軸承接觸角測(cè)量技術(shù)研究現(xiàn)狀分析

方偉，沈雪瑾，陳曉陽(yáng)，郭夢(mèng)媛，顧家銘

(1.上海大學(xué) 機(jī)械自動(dòng)化工程系，上海 200072；2.上海天安軸承有限公司，上海 200233)

接觸角是角接觸球軸承的重要結(jié)構(gòu)參數(shù)，在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)其有明確的要求和規(guī)定。大量的理論研究和試驗(yàn)證明，對(duì)于精密主軸用角接觸球軸承，尤其是配對(duì)用軸承，其接觸角的大小及一致性直接影響整個(gè)軸系的剛度、旋轉(zhuǎn)精度及使用壽命[1]。隨著軸承接觸角測(cè)量研究技術(shù)的不斷發(fā)展以及對(duì)軸承接觸角測(cè)量精度要求的不斷提高，研究軸承接觸角測(cè)量技術(shù)有重要意義[2-7]。

文中從幾何學(xué)與動(dòng)力學(xué)兩方面對(duì)軸承接觸角測(cè)量原理進(jìn)行闡述，介紹目前主要的軸承接觸角測(cè)量?jī)x器及測(cè)量方法，分析其不足之處，并提出可行的處理方法。

1 接觸角測(cè)量原理

1.1 幾何學(xué)原理

由軸承幾何學(xué)[3]可知,軸承接觸角與原始徑向游隙(設(shè)計(jì)游隙)之間的幾何關(guān)系為

(1)

式中：α為軸承接觸角；Gr為軸承原始徑向游隙；fi為內(nèi)圈溝曲率半徑系數(shù)；fe為外圈溝曲率半徑系數(shù)；Dw為鋼球直徑。

根據(jù)(1)式，可以通過(guò)檢測(cè)軸承的徑向游隙計(jì)算軸承接觸角，但該方法建立在軸承具有理想幾何形狀的基礎(chǔ)上。而在實(shí)際生產(chǎn)中，原始游隙與實(shí)際游隙、軸承套圈的溝曲率半徑有一定的公差范圍和測(cè)量誤差，因此計(jì)算誤差較大[9]。

1.2 動(dòng)力學(xué)原理

軸承接觸角測(cè)量?jī)x都是應(yīng)用了行星輪系的運(yùn)動(dòng)原理[2]，即軸承內(nèi)(外)圈固定，鋼球和外(內(nèi))圈按一定的轉(zhuǎn)速比轉(zhuǎn)動(dòng)，該轉(zhuǎn)速比是軸承接觸角的函數(shù)。測(cè)出對(duì)應(yīng)的保持架與外(內(nèi))圈轉(zhuǎn)速，并將結(jié)果代入接觸角函數(shù)關(guān)系式即可得出被測(cè)軸承的接觸角。角接觸球軸承結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

圖1 角接觸球軸承結(jié)構(gòu)模型

由軸承運(yùn)動(dòng)學(xué)可知，軸承內(nèi)圈固定、外圈旋轉(zhuǎn)時(shí)，接觸角與保持架轉(zhuǎn)速、外圈轉(zhuǎn)速的關(guān)系為

(2)

同理，軸承外圈固定、內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)時(shí)，接觸角與保持架轉(zhuǎn)速、內(nèi)圈轉(zhuǎn)速的關(guān)系為

(3)

式中：Dpw為球組節(jié)圓直徑；nc為保持架轉(zhuǎn)速；ne為外圈轉(zhuǎn)速；ni為內(nèi)圈轉(zhuǎn)速。

2 測(cè)量?jī)x器及方法

目前，軸承接觸角測(cè)量主要是依據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)測(cè)量原理[10]，測(cè)量系統(tǒng)一般由加載部分、驅(qū)動(dòng)部分、測(cè)量部分組成，測(cè)量時(shí)軸承的運(yùn)動(dòng)形式則主要分為內(nèi)圈固定外圈旋轉(zhuǎn)、外圈固定內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)、內(nèi)外圈反向旋轉(zhuǎn)3種形式。

2.1 內(nèi)圈固定、外圈旋轉(zhuǎn)

J6915型軸承接觸角測(cè)量?jī)x[2]如圖2所示，由載荷拉桿、墊片和砝碼杠桿所產(chǎn)生的載荷加在被測(cè)軸承的內(nèi)圈上。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)通過(guò)齒輪傳動(dòng)裝置帶動(dòng)被測(cè)軸承的外圈旋轉(zhuǎn)。在保持架上貼1片反光測(cè)量標(biāo)記，保持架每轉(zhuǎn)1周，光電計(jì)數(shù)裝置中的光電管接受1次反光信號(hào)，送給計(jì)數(shù)裝置1個(gè)脈沖，該脈沖數(shù)就是保持架的轉(zhuǎn)數(shù)，可以換算為轉(zhuǎn)速。外圈的轉(zhuǎn)速由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)提供。鎖相倍頻電路將50 Hz的交流電轉(zhuǎn)換成43.2 kHz的脈沖列作為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的電源，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)每得到1個(gè)脈沖便轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度，經(jīng)過(guò)齒輪傳動(dòng)裝置傳給主軸，使主軸正好轉(zhuǎn)過(guò)1′轉(zhuǎn)角。用計(jì)數(shù)裝置將步進(jìn)電動(dòng)機(jī)所接收的脈沖數(shù)，除以21 600即為外圈的轉(zhuǎn)數(shù)。當(dāng)光電計(jì)數(shù)裝置接收到保持架的第1個(gè)脈沖時(shí)，控制電路發(fā)出指令，使另一個(gè)計(jì)數(shù)器同時(shí)也對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的脈沖開始計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)裝置得到預(yù)定轉(zhuǎn)數(shù)的最后1個(gè)脈沖時(shí)，由控制電路發(fā)出指令，2個(gè)計(jì)數(shù)器同時(shí)停止計(jì)數(shù)。根據(jù)軸承的Dw和Dpw值以及測(cè)得的外圈轉(zhuǎn)速ne和保持架轉(zhuǎn)速nc，按(2)式計(jì)算得到接觸角值α，并由顯示器顯示出來(lái)。

1—過(guò)渡輪；2—主動(dòng)輪；3—步進(jìn)電動(dòng)機(jī)；4—計(jì)算器；5—顯示器；6—光電管；7—載荷拉桿；8—墊片；9—被測(cè)軸承；10—軸承座；11—從動(dòng)輪；12—杠桿；13—砝碼；14—凸輪

文獻(xiàn)[11]研究了滾動(dòng)軸承接觸角測(cè)量?jī)x，軸承內(nèi)圈固定、外圈旋轉(zhuǎn)，采用紅外調(diào)制光電頭傳感器，利用單片機(jī)測(cè)量控制系統(tǒng)測(cè)量軸承接觸角。測(cè)量?jī)x結(jié)構(gòu)原理圖如圖3所示。

1—電動(dòng)機(jī)；2—光電編碼器；3—皮帶； 4—測(cè)量?jī)x主軸；5—被測(cè)軸承；6—光電頭

該測(cè)量?jī)x工作原理為：先設(shè)置被測(cè)軸承的鋼球直徑Dw、球組節(jié)圓直徑Dpw和保持架旋轉(zhuǎn)次數(shù)，在內(nèi)圈施加一定的軸向載荷以保證鋼球與內(nèi)外圈做純滾動(dòng)；使用光電傳感器測(cè)量軸承保持架的轉(zhuǎn)速，測(cè)量時(shí)程序接受來(lái)自光電頭的中斷信號(hào)并對(duì)中斷次數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，當(dāng)中斷次數(shù)與設(shè)定測(cè)量次數(shù)相等時(shí)，讀出此時(shí)光電編碼器的值，即得到軸承外圈轉(zhuǎn)速ne和保持架轉(zhuǎn)數(shù)nc，最后根據(jù)(3)式計(jì)算軸承接觸角。

文獻(xiàn)[12]提出了一種接觸角的簡(jiǎn)易測(cè)量法。繪制如圖4所示的轉(zhuǎn)角圖，其中由內(nèi)到外3個(gè)圓的直徑分別等于軸承的內(nèi)徑、球組節(jié)圓直徑和外徑。在0°畫一橫線作為起始線，根據(jù)計(jì)算確定的外圈終止角，從起始線開始按順時(shí)針?lè)较蚍謩e畫出接觸角度為22°，25°，27°的角度線，載荷塊為1.5 kg。合套后用轉(zhuǎn)角法在如圖5所示的簡(jiǎn)易儀器上進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量時(shí)將合套后的軸承放在簡(jiǎn)易儀器的支承塊上，在軸承的外圈、內(nèi)圈和保持架上做好起始點(diǎn)標(biāo)記，并讓3個(gè)零件的起始標(biāo)記對(duì)齊。放上載荷塊，轉(zhuǎn)動(dòng)外圈并記錄保持架的轉(zhuǎn)數(shù)。當(dāng)保持架轉(zhuǎn)到轉(zhuǎn)角圖中規(guī)定的圈數(shù)(10圈)時(shí)，用轉(zhuǎn)角圖對(duì)照，如果外圈標(biāo)記落在轉(zhuǎn)角圖的規(guī)定范圍內(nèi)，即表示該套軸承接觸角合格。

圖4 轉(zhuǎn)角圖

1—內(nèi)圈；2—載荷塊；3—保持架；4—外圈；5—支承塊

文獻(xiàn)[13]基于球軸承接觸角的測(cè)量方法，根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際情況提出了球軸承實(shí)際接觸角的測(cè)量方法并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的測(cè)量裝置，其示意圖如圖6所示。

該測(cè)量方法通過(guò)旋轉(zhuǎn)螺母加載，使軸承外圈旋轉(zhuǎn)一定圈數(shù)，讀出軸承保持架上指針偏轉(zhuǎn)的角度，根據(jù)保持架上指針偏轉(zhuǎn)角度與接觸角的關(guān)系即可測(cè)得軸承實(shí)際接觸角。

1—刻度盤；2—被測(cè)軸承；3—墊塊；4—輔測(cè)軸承；5—加載螺母；6—螺桿；7—墊圈；8—指針

2.2 外圈固定、內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)

文獻(xiàn)[14]介紹了軸承接觸角測(cè)量?jī)x，外圈固定，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)主軸，并與內(nèi)圈一起轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)主軸末端光電編碼器獲得內(nèi)圈轉(zhuǎn)速，在被測(cè)軸承上貼反光片感應(yīng)光電信號(hào)，通過(guò)光電傳感器獲得保持架轉(zhuǎn)速，最后通過(guò)接觸角與內(nèi)圈轉(zhuǎn)速和鋼球繞軸承中心轉(zhuǎn)速的關(guān)系，就能得出所測(cè)軸承的接觸角。

J6928軸承接觸角測(cè)量?jī)x[3-4]如圖7所示，測(cè)量?jī)x由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、加載機(jī)構(gòu)和電氣測(cè)量控制系統(tǒng)組成。在J6915型軸承接觸角測(cè)量?jī)x基礎(chǔ)之上，將原來(lái)的杠桿和砝碼加載換成氣缸加載，更便于加載力的控制。軸承外圈固定，同步電動(dòng)機(jī)通過(guò)同步齒形帶帶動(dòng)主軸及被測(cè)軸承內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)，電動(dòng)機(jī)同步鎖相器檢測(cè)內(nèi)圈轉(zhuǎn)速，光電轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)量保持架轉(zhuǎn)速，代入(3)式計(jì)算得到接觸角。

1—同步電動(dòng)機(jī)；2—同步帶；3—軸承胎具；4—加載盤；5—轉(zhuǎn)速傳感器；6—加載氣缸；7—?dú)飧字С校?8—被測(cè)軸承； 9—密珠軸系

文獻(xiàn)[15]介紹了軸承接觸角與凸出量綜合檢測(cè)儀。通過(guò)杠桿砝碼加載，外圈固定、內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)一周，刻度盤顯示外圈的角度，將外圈角度代入內(nèi)圈轉(zhuǎn)速和保持架轉(zhuǎn)速與接觸角的關(guān)系式中，就能得出軸承接觸角，同時(shí)也測(cè)量出軸承凸出量。

1—支承地腳；2—基面；3—底座；4—測(cè)頭；5—被測(cè)軸承；6—刻度盤；7—回轉(zhuǎn)盤；8—轉(zhuǎn)軸； 9—第2臂；10—支架；11—杠桿；12—砝碼

在測(cè)量軸承保持架轉(zhuǎn)速時(shí)，文獻(xiàn)[16]檢測(cè)了內(nèi)圈轉(zhuǎn)速以及在相同周期上鋼球的轉(zhuǎn)速。鋼球轉(zhuǎn)速通過(guò)一種光學(xué)檢測(cè)裝置檢測(cè)，該檢測(cè)裝置通過(guò)內(nèi)、外圈之間的間隙投射射線，射線被球或保持架直接截取，從而獲得鋼球或者保持架的轉(zhuǎn)速。通過(guò)保持架轉(zhuǎn)速和內(nèi)圈轉(zhuǎn)速與接觸角的關(guān)系得到接觸角。

2.3 內(nèi)外圈反向旋轉(zhuǎn)

文獻(xiàn)[17]介紹了一種軸承接觸角測(cè)量方法及裝置，如圖9所示。在外圈上施加軸向預(yù)載荷，使內(nèi)圈與外圈以相反的方向旋轉(zhuǎn)，調(diào)整內(nèi)圈與外圈的轉(zhuǎn)速，在保持架相對(duì)靜止時(shí)記錄下內(nèi)外圈的轉(zhuǎn)速，然后通過(guò)內(nèi)外圈差動(dòng)速度等于0時(shí)的轉(zhuǎn)速比計(jì)算接觸角。

1—工作臺(tái)；2—調(diào)速電動(dòng)機(jī)；3—第1光電測(cè)速器；4—第2光電測(cè)速器；5—測(cè)速器固定架；6—高壓氣嘴；7—節(jié)流閥；8—?dú)夤苤Ъ埽?—載荷塊；10—內(nèi)圈；11—軸承保持架；12—外圈；13—芯軸；14—?dú)夤苤С袎K；15—?dú)夤?/p>

3 測(cè)量技術(shù)存在的問(wèn)題和處理方法

3.1 軸承軸向加載不穩(wěn)定

目前，軸承接觸角測(cè)量?jī)x器及測(cè)量方法的加載方式主要有2種：一種是砝碼、杠桿和凸輪聯(lián)合加載，聯(lián)合加載時(shí)軸向加載力與軸承中心線不重合，容易使內(nèi)外圈產(chǎn)生偏擺角，而且凸輪加載會(huì)使被測(cè)軸承受到一定沖擊力，會(huì)損壞被測(cè)軸承；另一種是氣缸加載，氣缸加載時(shí)空氣的可壓縮性大，氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)的速度穩(wěn)定性差，給系統(tǒng)的速度和位置控制精度帶來(lái)很大影響。

處理方法：加載時(shí)應(yīng)使加載力與軸承中心線重合，確保加載力穩(wěn)定，且勻速增加到預(yù)定載荷。建議使用穩(wěn)定性比較好的彈簧加載，在軸承中心線上使彈簧與軸承加載部分連接，然后，通過(guò)增減砝碼的或者調(diào)節(jié)螺栓螺母、伺服電動(dòng)機(jī)控制絲桿的方式對(duì)軸承進(jìn)行加載。

3.2 驅(qū)動(dòng)部分傳動(dòng)鏈過(guò)長(zhǎng)

現(xiàn)有的測(cè)量?jī)x及測(cè)量方法均選用普通電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)源，經(jīng)過(guò)減速機(jī)構(gòu)降低轉(zhuǎn)速、提升轉(zhuǎn)矩,導(dǎo)致整個(gè)傳動(dòng)鏈過(guò)長(zhǎng)，降低了系統(tǒng)精度及效率。而且目前的驅(qū)動(dòng)部分不能任意改變驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，測(cè)量環(huán)境單一。

處理方法：用直接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)或輸出轉(zhuǎn)速比較穩(wěn)定的其他直接驅(qū)動(dòng)方式對(duì)測(cè)量?jī)x器進(jìn)行驅(qū)動(dòng),減少驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)鏈。

3.3 測(cè)量精度不高

在測(cè)量軸承外圈轉(zhuǎn)速時(shí)很難做到與保持架測(cè)量完全同步，測(cè)量精度受到影響。用光電傳感器測(cè)量保持架轉(zhuǎn)速的缺點(diǎn)是光斑較大，轉(zhuǎn)速細(xì)分倍率較小。現(xiàn)有軸承接觸角測(cè)量?jī)x驅(qū)動(dòng)部分傳動(dòng)鏈過(guò)長(zhǎng)也會(huì)降低測(cè)量精度。

處理方法：應(yīng)用高精度的工業(yè)照相機(jī)測(cè)量保持架的轉(zhuǎn)速，或者選擇精度更高的傳感器測(cè)量保持架轉(zhuǎn)速，縮短驅(qū)動(dòng)部分傳動(dòng)鏈。

3.4 控制不同步

現(xiàn)有的軸承接觸角測(cè)量?jī)x控制部分通過(guò)單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)光電計(jì)數(shù)裝置接收到保持架的第1個(gè)脈沖時(shí)，控制電路發(fā)出指令，使另一個(gè)計(jì)數(shù)器同時(shí)對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)開始計(jì)數(shù)，當(dāng)保持架轉(zhuǎn)到預(yù)定轉(zhuǎn)數(shù)時(shí)，2個(gè)計(jì)數(shù)器同時(shí)停止。整個(gè)控制過(guò)程可能存在時(shí)間不同步的問(wèn)題，在理論上應(yīng)該是同時(shí)控制光電傳感器和外圈轉(zhuǎn)過(guò)的角度，但目前的測(cè)量?jī)x器及測(cè)量方法都是光電傳感器先獲得光電信號(hào)，然后給外圈開始信號(hào)，結(jié)束時(shí)也是光電傳感器先結(jié)束，然后給外圈停止信號(hào)，其中可能存在信號(hào)延遲的問(wèn)題。

處理方法：可以考慮在測(cè)量?jī)x控制部分使用可靠性和穩(wěn)定性更好的工控機(jī)或者PLC，在測(cè)量外圈(內(nèi)圈)和保持架轉(zhuǎn)速時(shí)，最好使用同步采集卡，同時(shí)給出信號(hào)控制保持架和外圈轉(zhuǎn)速計(jì)數(shù)，保證計(jì)數(shù)的同步性。

3.5 缺少校準(zhǔn)功能

現(xiàn)有的軸承接觸角儀器都只有簡(jiǎn)單的測(cè)量控制部分和儀器標(biāo)定，沒有對(duì)測(cè)量?jī)x器和測(cè)量控制系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)。

處理方法：應(yīng)當(dāng)考慮軸承接觸角測(cè)量的溯源性，必要時(shí)需考慮運(yùn)用由上級(jí)計(jì)量單位校準(zhǔn)過(guò)的標(biāo)準(zhǔn)器件對(duì)軸承接觸角儀器進(jìn)行校準(zhǔn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著軸承接觸角測(cè)量技術(shù)水平的不斷提高，其技術(shù)逐步朝著高性能測(cè)控系統(tǒng)的應(yīng)用和測(cè)量?jī)x的多功能化方向發(fā)展；隨著軸承多樣化的發(fā)展趨勢(shì)，測(cè)量?jī)x也必然呈現(xiàn)出多品種、高精度、多控制和群控化、模擬工況化、專用性的格局。

軸承品種多樣性和應(yīng)用領(lǐng)域廣泛性，決定了軸承接觸角測(cè)量?jī)x、測(cè)量技術(shù)、測(cè)量方法和測(cè)量結(jié)果處理方法的研究和發(fā)展方向，是一門將數(shù)學(xué)、電控學(xué)、力學(xué)、機(jī)械學(xué)等綜合學(xué)科交織在一起的應(yīng)用學(xué)科。在軸承行業(yè)廣大技術(shù)人員的共同努力下，軸承接觸角測(cè)量技術(shù)必定迅速向前發(fā)展。