機器人用薄壁角接觸球軸承振動特性的試驗研究

鄭昊天，邱明，王東峰，李慶林，丁文峰

(1.河南科技大學 機電工程學院，河南 洛陽 471003; 2.洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039；3.河南省高性能軸承技術重點實驗室，河南 洛陽 471039；4.滾動軸承產業技術創新戰略聯盟，河南洛陽 471039)

機器人用薄壁軸承是工業機器人的關鍵配套零部件,其振動特性極大影響機器人的運轉平穩性、重復定位精度、回轉精確度以及工作的可靠性等關鍵性能指標[1],因此，上述指標均可通過軸承振動進行考核。

機器人用薄壁軸承大多屬于超精密軸承范疇，抗沖擊、振動能力較弱，易受振動的影響[2-3]。目前，國內對機器人用薄壁軸承已開展一些相關的研究并取得了一定的成果，但基本處于探索階段,而且主要在軸承設計、制造、測試等方面。文獻[1, 4-5]從機器人軸承的設計角度出發，分別對機器人用薄壁軸承的結構特點、主參數和結構參數、壽命計算進行研究。文獻[6-8]從結構特點、性能、應用等方面評價了機器人軸承。文獻[9]針對薄壁軸承的測試技術進行了研究。國外關于機器人用薄壁軸承的研究處于基本成熟階段，并能專業化研發和生產，但研究成果及文獻資料很少公開[10-11]。

鑒于此，下文采用專門設計的機器人軸承動態性能試驗機，對ZR76/82C型機器人用薄壁角接觸球軸承在不同轉速和載荷下的振動特性展開研究。

1 機器人軸承振動測試方案

1.1 動態性能試驗機

GM-DXJ-12-1型軸承動態性能試驗機結構如圖1所示，主要由試驗機主體、加載系統、潤滑系統、加熱系統、冷油機、電氣系統以及計算機系統組成。該試驗機采用懸臂式結構，2套油潤滑的陪試軸承處于試驗頭中部，1套脂潤滑軸承位于試驗頭一端?？蓪崿F0～2 000 r/min的無極調速、0～50 kN的軸向載荷加載和0～70 kN的徑向載荷加載。

1—軸向加載；2—徑向加載；3—試驗軸承；4—陪試軸承

試驗過程中，可實現對試驗軸承軸向載荷、徑向載荷和轉速的控制，并能同時對試驗參數進行定時采樣、存儲、顯示和打印，還可排除主軸振動和試驗機底座振動對試驗軸承的影響。

1.2 振動測量原理

根據現行專業標準規定，在考核向心軸承振動時，只考核徑向振動。試驗過程中試驗軸承內圈旋轉，外圈固定不動。振動傳感器為YD系列加速度傳感器，固定于外圈的夾具上(圖2)，傳感器的頭部頂在外圈外圓柱面寬度的1/2處，用重力加速度g(9.8 m/s2)度量其徑向振動加速度。

圖2 振動值的測試原理圖

1.3 試驗方案

試驗軸承為薄壁角接觸球軸承ZR76/82C，精度等級P4，套圈、鋼球由經過真空電弧重熔的高碳鉻軸承鋼GCr15制造，保持架材料選用酚醛樹脂。其外徑和寬度均非標，外形尺寸小于一般工況條件下使用的角接觸球軸承，主要結構參數及技術指標見表1。

表1 軸承結構參數與技術指標

為了保證試驗數據的準確性，試驗前設定4 h的磨合時間，使軸承充分磨合，保證潤滑脂均勻分布于軸承中，此階段軸承運轉工況如下：1)軸向載荷1 kN、徑向載荷1 kN、轉速300 r/min; 2)軸向載荷1.5 kN、徑向載荷3 kN、轉速600 r/min;3)軸向載荷2 kN、徑向載荷6 kN、轉速900 r/min，每種工況運行20 min，依次循環運行。4 h后各測量參數值基本趨于穩定，達到穩定磨損階段，對軸承進行試驗，方案如下：

1)測試轉速對軸承振動值的影響。分別對軸承施加2種不同的軸向載荷和徑向載荷：軸向載荷1 kN、徑向載荷2 kN；軸向載荷2 kN、徑向載荷3 kN。轉速均從100 r/min增加到1 700 r/min，每30 min增加100 r/min。

2)測試軸向載荷對軸承振動值的影響。在轉速1 700 r/min、徑向載荷2，3 kN這2種情況下，分別施加1.0，1.5，2.0，2.5，3.0 kN的軸向載荷，各運行30 min。

3)測試徑向載荷對軸承振動值的影響。在1 700 r/min轉速下，分別施加1.0，1.5，2.0，2.5 kN的軸向載荷。每種軸向載荷下，分別施加不同的徑向載荷。

4)測試運轉時間對軸承振動值的影響。對軸承施加軸向載荷2.5 kN、徑向載荷5.5 kN，在1 700 r/min的轉速下運轉10 h。

2 試驗結果及分析

2.1 轉速對軸承振動的影響

軸承振動值隨轉速的變化曲線如圖3所示。由圖可知，振動值隨轉速的增加而增加，但并非成完全線性關系。隨著轉速增加，一方面，內圈和鋼球受到的離心力不斷增加，擠壓外圈，使振動值增加；另一方面，潤滑油黏性摩擦產生的阻力增大。此外，轉速增大，鋼球與保持架兜孔、保持架與套圈引導面、套圈與鋼球之間碰撞更加劇烈。

圖3 轉速對軸承振動值的影響

2.2 軸向載荷對軸承振動的影響

振動值隨軸向載荷的變化曲線如圖4所示。由圖可知，振動值隨軸承軸向載荷的增加而增加；當軸向載荷增加到2.5 kN(額定動載荷的1/10)時，振動值趨于穩定。這是由于開始時軸向載荷較小，軸承處于彈性變形階段，隨著載荷的增加，彈性變形不斷增大，當軸向載荷增加到2.5 kN時，軸向載荷除抵消徑向載荷的軸向分量外，還對軸承起到預緊作用。已達到預緊狀態的軸承，隨著軸向載荷的增加，其彈性變形量不會明顯增加。

圖4 軸向載荷對軸承振動值的影響

2.3 徑向載荷對軸承振動的影響

振動值隨徑向載荷的變化曲線如圖5所示。由圖可知，當軸承轉速和軸向載荷保持不變時，振動值隨徑向載荷的增加有所增加，但變化不顯著。當徑向載荷超過軸向載荷的2倍(拐點)時，振動值顯著上升。

圖5 徑向載荷對軸承振動值的影響

這是由于軸向載荷、轉速保持不變時，徑向載荷逐漸增大，徑向載荷的軸向分量也不斷增大，抵消了軸向載荷，使軸承的剛度減??；當徑向載荷達到拐點時，軸承剛度明顯不足，振動值快速上升。當施加較大的軸向載荷時，需要更大的徑向載荷來抵消軸向載荷。

2.4 軸承運轉時間對軸承振動的影響

軸向載荷2.5 kN、徑向載荷5.5 kN、轉速1 700 r/min下振動值隨運轉時間的變化曲線如圖6所示。由圖可知，振動值隨著時間的推移而逐漸趨于平緩。開始運轉時，軸承配合面間的相對表面粗糙度值較大，兩接觸表面有少量的輪廓峰接觸。隨著軸承的運轉，輪廓峰逐漸消失，表面粗糙度值穩定，振動值不斷減小，最終長時間保持恒定。

圖6 運轉時間對軸承振動值的影響

3 結論

1)轉速對機器人用薄壁角接觸球軸承振動影響顯著，轉速越高，振動值越大。

2)在工況轉速下，機器人用薄壁角接觸球軸承振動值隨軸向載荷的增加而增加。當軸向載荷增加到額定動載荷的1/10時，振動值趨于穩定，軸承處于彈性變形穩定階段。為避免軸承振動隨載荷產生較大的變動，應使軸承在適當大的軸向載荷下運轉。

3)在工況轉速下，當徑向載荷超過軸向載荷的2倍時，軸承振動值顯著上升，在滿足需求的情況下，盡量選擇小于軸向載荷2倍的徑向載荷。

4)運轉時間對機器人用薄壁角接觸球軸承的振動性能有一定影響，但并不顯著。