基于数字散斑相关方法的轴承滚子接触力测量

季晔，张旦闻

（洛阳理工学院，河南 洛阳 471000）

对于圆柱滚子轴承和圆锥滚子轴承，套圈和滚子载荷的分布对轴承质量有明显影响，其中最大滚子载荷直接决定轴承的疲劳寿命。对于机械零件，最大切应力并非发生在表面层，而是在次表面层，如果这个区域存在较大的非金属夹杂物和粗大碳化物，容易出现微裂纹并极易发生扩展，从而造成剥落，导致零件失效［1-2］。因此，研究滚动体接触区的应变和应力分布及其运转过程中的变化规律很有意义。

利用一种光学非接触测量方法——数字散斑相关方法（Digital Speckle Correlation Method，DSCM）对滚子的静态接触力分布进行测量，并设计了一套通用检测装置，可以对滚子接触力的分布趋势进行分析，以指导滚子的设计、修形，并评价滚子加工质量。

1 DSCM检测原理

DSCM的基本原理是利用一套光学检测系统采集物体变形前、后图像上的散斑灰度特征，利用计算机及相关算法建立起变形前、后图像的对应关系，根据对应关系寻找变形前、后图像上的对应点，获得其位移值［3-4］。变形前图像称为源图像或参考图像，变形后图像称为目标图像［5］，如图1所示。

图1 散斑变形原理图Fig.1 Schematic diagram of speckle deformation

2 滚子接触力检测系统

2.1 滚子定位夹具设计

检测过程中需要对滚子进行合理、严格的定位，保证滚子在检测过程中不发生失稳，且保证检测结果有较高的重复性，因此需要考虑如下因素：

1）夹具定位的合理性。为获得清晰的散斑图像，检测过程对光源的要求较为苛刻，直接采用滚子轴承作为检测对象将无法获得变形区散斑图像，而滚子又要与真实的静态接触状态一致，至少检测区要能反映接触力分布情况。

2）检测结果的可重复性。保证加载及卸载过程中各元件均为弹性变形，塑性变形量可忽略不计，同时检测部位的变形量易于采集。

经过多次试验，确定定位元件的结构如图2a所示。滚子由A，B面支承，2个平面夹角为90°，即采用V形槽定位，V形槽长度根据滚子长度确定，保证滚子能定位并能清晰地观察到测试片与滚子的接触区域；标有1，2，3，4的凸台用于定位测试片，与采用平面定位相比，凸台可减少测试片与滚子定位元件的接触面积，降低表面微观不平对测试片定位的影响。

图2 滚子定位装置Fig.2 Positioning device for roller

定位元件精度和形位公差的选择原则为：测试片在定位块中不能发生明显晃动，采用小间隙或过渡配合。综上所述，为保证检测用夹具质量，定位元件的加工采用线切割慢走丝，一次加工完成，装配后的滚子定位装置如图2b所示。

2.2 DSCM 分析系统

DSCM分析系统能实现拉伸、弯曲等接触问题的试验，其主要功能有：散斑图像的输入、计算数据的设置及计算方式的定制。可实现：位移场应变场的图形显示，用户路径的选取，应变场沿路径的分布图形坐标显示，点取数值的显示，用户对数据显示参数的定制及动画制作。

系统主要性能指标：位移检测精度0.01 Pixel；检测范围500 Pixel×500 Pixel；计算速度0.5 s。显示结果清晰并可记录变形过程。

采用的试验机能进行50 kN的拉伸和压缩；力传感器精度3‰；压缩速度0.02 mm/min。

采用黑、白2种颜色的哑光漆制作散斑，评价指标为：网格密度10×10；接触线偏移量20 Pixel；镜头标定比例x为30μm/Pixel，y为40μm/Pixel，结果如图3所示。

图3 散斑试样Fig.3 Speckle sample

3 检测结果分析

试验采用某型圆锥滚子，材料为GCr15；滚子大、小端直径分别为22.213，20.555 mm，滚子长度50.06 mm；半锥角57′；质量0.14 kg；施加载荷72 N。滚子接触力检测计算流程如图4所示。

图4 滚子接触力检测流程Fig.4 Detection process for contact force of roller

为验证系统的稳定性和夹具定位的可靠性，对试样进行了2次装夹和重新加载，试验前的滚子凸度如图5所示，接触应变检测结果如图6所示。

图5 滚子凸度检测曲线Fig.5 Detection curve for convexity of roller

图6 接触应变计算结果Fig.6 Calculation results of contact strain

根据凸度检测曲线可以发现，该滚子进行了修形，根据已有研究结论，滚子端部应不会出现明显的应力集中现象。由2次检测结果可见，测量结果的数值（平均值、峰值）不同，但整体的分布规律一致。

在试验过程中还发现，当载荷较小时，接触分布不均匀状况比大载荷时严重，当压力增大后，接触均匀性得到改善。对这种现象的分析表明：当载荷较小时，接触面的不均匀直接映射到接触应变的分布上；当载荷较大时，接触面粗糙峰处屈服，降低了应力集中，接触面积增加，接触应变分布的均匀性好转。滚子的微观不平也会影响应力分布。

4 结束语

基于DSCM检测原理，针对轴承滚子接触应变及应力的检测，设计了一种滚子接触力试验定位夹具及检测系统，可以获得滚子接触力检测结果，以作为优化设计或工艺改进的依据。

由于轴承运行中的载荷不断变化，而该方法对光源和散斑等条件要求较高，难以完成滚子接触力的动态测量，有待进一步研究。