高速球軸承保持架動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

王林泉，陳曉陽(yáng)，張濤，顧金芳，顧家銘

(1.上海大學(xué) 機(jī)電工程及自動(dòng)化學(xué)院，上海 200072；2.上海天安軸承有限公司，上海 201108)

精度失效是軸承早期失效形式之一。對(duì)于機(jī)床和儀表類軸承，一旦其發(fā)生精度失效，會(huì)對(duì)整個(gè)設(shè)備的精度及壽命造成很大影響。高速時(shí)保持架的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和受力情況較為復(fù)雜，且保持架斷裂是軸承主要失效現(xiàn)象之一。因此，無論是延長(zhǎng)軸承的使用壽命，預(yù)防軸承早期失效，還是提高軸承的精度，研究保持架動(dòng)態(tài)特性都具有重要意義。

目前,對(duì)保持架的試驗(yàn)研究主要集中在運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性、溫度檢測(cè)等方面[1-5]。文獻(xiàn)[2]針對(duì)工程中出現(xiàn)的保持架渦動(dòng)現(xiàn)象，以陀螺儀球軸承為例進(jìn)行了試驗(yàn)研究，通過高速攝像機(jī)觀測(cè)到保持架運(yùn)動(dòng)不穩(wěn)定。文獻(xiàn)[6]通過特殊方法加工軸承外圈,使激光光束導(dǎo)入并直接照到保持架上,測(cè)量其徑向振動(dòng)，但試驗(yàn)轉(zhuǎn)速較低。文獻(xiàn)[7-8]采用了基于圖像的方法，在試驗(yàn)軸承軸向放置高速攝像機(jī)，對(duì)7008角接觸球軸承保持架運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行拍照分析，用分辨率512×512，最高幀率11 500 fps的高速攝像機(jī)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，試驗(yàn)時(shí)采用外圈固定、內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)方式，通過跟蹤保持架上標(biāo)記的白點(diǎn)運(yùn)動(dòng)獲取其圖像數(shù)據(jù)，在內(nèi)圈轉(zhuǎn)速為1 500 r/min以上時(shí)白點(diǎn)受攝像機(jī)幀率影響清晰度會(huì)下降。由于保持架運(yùn)動(dòng)復(fù)雜，測(cè)量較為困難，目前對(duì)高速軸承保持架非接觸式測(cè)量的相關(guān)研究較少。

因此，在保持試驗(yàn)軸承實(shí)際結(jié)構(gòu)和正常約束狀態(tài)的條件下，提出一種新原理的高速球軸承保持架動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)方案，并研制原理樣機(jī)，通過內(nèi)外圈反向旋轉(zhuǎn)使保持架公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速降低，以便用現(xiàn)有高速攝像機(jī)清晰地獲取軸承高速運(yùn)行時(shí)保持架的運(yùn)動(dòng)信息。

1 試驗(yàn)

1.1 試樣及試驗(yàn)條件

試驗(yàn)軸承與配對(duì)軸承均為7003高速電主軸軸承，其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。保持架為酚醛夾布實(shí)體保持架，套圈和鋼球材料為GCr15。試驗(yàn)軸承內(nèi)外圈反向旋轉(zhuǎn)，內(nèi)圈轉(zhuǎn)速為3 000～10 166 r/min，定壓軸向加載力為2.5 N，試驗(yàn)溫度為25～30 ℃。

表1 7003軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.2 試驗(yàn)原理

試驗(yàn)原理圖如圖1所示。軸向預(yù)緊的試驗(yàn)軸承與配對(duì)軸承的內(nèi)、外圈分別相連，同步旋轉(zhuǎn)，兩軸承內(nèi)圈轉(zhuǎn)速為ni，球與溝道之間的摩擦帶動(dòng)兩軸承外圈以轉(zhuǎn)速ne反方向轉(zhuǎn)動(dòng)。通過精確控制配對(duì)軸承的保持架轉(zhuǎn)速n1，使其與試驗(yàn)軸承的保持架產(chǎn)生差動(dòng),從而調(diào)節(jié)試驗(yàn)軸承保持架的公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速n2，使其接近于零。通過配對(duì)軸承和試驗(yàn)軸承外圈之間的壓縮彈簧實(shí)現(xiàn)軸向定壓加載，即軸向預(yù)緊。

圖1 試驗(yàn)原理圖

1.3 試驗(yàn)設(shè)備

采用MKROTRON的EoSens?CL視覺高速攝像機(jī)測(cè)量保持架的運(yùn)動(dòng)軌跡，其參數(shù)見表2。試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2所示，試驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)如圖3所示，攝像機(jī)正對(duì)試驗(yàn)軸承保持架，拍攝的圖像通過圖像采集卡傳輸?shù)接?jì)算機(jī)上。

表2 高速攝像機(jī)參數(shù)

1—底座；2—伺服電動(dòng)機(jī)；3—主動(dòng)齒形帶輪；4—figure；5—配對(duì)軸承及壓縮彈簧；6—支架；7—電主軸

圖3 試驗(yàn)機(jī)測(cè)量系統(tǒng)

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果的提取

圖像數(shù)據(jù)提取及處理方法示意圖如圖4所示。從圖4a中可以清晰區(qū)分試驗(yàn)過程中試驗(yàn)軸承的內(nèi)、外圈及保持架，保持架上白點(diǎn)用于控制轉(zhuǎn)速時(shí)辨別保持架是否發(fā)生公轉(zhuǎn)。圖4a的刻度尺為PS(Photoshop)的標(biāo)尺功能，紅線為軟件的參考線。假設(shè)圖像中水平方向?yàn)閤方向，垂直方向?yàn)閥方向，y方向2條紅線與保持架邊緣相切，通過這2條紅線對(duì)應(yīng)的刻度值求出平均值，即為保持架質(zhì)心x方向的坐標(biāo)x1；同理，x方向2條紅線與保持架邊緣相切，通過這2條紅線對(duì)應(yīng)的刻度值求出平均值，即為保持架質(zhì)心y方向的坐標(biāo)y1，采用相同方法可得內(nèi)圈中心坐標(biāo)，設(shè)為(0,0)，定為基準(zhǔn)點(diǎn)。圖4a中2條藍(lán)線與內(nèi)圈擋邊相切，其差值除以實(shí)際內(nèi)圈的擋邊直徑，即可確定圖像與實(shí)際軸承尺寸的比例關(guān)系，其值用C表示。

圖4 保持架動(dòng)態(tài)軌跡提取及處理

將保持架質(zhì)心坐標(biāo)刻度值與內(nèi)圈中心坐標(biāo)刻度值求差值并除以比例C，即為保持架運(yùn)轉(zhuǎn)過程中質(zhì)心相對(duì)于內(nèi)圈中心的位移。已知內(nèi)圈中心坐標(biāo)(0,0)和保持架質(zhì)心坐標(biāo)(x1,y1)，利用三角函數(shù)求斜邊方法，可求得保持架質(zhì)心偏距L(圖4b)。

2.2 外圈固定、內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)

試驗(yàn)軸承在外圈固定、內(nèi)圈逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)且轉(zhuǎn)速為3 000 r/min時(shí)，保持架質(zhì)心軌跡如圖5a所示；Adore商業(yè)軸承性能分析軟件在相同軸承參數(shù)及工況下仿真得到的保持架質(zhì)心軌跡如圖5b所示，牽引模型選擇Adore中簡(jiǎn)化的兩斜率牽引-滑動(dòng)模型。從圖中可以看出，試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果中保持架的質(zhì)心軌跡比較接近，軌跡圓直徑也基本一致，由此證明了試驗(yàn)結(jié)果的可靠性，研究的試驗(yàn)方法可以用于測(cè)試保持架的動(dòng)態(tài)特性。

圖5 外圈固定、內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)時(shí)保持架質(zhì)心軌跡對(duì)比

2.3 內(nèi)外圈反向旋轉(zhuǎn)

當(dāng)內(nèi)外圈反向旋轉(zhuǎn)時(shí)，在不同內(nèi)圈轉(zhuǎn)速下保持架的質(zhì)心運(yùn)動(dòng)軌跡如圖6所示，坐標(biāo)原點(diǎn)即為內(nèi)圈中心，每種轉(zhuǎn)速下保持架公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速都基本為零。由圖可知，內(nèi)圈轉(zhuǎn)速為3 000 r/min時(shí)，保持架質(zhì)心在相對(duì)于坐標(biāo)原點(diǎn)偏上方做無規(guī)律運(yùn)動(dòng)；當(dāng)內(nèi)圈轉(zhuǎn)速為4 800，6 000 r/min時(shí)，保持架的質(zhì)心軌跡相對(duì)于坐標(biāo)原點(diǎn)的偏移位置發(fā)生了逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)內(nèi)圈轉(zhuǎn)速增加至6 600 r/min時(shí)，保持架質(zhì)心在相對(duì)于坐標(biāo)原點(diǎn)偏左上方做無規(guī)律運(yùn)動(dòng)；當(dāng)內(nèi)圈轉(zhuǎn)速為7 200 r/min時(shí)，保持架質(zhì)心在相對(duì)于坐標(biāo)原點(diǎn)偏右下方做無規(guī)律運(yùn)動(dòng)；當(dāng)內(nèi)圈轉(zhuǎn)速為9 000 r/min時(shí)，保持架質(zhì)心在相對(duì)于坐標(biāo)原點(diǎn)偏左上方做無規(guī)律運(yùn)動(dòng)。

圖6 內(nèi)外圈反向旋轉(zhuǎn)時(shí)不同轉(zhuǎn)速下保持架的質(zhì)心軌跡

綜上，當(dāng)軸承內(nèi)、外圈反向旋轉(zhuǎn)，保持架轉(zhuǎn)速基本為0時(shí)，保持架的質(zhì)心軌跡比較混亂，且其中心偏離內(nèi)圈中心。出現(xiàn)這種情況的原因是內(nèi)、外圈反向旋轉(zhuǎn)時(shí)，保持架公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速降低，保持架兜孔與球之間以及保持架與套圈引導(dǎo)面之間的頻繁碰撞減少，套圈對(duì)保持架的引導(dǎo)作用降低。

試驗(yàn)和Adore仿真中保持架質(zhì)心偏距L隨轉(zhuǎn)速的變化曲線如圖7所示。由圖可知，試驗(yàn)中在轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)一致的情況下，當(dāng)轉(zhuǎn)速?gòu)? 000 r/min增加到6 600 r/min時(shí)，L最大值和平均值呈增加趨勢(shì)；當(dāng)轉(zhuǎn)速?gòu)? 600 r/min增加到9 000 r/min時(shí)，L最大值和平均值呈減小趨勢(shì)，并趨近于穩(wěn)定。用Adore軟件在相同工況下進(jìn)行仿真，L平均值的變化規(guī)律與試驗(yàn)情況近似，而L最大值隨轉(zhuǎn)速的增加呈緩慢減小的趨勢(shì)，其與試驗(yàn)結(jié)果不同的原因是仿真時(shí)忽略了機(jī)械裝置由于轉(zhuǎn)速增加而引起的振動(dòng)的影響。

圖7 保持架質(zhì)心偏距隨內(nèi)圈轉(zhuǎn)速的變化曲線

3 結(jié)束語(yǔ)

1)通過試驗(yàn)軸承和配對(duì)軸承內(nèi)外圈反向旋轉(zhuǎn)，并精確控制其保持架差動(dòng)速度原理研制的高速球軸承保持架動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)機(jī)，可使保持架公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速大幅降低，且試驗(yàn)軸承保持架不需改變結(jié)構(gòu)和工作時(shí)的約束狀態(tài)，就可以用現(xiàn)有的高速攝像機(jī)清晰地獲取軸承高速運(yùn)行時(shí)的保持架信息。

2)當(dāng)試驗(yàn)軸承外圈固定、內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)且不約束配對(duì)軸承保持架運(yùn)動(dòng)時(shí)，在低轉(zhuǎn)速下測(cè)得的保持架質(zhì)心軌跡與仿真結(jié)果基本一致。

3)當(dāng)內(nèi)外圈反向旋轉(zhuǎn)、保持架公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速接近于零時(shí)，不同內(nèi)圈轉(zhuǎn)速下，保持架質(zhì)心軌跡偏于內(nèi)圈中心一側(cè)做無規(guī)律運(yùn)動(dòng)。隨著內(nèi)圈轉(zhuǎn)速的增加，保持架最大質(zhì)心偏距和平均質(zhì)心偏距呈先增大后減小并趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)，這與Adore軟件仿真結(jié)果略有差別。

在軸承高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，采用文中試驗(yàn)機(jī)僅能獲取保持架高精度徑向二維動(dòng)態(tài)軌跡，而其實(shí)際工作于復(fù)雜的三維狀態(tài)下，因此還需探索可獲取其三維動(dòng)態(tài)軌跡的非接觸測(cè)量方法。