軸承摩擦力矩測量設(shè)備的設(shè)計(jì)

呂舒帆，杜玉紅，劉通

(1.天津工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300387；2.天津市現(xiàn)代機(jī)電裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300387)

0 前言

隨著制造業(yè)的不斷發(fā)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(jìn)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(shè)計(jì)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(yè)大學(xué)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(tǒng)，通過合適的工裝也可對軸承摩擦力矩進(jìn)行測量。劉杭[5]為提高軸承摩擦力矩測量精度，設(shè)計(jì)了一種光電式力矩傳感器，并驗(yàn)證了其性能。

目前國內(nèi)外用于軸承摩擦力矩測量設(shè)備[6-9]的測量方法主要為傳遞法、平衡法和能量轉(zhuǎn)換法[10-12]。其中，傳遞法利于對被測軸承施加溫度，滿足設(shè)備設(shè)計(jì)要求。本文作者依據(jù)傳遞測量法設(shè)計(jì)一種軸承摩擦力矩檢測設(shè)備，使用LabVIEW開發(fā)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)軸承的摩擦力矩測量。

1 設(shè)備測量原理及指標(biāo)

摩擦力矩傳遞測量法的測量原理如圖1所示。當(dāng)驅(qū)動軸驅(qū)動待測軸承轉(zhuǎn)動時，由于軸承內(nèi)部存在摩擦力矩，驅(qū)動軸因摩擦力矩產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形。通過測量其變形量，經(jīng)計(jì)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(biāo)：測量溫度為-55～75 ℃；精度為不大于0.000 25 N·m，重復(fù)測量誤差為不大于0.000 5 N·m；被測件的轉(zhuǎn)速范圍0～50 r/min；實(shí)現(xiàn)待測軸承與測試主軸自動分離和對接；繪制摩擦力矩與轉(zhuǎn)動角度(Mf-θ)的曲線；計(jì)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(shè)備的設(shè)計(jì)

文中所設(shè)計(jì)的軸承摩擦力矩測量設(shè)備結(jié)構(gòu)組成如圖2所示，主要由機(jī)械執(zhí)行裝置和控制采集系統(tǒng)2個子系統(tǒng)組成。機(jī)械執(zhí)行裝置構(gòu)成摩擦力矩測量設(shè)備的硬件基礎(chǔ)，控制系統(tǒng)在其基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)軸承摩擦力矩的測量和后期數(shù)據(jù)處理。

圖2 軸承摩擦力矩測量設(shè)備結(jié)構(gòu)組成示意

使用該設(shè)備進(jìn)行軸承摩擦力矩測量時，首先將軸承的內(nèi)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(guān)閉密封機(jī)構(gòu)，將溫箱設(shè)定為指定溫度，待其穩(wěn)定后，打開密封塞，并將主從軸對接。啟動測試電機(jī)，通過測試電機(jī)帶動軸承轉(zhuǎn)動。在轉(zhuǎn)動過程中，使用數(shù)據(jù)采集卡采集扭矩傳感器數(shù)據(jù)，并傳輸至工控機(jī)中，獲取該軸承的摩擦力矩。軸承摩擦力矩測量設(shè)備的工作流程如圖3所示。

圖3 摩擦力矩測量設(shè)備工作流程

2.1 主從軸自動對正設(shè)計(jì)

主從軸自動對正設(shè)計(jì)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(jī)構(gòu)采用類鼠盤式結(jié)構(gòu)，每齒正反兩側(cè)均可進(jìn)行可接觸式滑移與傳動，兩側(cè)結(jié)構(gòu)對稱，由兩段可滑移空間曲面組成。該機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)自定心，有效避免由操作者目視定心產(chǎn)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(jī)構(gòu)

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

2.2 密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為滿足有效時間內(nèi)溫度的動態(tài)調(diào)節(jié)，滿足5 ℃/min的速度要求，設(shè)計(jì)自動密封機(jī)構(gòu)，對溫箱下端工藝孔進(jìn)行密封。該結(jié)構(gòu)由2個直線電機(jī)、2條光軸、1個密封塞等零部件組成，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 密封結(jié)構(gòu)示意

該機(jī)構(gòu)在執(zhí)行保溫工作時，通過2個直線電機(jī)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(jié)構(gòu)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(zhǔn)、便于更換的特點(diǎn)。

3 控制系統(tǒng)

文中所設(shè)計(jì)的軸承摩擦力矩測量設(shè)備的控制系統(tǒng)部分，使用LabVIEW軟件進(jìn)行開發(fā)[13]?？刂葡到y(tǒng)部分主要分為運(yùn)動控制模塊和數(shù)據(jù)采集、處理模塊?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.1 運(yùn)動控制系統(tǒng)

使用固高GTS-400運(yùn)動控制卡作為運(yùn)動控制核心，安川SGM7G伺服電機(jī)為主傳動機(jī)構(gòu)提供動力。運(yùn)動控制接線如圖7所示。

圖7 摩擦力矩檢測設(shè)備運(yùn)動控制接線

將固高所提供的動態(tài)鏈接庫和頭文件導(dǎo)入LabVIEW中生成VI庫。調(diào)用子VI到程序框圖中，連接數(shù)據(jù)接口。通過前面板設(shè)置相關(guān)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對2臺伺服電機(jī)的獨(dú)立精準(zhǔn)控制，并按照設(shè)定的加速度、目標(biāo)位置等參數(shù)運(yùn)行。運(yùn)動控制界面如圖8所示。

圖8 運(yùn)動控制界面

3.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用DYN-200型扭矩傳感器+USB-4711A數(shù)據(jù)采集卡+工控機(jī)的工作方式。其中扭矩傳感器精度為0.001 N·m，重復(fù)測量精度為0.002 5 N·m，數(shù)據(jù)采集頻率為100 kHz。在測量軸承摩擦力矩時，軟件界面實(shí)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(shù)據(jù)獲取平均摩擦力矩Ma、極限誤差e。數(shù)據(jù)采集界面如圖9所示。

圖9 數(shù)據(jù)采集界面

測試時，首先需要使用者輸入姓名。而后系統(tǒng)進(jìn)行自檢，初步檢測軟件程序的錯誤和硬件連接問題，確保設(shè)備能夠正常運(yùn)行。初始化完成后，使用者進(jìn)行串口的配置，主要選擇通信接口、波特率參數(shù)。等待溫箱將被檢測件的溫度加熱或降溫到規(guī)定值后，啟動測試伺服電機(jī)，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(shù)。其工作流程如圖10所示。

圖10 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)工作流程

4 測試分析

在上述研究設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，使用設(shè)備對SKF7207深溝球軸承進(jìn)行動摩擦力矩重復(fù)測量。測量前對軸承進(jìn)行清洗，并滴加潤滑油[14]。在轉(zhuǎn)速為50 r/min、溫度26 ℃時進(jìn)行摩擦力矩測量，其中一次測量結(jié)果如圖11所示。

圖11 摩擦力矩測量曲線

根據(jù)圖11可以得出：轉(zhuǎn)動軸承在開始階段會產(chǎn)生較大沖擊，而后摩擦力矩趨于穩(wěn)定，截取波形穩(wěn)定后部分?jǐn)?shù)據(jù)求取平均值作為一次測量的結(jié)果[15]。重復(fù)測量10次，測量結(jié)果見表1。

表1 軸承摩擦力矩重復(fù)測量值

由表1可知，該軸承在室溫26 ℃、轉(zhuǎn)速為50 r/min的情況下，10次測量平均值為0.020 332 N·m，標(biāo)準(zhǔn)差為0.000 133 N·m，最大重復(fù)測量誤差為0.000 49 N·m，滿足設(shè)備設(shè)計(jì)要求。

5 總結(jié)

針對不同溫度下軸承摩擦力矩測量難的問題，設(shè)計(jì)了一種基于傳遞法的軸承摩擦力矩測量設(shè)備。經(jīng)分析后得出以下結(jié)論：

(1)所設(shè)計(jì)的可分離卡具機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)自定心，極大地減緩了因人工目視誤差導(dǎo)致的對接沖擊，有效地保護(hù)了設(shè)備，增加了設(shè)備的耐久度。

(2)所設(shè)計(jì)的密封結(jié)構(gòu)減緩了溫度流失，利于溫箱在不影響測量系統(tǒng)精度的情況下，對被測軸承進(jìn)行快速升、降溫，實(shí)現(xiàn)了不同溫度下的軸承摩擦力矩測量。

(3)經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，文中所設(shè)計(jì)的軸承摩擦力矩測量設(shè)備最大重復(fù)測量誤差為0.000 49 N·m，滿足設(shè)備使用需求。