軸承摩擦力矩測量設備的設計

呂舒帆，杜玉紅，劉通

(1.天津工業大學機械工程學院，天津 300387；2.天津市現代機電裝備重點實驗室，天津 300387)

0 前言

隨著制造業的不斷發展，對各種軸承的使用精度和壽命提出了越來越高的要求。通過分析軸承摩擦力矩，可以改進生成線或檢測線的不足[1-2]。所以，能否精確地檢測軸承的摩擦力矩顯得尤為重要。

英國HAMPSON等[3]在2013年設計了一種基于傳遞測量法的軸承摩擦力矩測試儀，通過密閉容腔測試不同溫度下的軸承摩擦力矩。哈爾濱工業大學柏德恩等[4]研制了一種伺服加載的諧波減速器的啟動力矩測試系統，通過合適的工裝也可對軸承摩擦力矩進行測量。劉杭[5]為提高軸承摩擦力矩測量精度，設計了一種光電式力矩傳感器，并驗證了其性能。

目前國內外用于軸承摩擦力矩測量設備[6-9]的測量方法主要為傳遞法、平衡法和能量轉換法[10-12]。其中，傳遞法利于對被測軸承施加溫度，滿足設備設計要求。本文作者依據傳遞測量法設計一種軸承摩擦力矩檢測設備，使用LabVIEW開發控制系統，實現軸承的摩擦力矩測量。

1 設備測量原理及指標

摩擦力矩傳遞測量法的測量原理如圖1所示。當驅動軸驅動待測軸承轉動時，由于軸承內部存在摩擦力矩，驅動軸因摩擦力矩產生扭轉變形。通過測量其變形量，經計算后獲得軸承摩擦力矩。這種測量軸承摩擦力矩的方式稱為傳遞測量法。

圖1 傳遞法測量原理

測量指標：測量溫度為-55～75 ℃；精度為不大于0.000 25 N·m，重復測量誤差為不大于0.000 5 N·m；被測件的轉速范圍0～50 r/min；實現待測軸承與測試主軸自動分離和對接；繪制摩擦力矩與轉動角度(Mf-θ)的曲線；計算摩擦力矩的最大值、最小值和平均值。

2 軸承摩擦力矩測量設備的設計

文中所設計的軸承摩擦力矩測量設備結構組成如圖2所示，主要由機械執行裝置和控制采集系統2個子系統組成。機械執行裝置構成摩擦力矩測量設備的硬件基礎，控制系統在其基礎上實現軸承摩擦力矩的測量和后期數據處理。

圖2 軸承摩擦力矩測量設備結構組成示意

使用該設備進行軸承摩擦力矩測量時，首先將軸承的內圈連接至含有上端卡具的軸上，使用夾具固定軸承的外圈。關閉密封機構，將溫箱設定為指定溫度，待其穩定后，打開密封塞，并將主從軸對接。啟動測試電機，通過測試電機帶動軸承轉動。在轉動過程中，使用數據采集卡采集扭矩傳感器數據，并傳輸至工控機中，獲取該軸承的摩擦力矩。軸承摩擦力矩測量設備的工作流程如圖3所示。

圖3 摩擦力矩測量設備工作流程

2.1 主從軸自動對正設計

主從軸自動對正設計主要考慮對接時非線性沖擊和連接后的間隙。因此可分離卡具機構采用類鼠盤式結構，每齒正反兩側均可進行可接觸式滑移與傳動，兩側結構對稱，由兩段可滑移空間曲面組成。該機構可實現自定心，有效避免由操作者目視定心產生的安裝誤差、減小沖擊，同時可大幅提升操作易用性與提高效率。其外觀如圖4所示。

圖4 可分離卡具機構

該自動對正卡具采用上下兩段式結構，上端卡具與待測試軸承進行剛性連接，下端通過剛性聯軸器與力矩傳感器連接。通過上升傳動機構提升下端卡具，使其上下卡具連接。

2.2 密封結構設計

為滿足有效時間內溫度的動態調節，滿足5 ℃/min的速度要求，設計自動密封機構，對溫箱下端工藝孔進行密封。該結構由2個直線電機、2條光軸、1個密封塞等零部件組成，其結構如圖5所示。

圖5 密封結構示意

該機構在執行保溫工作時，通過2個直線電機的配合移動，將保溫塞移動至保溫箱下層的工藝孔中，完成保溫工作，該結構能避免溫度的不必要流失，提高工作效率。密封塞體選用膠木作為密封材料，具有密封精準、便于更換的特點。

3 控制系統

文中所設計的軸承摩擦力矩測量設備的控制系統部分，使用LabVIEW軟件進行開發[13]。控制系統部分主要分為運動控制模塊和數據采集、處理模塊。控制系統結構如圖6所示。

圖6 控制系統結構

3.1 運動控制系統

使用固高GTS-400運動控制卡作為運動控制核心，安川SGM7G伺服電機為主傳動機構提供動力。運動控制接線如圖7所示。

圖7 摩擦力矩檢測設備運動控制接線

將固高所提供的動態鏈接庫和頭文件導入LabVIEW中生成VI庫。調用子VI到程序框圖中，連接數據接口。通過前面板設置相關參數，實現對2臺伺服電機的獨立精準控制，并按照設定的加速度、目標位置等參數運行。運動控制界面如圖8所示。

圖8 運動控制界面

3.2 數據采集系統

數據采集系統采用DYN-200型扭矩傳感器+USB-4711A數據采集卡+工控機的工作方式。其中扭矩傳感器精度為0.001 N·m，重復測量精度為0.002 5 N·m，數據采集頻率為100 kHz。在測量軸承摩擦力矩時，軟件界面實時顯示最大摩擦力Mmax、最小摩擦力矩Mmin，并以波形圖表的形式顯示摩擦力矩變化曲線。測量完成后，可任意截取數據獲取平均摩擦力矩Ma、極限誤差e。數據采集界面如圖9所示。

圖9 數據采集界面

測試時，首先需要使用者輸入姓名。而后系統進行自檢，初步檢測軟件程序的錯誤和硬件連接問題，確保設備能夠正常運行。初始化完成后，使用者進行串口的配置，主要選擇通信接口、波特率參數。等待溫箱將被檢測件的溫度加熱或降溫到規定值后，啟動測試伺服電機，開始測量。該軟件界面可直接顯示出摩擦力矩最大值、最小值、平均值和摩擦力矩曲線等參數。其工作流程如圖10所示。

圖10 數據采集系統工作流程

4 測試分析

在上述研究設計基礎上，使用設備對SKF7207深溝球軸承進行動摩擦力矩重復測量。測量前對軸承進行清洗，并滴加潤滑油[14]。在轉速為50 r/min、溫度26 ℃時進行摩擦力矩測量，其中一次測量結果如圖11所示。

圖11 摩擦力矩測量曲線

根據圖11可以得出：轉動軸承在開始階段會產生較大沖擊，而后摩擦力矩趨于穩定，截取波形穩定后部分數據求取平均值作為一次測量的結果[15]。重復測量10次，測量結果見表1。

表1 軸承摩擦力矩重復測量值

由表1可知，該軸承在室溫26 ℃、轉速為50 r/min的情況下，10次測量平均值為0.020 332 N·m，標準差為0.000 133 N·m，最大重復測量誤差為0.000 49 N·m，滿足設備設計要求。

5 總結

針對不同溫度下軸承摩擦力矩測量難的問題，設計了一種基于傳遞法的軸承摩擦力矩測量設備。經分析后得出以下結論：

(1)所設計的可分離卡具機構可實現自定心，極大地減緩了因人工目視誤差導致的對接沖擊，有效地保護了設備，增加了設備的耐久度。

(2)所設計的密封結構減緩了溫度流失，利于溫箱在不影響測量系統精度的情況下，對被測軸承進行快速升、降溫，實現了不同溫度下的軸承摩擦力矩測量。

(3)經試驗驗證，文中所設計的軸承摩擦力矩測量設備最大重復測量誤差為0.000 49 N·m，滿足設備使用需求。