轴承摩擦力矩测量设备的设计

吕舒帆，杜玉红，刘通

(1.天津工业大学机械工程学院，天津 300387；2.天津市现代机电装备重点实验室，天津 300387)

0 前言

随着制造业的不断发展，对各种轴承的使用精度和寿命提出了越来越高的要求。通过分析轴承摩擦力矩，可以改进生成线或检测线的不足[1-2]。所以，能否精确地检测轴承的摩擦力矩显得尤为重要。

英国HAMPSON等[3]在2013年设计了一种基于传递测量法的轴承摩擦力矩测试仪，通过密闭容腔测试不同温度下的轴承摩擦力矩。哈尔滨工业大学柏德恩等[4]研制了一种伺服加载的谐波减速器的启动力矩测试系统，通过合适的工装也可对轴承摩擦力矩进行测量。刘杭[5]为提高轴承摩擦力矩测量精度，设计了一种光电式力矩传感器，并验证了其性能。

目前国内外用于轴承摩擦力矩测量设备[6-9]的测量方法主要为传递法、平衡法和能量转换法[10-12]。其中，传递法利于对被测轴承施加温度，满足设备设计要求。本文作者依据传递测量法设计一种轴承摩擦力矩检测设备，使用LabVIEW开发控制系统，实现轴承的摩擦力矩测量。

1 设备测量原理及指标

摩擦力矩传递测量法的测量原理如图1所示。当驱动轴驱动待测轴承转动时，由于轴承内部存在摩擦力矩，驱动轴因摩擦力矩产生扭转变形。通过测量其变形量，经计算后获得轴承摩擦力矩。这种测量轴承摩擦力矩的方式称为传递测量法。

图1 传递法测量原理

测量指标：测量温度为-55～75 ℃；精度为不大于0.000 25 N·m，重复测量误差为不大于0.000 5 N·m；被测件的转速范围0～50 r/min；实现待测轴承与测试主轴自动分离和对接；绘制摩擦力矩与转动角度(Mf-θ)的曲线；计算摩擦力矩的最大值、最小值和平均值。

2 轴承摩擦力矩测量设备的设计

文中所设计的轴承摩擦力矩测量设备结构组成如图2所示，主要由机械执行装置和控制采集系统2个子系统组成。机械执行装置构成摩擦力矩测量设备的硬件基础，控制系统在其基础上实现轴承摩擦力矩的测量和后期数据处理。

图2 轴承摩擦力矩测量设备结构组成示意

使用该设备进行轴承摩擦力矩测量时，首先将轴承的内圈连接至含有上端卡具的轴上，使用夹具固定轴承的外圈。关闭密封机构，将温箱设定为指定温度，待其稳定后，打开密封塞，并将主从轴对接。启动测试电机，通过测试电机带动轴承转动。在转动过程中，使用数据采集卡采集扭矩传感器数据，并传输至工控机中，获取该轴承的摩擦力矩。轴承摩擦力矩测量设备的工作流程如图3所示。

图3 摩擦力矩测量设备工作流程

2.1 主从轴自动对正设计

主从轴自动对正设计主要考虑对接时非线性冲击和连接后的间隙。因此可分离卡具机构采用类鼠盘式结构，每齿正反两侧均可进行可接触式滑移与传动，两侧结构对称，由两段可滑移空间曲面组成。该机构可实现自定心，有效避免由操作者目视定心产生的安装误差、减小冲击，同时可大幅提升操作易用性与提高效率。其外观如图4所示。

图4 可分离卡具机构

该自动对正卡具采用上下两段式结构，上端卡具与待测试轴承进行刚性连接，下端通过刚性联轴器与力矩传感器连接。通过上升传动机构提升下端卡具，使其上下卡具连接。

2.2 密封结构设计

为满足有效时间内温度的动态调节，满足5 ℃/min的速度要求，设计自动密封机构，对温箱下端工艺孔进行密封。该结构由2个直线电机、2条光轴、1个密封塞等零部件组成，其结构如图5所示。

图5 密封结构示意

该机构在执行保温工作时，通过2个直线电机的配合移动，将保温塞移动至保温箱下层的工艺孔中，完成保温工作，该结构能避免温度的不必要流失，提高工作效率。密封塞体选用胶木作为密封材料，具有密封精准、便于更换的特点。

3 控制系统

文中所设计的轴承摩擦力矩测量设备的控制系统部分，使用LabVIEW软件进行开发[13]。控制系统部分主要分为运动控制模块和数据采集、处理模块。控制系统结构如图6所示。

图6 控制系统结构

3.1 运动控制系统

使用固高GTS-400运动控制卡作为运动控制核心，安川SGM7G伺服电机为主传动机构提供动力。运动控制接线如图7所示。

图7 摩擦力矩检测设备运动控制接线

将固高所提供的动态链接库和头文件导入LabVIEW中生成VI库。调用子VI到程序框图中，连接数据接口。通过前面板设置相关参数，实现对2台伺服电机的独立精准控制，并按照设定的加速度、目标位置等参数运行。运动控制界面如图8所示。

图8 运动控制界面

3.2 数据采集系统

数据采集系统采用DYN-200型扭矩传感器+USB-4711A数据采集卡+工控机的工作方式。其中扭矩传感器精度为0.001 N·m，重复测量精度为0.002 5 N·m，数据采集频率为100 kHz。在测量轴承摩擦力矩时，软件界面实时显示最大摩擦力Mmax、最小摩擦力矩Mmin，并以波形图表的形式显示摩擦力矩变化曲线。测量完成后，可任意截取数据获取平均摩擦力矩Ma、极限误差e。数据采集界面如图9所示。

图9 数据采集界面

测试时，首先需要使用者输入姓名。而后系统进行自检，初步检测软件程序的错误和硬件连接问题，确保设备能够正常运行。初始化完成后，使用者进行串口的配置，主要选择通信接口、波特率参数。等待温箱将被检测件的温度加热或降温到规定值后，启动测试伺服电机，开始测量。该软件界面可直接显示出摩擦力矩最大值、最小值、平均值和摩擦力矩曲线等参数。其工作流程如图10所示。

图10 数据采集系统工作流程

4 测试分析

在上述研究设计基础上，使用设备对SKF7207深沟球轴承进行动摩擦力矩重复测量。测量前对轴承进行清洗，并滴加润滑油[14]。在转速为50 r/min、温度26 ℃时进行摩擦力矩测量，其中一次测量结果如图11所示。

图11 摩擦力矩测量曲线

根据图11可以得出：转动轴承在开始阶段会产生较大冲击，而后摩擦力矩趋于稳定，截取波形稳定后部分数据求取平均值作为一次测量的结果[15]。重复测量10次，测量结果见表1。

表1 轴承摩擦力矩重复测量值

由表1可知，该轴承在室温26 ℃、转速为50 r/min的情况下，10次测量平均值为0.020 332 N·m，标准差为0.000 133 N·m，最大重复测量误差为0.000 49 N·m，满足设备设计要求。

5 总结

针对不同温度下轴承摩擦力矩测量难的问题，设计了一种基于传递法的轴承摩擦力矩测量设备。经分析后得出以下结论：

(1)所设计的可分离卡具机构可实现自定心，极大地减缓了因人工目视误差导致的对接冲击，有效地保护了设备，增加了设备的耐久度。

(2)所设计的密封结构减缓了温度流失，利于温箱在不影响测量系统精度的情况下，对被测轴承进行快速升、降温，实现了不同温度下的轴承摩擦力矩测量。

(3)经试验验证，文中所设计的轴承摩擦力矩测量设备最大重复测量误差为0.000 49 N·m，满足设备使用需求。