高速球轴承保持架动态特性试验方案设计

王林泉，陈晓阳，张涛，顾金芳，顾家铭

(1.上海大学 机电工程及自动化学院，上海 200072；2.上海天安轴承有限公司，上海 201108)

精度失效是轴承早期失效形式之一。对于机床和仪表类轴承，一旦其发生精度失效，会对整个设备的精度及寿命造成很大影响。高速时保持架的运动状态和受力情况较为复杂，且保持架断裂是轴承主要失效现象之一。因此，无论是延长轴承的使用寿命，预防轴承早期失效，还是提高轴承的精度，研究保持架动态特性都具有重要意义。

目前,对保持架的试验研究主要集中在运动稳定性、温度检测等方面[1-5]。文献[2]针对工程中出现的保持架涡动现象，以陀螺仪球轴承为例进行了试验研究，通过高速摄像机观测到保持架运动不稳定。文献[6]通过特殊方法加工轴承外圈,使激光光束导入并直接照到保持架上,测量其径向振动，但试验转速较低。文献[7-8]采用了基于图像的方法，在试验轴承轴向放置高速摄像机，对7008角接触球轴承保持架运动状态进行拍照分析，用分辨率512×512，最高帧率11 500 fps的高速摄像机参数进行计算，试验时采用外圈固定、内圈旋转的转动方式，通过跟踪保持架上标记的白点运动获取其图像数据，在内圈转速为1 500 r/min以上时白点受摄像机帧率影响清晰度会下降。由于保持架运动复杂，测量较为困难，目前对高速轴承保持架非接触式测量的相关研究较少。

因此，在保持试验轴承实际结构和正常约束状态的条件下，提出一种新原理的高速球轴承保持架动态特性试验方案，并研制原理样机，通过内外圈反向旋转使保持架公转转速降低，以便用现有高速摄像机清晰地获取轴承高速运行时保持架的运动信息。

1 试验

1.1 试样及试验条件

试验轴承与配对轴承均为7003高速电主轴轴承，其主要结构参数见表1。保持架为酚醛夹布实体保持架，套圈和钢球材料为GCr15。试验轴承内外圈反向旋转，内圈转速为3 000～10 166 r/min，定压轴向加载力为2.5 N，试验温度为25～30 ℃。

表1 7003轴承结构参数

1.2 试验原理

试验原理图如图1所示。轴向预紧的试验轴承与配对轴承的内、外圈分别相连，同步旋转，两轴承内圈转速为ni，球与沟道之间的摩擦带动两轴承外圈以转速ne反方向转动。通过精确控制配对轴承的保持架转速n1，使其与试验轴承的保持架产生差动,从而调节试验轴承保持架的公转转速n2，使其接近于零。通过配对轴承和试验轴承外圈之间的压缩弹簧实现轴向定压加载，即轴向预紧。

图1 试验原理图

1.3 试验设备

采用MKROTRON的EoSens®CL视觉高速摄像机测量保持架的运动轨迹，其参数见表2。试验机结构如图2所示，试验测量系统如图3所示，摄像机正对试验轴承保持架，拍摄的图像通过图像采集卡传输到计算机上。

表2 高速摄像机参数

1—底座；2—伺服电动机；3—主动齿形带轮；4—figure；5—配对轴承及压缩弹簧；6—支架；7—电主轴

图3 试验机测量系统

2 结果与分析

2.1 试验结果的提取

图像数据提取及处理方法示意图如图4所示。从图4a中可以清晰区分试验过程中试验轴承的内、外圈及保持架，保持架上白点用于控制转速时辨别保持架是否发生公转。图4a的刻度尺为PS(Photoshop)的标尺功能，红线为软件的参考线。假设图像中水平方向为x方向，垂直方向为y方向，y方向2条红线与保持架边缘相切，通过这2条红线对应的刻度值求出平均值，即为保持架质心x方向的坐标x1；同理，x方向2条红线与保持架边缘相切，通过这2条红线对应的刻度值求出平均值，即为保持架质心y方向的坐标y1，采用相同方法可得内圈中心坐标，设为(0,0)，定为基准点。图4a中2条蓝线与内圈挡边相切，其差值除以实际内圈的挡边直径，即可确定图像与实际轴承尺寸的比例关系，其值用C表示。

图4 保持架动态轨迹提取及处理

将保持架质心坐标刻度值与内圈中心坐标刻度值求差值并除以比例C，即为保持架运转过程中质心相对于内圈中心的位移。已知内圈中心坐标(0,0)和保持架质心坐标(x1,y1)，利用三角函数求斜边方法，可求得保持架质心偏距L(图4b)。

2.2 外圈固定、内圈旋转

试验轴承在外圈固定、内圈逆时针旋转且转速为3 000 r/min时，保持架质心轨迹如图5a所示；Adore商业轴承性能分析软件在相同轴承参数及工况下仿真得到的保持架质心轨迹如图5b所示，牵引模型选择Adore中简化的两斜率牵引-滑动模型。从图中可以看出，试验结果与仿真结果中保持架的质心轨迹比较接近，轨迹圆直径也基本一致，由此证明了试验结果的可靠性，研究的试验方法可以用于测试保持架的动态特性。

图5 外圈固定、内圈旋转时保持架质心轨迹对比

2.3 内外圈反向旋转

当内外圈反向旋转时，在不同内圈转速下保持架的质心运动轨迹如图6所示，坐标原点即为内圈中心，每种转速下保持架公转转速都基本为零。由图可知，内圈转速为3 000 r/min时，保持架质心在相对于坐标原点偏上方做无规律运动；当内圈转速为4 800，6 000 r/min时，保持架的质心轨迹相对于坐标原点的偏移位置发生了逆时针转动；当内圈转速增加至6 600 r/min时，保持架质心在相对于坐标原点偏左上方做无规律运动；当内圈转速为7 200 r/min时，保持架质心在相对于坐标原点偏右下方做无规律运动；当内圈转速为9 000 r/min时，保持架质心在相对于坐标原点偏左上方做无规律运动。

图6 内外圈反向旋转时不同转速下保持架的质心轨迹

综上，当轴承内、外圈反向旋转，保持架转速基本为0时，保持架的质心轨迹比较混乱，且其中心偏离内圈中心。出现这种情况的原因是内、外圈反向旋转时，保持架公转转速降低，保持架兜孔与球之间以及保持架与套圈引导面之间的频繁碰撞减少，套圈对保持架的引导作用降低。

试验和Adore仿真中保持架质心偏距L随转速的变化曲线如图7所示。由图可知，试验中在转动圈数一致的情况下，当转速从3 000 r/min增加到6 600 r/min时，L最大值和平均值呈增加趋势；当转速从6 600 r/min增加到9 000 r/min时，L最大值和平均值呈减小趋势，并趋近于稳定。用Adore软件在相同工况下进行仿真，L平均值的变化规律与试验情况近似，而L最大值随转速的增加呈缓慢减小的趋势，其与试验结果不同的原因是仿真时忽略了机械装置由于转速增加而引起的振动的影响。

图7 保持架质心偏距随内圈转速的变化曲线

3 结束语

1)通过试验轴承和配对轴承内外圈反向旋转，并精确控制其保持架差动速度原理研制的高速球轴承保持架动态特性试验机，可使保持架公转转速大幅降低，且试验轴承保持架不需改变结构和工作时的约束状态，就可以用现有的高速摄像机清晰地获取轴承高速运行时的保持架信息。

2)当试验轴承外圈固定、内圈旋转且不约束配对轴承保持架运动时，在低转速下测得的保持架质心轨迹与仿真结果基本一致。

3)当内外圈反向旋转、保持架公转转速接近于零时，不同内圈转速下，保持架质心轨迹偏于内圈中心一侧做无规律运动。随着内圈转速的增加，保持架最大质心偏距和平均质心偏距呈先增大后减小并趋于稳定的趋势，这与Adore软件仿真结果略有差别。

在轴承高速运动时，采用文中试验机仅能获取保持架高精度径向二维动态轨迹，而其实际工作于复杂的三维状态下，因此还需探索可获取其三维动态轨迹的非接触测量方法。