高速球軸承保持架動態特性試驗方案設計

2019-07-22 07:00:12王林泉陳曉陽張濤顧金芳顧家銘

軸承 2019年2期

王林泉，陳曉陽，張濤，顧金芳，顧家銘

(1.上海大學機電工程及自動化學院，上海 200072；2.上海天安軸承有限公司，上海 201108)

精度失效是軸承早期失效形式之一。對于機床和儀表類軸承，一旦其發生精度失效，會對整個設備的精度及壽命造成很大影響。高速時保持架的運動狀態和受力情況較為復雜，且保持架斷裂是軸承主要失效現象之一。因此，無論是延長軸承的使用壽命，預防軸承早期失效，還是提高軸承的精度，研究保持架動態特性都具有重要意義。

目前,對保持架的試驗研究主要集中在運動穩定性、溫度檢測等方面[1-5]。文獻[2]針對工程中出現的保持架渦動現象，以陀螺儀球軸承為例進行了試驗研究，通過高速攝像機觀測到保持架運動不穩定。文獻[6]通過特殊方法加工軸承外圈,使激光光束導入并直接照到保持架上,測量其徑向振動，但試驗轉速較低。文獻[7-8]采用了基于圖像的方法，在試驗軸承軸向放置高速攝像機，對7008角接觸球軸承保持架運動狀態進行拍照分析，用分辨率512×512，最高幀率11 500 fps的高速攝像機參數進行計算，試驗時采用外圈固定、內圈旋轉的轉動方式，通過跟蹤保持架上標記的白點運動獲取其圖像數據，在內圈轉速為1 500 r/min以上時白點受攝像機幀率影響清晰度會下降。由于保持架運動復雜，測量較為困難，目前對高速軸承保持架非接觸式測量的相關研究較少。

因此，在保持試驗軸承實際結構和正常約束狀態的條件下，提出一種新原理的高速球軸承保持架動態特性試驗方案，并研制原理樣機，通過內外圈反向旋轉使保持架公轉轉速降低，以便用現有高速攝像機清晰地獲取軸承高速運行時保持架的運動信息。

1 試驗

1.1 試樣及試驗條件

試驗軸承與配對軸承均為7003高速電主軸軸承，其主要結構參數見表1。保持架為酚醛夾布實體保持架，套圈和鋼球材料為GCr15。試驗軸承內外圈反向旋轉，內圈轉速為3 000～10 166 r/min，定壓軸向加載力為2.5 N，試驗溫度為25～30 ℃。

表1 7003軸承結構參數

1.2 試驗原理

試驗原理圖如圖1所示。軸向預緊的試驗軸承與配對軸承的內、外圈分別相連，同步旋轉，兩軸承內圈轉速為ni，球與溝道之間的摩擦帶動兩軸承外圈以轉速ne反方向轉動。通過精確控制配對軸承的保持架轉速n1，使其與試驗軸承的保持架產生差動,從而調節試驗軸承保持架的公轉轉速n2，使其接近于零。通過配對軸承和試驗軸承外圈之間的壓縮彈簧實現軸向定壓加載，即軸向預緊。

圖1 試驗原理圖

1.3 試驗設備

采用MKROTRON的EoSens?CL視覺高速攝像機測量保持架的運動軌跡，其參數見表2。試驗機結構如圖2所示，試驗測量系統如圖3所示，攝像機正對試驗軸承保持架，拍攝的圖像通過圖像采集卡傳輸到計算機上。

表2 高速攝像機參數

1—底座；2—伺服電動機；3—主動齒形帶輪；4—figure；5—配對軸承及壓縮彈簧；6—支架；7—電主軸

圖3 試驗機測量系統

2 結果與分析

2.1 試驗結果的提取

圖像數據提取及處理方法示意圖如圖4所示。從圖4a中可以清晰區分試驗過程中試驗軸承的內、外圈及保持架，保持架上白點用于控制轉速時辨別保持架是否發生公轉。圖4a的刻度尺為PS(Photoshop)的標尺功能，紅線為軟件的參考線。假設圖像中水平方向為x方向，垂直方向為y方向，y方向2條紅線與保持架邊緣相切，通過這2條紅線對應的刻度值求出平均值，即為保持架質心x方向的坐標x1；同理，x方向2條紅線與保持架邊緣相切，通過這2條紅線對應的刻度值求出平均值，即為保持架質心y方向的坐標y1，采用相同方法可得內圈中心坐標，設為(0,0)，定為基準點。圖4a中2條藍線與內圈擋邊相切，其差值除以實際內圈的擋邊直徑，即可確定圖像與實際軸承尺寸的比例關系，其值用C表示。

圖4 保持架動態軌跡提取及處理

將保持架質心坐標刻度值與內圈中心坐標刻度值求差值并除以比例C，即為保持架運轉過程中質心相對于內圈中心的位移。已知內圈中心坐標(0,0)和保持架質心坐標(x1,y1)，利用三角函數求斜邊方法，可求得保持架質心偏距L(圖4b)。

2.2 外圈固定、內圈旋轉

試驗軸承在外圈固定、內圈逆時針旋轉且轉速為3 000 r/min時，保持架質心軌跡如圖5a所示；Adore商業軸承性能分析軟件在相同軸承參數及工況下仿真得到的保持架質心軌跡如圖5b所示，牽引模型選擇Adore中簡化的兩斜率牽引-滑動模型。從圖中可以看出，試驗結果與仿真結果中保持架的質心軌跡比較接近，軌跡圓直徑也基本一致，由此證明了試驗結果的可靠性，研究的試驗方法可以用于測試保持架的動態特性。

圖5 外圈固定、內圈旋轉時保持架質心軌跡對比

2.3 內外圈反向旋轉

當內外圈反向旋轉時，在不同內圈轉速下保持架的質心運動軌跡如圖6所示，坐標原點即為內圈中心，每種轉速下保持架公轉轉速都基本為零。由圖可知，內圈轉速為3 000 r/min時，保持架質心在相對于坐標原點偏上方做無規律運動；當內圈轉速為4 800，6 000 r/min時，保持架的質心軌跡相對于坐標原點的偏移位置發生了逆時針轉動；當內圈轉速增加至6 600 r/min時，保持架質心在相對于坐標原點偏左上方做無規律運動；當內圈轉速為7 200 r/min時，保持架質心在相對于坐標原點偏右下方做無規律運動；當內圈轉速為9 000 r/min時，保持架質心在相對于坐標原點偏左上方做無規律運動。

圖6 內外圈反向旋轉時不同轉速下保持架的質心軌跡

綜上，當軸承內、外圈反向旋轉，保持架轉速基本為0時，保持架的質心軌跡比較混亂，且其中心偏離內圈中心。出現這種情況的原因是內、外圈反向旋轉時，保持架公轉轉速降低，保持架兜孔與球之間以及保持架與套圈引導面之間的頻繁碰撞減少，套圈對保持架的引導作用降低。

試驗和Adore仿真中保持架質心偏距L隨轉速的變化曲線如圖7所示。由圖可知，試驗中在轉動圈數一致的情況下，當轉速從3 000 r/min增加到6 600 r/min時，L最大值和平均值呈增加趨勢；當轉速從6 600 r/min增加到9 000 r/min時，L最大值和平均值呈減小趨勢，并趨近于穩定。用Adore軟件在相同工況下進行仿真，L平均值的變化規律與試驗情況近似，而L最大值隨轉速的增加呈緩慢減小的趨勢，其與試驗結果不同的原因是仿真時忽略了機械裝置由于轉速增加而引起的振動的影響。