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伺服試驗(yàn)機(jī)的研制
本文作者研制一種伺服試驗(yàn)機(jī)，適合用于模擬分析不同工況條件下以及整個(gè)壽命周期內(nèi)軸承內(nèi)部的動(dòng)態(tài)摩擦力矩，可以真實(shí)反映微型軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的動(dòng)態(tài)摩擦力矩。
1 測試原理
測量軸承摩擦力矩的方法常見的有傳遞法、平衡力矩法和能量轉(zhuǎn)換法[5]。文中測量裝置采用平衡力矩法，即通過測量軸承大小相等、方向相反的平衡力矩(F1×L)，通過其變化反映被測軸承實(shí)際摩擦力矩(MD)的變化。圖1為平衡力矩法示意圖。
(1)F1為施加在軸承外圈的平衡力；L為軸承半徑；MD為軸承動(dòng)態(tài)摩擦力矩。
對(duì)于內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)、外圈固定條件下的滾動(dòng)軸承，當(dāng)軸承內(nèi)圈轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由于軸承內(nèi)部球滾動(dòng)體與內(nèi)、外圈滾道之間的摩擦作用，外圈有向與內(nèi)圈相同方向旋轉(zhuǎn)的趨勢。根據(jù)這一物理現(xiàn)象，利用精密天平測試技術(shù)所擬定的軸承動(dòng)態(tài)摩擦力矩試驗(yàn)測試原理如圖2所示。
用柔繩連接的2個(gè)砝碼(即砝碼1、2，其質(zhì)量分別為m1、m2，且m1>m2)套在固定軸承外圈的軸承室上，其中砝碼2懸空，從而可以給被試軸承施加徑向載荷，砝碼1放置在一電子天平的稱量托盤上。當(dāng)軸承內(nèi)圈順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，軸承內(nèi)部將產(chǎn)生動(dòng)態(tài)摩擦力矩，由于軸承外圈與軸承室的緊密接觸，所以其動(dòng)態(tài)摩擦力矩將傳遞到軸承室上。此時(shí)軸承室處于力矩平衡狀態(tài)。
(2)F1為左側(cè)柔繩拉力；F2為右側(cè)柔繩拉力；L為軸承室半徑；MD為軸承動(dòng)態(tài)摩擦力矩。
當(dāng)被試軸承靜止時(shí)n=0，此時(shí)
(3)F1為靜止時(shí)左側(cè)柔繩拉力；F2為靜止時(shí)右側(cè)柔繩拉力。
當(dāng)被試軸承如圖示方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，n≠0，由于動(dòng)態(tài)摩擦力矩影響，右側(cè)柔繩拉力不變，左側(cè)柔繩拉力較靜止時(shí)增加了ΔF1。
因此只要測得因軸承內(nèi)部摩擦力矩所引起的左側(cè)柔繩拉力的增加值ΔF1與軸承室半徑L，即可得到被測軸承的摩擦力矩MD。而左側(cè)柔繩拉力的增加值ΔF1，可由被試軸承靜止與運(yùn)動(dòng)后電子天平示數(shù)的變化值表示。將電子天平示數(shù)值通過串口通信傳輸至計(jì)算機(jī)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后得出微型軸承動(dòng)態(tài)摩擦力矩測量結(jié)果，以及動(dòng)態(tài)摩擦力矩變化曲線。
2 伺服試驗(yàn)機(jī)研制
2.1 伺服試驗(yàn)機(jī)功能
該伺服試驗(yàn)機(jī)主要針對(duì)高速、輕載的微型軸承，模擬被試軸承在不同溫度、不同徑向和軸向載荷及不同轉(zhuǎn)速工況下動(dòng)態(tài)摩擦力矩的變化規(guī)律，從而獲得該軸承的摩擦特性。具體功能要求如下：
(1)可調(diào)參數(shù)：運(yùn)轉(zhuǎn)速度(1 000～50 000 r/min范圍內(nèi)轉(zhuǎn)速無極可調(diào))、徑向載荷及軸向載荷；
(2)監(jiān)測參數(shù)：實(shí)時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)速度、動(dòng)態(tài)摩擦力矩?cái)?shù)據(jù)；
(3)試驗(yàn)數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r(shí)顯示并保存，記錄數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔可調(diào)；
(4)可長期測量微型軸承的動(dòng)態(tài)摩擦力矩，如軸承的整個(gè)壽命周期。
2.2 伺服試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)
伺服試驗(yàn)機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要分為驅(qū)動(dòng)部分、測量部分和支架部分，其主要部件的規(guī)格見表1。
驅(qū)動(dòng)部分由靜壓空氣電主軸驅(qū)動(dòng)，靜壓空氣電主軸通過端部夾頭與芯軸連接，帶動(dòng)芯軸旋轉(zhuǎn)。測量部分由柔繩、徑向加載砝碼、測量砝碼、電子天平組成，微型軸承通過芯軸安裝在驅(qū)動(dòng)電主軸上。支架部分由底座和支撐座組成，將驅(qū)動(dòng)空氣電主軸固定于支撐座中。
測量時(shí)，如圖3、4所示，通過一根柔繩兩端連接的徑向加載砝碼和測量砝碼懸掛于被試軸承外部軸承室外圓表面的狹小V形環(huán)槽內(nèi)，并用一螺釘進(jìn)行固定，測量砝碼放置于所述電子天平托盤的中心位置。
通過驅(qū)動(dòng)電主軸帶動(dòng)輸出端安裝被試軸承的芯軸及被試軸承內(nèi)圈等高速旋轉(zhuǎn)，而軸承外圈和軸承室則由于柔繩與軸承室之間的摩擦力以及固定螺釘作用，僅產(chǎn)生順時(shí)針旋轉(zhuǎn)趨勢和提起測量砝碼的趨勢，但由于測量砝碼的重量足夠大，因此實(shí)際中并不會(huì)發(fā)生運(yùn)動(dòng)，從而導(dǎo)致電子天平上重量示數(shù)值會(huì)發(fā)生減小。通過設(shè)定或改變驅(qū)動(dòng)電主軸的變頻器，從而可以設(shè)定或改變電主軸的轉(zhuǎn)速，通過改變徑向加載砝碼的大小，從而可以實(shí)現(xiàn)軸承徑向載荷的調(diào)節(jié)，而軸承的軸向預(yù)載荷則需要在安裝之前進(jìn)行調(diào)定。
2.3 微型軸承軸向加載
如圖4所示，對(duì)于角接觸球軸承，兩被試軸承需要背對(duì)背安裝，2個(gè)被試軸承之間設(shè)置有外隔圈、內(nèi)隔圈和波形彈性圈等，外部設(shè)置有被試軸承室(質(zhì)量為m3)，利用外隔圈、內(nèi)隔圈和波形彈性圈的寬度差致使波形彈性圈產(chǎn)生一定的壓縮量，從而對(duì)被試軸承施加軸向載荷。
3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3.1 硬件配置
文中所使用的上位機(jī)為安裝Windows10 操作系統(tǒng)和軟件Labview的計(jì)算機(jī)。該計(jì)算機(jī)與下位機(jī)電子天平Precisa(型號(hào)為XB320M，見圖5) 。同樣帶有RS232串口，通過RS232通信電纜來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸。通信電纜采用Z-TEK屏蔽雙絞線，適用于RS232 通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與電子天平的通信[7]。
3.2 軟件配置
通過Labview圖形化語言編制微型軸承摩擦力矩采集程序，如圖6所示，控制發(fā)送命令對(duì)信號(hào)進(jìn)行讀取、存儲(chǔ)、顯示。
采集程序共分4個(gè)模塊，分別是參數(shù)設(shè)置模塊、轉(zhuǎn)速采集與控制模塊、摩擦力矩采集模塊、信息存儲(chǔ)模塊。
參數(shù)設(shè)置模塊：實(shí)現(xiàn)串口選擇、通信協(xié)議設(shè)置、采集頻率設(shè)置、報(bào)警條件設(shè)置。
轉(zhuǎn)速采集與控制模塊：實(shí)現(xiàn)被試軸承實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速的采集與轉(zhuǎn)速的控制。
摩擦力矩采集模塊：實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)摩擦力矩的實(shí)時(shí)采集以及變化趨勢的呈現(xiàn)。
信息存儲(chǔ)模塊：實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速、摩擦力矩的信息存儲(chǔ)，方便對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)的提取與處理。
Precisa電子天平通過RS232 串口連接計(jì)算機(jī)， RS232 連接線長度應(yīng)在15 m內(nèi)，否則信息傳輸不準(zhǔn)確，影響信息正常交換。協(xié)議主要參數(shù)設(shè)置為:9600波特傳輸速度；奇偶校驗(yàn)設(shè)置為奇：1個(gè)停止位；信息以ASCII 字符形式傳輸。硬件信號(hào)交換采用3線的接口，軟件信號(hào)交換采用XON 和XOFF[8]。串口通信應(yīng)用面廣，無論是計(jì)算機(jī)之間，還是計(jì)算機(jī)與其他設(shè)備間通信，都能較好地實(shí)現(xiàn)工業(yè)控制。
4 伺服試驗(yàn)機(jī)性能測試
4.1 被試軸承參數(shù)
為驗(yàn)證伺服試驗(yàn)機(jī)性能，以某公司生產(chǎn)的微型球軸承為被試軸承，該微型球軸承引導(dǎo)方式為內(nèi)圈引導(dǎo)，具體參數(shù)如表2所示；采用特4#精密儀表油，測試前將1～2滴潤滑油滴入被測軸承的溝道[9]，環(huán)境溫度為20 ℃。
4.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析
微型球軸承摩擦力矩測試系統(tǒng)如圖8所示。試驗(yàn)中對(duì)一對(duì)軸承施加軸向載荷7 N，徑向載荷1.56 N(其中被試軸承室施加0.16 N，徑向加載砝碼施加1.4 N)。為了驗(yàn)證伺服試驗(yàn)機(jī)性能，在電機(jī)轉(zhuǎn)速為6 000～15 000 r/min時(shí)進(jìn)行了4次試驗(yàn)[10-11]，試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。
在6 000～15 000 r/min轉(zhuǎn)速下軸承動(dòng)態(tài)摩擦力矩變化趨勢平穩(wěn)；摩擦力矩隨著轉(zhuǎn)速的升高而增加；在穩(wěn)定轉(zhuǎn)速下摩擦力矩有先下降然后趨于平穩(wěn)的趨勢，這是由于軸承內(nèi)部溫度升高影響內(nèi)部潤滑油黏度從而影響摩擦力矩變化趨勢。
5 結(jié)論
(1) 根據(jù)平衡力矩法測試原理研制一種伺服試驗(yàn)機(jī)，其采用高精度電子天平和高速電主軸等技術(shù)，可以模擬軸承的實(shí)際工況，測試精度高，并可進(jìn)行長時(shí)期測試等。
(2) 實(shí)際使用和試驗(yàn)測試結(jié)果表明，研制的伺服試驗(yàn)機(jī)的測試原理正確，系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，可以實(shí)時(shí)測試軸承內(nèi)部的動(dòng)態(tài)摩擦力矩，實(shí)時(shí)顯示軸承內(nèi)部摩擦力矩的動(dòng)態(tài)變化曲線，便于用戶對(duì)軸承內(nèi)部的動(dòng)態(tài)摩擦力矩變化情況進(jìn)行直觀和綜合分析。