李利歌，閆偉，馬德鋒，王虎強(qiáng)

（1.洛陽軸承研究所有限公司，河南 洛陽 471039；2.河南省高性能軸承技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽 471039；3.滾動(dòng)軸承產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟，河南 洛陽 471039）

球軸承在實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，內(nèi)、外圈與球及保持架之間存在比較復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，各種因素的影響使軸承無法達(dá)到理想的純滾動(dòng)狀態(tài)，當(dāng)滾轉(zhuǎn)力矩小于阻滾力矩時(shí)，會(huì)出現(xiàn)球相對(duì)內(nèi)、外圈的滑動(dòng)，即軸承打滑現(xiàn)象，從而造成軸承的摩擦磨損和急劇溫升，最終導(dǎo)致潤滑失效[1]。

為分析打滑現(xiàn)象對(duì)軸承的影響，測(cè)量球軸承在不同轉(zhuǎn)速和載荷下的打滑度變化趨勢(shì)，從而為軸承設(shè)計(jì)及工藝人員提供理論支持，設(shè)計(jì)了球軸承打滑度測(cè)量儀。

1 測(cè)量原理及組成

球軸承打滑度測(cè)量儀基于軸承的運(yùn)動(dòng)學(xué)原理，測(cè)量時(shí)軸承外圈固定，內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)。首先，在低速下測(cè)量軸承接觸角β，并假設(shè)其不隨轉(zhuǎn)速和載荷變化的影響；然后，根據(jù)內(nèi)圈轉(zhuǎn)速和保持架轉(zhuǎn)速之間的理論關(guān)系計(jì)算出軸承在不同轉(zhuǎn)速和載荷下的打滑度[2]。

軸承外圈固定、內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)時(shí)，根據(jù)軸承接觸角的計(jì)算公式[3]可得

式中：n0為保持架理論轉(zhuǎn)速；n1為內(nèi)圈實(shí)際轉(zhuǎn)速；Dw為球徑；Dpw為球組節(jié)圓直徑。

則軸承的打滑度為

式中：n2為保持架實(shí)際轉(zhuǎn)速。

球軸承打滑度測(cè)量儀主要由保持架轉(zhuǎn)速測(cè)量傳感器、主軸轉(zhuǎn)速測(cè)量模塊、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（包括計(jì)算機(jī)及Labwindows/CVI開發(fā)平臺(tái)）、測(cè)量電路、控制系統(tǒng)、采集卡等組成。儀器工作原理如圖1所示。

圖1 儀器工作原理圖Fig.1 Schematic diagram of Instrument

2 實(shí)現(xiàn)過程

2.1 保持架轉(zhuǎn)速的獲取

由于球軸承常工作于油霧和高溫環(huán)境下，且轉(zhuǎn)速較高，保持架轉(zhuǎn)速傳感器的選擇和安裝是本設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，需選擇耐高溫和耐油霧的高頻響非接觸式傳感器，因此選用了2種不同類型的傳感器分別進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試。

1）選用反射式光纖傳感器。在保持架某處貼上1～2 mm2的反光紙或用記號(hào)筆涂上與被測(cè)體色差大的顏色進(jìn)行標(biāo)記。考慮到油霧環(huán)境，選配了大功率的放大器，光纖頭發(fā)射光更強(qiáng)，使反射光在油霧中的衰減量對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響減到最小。另外，由于該光纖傳感器的測(cè)量信號(hào)經(jīng)過放大器后輸出NPN信號(hào)，為使與接入1780卡的電平匹配，需要通過如圖2所示電路將其轉(zhuǎn)換為TTL電平信號(hào)。

圖2 光纖傳感器輸出電路Fig.2 Output circuit of optical sensor

2）選用電渦流傳感器。該傳感器型號(hào)為ZED2，并配以放大器。在被測(cè)保持架上打孔進(jìn)行標(biāo)記，在孔中鑲?cè)雸A柱形棒體（或由傳感器能識(shí)別材料做成的棒體），保證棒體凸出保持架端面1～2 mm。為消除軸承運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的不平衡量，需對(duì)稱打2個(gè)孔，分別鑲?cè)?個(gè)磁性鋼棒體，保持架旋轉(zhuǎn)1周傳感器輸出2個(gè)脈沖信號(hào)。另外，由于電渦流傳感器的測(cè)量信號(hào)經(jīng)過放大器后輸出開關(guān)信號(hào)，為使其與接入1780卡的電平匹配，需要通過如圖3所示電路將其轉(zhuǎn)換為TTL電平信號(hào)。

圖3 電渦流傳感器輸出轉(zhuǎn)換電路Fig.3 Output converting circuit of eddy current sensor

為檢驗(yàn)和對(duì)比上述2種傳感器測(cè)量的準(zhǔn)確度，分別測(cè)量了有、無油霧的高溫環(huán)境下某磁性鋼軸的轉(zhuǎn)速，測(cè)量結(jié)果見表1。

表1 不同傳感器的測(cè)速結(jié)果Tab.1 Measuring result of speed of differente sensors r/min

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出：無油霧高溫環(huán)境下，2種傳感器的測(cè)量結(jié)果都滿足精度要求；油霧高溫環(huán)境下，由于油霧干涉了反光量，光纖傳感器測(cè)量結(jié)果完全不正確，電渦流傳感器測(cè)量結(jié)果則可以滿足精度要求。

由于電渦流傳感器的識(shí)別標(biāo)記做法比較麻煩且改變了保持架結(jié)構(gòu)，可專用于油霧環(huán)境下的測(cè)量；在油霧非常小或無油霧環(huán)境下，可以選擇光纖傳感器進(jìn)行測(cè)量。實(shí)際測(cè)量中，將測(cè)頭直徑相同的2種傳感器安裝在保持架對(duì)面，設(shè)計(jì)專用夾具固定傳感器測(cè)頭，通過調(diào)節(jié)夾具高低改變傳感器測(cè)頭與被測(cè)標(biāo)記之間的距離。每次測(cè)量前要將傳感器測(cè)頭調(diào)至能測(cè)到信號(hào)的最大距離，以保證軸承高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)保持架的跳動(dòng)不會(huì)撞壞傳感器測(cè)頭。

2.2 軸承內(nèi)圈轉(zhuǎn)速的獲取

軸承內(nèi)圈轉(zhuǎn)速即主軸的轉(zhuǎn)速，通過KH4300磁電式傳感器獲取。KH4300轉(zhuǎn)速傳感器內(nèi)裝永久磁鋼，當(dāng)磁芯端面近處有轉(zhuǎn)動(dòng)的導(dǎo)磁齒輪、帶孔（或槽）圓盤（或軸）等時(shí)，由于磁路中磁阻的變化，傳感器內(nèi)線圈即能感應(yīng)輸出相應(yīng)的交流電壓信號(hào)，輸出近似正弦波電信號(hào)。球軸承打滑度測(cè)量儀的主軸端面設(shè)置有槽，將傳感器對(duì)準(zhǔn)槽頂，測(cè)量傳感器的安裝間隙為0.5～3.0 mm。

2.3 測(cè)量過程

打開測(cè)試軟件，在測(cè)試界面中輸入軸承的球組節(jié)圓直徑、球徑、球數(shù)、接觸角和采樣周期，啟動(dòng)主軸及加載設(shè)備，傳感器會(huì)自動(dòng)讀取保持架及內(nèi)圈的轉(zhuǎn)速并實(shí)時(shí)顯示，測(cè)量儀后臺(tái)計(jì)算打滑度并實(shí)時(shí)顯示軸承的打滑度曲線，自動(dòng)保存測(cè)試數(shù)據(jù)，測(cè)量界面如圖4所示。

圖4 軸承打滑度儀測(cè)試界面Fig.4 Testing interface of measuring instrument for slipping degree of bearing

3 應(yīng)用結(jié)果及分析

對(duì)運(yùn)行于高溫油霧環(huán)境下的7005型軸承進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，該軸承球徑為5.556 mm，球組節(jié)圓直徑為42 mm，接觸角為29°37′，外圈固定，改變主軸轉(zhuǎn)速，采用電渦流傳感器獲取保持架轉(zhuǎn)速，測(cè)量結(jié)果曲線較平穩(wěn)時(shí)，幾組打滑度結(jié)果見表2。

表2 打滑度測(cè)量結(jié)果Tab.2 Measuring results of slipping degree

由于保持架轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)變化，因此打滑度也變化，本結(jié)果只取大致穩(wěn)定后的數(shù)值作分析，經(jīng)過多次測(cè)量的數(shù)據(jù)及打滑度曲線趨勢(shì)分析，本儀器測(cè)量結(jié)果符合軸承打滑的理論結(jié)果，隨著轉(zhuǎn)速的不斷提高，內(nèi)溝道與球之間的靜摩擦力越來越小，軸承的打滑度也越來越大。因此應(yīng)用本儀器可以分析軸承載荷、轉(zhuǎn)速等因素對(duì)軸承打滑度的影響。

4 結(jié)束語

所設(shè)計(jì)的球軸承打滑度測(cè)量儀能準(zhǔn)確測(cè)量出軸承不同轉(zhuǎn)速下軸承打滑度的變化趨勢(shì)，而且測(cè)量保持架轉(zhuǎn)速的傳感器可以根據(jù)實(shí)際測(cè)量環(huán)境選配，光纖式傳感器可以不改變軸承保持架的結(jié)構(gòu)即可以測(cè)量，測(cè)量方法簡(jiǎn)單；電渦流傳感器可以在油霧等條件很惡劣的工況環(huán)境下測(cè)量軸承打滑度。結(jié)果表明，該儀器在高溫、油霧的復(fù)雜工況下仍然可以測(cè)量出打滑度的變化趨勢(shì)，協(xié)助軸承設(shè)計(jì)和工藝人員分析軸承打滑的臨界轉(zhuǎn)速及潤滑失效的原因。