球軸承打滑度測量儀

李利歌，閆偉，馬德鋒，王虎強

（1.洛陽軸承研究所有限公司，河南 洛陽 471039；2.河南省高性能軸承技術重點實驗室，河南 洛陽 471039；3.滾動軸承產業技術創新戰略聯盟，河南 洛陽 471039）

球軸承在實際轉動過程中，內、外圈與球及保持架之間存在比較復雜的運動關系，各種因素的影響使軸承無法達到理想的純滾動狀態，當滾轉力矩小于阻滾力矩時，會出現球相對內、外圈的滑動，即軸承打滑現象，從而造成軸承的摩擦磨損和急劇溫升，最終導致潤滑失效[1]。

為分析打滑現象對軸承的影響，測量球軸承在不同轉速和載荷下的打滑度變化趨勢，從而為軸承設計及工藝人員提供理論支持，設計了球軸承打滑度測量儀。

1 測量原理及組成

球軸承打滑度測量儀基于軸承的運動學原理，測量時軸承外圈固定，內圈旋轉。首先，在低速下測量軸承接觸角β，并假設其不隨轉速和載荷變化的影響；然后，根據內圈轉速和保持架轉速之間的理論關系計算出軸承在不同轉速和載荷下的打滑度[2]。

軸承外圈固定、內圈旋轉時，根據軸承接觸角的計算公式[3]可得

式中：n0為保持架理論轉速；n1為內圈實際轉速；Dw為球徑；Dpw為球組節圓直徑。

則軸承的打滑度為

式中：n2為保持架實際轉速。

球軸承打滑度測量儀主要由保持架轉速測量傳感器、主軸轉速測量模塊、計算機系統（包括計算機及Labwindows/CVI開發平臺）、測量電路、控制系統、采集卡等組成。儀器工作原理如圖1所示。

圖1 儀器工作原理圖Fig.1 Schematic diagram of Instrument

2 實現過程

2.1 保持架轉速的獲取

由于球軸承常工作于油霧和高溫環境下，且轉速較高，保持架轉速傳感器的選擇和安裝是本設計的關鍵，需選擇耐高溫和耐油霧的高頻響非接觸式傳感器，因此選用了2種不同類型的傳感器分別進行試驗測試。

1）選用反射式光纖傳感器。在保持架某處貼上1～2 mm2的反光紙或用記號筆涂上與被測體色差大的顏色進行標記?？紤]到油霧環境，選配了大功率的放大器，光纖頭發射光更強，使反射光在油霧中的衰減量對測量結果的影響減到最小。另外，由于該光纖傳感器的測量信號經過放大器后輸出NPN信號，為使與接入1780卡的電平匹配，需要通過如圖2所示電路將其轉換為TTL電平信號。

圖2 光纖傳感器輸出電路Fig.2 Output circuit of optical sensor

2）選用電渦流傳感器。該傳感器型號為ZED2，并配以放大器。在被測保持架上打孔進行標記，在孔中鑲入圓柱形棒體（或由傳感器能識別材料做成的棒體），保證棒體凸出保持架端面1～2 mm。為消除軸承運轉過程中的不平衡量，需對稱打2個孔，分別鑲入2個磁性鋼棒體，保持架旋轉1周傳感器輸出2個脈沖信號。另外，由于電渦流傳感器的測量信號經過放大器后輸出開關信號，為使其與接入1780卡的電平匹配，需要通過如圖3所示電路將其轉換為TTL電平信號。

圖3 電渦流傳感器輸出轉換電路Fig.3 Output converting circuit of eddy current sensor

為檢驗和對比上述2種傳感器測量的準確度，分別測量了有、無油霧的高溫環境下某磁性鋼軸的轉速，測量結果見表1。

表1 不同傳感器的測速結果Tab.1 Measuring result of speed of differente sensors r/min

從試驗結果可以看出：無油霧高溫環境下，2種傳感器的測量結果都滿足精度要求；油霧高溫環境下，由于油霧干涉了反光量，光纖傳感器測量結果完全不正確，電渦流傳感器測量結果則可以滿足精度要求。

由于電渦流傳感器的識別標記做法比較麻煩且改變了保持架結構，可專用于油霧環境下的測量；在油霧非常小或無油霧環境下，可以選擇光纖傳感器進行測量。實際測量中，將測頭直徑相同的2種傳感器安裝在保持架對面，設計專用夾具固定傳感器測頭，通過調節夾具高低改變傳感器測頭與被測標記之間的距離。每次測量前要將傳感器測頭調至能測到信號的最大距離，以保證軸承高速運轉時保持架的跳動不會撞壞傳感器測頭。

2.2 軸承內圈轉速的獲取

軸承內圈轉速即主軸的轉速，通過KH4300磁電式傳感器獲取。KH4300轉速傳感器內裝永久磁鋼，當磁芯端面近處有轉動的導磁齒輪、帶孔（或槽）圓盤（或軸）等時，由于磁路中磁阻的變化，傳感器內線圈即能感應輸出相應的交流電壓信號，輸出近似正弦波電信號。球軸承打滑度測量儀的主軸端面設置有槽，將傳感器對準槽頂，測量傳感器的安裝間隙為0.5～3.0 mm。

2.3 測量過程

打開測試軟件，在測試界面中輸入軸承的球組節圓直徑、球徑、球數、接觸角和采樣周期，啟動主軸及加載設備，傳感器會自動讀取保持架及內圈的轉速并實時顯示，測量儀后臺計算打滑度并實時顯示軸承的打滑度曲線，自動保存測試數據，測量界面如圖4所示。

圖4 軸承打滑度儀測試界面Fig.4 Testing interface of measuring instrument for slipping degree of bearing

3 應用結果及分析

對運行于高溫油霧環境下的7005型軸承進行實際測量，該軸承球徑為5.556 mm，球組節圓直徑為42 mm，接觸角為29°37′，外圈固定，改變主軸轉速，采用電渦流傳感器獲取保持架轉速，測量結果曲線較平穩時，幾組打滑度結果見表2。

表2 打滑度測量結果Tab.2 Measuring results of slipping degree

由于保持架轉速實時變化，因此打滑度也變化，本結果只取大致穩定后的數值作分析，經過多次測量的數據及打滑度曲線趨勢分析，本儀器測量結果符合軸承打滑的理論結果，隨著轉速的不斷提高，內溝道與球之間的靜摩擦力越來越小，軸承的打滑度也越來越大。因此應用本儀器可以分析軸承載荷、轉速等因素對軸承打滑度的影響。

4 結束語

所設計的球軸承打滑度測量儀能準確測量出軸承不同轉速下軸承打滑度的變化趨勢，而且測量保持架轉速的傳感器可以根據實際測量環境選配，光纖式傳感器可以不改變軸承保持架的結構即可以測量，測量方法簡單；電渦流傳感器可以在油霧等條件很惡劣的工況環境下測量軸承打滑度。結果表明，該儀器在高溫、油霧的復雜工況下仍然可以測量出打滑度的變化趨勢，協助軸承設計和工藝人員分析軸承打滑的臨界轉速及潤滑失效的原因。