基于數(shù)字散斑相關(guān)方法的軸承滾子接觸力測(cè)量

季曄，張旦聞

（洛陽(yáng)理工學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471000）

對(duì)于圓柱滾子軸承和圓錐滾子軸承，套圈和滾子載荷的分布對(duì)軸承質(zhì)量有明顯影響，其中最大滾子載荷直接決定軸承的疲勞壽命。對(duì)于機(jī)械零件，最大切應(yīng)力并非發(fā)生在表面層，而是在次表面層，如果這個(gè)區(qū)域存在較大的非金屬夾雜物和粗大碳化物，容易出現(xiàn)微裂紋并極易發(fā)生擴(kuò)展，從而造成剝落，導(dǎo)致零件失效［1-2］。因此，研究滾動(dòng)體接觸區(qū)的應(yīng)變和應(yīng)力分布及其運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的變化規(guī)律很有意義。

利用一種光學(xué)非接觸測(cè)量方法——數(shù)字散斑相關(guān)方法（Digital Speckle Correlation Method，DSCM）對(duì)滾子的靜態(tài)接觸力分布進(jìn)行測(cè)量，并設(shè)計(jì)了一套通用檢測(cè)裝置，可以對(duì)滾子接觸力的分布趨勢(shì)進(jìn)行分析，以指導(dǎo)滾子的設(shè)計(jì)、修形，并評(píng)價(jià)滾子加工質(zhì)量。

1 DSCM檢測(cè)原理

DSCM的基本原理是利用一套光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)采集物體變形前、后圖像上的散斑灰度特征，利用計(jì)算機(jī)及相關(guān)算法建立起變形前、后圖像的對(duì)應(yīng)關(guān)系，根據(jù)對(duì)應(yīng)關(guān)系尋找變形前、后圖像上的對(duì)應(yīng)點(diǎn)，獲得其位移值［3-4］。變形前圖像稱為源圖像或參考圖像，變形后圖像稱為目標(biāo)圖像［5］，如圖1所示。

圖1 散斑變形原理圖Fig.1 Schematic diagram of speckle deformation

2 滾子接觸力檢測(cè)系統(tǒng)

2.1 滾子定位夾具設(shè)計(jì)

檢測(cè)過程中需要對(duì)滾子進(jìn)行合理、嚴(yán)格的定位，保證滾子在檢測(cè)過程中不發(fā)生失穩(wěn)，且保證檢測(cè)結(jié)果有較高的重復(fù)性，因此需要考慮如下因素：

1）夾具定位的合理性。為獲得清晰的散斑圖像，檢測(cè)過程對(duì)光源的要求較為苛刻，直接采用滾子軸承作為檢測(cè)對(duì)象將無法獲得變形區(qū)散斑圖像，而滾子又要與真實(shí)的靜態(tài)接觸狀態(tài)一致，至少檢測(cè)區(qū)要能反映接觸力分布情況。

2）檢測(cè)結(jié)果的可重復(fù)性。保證加載及卸載過程中各元件均為彈性變形，塑性變形量可忽略不計(jì)，同時(shí)檢測(cè)部位的變形量易于采集。

經(jīng)過多次試驗(yàn)，確定定位元件的結(jié)構(gòu)如圖2a所示。滾子由A，B面支承，2個(gè)平面夾角為90°，即采用V形槽定位，V形槽長(zhǎng)度根據(jù)滾子長(zhǎng)度確定，保證滾子能定位并能清晰地觀察到測(cè)試片與滾子的接觸區(qū)域；標(biāo)有1，2，3，4的凸臺(tái)用于定位測(cè)試片，與采用平面定位相比，凸臺(tái)可減少測(cè)試片與滾子定位元件的接觸面積，降低表面微觀不平對(duì)測(cè)試片定位的影響。

圖2 滾子定位裝置Fig.2 Positioning device for roller

定位元件精度和形位公差的選擇原則為：測(cè)試片在定位塊中不能發(fā)生明顯晃動(dòng)，采用小間隙或過渡配合。綜上所述，為保證檢測(cè)用夾具質(zhì)量，定位元件的加工采用線切割慢走絲，一次加工完成，裝配后的滾子定位裝置如圖2b所示。

2.2 DSCM 分析系統(tǒng)

DSCM分析系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)拉伸、彎曲等接觸問題的試驗(yàn)，其主要功能有：散斑圖像的輸入、計(jì)算數(shù)據(jù)的設(shè)置及計(jì)算方式的定制。可實(shí)現(xiàn)：位移場(chǎng)應(yīng)變場(chǎng)的圖形顯示，用戶路徑的選取，應(yīng)變場(chǎng)沿路徑的分布圖形坐標(biāo)顯示，點(diǎn)取數(shù)值的顯示，用戶對(duì)數(shù)據(jù)顯示參數(shù)的定制及動(dòng)畫制作。

系統(tǒng)主要性能指標(biāo)：位移檢測(cè)精度0.01 Pixel；檢測(cè)范圍500 Pixel×500 Pixel；計(jì)算速度0.5 s。顯示結(jié)果清晰并可記錄變形過程。

采用的試驗(yàn)機(jī)能進(jìn)行50 kN的拉伸和壓縮；力傳感器精度3‰；壓縮速度0.02 mm/min。

采用黑、白2種顏色的啞光漆制作散斑，評(píng)價(jià)指標(biāo)為：網(wǎng)格密度10×10；接觸線偏移量20 Pixel；鏡頭標(biāo)定比例x為30μm/Pixel，y為40μm/Pixel，結(jié)果如圖3所示。

圖3 散斑試樣Fig.3 Speckle sample

3 檢測(cè)結(jié)果分析

試驗(yàn)采用某型圓錐滾子，材料為GCr15；滾子大、小端直徑分別為22.213，20.555 mm，滾子長(zhǎng)度50.06 mm；半錐角57′；質(zhì)量0.14 kg；施加載荷72 N。滾子接觸力檢測(cè)計(jì)算流程如圖4所示。

圖4 滾子接觸力檢測(cè)流程Fig.4 Detection process for contact force of roller

為驗(yàn)證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和夾具定位的可靠性，對(duì)試樣進(jìn)行了2次裝夾和重新加載，試驗(yàn)前的滾子凸度如圖5所示，接觸應(yīng)變檢測(cè)結(jié)果如圖6所示。

圖5 滾子凸度檢測(cè)曲線Fig.5 Detection curve for convexity of roller

圖6 接觸應(yīng)變計(jì)算結(jié)果Fig.6 Calculation results of contact strain

根據(jù)凸度檢測(cè)曲線可以發(fā)現(xiàn)，該滾子進(jìn)行了修形，根據(jù)已有研究結(jié)論，滾子端部應(yīng)不會(huì)出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。由2次檢測(cè)結(jié)果可見，測(cè)量結(jié)果的數(shù)值（平均值、峰值）不同，但整體的分布規(guī)律一致。

在試驗(yàn)過程中還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)載荷較小時(shí)，接觸分布不均勻狀況比大載荷時(shí)嚴(yán)重，當(dāng)壓力增大后，接觸均勻性得到改善。對(duì)這種現(xiàn)象的分析表明：當(dāng)載荷較小時(shí)，接觸面的不均勻直接映射到接觸應(yīng)變的分布上；當(dāng)載荷較大時(shí)，接觸面粗糙峰處屈服，降低了應(yīng)力集中，接觸面積增加，接觸應(yīng)變分布的均勻性好轉(zhuǎn)。滾子的微觀不平也會(huì)影響應(yīng)力分布。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于DSCM檢測(cè)原理，針對(duì)軸承滾子接觸應(yīng)變及應(yīng)力的檢測(cè)，設(shè)計(jì)了一種滾子接觸力試驗(yàn)定位夾具及檢測(cè)系統(tǒng)，可以獲得滾子接觸力檢測(cè)結(jié)果，以作為優(yōu)化設(shè)計(jì)或工藝改進(jìn)的依據(jù)。

由于軸承運(yùn)行中的載荷不斷變化，而該方法對(duì)光源和散斑等條件要求較高，難以完成滾子接觸力的動(dòng)態(tài)測(cè)量，有待進(jìn)一步研究。