滾動軸承旋轉靈活性檢測系統設計

吳金河，何貞志，胡寧寧，李東旭

(江蘇師范大學 機電工程學院，江蘇 徐州 221116)

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滾動軸承旋轉靈活性檢測系統設計

吳金河，何貞志，胡寧寧，李東旭

(江蘇師范大學 機電工程學院，江蘇 徐州 221116)

文中介紹了一種滾動軸承旋轉靈活性在線檢測系統。該系統通過對旋轉齒盤轉速變化率的測量實現軸承旋轉靈活性的數字化檢測。機械結構部分主要包括定心裝置、加載機構、旋轉裝置、轉速測量機構，可適用多種規格軸承。由PLC實現動作的控制，并開發了基于LabVIEW的數據采集處理程序，使用曲線擬合方法對轉速分析得到轉速變化率，作為旋轉靈活性的數字化檢測依據。實驗結果表明該系統測量精度可靠，能夠實現軸承靈活性無人在線檢測，滿足滾動軸承裝配線中旋轉靈活性自動化測量的要求。

滾動軸承； 旋轉靈活性； 在線檢測； LabVIEW

0 引言

滾動軸承是現代工業廣泛應用的支撐部件，主要由內圈、外圈、滾動體及保持架組成[1]。隨著工業的發展，對軸承性能提出了更高的要求。滾動軸承的旋轉靈活性是影響整個機械系統運轉性能的主要因素之一，因此對軸承的靈活性檢測變得尤為重要。一般而言，軸承靈活性的影響因素主要包括徑向游隙、內外圈位置偏差、裝入的滾子直徑差、軸承磁性等因素[2]。

現有技術中，軸承旋轉靈活性主要包含兩種檢測方式[3]。一是采用人工檢測：工人一只手拿起軸承，緊握軸承內圈，另一只手旋轉軸承外圈，通過手感、軸承外圈旋轉的時間，根據經驗來判別軸承的旋轉靈活性，以判斷軸承的質量好壞；或將待測軸承放置于工作平臺上，僅使外圈接觸平臺，在軸承內圈上放置一負荷塊，負荷塊的軸線與軸承軸線重合，且僅與內圈接觸，人手轉動負荷塊，負荷塊帶動軸承旋轉，此時根據負荷塊的轉動情況，通過工人感官判斷軸承旋轉靈活性。這種軸承靈活性檢測方法由人工進行檢測，勞動強度大，對工人的操作技能、經驗等要求較高，且人工檢測效率較低，不利于自動化連續生產的需要。

二是采用靈活性測量裝置檢測[4]：一般方式為模擬人工檢測的過程，將軸承外圈放置在工作平臺上，內圈上放置一負荷塊，使用電機或高壓空氣帶動負荷塊旋轉，到達一定轉速后，將動力和負荷塊脫離，使負荷塊帶動軸承自由旋轉，通過傳感器檢測一定時間內負荷塊的旋轉圈數，實現軸承靈活性的檢測任務。該方式可以高效、準確地檢測出軸承旋轉靈活性的好壞，不需人工操作，可用于自動化連續生產。然而現有靈活性檢測裝置存在以下問題：①判斷靈活性的標準均是以內圈轉動圈數或齒輪轉過的齒數為依據，這對負荷塊的初始轉速要求較高，因此對電機或高壓空氣的要求較高。就同一軸承而言，初始轉速不同，相同時間內內圈旋轉圈數也會不同。②由于在測量過程中負荷塊需要與動力源斷開，而現有結構一般較為復雜，重心均較高，較難保證負荷塊旋轉過程中的穩定而對測量結果產生影響。

為了解決現有技術不足，降低成本和工人的勞動強度，將傳感器和計算機技術相結合，開發一個機械結構緊湊、易操作、可測多種規格型號、自動化程度高、檢測效率和準確性高的軸承靈活性檢測系統。

1 檢測原理

同一種型號軸承在以相同方式旋轉時，靈活性差的軸承對應較大轉動加速度。因此，可利用軸承轉動速度變化率來判斷軸承靈活性好壞，定義其為靈活率。由于軸承的轉動速度逐漸減慢，因此靈活率為負值，且靈活率數值越大表示該軸承靈活性越好。軸承旋轉靈活性的測量原理如圖1所示。

圖1 靈活性檢測原理

待測軸承隨負荷塊一起自由旋轉時，霍爾傳感器檢測隨軸承轉動的齒盤，當齒頂正對傳感器時輸出高電平，齒槽正對傳感器時輸出低電平。由于軸承阻尼的存在，將得到一組時間間隔逐漸變大矩形波，如圖2所示。該矩形波的周期對應齒盤轉過一個齒距角所需要的時間。

圖2 采樣信號

現取齒數為Z的齒盤作為旋轉齒盤，則齒距角θ 為：

(1)

設ti時刻齒盤轉過某個齒的時間為Ti，則轉過該齒的瞬時角速度為ωi=θ/Ti。

為了減小測量誤差，取轉過n個齒的時間為Tni，則ti時刻轉過該段齒的平均角速度為：

(2)

由此可得ti時刻轉動加速度，即靈活率ki為：

(3)

由于測量誤差的存在，測量得到的瞬時靈活率存在誤差。為了得到準確的靈活率，在得到瞬時轉動角速度ω后，基于最小二乘直線擬合方法進行擬合[5]。其中，任意一組速度ω 和時間t 之間的殘差：

ei=ωi-a-kti

(4)

根據最小二乘原理，可得誤差函數為：

(5)

則a,k 的最小二乘估計值應該滿足式(5)達到最小，式(5)的極值條件為：

(6)

由式(6)所擬合得到的直線方程斜率即為靈活率k。

2 檢測系統機械結構

滾動軸承靈活性檢測系統包括定心裝置、加載機構、旋轉裝置、轉速測量機構等，其機械結構示意圖如圖3所示。

定心裝置中定位底座上部設有定位內孔，與待測軸承座圈配合，定位底座下部設有導向軸，與底座中定心孔配合，保證測量時軸承的可靠定位；加載機構包含提升氣缸、負荷塊和負荷頭，提供軸承旋轉時的負荷；旋轉裝置包含電機、帶輪和摩擦動力軸，為軸承提供一定的轉動速度；轉速測量機構由齒盤和霍爾傳感器組成，軸承轉動時，霍爾傳感器輸出脈沖信號，用以靈活性檢測。

1.提升氣缸 2.系統支架 3.齒輪 4.直線導軌 5.從動帶輪 6.電機架 7.負荷架 8.主動帶輪 9.電機 10.待測軸承 11.定位底座 12.系統平板 13.測速傳感器 14.軸承座 15.負荷塊 16.負荷頭

圖3 靈活性檢測機械結構

具體測量過程如下：待測軸承在定心裝置的作用下進入正確的測量位置；系統檢測到定位底座有待測件，提升汽缸帶動加載機構為軸承提供測量標準規定的軸向載荷；摩擦動力軸和從動帶輪的錐形摩擦面接觸(見圖1)，從動帶輪在電機帶動下旋轉，依靠錐形摩擦面的摩擦力帶動摩擦動力軸、負荷塊、齒輪等旋轉，為測量提供初始速度；負荷塊在旋轉狀態時提升氣缸推動負荷架下降，直到從動帶輪和摩擦動力軸脫離接觸，此時負荷塊在慣性下將帶動待測軸承自由旋轉；測速傳感器拾取齒頂和齒槽正對時的信號，并將這些信號輸送給工控機；當測量完成后負荷塊在提升氣缸作用下，摩擦動力軸的錐形面摩擦面將與從動帶輪的錐形面再次接觸，在其帶動下負荷塊離開待測軸承完成一次測量過程。

該結構的特點在于優化了負荷機構，降低了負荷機構的重心，且負荷塊根據待測軸承的不同可靈活更換，同時使用定位底座對軸承定心，避免負荷傾斜和偏心對測量結果的影響，使得測量結果真實可靠。

3 檢測系統硬件結構

靈活性檢測系統的硬件結構由動作控制系統和靈活性測量系統兩大部分組成，如圖4所示。主要包括PLC、工控機、傳感器、氣缸、電機及信號變換電路。

圖4 靈活性檢測系統硬件結構示意圖

動作控制部分主要是通過PLC控制提升氣缸的運動，帶動加載機構運動，實現待測軸承的加載和卸載[6-8]；控制電機的啟停，實現負荷機構及待測軸承的旋轉。靈活性測量系統主要是利用霍爾傳感器檢測齒頂和齒槽經過傳感器時輸出的電壓信號，并通過數據采集卡轉換為數字信號；工控機對采集的數據進行分析處理、存儲和顯示，并實現對軸承靈活性的判斷。

4 檢測系統軟件結構

檢測系統軟件分為動作控制和參數測量兩部分。動作控制部分主要由PLC、電機和加載氣缸組成，控制流程如圖5所示。

圖5 控制程序流程圖

待測軸承位于定位底座中時，電機旋轉帶動負荷塊旋轉，同時氣缸下降；當到達設定的下限開關時，此時負荷塊將要接觸到待測軸承，計算機開始采集測速傳感器的信號，同時氣缸繼續下降，直到氣缸到達下限，此時負荷塊與從動帶輪脫離，負荷塊帶動待測軸承自由旋轉。等待0.5s后可停止電機。負荷塊自由旋轉2s后，系統完成軸承轉動信號的采集，提升氣缸上升，帶動負荷塊脫離待測軸承。同時，計算機根據采集的信號，經過波形變換，計算瞬時轉速、加速度，根據設定的靈活率閾值判斷待測軸承的靈活性好壞。

參數測量部分主要基于LabVIEW開發的測量程序，對采樣信號進行數據處理、分析、顯示和存儲[9-10]。首先，為了便于后續計算要將采集的電壓信號轉變為理想的矩形波信號，即通過設定采樣信號與閾值比較，高于該值為真，否則為假，輸出一系列0、1數字量信號。數據預處理程序如圖6所示。

圖6 數據預處理程序

其次，針對輸出的矩形波信號和采樣頻率，計算瞬時脈沖周期，如圖7所示。通過計算檢測的數字量輸入的兩個相鄰上升沿索引差，根據采樣頻率得到對應的周期。

圖7 信號分析程序

然后，根據得到的瞬時脈沖周期及齒盤的齒數，計算齒盤的瞬時轉速和瞬時靈活率。由于機械結構誤差、采樣誤差、計算誤差等原因，直接計算得到的靈活率并非常量，不能直接用于判斷，因此對瞬時速度進行基于最小二乘原理的直線擬合，其斜率即為轉速靈活率，據此作為判斷軸承旋轉靈活性好壞的標準。瞬時轉速及靈活率程序如圖8所示。

圖8 瞬時轉速及靈活率分析程序

最后，根據靈活率分析結果和設定的靈活率閾值之間的比較結果，若大于靈活率閾值，則判定該軸承的旋轉靈活性為合格，否則不合格。靈活性判斷程序如圖9所示。

圖9 靈活性判斷程序

5 實驗結果與分析

(1)實驗方法

為檢驗測量系統的可靠性，本實驗共選取三套規格、型號均相同的推力球軸承，將其分組并標號為1、2、3。其中1號和3號推力球軸承的旋轉靈活性不合格，2號推力球軸承的旋轉靈活性合格。根據經驗，設置合格軸承旋轉靈活率值為-90。測量系統如圖10所示。

圖10 測量系統圖

(2)實驗過程

①設置系統參數使所有機械部位回歸原位；

②將1號軸承送達定位底座；

③啟動檢測系統，進行旋轉、加載、信號采集及處理工作；

④重復測量20次；

⑤依次對2、3號軸承進行相同靈活性檢測；

⑥分析每組采集的信號，判斷所測軸承旋轉靈活性合格與否。

(3)靈活性檢測結果

某次測量得到的原始波形數據及其對應的瞬時轉速及擬合結果如圖11所示。

圖11 測量結果

對提供檢測的3種軸承分別進行了20次重復實驗。旋轉靈活率的測量結果如圖12所示。

圖12 旋轉靈活率測量結果

從實驗結果可以看出每組實驗結果波動較小，說明檢測穩定可靠。

根據公式：

(7)

計算每組靈活率平均值，靈活性檢測結果如表1所示。

表1 靈活性檢測結果

由表1可知，2號推力球軸承的自然轉速下降速度最慢，1、3號推力球軸承的轉速下降較快且下降速率接近；設置的合格軸承轉速靈活率值為-90，據此可以判斷1號和3號軸承的k值小于閾值，軸承旋轉靈活性不合格，2號軸承的k值大于閾值，軸承旋轉靈活性合格。

6 結論

本文根據現有軸承滾動軸承靈活性檢測系統技術的不足，設計了一種用于定量分析軸承旋轉靈活率的系統，利用霍爾傳感器檢測隨負荷塊一起旋轉的齒盤轉動信號，利用曲線擬合方法獲取旋轉靈活率，從而判斷軸承靈活性的好壞。詳細介紹了系統機械結構設計和測量系統設計。最后通過3組待測軸承的重復性實驗驗證了系統的可靠性。結果表明所設計的軸承旋轉靈活性檢測系統能夠滿足測量要求，并可減少人為因素引起的錯誤檢測，同時可提高檢測效率。

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(編輯 李秀敏)

Design of Running Flexibility Detecting System of Rolling Bearing

WU Jin-he, HE Zhen-zhi, HU Ning-ning, LI Dong-xu

(School of Mechanical Engineering，Jiangsu Normal University, Xuzhou Jiangsu 221116,China)

This paper presents a kind of online measuring system for the running flexibility of rolling bearing. The system detects the running flexibility by measuring the changing ratio of the rotation speed of the gear and realizes digital detection. Mechanical structure of this system includes the centering device, the loading mechanism, the rotary device and the speed measuring mechanism. It also can measure a variety of bearings. The active control operation was accomplished by the PLC, while the acquisition and processing program was developed based on LabVIEW. The changing ratio of rotation speed was obtained by the curve fitting method which can be used for the basis of digital detection of running flexibility. The experimental results show that the measurement accuracy of the system is reliable and it can realize the unmanned online detection of bearing flexibility, also it meets the requirements of the automatic measurement of running flexibility in automatic assembly line of rolling bearing.

rolling bearing; running flexibility; online measurement; LabVIEW

1001-2265(2016)11-0064-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.11.018

2016-08-10

國家自然科學基金-青年科學基金項目(51505201)；江蘇師范大學校科研基金項(14XLR023)

吳金河(1991—)，男，江蘇淮安人，江蘇師范大學研究生，研究方向為機械設計及理論，(E-mail)821762169@qq.com；通訊作者：何貞志(1982—)，男，江蘇徐州人，江蘇師范大學講師，博士，研究方向為軸承振動機理、信號分析，(E-mail)zzhezz@jsnu.edu.cn。

TH122；TG506

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