非接觸式微型軸承啟動摩擦力矩測量儀

胡波，朱孔敏，高奮武，李國斌，廖家祥

( 洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039)

軸承啟動摩擦力矩是一個隨機變量，其影響因素相當復雜且與檢測裝置的測量條件有關，如軸承的工作溫度、結構形式、規格尺寸、載荷大小以及潤滑劑黏度等因素都會影響軸承啟動摩擦力矩。而微型軸承的摩擦力矩數量級比較小，因此在進行檢測儀器的總體方案設計時，需根據微型軸承尺寸小和靈敏度高的特點來設計檢測儀器的測量方案、工裝卡具等，從而滿足微型軸承啟動摩擦性能的測量要求。

1 機械結構及測量原理

儀器設計依據的是能量轉換法[1]。力矩發生器產生渦流，驅動鋁盤上的渦流與交變磁通相互作用從而產生驅動渦流力矩，與負責監控驅動鋁盤狀態的光電傳感器組成閉環系統。

儀器的機械結構如圖1所示，主要由光電傳感器、驅動鋁盤、軸承壓套、測量心軸、負荷銅塊、心軸底座、鋁外套和力矩發生器組成[2]。測量心軸安裝在底座上，被測軸承則安裝在測量心軸上；軸承壓套壓在被測軸承外圈上，并通過螺釘與鋁外套連接；驅動鋁盤被壓緊在軸承壓套和鋁外套之間，兩端分別安裝力矩發生器和光電傳感器；施加到被測軸承上的軸向載荷由負荷銅塊控制，負荷銅塊通過過盈配合與鋁外套連接，測量界面顯示的軸向載荷即為負荷銅塊與驅動鋁盤、軸承壓套和鋁外套的質量。

1—光電傳感器；2—驅動鋁盤；3—軸承壓套； 4—被測軸承； 5—測量心軸；6—力矩發生器；7—鋁外套；8—負荷銅塊；9—心軸底座

實際測量時，測量心軸的下端部裝入心軸底座孔內，通過調整底座上的頂絲實現牢固配合，被測軸承安裝于測量心軸上端部，驅動鋁盤置于力矩發生器中，上下間隙約0.5 mm。工控機驅動電氣系統通過控制力矩發生器加載電壓逐步加載力矩。當電磁渦流力矩足夠大并能夠驅動鋁盤帶動被測軸承旋轉時，光電傳感器可監控到反射光源發生變化，被測軸承變為啟動運轉狀態，光電傳感器通過I/O輸出停止力矩加載信號,工控機自動停止向力矩發生器提供電壓，力矩發生器停止工作并紀錄當前功率值，此時的功率值即為被測軸承的啟動摩擦力矩值。

儀器中2個力矩發生器成90°方向放置，通過輸入不同方向的電壓帶動被測軸承沿順時針或逆時針方向轉動，從而測量2個方向的啟動摩擦力矩。驅動鋁盤按照1°開齒分度，即每隔1°用線切割開齒,如齒輪狀并涂上黑色，光電傳感器通過檢測是否有反射光來判斷驅動盤是否轉動。

2 電氣控制系統

電氣控制系統主要包括力矩發生器和光電傳感器的控制，控制原理如圖2所示。

圖2 電氣控制系統原理框圖

力矩發生器的驅動力矩僅與輸入電壓有嚴格的函數關系，因此，重點是對2路線圈輸入電壓的控制。經過D/A轉換和前置電路可精確控制電壓輸入精度，從而控制渦流力矩的加載精度。力矩的加載精度和起步值均可通過測量軟件設定。

被測軸承從靜態進入啟動運轉狀態后，光電傳感器輸出光電信號，并進行放大、濾波等信號處理，通過I/O輸入計算機，從而停止施加輸入電流并紀錄實時功率值。

3 測量軟件

測量軟件基于LabWindows/cvi操作平臺，主要包括測量界面設計，主程序和輔助程序3部分。其中，主程序包括系統管理子程序、力矩驅動子程序、前置電路驅動子程序、光電傳感器監控及數據處理子程序；輔助程序包括參數輸入、數據存盤、歷史數據及打印程序。

測量界面局部示意圖如圖3所示。測值顯示部分可實時顯示力矩、轉動角度和軸向載荷的數值。測量參數設置部分可以對啟動角度和起步值進行自主設定。

圖3 顯示界面局部示意圖

啟動角度是判斷軸承啟動的狀態參數，即轉多少度算作啟動，建議的啟動角度為1°～3°，通常設定為1°；起步值用于設定力矩發生器的初始電壓，初始電壓逐步增加，直到被測軸承達到啟動角度。設定起步值是為了縮短測量過程，提高測量效率，如初次測量某一型號軸承時，起步值應設為零，隨后可根據被測軸承力矩的大小設定。注意的是，起步值不宜設定過大，建議不超過初步測值的1/2。

4 儀器校準

根據輸入標準力矩值與儀器實際輸出測量值相比較的方法進行儀器的校準。

標準力矩值由掛載砝碼的方法獲取，砝碼對應的標準力矩為

M=(9.8×10-3)FL，

式中：M為標準力矩，N·m；F為砝碼質量，kg；L為砝碼輪半徑，mm。其中力臂L精度為±0.01，砝碼質量精度級別M3，可滿足精度要求。

另外，設計了專用定標鑒定裝置，將標準砝碼經定標支承系統懸掛于空氣軸系支承系統上，通過空氣軸承傳遞到力矩傳感器，力矩傳感器通過電氣處理輸出測量值。將測量值與標準力矩對比即可進行儀器的校準。

5 結束語

目前，國內尚無成熟的微型軸承啟動摩擦力矩檢測儀器，而現有測量設備中，大部分的測量誤差較大。本儀器能夠較為準確地測量微型軸承啟動摩擦力矩，實現軸承啟動運轉狀態的自動監控，完成自動測量。滿足軸承制造廠家和軸承用戶對微型軸承啟動摩擦力矩測量的需求，具有較好的市場前景。