàn)有技術中軸承摩擦力矩測試設備無法實現(xiàn)軸承軸向加載實時調節(jié)的技術問題。以7038成對角接觸球軸承作為測試對象進行了啟動和動態(tài)摩擦力矩測試,得到啟動摩擦力矩和動態(tài)摩擦力矩隨軸向載荷的增大而增大的動態(tài)變化趨勢。筆者的研究還可以為以摩擦力矩為性能優(yōu)化目標時,角接觸球軸承的選配與優(yōu)化提供測試手段和試驗數(shù)據(jù)。采用所設計的測量裝置,可以為分析成對角接觸球軸承摩擦性能的影響因素提供可靠的檢測分析數(shù)據(jù),進而對設計參數(shù)、加工工藝、潤滑等影響成對角接觸球軸承摩擦力矩的因素進行改善,提高成對角接觸球軸承的質量,滿足軸承在主機裝配時摩擦性能的指標。