張瑜，張慧，宋曉波，李利歌

(洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039)

為了提高主機的動態(tài)性能和適應(yīng)軸承的有效裝配性能，需要對影響軸承裝配的各種參數(shù)進(jìn)行嚴(yán)格控制。目前市場上針對內(nèi)徑100 mm以上的精密軸承，一般在靜態(tài)下進(jìn)行徑向游隙的測量，這種測量方式精度較低，且顯示方式的主觀誤差較大，已經(jīng)不能滿足行業(yè)對高精密大型軸承徑向游隙檢測的需要，為此開發(fā)了一種高精度的徑向游隙檢測儀器。

1 測量原理

1.1 數(shù)學(xué)模型

1.2 測量原理

X095J徑向游隙動態(tài)測量儀采用內(nèi)圈定位并旋轉(zhuǎn)，上、下載荷施加于外圈，通過測量外圈相對內(nèi)圈的移動量進(jìn)行徑向游隙的測量[1-2]。通過內(nèi)圈軸向鎖緊可以消除四點接觸球軸承雙半內(nèi)圈的配合間隙對徑向游隙測量帶來的影響，從而保證測量精度。

在測量過程中，電動機始終帶動高精密主軸旋轉(zhuǎn)，并通過安裝在主軸上的專用測量芯軸帶動被測軸承內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)(內(nèi)圈由緊固螺母固定，相對主軸不作軸向運動)。上載荷加載頭在被測軸承上側(cè)中部兩側(cè)對稱加力，使外圈不做圓周運動，主軸旋轉(zhuǎn)時帶動鋼球落入溝底，通過高精度軸向傳感器將外圈的位移量轉(zhuǎn)換為電信號，通過交流放大、相敏檢波和直流放大送入單片機系統(tǒng)。內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)一周后，電路經(jīng)過運算就可顯示出外圈單側(cè)的位移量平均值。然后施加下載荷，得出外圈另一個極限位置的位移量。外圈2個極限位置位移量的變化值即為徑向游隙值。

徑向游隙的動態(tài)測量結(jié)果是外圈2個極限位置的測頭位移量平均值的差值，因安裝測量芯軸的徑向跳動對測頭位移量的影響基本相同，經(jīng)和差運算后，在一定程度上消除了其帶來的影響，相應(yīng)地保證了測值的準(zhǔn)確性和可靠性。

2 性能指標(biāo)

軸承類型：深溝球軸承，四點接觸球軸承。

測量范圍：內(nèi)徑95～140 mm，外徑<300 mm。

徑向載荷：49～150 N可調(diào)。

測量系統(tǒng)量程和分辨率：±100 μm，0.1 μm；±200 μm，0.2 μm；±500 μm，0.5 μm。

系統(tǒng)線性誤差：δi=±0.3%(|Si|+L)，Si為受檢點的標(biāo)稱值，μm；L為檢定時所用的量程，μm。

測量系統(tǒng)重復(fù)性(用微動臺架檢定)：0.3+0.2%(|Si|+L) μm。

示值重復(fù)性：3 μm(最大差值)。

3 儀器設(shè)計

3.1 機械設(shè)計

3.1.1 機械結(jié)構(gòu)

如圖1所示，儀器的機械部分主要由測量臺架、測量主軸與傳動部分、加載氣缸、傳感器及其調(diào)整支架等組成。

1—支座；2—傳感器；3—傳感器調(diào)整裝置；4—上載荷加載裝置；5—被測軸承；6—測量附件；7—測量主軸；8—下載荷加載裝置；9—測速傳感器；10—傳動裝置；11—同步電動機圖1 X095J測量儀機械結(jié)構(gòu)示意圖

測量臺架由鈑金架和花崗巖工作臺組成，可有效消除環(huán)境振動對測量造成的影響，從而保證測量的穩(wěn)定性；主軸驅(qū)動部分采用轉(zhuǎn)矩較大的同步電動機，可以為傳動系統(tǒng)提供穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速和足夠的轉(zhuǎn)矩；主軸傳動部分采用同步帶和密珠軸系，在一定程度上消除了因驅(qū)動電動機振動對主軸旋轉(zhuǎn)精度帶來的誤差，保證了測量的高精度；加載裝置采用自動精密加載的專用加載氣路和氣缸系統(tǒng)，保證測量過程中的加載不會導(dǎo)致外圈相對偏擺和上下移動；通過載荷調(diào)整旋鈕及氣壓表可以方便地加載和卸載。

3.1.2 誤差分析

在軸承安裝過程中，應(yīng)使加載力和測量力的方向通過主軸旋轉(zhuǎn)中心，以保證測量的準(zhǔn)確性。但實際上加載力與測量力的方向經(jīng)常出現(xiàn)偏差，從而導(dǎo)致測量過程中內(nèi)、外圈相互錯位，進(jìn)而使徑向游隙測量值出現(xiàn)誤差，其幾何關(guān)系如圖2所示[3]。

圖2 內(nèi)、外圈相錯時鋼球與溝道的幾何關(guān)系

設(shè)內(nèi)、外圈溝道相錯的位移為Δ，則有

式中：Ri,Re分別為內(nèi)、外圈溝曲率半徑，mm;Dw為鋼球直徑，mm；Gr為徑向游隙，μm;θ為加載力F出現(xiàn)偏載時軸承內(nèi)、外圈的偏角，(°)。

由以上分析可知，在調(diào)整上載荷軸和傳感器測頭的前后位置時，盡可能使其處于軸承外徑寬度的1/2處，否則，測量時外圈會產(chǎn)生傾斜而影響測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。以6220軸承為例，其主要參數(shù)為Ri=13.08 mm,Re=13.34 mm,Dw=25.4 mm,Gr= 12～36 μm,取中間值為Gr=25 μm。若取Δ=0.2 mm時，ΔGr=0.5 μm；而若取Δ=0.1 mm時，ΔGr= 0.1 μm。由以上推導(dǎo)可以得出，通過反轉(zhuǎn)法可以控制軸承在安裝后的Δ偏移值在0.1 mm以內(nèi)，其對游隙值的影響在0.1 μm以內(nèi)，對于儀器的示值誤差3 μm而言，可以忽略不計。

3.2 電氣設(shè)計

電氣部分由顯示屏、數(shù)據(jù)處理芯片、數(shù)據(jù)采集卡和位移前置電路組成，其工作框圖如圖3所示。

圖3 電氣原理框圖

3.3 測量流程

圖4為一次測量的流程圖，顯示了徑向游隙的測量方法和故障處理辦法。

3.3.1 量程選擇

對于小游隙組別(150 μm以下)的軸承可選擇±100 μm的量程，大游隙組別(150～350 μm)的軸承可選擇±200 μm的量程，更大游隙組別(350 μm以上)可選用±500 μm的量程。

3.3.2 測量過程

該儀器通過電磁閥控制氣缸自動施加上、下載荷。 首先安裝軸承并將內(nèi)圈緊固，打開電箱面板上的電動機啟動開關(guān)，進(jìn)入實際測量狀態(tài)。根據(jù)產(chǎn)品情況選擇合適的量程，施加上載荷，調(diào)整傳感器測頭，觀察傳感器測頭數(shù)值變化，使顯示值穩(wěn)定在量程下限范圍，按“測量”按鈕，儀器自動按圖4步驟進(jìn)行加載和測量，最后直接顯示被測量軸承的徑向游隙值(第1個測值減去第2個測值)，完成一次測量過程。

圖4 徑向游隙一次測量框圖

4 結(jié)束語

X095J徑向游隙動態(tài)測量儀實現(xiàn)了自動加載和自動測量，提高了測量效率，并排除了機械表顯示的主觀誤差；測量重復(fù)性可達(dá)3 μm，可實現(xiàn)內(nèi)徑100 mm以上大尺寸軸承的高精度徑向游隙的測量，解決了以往靜態(tài)測量精度低，主觀誤差大的問題；采用大量程高精度電感傳感器在測量過程中連續(xù)實時采樣，一周采樣點數(shù)可達(dá)500點以上，解決了靜態(tài)測量采樣點單一的問題，有效保證了測值的準(zhǔn)確性，更符合軸承實際使用情況下的游隙測量要求；并可按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定進(jìn)行測量徑向游隙的限定，超限報警；特殊的測量工裝還可實現(xiàn)四點接觸球軸承等專用軸承徑向游隙的精密測量。