新型圓柱滾子動(dòng)平衡測(cè)量機(jī)用擺架的設(shè)計(jì)

隋新，劉春陽(yáng)，李濟(jì)順,，馬偉，姜海軍

(1.河南省機(jī)械設(shè)計(jì)及傳動(dòng)系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽(yáng) 471003；2.河南科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471003)

在高dm·n值(大于2.5×106mm·r·min-1)工況下，高速滾動(dòng)軸承失效的主要原因不再是疲勞剝落，而是占總失效率70%以上的表面損傷和腐蝕。常見(jiàn)的故障主要有高速輕載打滑蹭傷、高溫卡死、保持架斷裂、磨損等。單純依靠提高軸承零件的圓度、表面波紋度和表面粗糙度等并不能有效改善上述問(wèn)題。高速軸承中圓柱滾子的動(dòng)不平衡可能是引發(fā)上述故障的重要因素之一，國(guó)外著名軸承公司對(duì)生產(chǎn)的每粒高速軸承用圓柱滾子均進(jìn)行動(dòng)平衡檢測(cè)，但我國(guó)由于技術(shù)原因尚未開(kāi)展?jié)L子的動(dòng)平衡檢測(cè)。因此，為提升高速軸承的品質(zhì)及極限轉(zhuǎn)速，亟待開(kāi)展此類滾子動(dòng)平衡檢測(cè)方法的探索研究。

現(xiàn)有轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡測(cè)量的方法主要分為模態(tài)平衡法[1-2]、影響系數(shù)法[3-4]和全息譜動(dòng)平衡法[5-6]3大類，后續(xù)研究多為對(duì)這幾種方法的綜合與改進(jìn)[7-8]，如文獻(xiàn)[9]提出的混合平衡法，文獻(xiàn)[10]結(jié)合全息譜和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進(jìn)行的無(wú)試重動(dòng)平衡等。而且上述研究主要針對(duì)大中型轉(zhuǎn)子，較少涉及以圓柱滾子為代表的微小轉(zhuǎn)子。與常規(guī)轉(zhuǎn)子不同，一般圓柱滾子具有尺寸小(直徑Dw≤10 mm，長(zhǎng)徑比接近1∶1)、質(zhì)量小、不平衡量微小(通常為mg·mm量級(jí))且驅(qū)動(dòng)難度大等特點(diǎn)，導(dǎo)致其動(dòng)不平衡量的測(cè)量比較困難。

在此，以模態(tài)平衡法為基礎(chǔ)，依據(jù)前期研究成果，針對(duì)滾子動(dòng)平衡測(cè)量過(guò)程中遇到的支承擺架振幅不明顯、振動(dòng)信號(hào)背景噪聲大、動(dòng)不平衡量提取困難等難題，設(shè)計(jì)了一種全新的滾子動(dòng)平衡測(cè)量機(jī)專用擺架，力求從機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化角度提升微小動(dòng)不平衡量測(cè)量的精度與準(zhǔn)確性。

1 滾子動(dòng)平衡測(cè)量方案

1.1 測(cè)試系統(tǒng)簡(jiǎn)介

滾子動(dòng)平衡測(cè)試系統(tǒng)如圖1所示。由于滾子不平衡質(zhì)量m0的存在，滾子以轉(zhuǎn)速ω旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的離心力F0使擺架沿x方向進(jìn)行周期性振動(dòng)，滾子動(dòng)不平衡量的振動(dòng)響應(yīng)滿足動(dòng)力學(xué)方程組

圖1 滾子動(dòng)平衡測(cè)量系統(tǒng)

U=m0e，

(1)

F0=m0eω2，

(2)

F(t)=F0cos(ωt+φ)，

(3)

(4)

式中：U為動(dòng)不平衡量[12]；e為不平衡質(zhì)量的偏心半徑；F(t)為U在水平方向?qū)[架作用的簡(jiǎn)諧激振力；m為擺架與待測(cè)滾子的質(zhì)量；k為擺架在x方向的剛度；c為擺架阻尼系數(shù)。

聯(lián)立(1)～(4)式，可得(4)式的齊次通解為

x1=e-ζωnt(C1cosωdt+C2sinωdt)，

(5)

式中：C1，C2為根據(jù)初始條件確定的待定系數(shù)。(5) 式反映了擺架的穩(wěn)態(tài)振動(dòng)，若改寫(xiě)為形如x1=Bcos(ωt+φ-θ)的形式，則擺架振幅B滿足

(6)

λ=ω/ωn，

式中：λ為不平衡量振動(dòng)頻率與擺架自身固有振動(dòng)頻率之比，當(dāng)λ≈1，即二者共振時(shí)擺架振幅最大。文獻(xiàn)[11]利用擺架在共振區(qū)中有較大振幅的特性，提出了利用共振放大振動(dòng)響應(yīng)以便于提取微小不平衡量的測(cè)量方法。

通過(guò)多次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有擺架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)導(dǎo)致測(cè)試系統(tǒng)表現(xiàn)出擺架振幅不明顯、微小不平衡量敏感性差、振動(dòng)方向不穩(wěn)定等問(wèn)題，為實(shí)現(xiàn)滾子微小動(dòng)不平衡量的高精度測(cè)量，有必要對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化與改進(jìn)。

1.2 影響擺架振幅的因素

擺架的質(zhì)量、阻尼系數(shù)及剛度系數(shù)都影響擺架對(duì)微小動(dòng)不平衡量響應(yīng)的振幅，根據(jù)1.1節(jié)中的動(dòng)力學(xué)方程組編寫(xiě)MATLAB程序，并繪制同一偏心質(zhì)量作用下不同擺架質(zhì)量、阻尼系數(shù)和彈簧桿剛度對(duì)擺架振幅的影響曲線，結(jié)果如圖 2所示。由圖可知，擺架質(zhì)量越輕，擺架自身阻尼系數(shù)越小，擺架的振幅越大，越有利于測(cè)量。需要注意的是，擺架剛度較小時(shí)，雖能達(dá)到的最大振幅較大，但擺架共振頻率相應(yīng)增大且共振頻率區(qū)較窄，在常規(guī)轉(zhuǎn)速下難于實(shí)現(xiàn)共振，導(dǎo)致實(shí)測(cè)振幅較小，而在較高轉(zhuǎn)速下盡管能夠?qū)崿F(xiàn)共振，但振幅變化較快，導(dǎo)致振動(dòng)測(cè)試不夠穩(wěn)定，故要求擺架剛度適中以兼顧擺架振幅、共振頻率及共振穩(wěn)定性。另一方面，理論上阻尼系數(shù)為0時(shí)，共振區(qū)擺架振幅為無(wú)窮大，但實(shí)際測(cè)試中發(fā)現(xiàn)阻尼系數(shù)過(guò)小會(huì)降低擺架振幅的穩(wěn)定性，其取值同樣需要兼顧幅值與穩(wěn)定性。

圖2 不同因素對(duì)擺架振幅的影響曲線

上述分析及大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，舊型滾子動(dòng)平衡測(cè)試擺架存在以下不足之處：(1)擺架與V形支承塊固聯(lián)，導(dǎo)致質(zhì)量m較大而振幅較?。?2)支承擺架的4根彈簧桿剛度k較大，難于達(dá)到共振頻率且實(shí)測(cè)振幅較小，或是在達(dá)到共振時(shí)變化明顯；(3)由于4根彈簧桿間振動(dòng)特性的內(nèi)在差異，擺架振動(dòng)方向及振幅不夠穩(wěn)定。為解決上述問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種全新的擺架，力求從擺架質(zhì)量、彈簧剛度和振動(dòng)方向穩(wěn)定性3個(gè)方面提升擺架對(duì)微小不平衡量振動(dòng)響應(yīng)的敏感度與穩(wěn)定性。

2 新型擺架

2.1 新型擺架的結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)的全新擺架結(jié)構(gòu)如圖3所示，2塊L形導(dǎo)軌支撐板通過(guò)4顆M5螺釘固定于水平底板上，支撐板間通過(guò)2根光滑金屬導(dǎo)軌相連，金屬導(dǎo)軌上水平放置用于盛放被測(cè)滾子的V形滑塊，并通過(guò)4根彈簧夾緊。

1—滑塊拉緊彈簧；2—導(dǎo)軌；3—擺架彈簧；4—V形滑塊；5—被測(cè)滾子；6—限位擋板；7—導(dǎo)軌支撐板；8—底板

采用定向?qū)к壙杀ＷC振動(dòng)方向單一、振幅穩(wěn)定。V形滑塊采用鋁合金材質(zhì)制成，質(zhì)量小于10 g，與被測(cè)滾子質(zhì)量相當(dāng)，較小的質(zhì)量提升了新擺架對(duì)于微小不平衡量的振動(dòng)響應(yīng)靈敏度。V形滑塊與被測(cè)滾子的接觸面采用聚四氟乙烯制成，可有效降低滾子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)與滑塊間的摩擦力?；瑝K底部與導(dǎo)軌接合處可涂抹潤(rùn)滑油或鍍聚四氟乙烯以降低摩擦力，并通過(guò)調(diào)節(jié)滑塊拉緊彈簧預(yù)緊力，改變滑塊與導(dǎo)軌間的摩擦力，確保滑塊振幅穩(wěn)定。擺架背部的限位擋板可以保證待測(cè)滾子平穩(wěn)轉(zhuǎn)動(dòng)而不脫離擺架。

2.2 新、舊擺架的參數(shù)特征對(duì)比

將新、舊擺架的設(shè)計(jì)模型導(dǎo)入ANSYS系統(tǒng)，設(shè)置擺架各部件的材料，添加約束和載荷，利用有限元分析獲得了2種擺架的主要參數(shù)(表1)。振幅為測(cè)試轉(zhuǎn)速1 000 r/min下10 mg不平衡質(zhì)量的振幅。由表可知，新擺架質(zhì)量更小，固定頻率更低，彈性振動(dòng)更為明顯，振幅提高了4倍以上，更加便于測(cè)量。

表1 新、舊擺架主要參數(shù)對(duì)比

3 新型滾子擺架動(dòng)平衡試驗(yàn)

選用2粒φ9 mm×9 mm的圓柱滾子，采用激光去重法在距幾何中心3 mm的半徑方向上去除一部分質(zhì)量，具體參數(shù)見(jiàn)表 2。

表2 試驗(yàn)用滾子參數(shù)

使用1.1節(jié)中的測(cè)試系統(tǒng)，利用Keyence高精度激光位移傳感器(LK-G5000控制器+LK-H020激光頭)采集擺架振幅。在未去重、第1次去重和第2次去重后分別測(cè)量每粒待測(cè)滾子在10，20，30，…，120 Hz共12個(gè)頻率下的擺架振幅(稱為1次測(cè)量歷程)，每個(gè)測(cè)量歷程重復(fù)8次，并將結(jié)果數(shù)據(jù)取平均值以消除隨機(jī)影響，測(cè)量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖 4所示。

圖4 滾子動(dòng)平衡試驗(yàn)結(jié)果

由圖可知，當(dāng)待測(cè)滾子與擺架固有頻率相當(dāng)時(shí)，擺架振幅由于共振會(huì)有明顯增加，驗(yàn)證了1.2節(jié)中的分析結(jié)論。以2號(hào)滾子為例，去重9 mg時(shí)擺架的振幅明顯大于去重5 mg時(shí)的振幅，且都明顯大于未去重時(shí)的振幅。這說(shuō)明新擺架可有效反映滾子的微小動(dòng)不平衡量。

將本試驗(yàn)與文獻(xiàn)[11]中的試驗(yàn)進(jìn)行進(jìn)一步對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，在2次試驗(yàn)采用的微型滾子尺寸相同、質(zhì)量相當(dāng)?shù)那闆r下，本次試驗(yàn)滾子的不平衡質(zhì)量更小(本次為9 mg，文獻(xiàn)[11]中為23 mg)，但擺架最大振幅卻相當(dāng)(約為12 μm)，說(shuō)明新擺架在穩(wěn)定性、靈敏性上有了明顯提升。

4 結(jié)束語(yǔ)

以滾子動(dòng)平衡測(cè)試系統(tǒng)的模態(tài)分析理論為指導(dǎo)，結(jié)合前期研究探索取得的大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)，針對(duì)舊型擺架質(zhì)量大、測(cè)試靈敏度低、振動(dòng)方向穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種全新的滾子動(dòng)平衡振動(dòng)測(cè)試擺架。試驗(yàn)證明，該擺架設(shè)計(jì)合理，顯著提升了擺架對(duì)微小動(dòng)不平衡量的振動(dòng)響應(yīng)靈敏度，明顯改善了系統(tǒng)測(cè)量的準(zhǔn)確性與有效性。