呂舒帆,杜玉紅,劉通
(1.天津工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,天津 300387;2.天津市現(xiàn)代機(jī)電裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300387)
隨著制造業(yè)的不斷發(fā)展,對(duì)各種軸承的使用精度和壽命提出了越來越高的要求。通過分析軸承摩擦力矩,可以改進(jìn)生成線或檢測(cè)線的不足[1-2]。所以,能否精確地檢測(cè)軸承的摩擦力矩顯得尤為重要。
英國(guó)HAMPSON等[3]在2013年設(shè)計(jì)了一種基于傳遞測(cè)量法的軸承摩擦力矩測(cè)試儀,通過密閉容腔測(cè)試不同溫度下的軸承摩擦力矩。哈爾濱工業(yè)大學(xué)柏德恩等[4]研制了一種伺服加載的諧波減速器的啟動(dòng)力矩測(cè)試系統(tǒng),通過合適的工裝也可對(duì)軸承摩擦力矩進(jìn)行測(cè)量。劉杭[5]為提高軸承摩擦力矩測(cè)量精度,設(shè)計(jì)了一種光電式力矩傳感器,并驗(yàn)證了其性能。
目前國(guó)內(nèi)外用于軸承摩擦力矩測(cè)量設(shè)備[6-9]的測(cè)量方法主要為傳遞法、平衡法和能量轉(zhuǎn)換法[10-12]。其中,傳遞法利于對(duì)被測(cè)軸承施加溫度,滿足設(shè)備設(shè)計(jì)要求。本文作者依據(jù)傳遞測(cè)量法設(shè)計(jì)一種軸承摩擦力矩檢測(cè)設(shè)備,使用LabVIEW開發(fā)控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)軸承的摩擦力矩測(cè)量。
摩擦力矩傳遞測(cè)量法的測(cè)量原理如圖1所示。當(dāng)驅(qū)動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)待測(cè)軸承轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),由于軸承內(nèi)部存在摩擦力矩,驅(qū)動(dòng)軸因摩擦力矩產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形。通過測(cè)量其變形量,經(jīng)計(jì)算后獲得軸承摩擦力矩。這種測(cè)量軸承摩擦力矩的方式稱為傳遞測(cè)量法。
圖1 傳遞法測(cè)量原理
測(cè)量指標(biāo):測(cè)量溫度為-55~75 ℃;精度為不大于0.000 25 N·m,重復(fù)測(cè)量誤差為不大于0.000 5 N·m;被測(cè)件的轉(zhuǎn)速范圍0~50 r/min;實(shí)現(xiàn)待測(cè)軸承與測(cè)試主軸自動(dòng)分離和對(duì)接;繪制摩擦力矩與轉(zhuǎn)動(dòng)角度(Mf-θ)的曲線;計(jì)算摩擦力矩的最大值、最小值和平均值。
文中所設(shè)計(jì)的軸承摩擦力矩測(cè)量設(shè)備結(jié)構(gòu)組成如圖2所示,主要由機(jī)械執(zhí)行裝置和控制采集系統(tǒng)2個(gè)子系統(tǒng)組成。機(jī)械執(zhí)行裝置構(gòu)成摩擦力矩測(cè)量設(shè)備的硬件基礎(chǔ),控制系統(tǒng)在其基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)軸承摩擦力矩的測(cè)量和后期數(shù)據(jù)處理。
圖2 軸承摩擦力矩測(cè)量設(shè)備結(jié)構(gòu)組成示意
使用該設(shè)備進(jìn)行軸承摩擦力矩測(cè)量時(shí),首先將軸承的內(nèi)圈連接至含有上端卡具的軸上,使用夾具固定軸承的外圈。關(guān)閉密封機(jī)構(gòu),將溫箱設(shè)定為指定溫度,待其穩(wěn)定后,打開密封塞,并將主從軸對(duì)接。啟動(dòng)測(cè)試電機(jī),通過測(cè)試電機(jī)帶動(dòng)軸承轉(zhuǎn)動(dòng)。在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中,使用數(shù)據(jù)采集卡采集扭矩傳感器數(shù)據(jù),并傳輸至工控機(jī)中,獲取該軸承的摩擦力矩。軸承摩擦力矩測(cè)量設(shè)備的工作流程如圖3所示。
圖3 摩擦力矩測(cè)量設(shè)備工作流程
主從軸自動(dòng)對(duì)正設(shè)計(jì)主要考慮對(duì)接時(shí)非線性沖擊和連接后的間隙。因此可分離卡具機(jī)構(gòu)采用類鼠盤式結(jié)構(gòu),每齒正反兩側(cè)均可進(jìn)行可接觸式滑移與傳動(dòng),兩側(cè)結(jié)構(gòu)對(duì)稱,由兩段可滑移空間曲面組成。該機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)自定心,有效避免由操作者目視定心產(chǎn)生的安裝誤差、減小沖擊,同時(shí)可大幅提升操作易用性與提高效率。其外觀如圖4所示。
圖4 可分離卡具機(jī)構(gòu)
該自動(dòng)對(duì)正卡具采用上下兩段式結(jié)構(gòu),上端卡具與待測(cè)試軸承進(jìn)行剛性連接,下端通過剛性聯(lián)軸器與力矩傳感器連接。通過上升傳動(dòng)機(jī)構(gòu)提升下端卡具,使其上下卡具連接。
為滿足有效時(shí)間內(nèi)溫度的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié),滿足5 ℃/min的速度要求,設(shè)計(jì)自動(dòng)密封機(jī)構(gòu),對(duì)溫箱下端工藝孔進(jìn)行密封。該結(jié)構(gòu)由2個(gè)直線電機(jī)、2條光軸、1個(gè)密封塞等零部件組成,其結(jié)構(gòu)如圖5所示。
圖5 密封結(jié)構(gòu)示意
該機(jī)構(gòu)在執(zhí)行保溫工作時(shí),通過2個(gè)直線電機(jī)的配合移動(dòng),將保溫塞移動(dòng)至保溫箱下層的工藝孔中,完成保溫工作,該結(jié)構(gòu)能避免溫度的不必要流失,提高工作效率。密封塞體選用膠木作為密封材料,具有密封精準(zhǔn)、便于更換的特點(diǎn)。
文中所設(shè)計(jì)的軸承摩擦力矩測(cè)量設(shè)備的控制系統(tǒng)部分,使用LabVIEW軟件進(jìn)行開發(fā)[13]??刂葡到y(tǒng)部分主要分為運(yùn)動(dòng)控制模塊和數(shù)據(jù)采集、處理模塊??刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。
圖6 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
使用固高GTS-400運(yùn)動(dòng)控制卡作為運(yùn)動(dòng)控制核心,安川SGM7G伺服電機(jī)為主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力。運(yùn)動(dòng)控制接線如圖7所示。
圖7 摩擦力矩檢測(cè)設(shè)備運(yùn)動(dòng)控制接線
將固高所提供的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)和頭文件導(dǎo)入LabVIEW中生成VI庫(kù)。調(diào)用子VI到程序框圖中,連接數(shù)據(jù)接口。通過前面板設(shè)置相關(guān)參數(shù),實(shí)現(xiàn)對(duì)2臺(tái)伺服電機(jī)的獨(dú)立精準(zhǔn)控制,并按照設(shè)定的加速度、目標(biāo)位置等參數(shù)運(yùn)行。運(yùn)動(dòng)控制界面如圖8所示。
圖8 運(yùn)動(dòng)控制界面
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用DYN-200型扭矩傳感器+USB-4711A數(shù)據(jù)采集卡+工控機(jī)的工作方式。其中扭矩傳感器精度為0.001 N·m,重復(fù)測(cè)量精度為0.002 5 N·m,數(shù)據(jù)采集頻率為100 kHz。在測(cè)量軸承摩擦力矩時(shí),軟件界面實(shí)時(shí)顯示最大摩擦力Mmax、最小摩擦力矩Mmin,并以波形圖表的形式顯示摩擦力矩變化曲線。測(cè)量完成后,可任意截取數(shù)據(jù)獲取平均摩擦力矩Ma、極限誤差e。數(shù)據(jù)采集界面如圖9所示。
圖9 數(shù)據(jù)采集界面
測(cè)試時(shí),首先需要使用者輸入姓名。而后系統(tǒng)進(jìn)行自檢,初步檢測(cè)軟件程序的錯(cuò)誤和硬件連接問題,確保設(shè)備能夠正常運(yùn)行。初始化完成后,使用者進(jìn)行串口的配置,主要選擇通信接口、波特率參數(shù)。等待溫箱將被檢測(cè)件的溫度加熱或降溫到規(guī)定值后,啟動(dòng)測(cè)試伺服電機(jī),開始測(cè)量。該軟件界面可直接顯示出摩擦力矩最大值、最小值、平均值和摩擦力矩曲線等參數(shù)。其工作流程如圖10所示。
圖10 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)工作流程
在上述研究設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上,使用設(shè)備對(duì)SKF7207深溝球軸承進(jìn)行動(dòng)摩擦力矩重復(fù)測(cè)量。測(cè)量前對(duì)軸承進(jìn)行清洗,并滴加潤(rùn)滑油[14]。在轉(zhuǎn)速為50 r/min、溫度26 ℃時(shí)進(jìn)行摩擦力矩測(cè)量,其中一次測(cè)量結(jié)果如圖11所示。
圖11 摩擦力矩測(cè)量曲線
根據(jù)圖11可以得出:轉(zhuǎn)動(dòng)軸承在開始階段會(huì)產(chǎn)生較大沖擊,而后摩擦力矩趨于穩(wěn)定,截取波形穩(wěn)定后部分?jǐn)?shù)據(jù)求取平均值作為一次測(cè)量的結(jié)果[15]。重復(fù)測(cè)量10次,測(cè)量結(jié)果見表1。
表1 軸承摩擦力矩重復(fù)測(cè)量值
由表1可知,該軸承在室溫26 ℃、轉(zhuǎn)速為50 r/min的情況下,10次測(cè)量平均值為0.020 332 N·m,標(biāo)準(zhǔn)差為0.000 133 N·m,最大重復(fù)測(cè)量誤差為0.000 49 N·m,滿足設(shè)備設(shè)計(jì)要求。
針對(duì)不同溫度下軸承摩擦力矩測(cè)量難的問題,設(shè)計(jì)了一種基于傳遞法的軸承摩擦力矩測(cè)量設(shè)備。經(jīng)分析后得出以下結(jié)論:
(1)所設(shè)計(jì)的可分離卡具機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)自定心,極大地減緩了因人工目視誤差導(dǎo)致的對(duì)接沖擊,有效地保護(hù)了設(shè)備,增加了設(shè)備的耐久度。
(2)所設(shè)計(jì)的密封結(jié)構(gòu)減緩了溫度流失,利于溫箱在不影響測(cè)量系統(tǒng)精度的情況下,對(duì)被測(cè)軸承進(jìn)行快速升、降溫,實(shí)現(xiàn)了不同溫度下的軸承摩擦力矩測(cè)量。
(3)經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證,文中所設(shè)計(jì)的軸承摩擦力矩測(cè)量設(shè)備最大重復(fù)測(cè)量誤差為0.000 49 N·m,滿足設(shè)備使用需求。