CN104422407A - 推力球轴承滚道波纹度的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种推力球轴承滚道波纹度的测量方法，按如下步骤进行：第一步，安装并调整玻璃盘水平，安装推力球轴承；第二步，加载并采集每个钢球与玻璃盘形成的牛顿环图像；第三步，处理所采集到的图片，确定Hertz接触半宽；第四步，计算滚道波纹度的幅值；第五步，绘制轴承滚道波纹度曲线。本发明测量方法利用推力球轴承润滑油膜测量仪来测量推力球轴承的滚道波纹度，测量过程始终处于静止状态，更加直观、稳定，测量结果准确、精度高，受外界因素影响较小。

Description

推力球轴承滚道波纹度的测量方法

技术领域

本发明涉及一种轴承滚道波纹度的测量方法，具体的说是一种使用推力球轴承润滑油膜测量仪测量推力球轴承滚道波纹度的方法。

背景技术

轴承广泛应用于各种机械中，其加工精度对机械运转可靠性与寿命有着重要影响。但受目前生产加工工艺的局限，轴承滚道不可避免的都会存在波纹度。现有技术中，对于轴承滚道波纹度的测量方法多集中于通过测量轴承运转过程中产生的振动来间接得出滚道的波纹度，这种方法的一般测量过程如下：

使用接触式仪器测量半径变化量来确定轴承零件在规定部位的波纹度。使用的仪器类型为传感器旋转式或工作台旋转式，触头材料选用硬质合金或尼龙，触头形式为球形或斧形，触头压力应控制在0.02N-1.2N。

首先，固定轴承轴圈于工作台上，将带有触头的测量头与轴圈的滚道接触。安装过程中保证被测零件轴线平行于仪器回转轴线，并调整仪器使被测截面轴线与仪器主要回转轴线共轴。然后使被测零或测量头件沿着轴线旋转，使用传感器采集测量头的震动信号。

采集信号的频率响应范围为15upr-150upr，滤波器通带衰减3dB。其轮廓采样数应大于1000点。结果输出为图形记录式。测量得出的滚道轮廓的最高位置和最小位置之差来确定滚道截面的波纹度。

这种方法是通过测量轴承运转过程中产生的振动间接得出滚道的波纹度，测量不直观，精度较低，受外界因素影响大，不适用于高精度轴承的设计与加工。

青岛理工大学郭峰等人发明的推力球轴承润滑油膜测量仪（CN202109889U），如图5所示，提供了一种推力球轴承润滑油膜厚度和形状的实验测量装置，该测量仪能够准确测量推力球轴承的润滑油膜厚度和形状，但是否能够将其应用于推力球轴承滚道波纹度的测量，同时克服原有一般测量方法不直观、精度低等缺陷，尚待进一步开发与拓展。

发明内容

针对现有技术存在的缺点与不足，本发明所要解决的技术问题是，提供一种推力球轴承滚道波纹度的测量方法，本测量方法利用推力球轴承润滑油膜测量仪来测量推力球轴承的滚道波纹度，测量过程始终处于静止状态，更加直观、稳定，测量结果准确、精度高，受外界因素影响较小。

为解决上述技术问题，本发明所要采取的技术方案是，提供一种推力球轴承滚道波纹度的测量方法，按如下步骤进行：

第一步，安装并调整玻璃盘水平，安装推力球轴承：

把玻璃盘安装在推力球轴承润滑油膜测量仪上，同时调平；然后将推力球轴承安装于玻璃盘下方的平台上，同时调平，使轴承回转中心与玻璃盘回转中心重合；

第二步，加载并采集每个钢球与玻璃盘形成的牛顿环图像：

通过玻璃盘上方安装的显微镜与CCD图像采集系统，采集钢球与玻璃盘接触点处的牛顿环图像；同时采集标定快的条纹图像；

第三步，处理所采集到的图像，确定Hertz接触半宽：

   由标定块图像测量出显微镜的分辨率n μm/pix，再通过实验采集的牛顿环图像测量得到Hertz接触半宽a’pix，则实际的接触区半宽为a=na ^’ ；

第四步，计算滚道波纹度的幅值：

选定玻璃盘的下表面为零点基准，垂直玻璃盘中心建立一维坐标系oz，选定向下为正，轴承座圈滚道的坐标h ₀为：

                               （1）

上式中，D为钢球直径，为钢球与玻璃盘接触的上接触区产生的弹性变形量，为钢球与轴承座圈接触的下接触区产生的弹性变形量；

第五步，绘制轴承滚道波纹度曲线；

在轴承座圈滚道上选取多个采样点，通过上述方法测量出滚道上每点的位置坐标，将测量得到的各点位置坐标连成一条曲线，即为轴承座圈滚道波纹度曲线。

上述的推力球轴承滚道波纹度的测量方法，第一步中，将去掉轴圈的推力球轴承安装于玻璃盘下方的加载平台上，同时调平，使轴承回转中心与玻璃盘回转中心重合。

上述的推力球轴承滚道波纹度的测量方法，第二步中，玻璃盘的下表面镀有Cr薄膜，由钢球与镀Cr玻璃盘的下表面组成点接触副，移动并调节显微镜的位置与焦距，采集每个钢球与玻璃盘接触点处的牛顿环图像。

上述的推力球轴承滚道波纹度的测量方法，第四步中，钢球与玻璃盘接触的上接触区产生的弹性变形量计算方法，如下：

首先，计算钢球与玻璃盘接触的上接触区中，钢球所承受的载荷w₁为：

                               （2）

上式中，a为Hertz接触区半宽，由实验测得； R为钢球半径，为综合弹性模量；

由此，根据Hertz弹性接触理论，钢球与玻璃盘接触的上接触区产生的弹性变形量为：

                             （3）

上式中，a为Hertz接触区半宽，由实验测得； R为钢球半径，为综合弹性模量，w₁为钢球所承受的载荷。

上述的推力球轴承滚道波纹度的测量方法，第四步中，钢球与轴承座圈接触的下接触区产生的弹性变形量计算方法，如下：

在轴承运动方向即滚道方向，即：X轴，为非协调接触，垂直于轴承运动方向，即：Y轴，为协调接触，因此产生了椭圆形接触区。下接触区在X轴和Y轴方向的综合曲率半径分别为：

                            (4)

上式中，为滚道半径。

根据Hertz接触理论可获得下接触区的弹性变形量为：

                          (5) 

上式中，w ₂为钢球与玻璃盘接触的下接触区中，钢球所承受的载荷，w ₂  = w ₁，  ,，。

本发明具有如下优点及有益技术效果：

1、本发明的推力球轴承滚道波纹度的测量方法，操作简单，波纹度测量准确。

2、本发明的推力球轴承滚道波纹度的测量方法，测量过程始终处于静止状态，更加直观，受外界因素影响小，工作稳定。

3、本发明的推力球轴承滚道波纹度的测量方法，将现有的实验仪器推力球轴承润滑油膜测量仪，应用在推力球轴承滚道波纹度的测量，使用成本低、测量效果好，使得原有的实验仪器的使用范围有了进一步的开拓与扩展，实现一机多用。

、本发明的推力球轴承滚道波纹度的测量方法，测量结果准确、精度高，能够更好的适用于高精度轴承的设计与加工。

附图说明

图1是本发明使用的轴承加载机构示意图；

图2是本发明测量方法原理图；

图3 实验采集的Hertz接触区图像；

图4 NSK51207表面波纹度曲线；

图5是推力球轴承润滑油膜测量仪结构示意图。

具体实施方式

本实施例的推力球轴承滚道波纹度的测量方法，按如下步骤进行：

第一步，安装并调整玻璃盘水平，安装推力球轴承：

安装玻璃盘于光干涉油膜测量实验机上，调节玻璃盘水平。去掉推力球轴承的轴圈，将推力球轴承安装于玻璃盘的下方的加载机构上，参见图1，轴承加载机构可以浮动加载。调节座圈水平，并使轴承回转中心与玻璃盘回转中心重合。

第二步，加载并采集每个钢球与玻璃盘形成的牛顿环图像：

 玻璃盘的上方安装有显微镜与CCD图像采集系统，玻璃盘的下表面镀有Cr薄膜，移动并调节显微镜的位置与焦距，采集每个钢球与玻璃盘接触点处的牛顿环图像。同时采集标定快的条纹图像(已知标定块条纹的实际宽度)。

第三步，离线处理图片，确定Hertz接触半宽：

 首先，由标定块图像测量出显微镜的分辨率n μm/pix，再通过实验采集的每点处的牛顿环图像测量得到Hertz接触半宽a’pix，则实际的接触区半宽为a=na ^’ 。

第四步，通过Hertz接触理论及接触力学理论计算一点处滚道波纹度的幅值，参见图2：

当在轴承下座圈施加一个载荷w，钢球与玻璃盘接触的上接触区会产生一个弹性变形量，同样钢球与轴承座圈接触的下接触区产生的弹性变形量。选定玻璃盘的下表面为零点基准，垂直玻璃盘中心建立一维坐标系oz（向下为正），这样轴承座圈一点处的高度值为：

                                   （1）

上式中：D为钢球直径；

首先，计算钢球与玻璃盘接触的上接触区产生的弹性变形量，简称为上接触区变形量：

在上接触区钢球与玻璃盘为非协调点接触，综合曲率半径为R ₁ =R （R为钢球半径），综合弹性模量为。则钢球所承受的载荷为：

                               （2）

上式中，Hertz接触区半宽a由实验测得，参见图3。根据Hertz弹性接触理论，上接触区中心处的变形量为：

                             （3）

然后，计算钢球与轴承座圈接触的下接触区产生的弹性变形量，简称为下接触区面变形量：

下接触区为钢球与轴承滚道接触。在轴承运动方向即滚道方向(X轴)为非协调接触，垂直于轴承运动方向(Y轴)为协调接触，因此，产生了椭圆形接触区。下接触区在X轴和Y轴方向的综合曲率半径分别为：

                            (4)

上式中，为滚道半径。

根据Hertz接触理论可获得下接触区的弹性变形量为：

                          (5)

上式中w ₂为下接触承受载荷， w ₂  = w ₁，  ,，。

这样通过求得两个表面的弹性变形量，就可以求得一点处轴承座圈滚道的坐标h₀。

第五步，绘制轴承滚道波纹度曲线：

在轴承座圈滚道上选取多个采样点，通过上述方法测量出滚道上每点的位置坐标，将测量得到的各点位置坐标连成一条曲线，即为轴承座圈滚道波纹度曲线。

本实施例具体配合实验数据作进一步说明：

所测量的轴承为NSK51207，其各项参数如表1所示，钢球数为十四个，则本实施例的采样点数为14。所采用的加载方式为均匀加载，玻璃盘与轴承静止，移动显微镜与CCD来测量每点出的Hertz接触图像。其中上表面的综合弹性模量为E ₁ ’=112.94GPa，下表面的综合弹性模量为E ₂ ’=228.57GPa。

表1 NSK51207轴承参数表

型号	钢球半径	轴承半径	滚道半径	弹性模量	泊松比
						51207	4.7625mm	24.5mm	5.854mm	207GPa	0.3

本实施例按如下步骤进行：

(1)安装并调整玻璃盘水平，安装推力球轴承；

安装玻璃盘，其镀有Cr层的一面向下，调整玻璃盘的水平度达到0.1μm。移去NSK51207的上轴圈，水平固定于加载机构上，并与玻璃盘下表面均匀接触。

(2)加载并采集每个钢球与玻璃盘形成的牛顿环图像；

使用弹簧加载，并用测力计实时测量加载力的大小，本实施例加载载荷为70N。移动显微镜，调整焦距采集接触区牛顿环图像如图3。同时采集标定快的条纹图像，本实施例使用的标定块条纹的实际宽度为309μm。

(3)离线处理图片，确定Hertz接触半宽；

 由实验测得图像采集系统的分辨率为0.833μm/pix，通过对采集到的Hertz接触区的图片的处理，得到Hertz接触半宽为89.385μm。

(4)通过Hertz接触理论及接触力学理论计算一点处滚道波纹度的幅值；

通过Hertz接触半宽，由公式（1）可计算出钢球所承受的载荷w₁，载荷值为10.952N，由于上表面与下表面所承受的载荷值相同，即w₁=w₂=10.952N。由公式（2）计算上表面的变形量为1.64μm。有公式（5）计算下表面的变形量为1.276×10^-24μm。则此点的坐标位置为9498.359μm。

(5)绘制轴承滚道波纹度曲线；

将上述的方法应用到其他13个位置点处，得出推力球轴承NSK51207的波纹度曲线如图4。

本实施例假设钢球为一个理想的弹性球体并且轴承中全部钢球直径没有误差(实际工作中钢球的球面加工误差很小可以忽略)，忽略玻璃盘表面波纹度。采样点数与采集位置的分配依据轴承钢球数n，如果将钢球保持架整体顺时针转动360/2n 即可将采样点数增加一倍，以此类推根据实际情况选取合适的采样点数。

以上所述，仅是对本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明做其他形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是，凡是未脱离本发明方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.推力球轴承滚道波纹度的测量方法，其特征在于，按如下步骤进行：

第一步，安装并调整玻璃盘水平，安装推力球轴承：

把玻璃盘安装在推力球轴承润滑油膜测量仪上，同时调平；然后将推力球轴承安装于玻璃盘下方的平台上，同时调平，使轴承回转中心与玻璃盘回转中心重合；

第二步，加载并采集每个钢球与玻璃盘形成的牛顿环图像：

通过玻璃盘上方安装的显微镜与CCD图像采集系统，采集钢球与玻璃盘接触点处的牛顿环图像；同时采集标定快的条纹图像；

第三步，处理所采集到的图像，确定Hertz接触半宽：

   由标定块图像测量出显微镜的分辨率n μm/pix，再通过实验采集的牛顿环图像测量得到Hertz接触半宽a’pix，则实际的接触区半宽为a=na ^’ ；

第四步，计算滚道波纹度的幅值：

选定玻璃盘的下表面为零点基准，垂直玻璃盘中心建立一维坐标系oz，选定向下为正，轴承座圈滚道的坐标h ₀为：

                                    （1）

上式中，D为钢球直径，为钢球与玻璃盘接触的上接触区产生的弹性变形量，为钢球与轴承座圈接触的下接触区产生的弹性变形量；

第五步，绘制轴承滚道波纹度曲线；

在轴承座圈滚道上选取多个采样点，通过上述方法测量出滚道上每点的位置坐标，将测量得到的各点位置坐标连成一条曲线，即为轴承座圈滚道波纹度曲线。

2.根据权利要求1所述的推力球轴承滚道波纹度的测量方法，其特征在于：上述第一步中，将去掉轴圈的推力球轴承安装于玻璃盘下方的加载平台上，同时调平，使轴承回转中心与玻璃盘回转中心重合。

3.根据权利要求1所述的推力球轴承滚道波纹度的测量方法，其特征在于：上述第二步中，玻璃盘的下表面镀有Cr薄膜，由钢球与镀Cr玻璃盘的下表面组成点接触副，移动并调节显微镜的位置与焦距，采集每个钢球与玻璃盘接触点处的牛顿环图像。

4.根据权利要求1所述的推力球轴承滚道波纹度的测量方法，其特征在于：上述第四步中，钢球与玻璃盘接触的上接触区产生的弹性变形量计算方法，如下：

首先，计算钢球与玻璃盘接触的上接触区中，钢球所承受的载荷w₁为：

                               （2）

上式中，a为Hertz接触区半宽，由实验测得； R为钢球半径，为综合弹性模量；

由此，根据Hertz弹性接触理论，钢球与玻璃盘接触的上接触区产生的弹性变形量为：

                             （3）

上式中，a为Hertz接触区半宽，由实验测得； R为钢球半径，为综合弹性模量，w₁为钢球所承受的载荷。

5.根据权利要求4所述的推力球轴承滚道波纹度的测量方法，其特征在于：上述第四步中，钢球与轴承座圈接触的下接触区产生的弹性变形量计算方法，如下：

在轴承运动方向即滚道方向，即：X轴，为非协调接触，垂直于轴承运动方向，即：Y轴，为协调接触，因此产生了椭圆形接触区；

下接触区在X轴和Y轴方向的综合曲率半径分别为：

                            (4)

上式中，为滚道半径；

根据Hertz接触理论可获得下接触区的弹性变形量为：

                          (5) 

上式中，w ₂为钢球与玻璃盘接触的下接触区中，钢球所承受的载荷，w ₂  = w ₁，  ,，。