CN109060210B - 一种基于压电陶瓷的轴承摩擦力矩测量方法及系统 - Google Patents

Abstract

一种基于压电陶瓷的轴承摩擦力矩测量方法及系统，方法通过下述方式实现：利用扭振压电陶瓷采用刚性直连方式直接敏感当前转速下由于轴承转动，轴承内外圈、滚珠、保持架之间摩擦力矩导致压电陶瓷受到的剪切作用力F；采集压电陶瓷表面产生的电荷数量E，根据电荷数量E结合压电陶瓷的压电转换系数k，确定压电陶瓷受到的剪切作用力F；根据上述确定的剪切作用力F、压电陶瓷平均旋转半径R，确定轴承在当前测试转速下的摩擦力矩。区别于传统压电式力传感器纵向的极化方式以及进行测力的方式，本发明中的压电陶瓷采用切向极化的陶瓷经切割、粘结组合而成，陶瓷极化方向近似沿圆周方向，可直接测量轴承摩擦力矩，具有高动态响应、测量精度高、不受测量转速限制的特点。

Description

一种基于压电陶瓷的轴承摩擦力矩测量方法及系统

技术领域

本发明涉及一种轴承摩擦力矩测量方法，特别是针对高速、高动态响应摩擦力矩测试要求的空间精密轴承。

背景技术

轴承是飞轮、控制力矩陀螺、太阳帆板驱动机构、陀螺仪、红外地球敏感器等空间机构的核心支承零件，具有旋转精度高、精度等级高、稳定性高和寿命长等特点。轴承的润滑状态和运转性能在一定程度上决定了空间机构的性能和寿命，并在一定程度上影响航天器的功能和可靠性。轴承的摩擦力矩是轴承润滑状态和运转性能的综合表现，通过对轴承摩擦力矩的测试，能够对轴承的润滑状态和运转性能进行有效的评估，国内外均将摩擦力矩测试作为轴承性能筛选和评估的一种重要手段。

目前，对轴承摩擦力矩测试常用的方法有两种。

一种是基于电磁感应的非接触式测量方法，理论上由于电磁产生的电磁力矩与线圈中电流的大小成正比，通过标定输入电流I与产生力矩M的关系，即可通过检测电流得到驱动轴承转动所产生的电磁力矩，即轴承的摩擦力矩。但该方法存在响应速度慢、电流损耗等缺点，无法真实反映轴承摩擦力矩的动态变化，尤其是在高转速情况下；

另一种是采用应变式或压电式力传感器的接触式测量方法，通过在轴承的内圈或者外圈固定一个压力拨杆或拉丝，当轴承转动时，内外圈之间摩擦力矩将通过压力拨杆或拉丝作用在力传感器的压头上，进而得到轴承的摩擦力矩。两种传感器均是采用拉压接触测力的方式，但该方法在测试过程中，经常出现拨杆或拉丝与传感器压头短时间分离的现象，如摩擦力矩有较大波动时，高转速下尤其严重。因此，该方法通常只能进行低速下轴承摩擦力矩的测试，高转速下则无法实现轴承摩擦力矩的准确测量。

因此，采用具有高动态响应、测量精度高、不受测量转速限制的轴承摩擦力矩测量方法对轴承性能评估异常重要。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种具有高动态响应、测量精度高、不受测量转速限制的轴承摩擦力矩测量方法及系统。

本发明的技术解决方案是：一种基于压电陶瓷的轴承摩擦力矩测量方法，通过下述方式实现：

利用扭振压电陶瓷采用刚性直连方式直接敏感当前转速下由于轴承转动，轴承内外圈、滚珠和保持架之间摩擦力矩导致压电陶瓷受到的剪切作用力F；

采集压电陶瓷表面产生的电荷数量E，根据电荷数量E结合压电陶瓷的压电转换系数k，确定压电陶瓷受到的剪切作用力F；

根据上述确定的剪切作用力F、压电陶瓷平均旋转半径R，确定轴承在当前测试转速下的摩擦力矩。

进一步的，所述的压电陶瓷采用扭振压电陶瓷，陶瓷的极化方向近似沿着陶瓷的圆周方向。

进一步的，所述的压电陶瓷由已完成切向极化的压电陶瓷，经切割、粘结组合、上下表面研磨、敷银和再次研磨制备而成。

进一步的，所述的压电陶瓷与被测轴承之间采用刚性连接。

一种基于压电陶瓷的轴承摩擦力矩测量装置：包括两个电极、试验台基座、电荷测量装置、压电陶瓷、连接法兰、主轴、转速测量装置、驱动电机；

压电陶瓷上下两面分别固连一个电极，下面的电极固装在试验台基座上，上面的电极与连接法兰连接；连接法兰上安装主轴，被测轴承内圈或外圈安装在主轴上并固定；被测轴承的外圈或者内圈通过工装与驱动电机相连，由转速测量装置测量试验过程中的转速；电荷测量装置连接上述两个电极，测量试验过程中的电荷量E，进而得到当前转速下被测轴承的摩擦力矩。

进一步的，所述的电极为一个铜片或者铜膜或者其它易导电薄膜制成。

进一步的，电极与压电陶瓷之间采用压紧方式连接或采用胶粘方式连接。

进一步的，所述的两个电极与连接法兰、试验台基座之间进行绝缘处理。

进一步的，所述的摩擦力矩计算公式如下：M＝ER/k；所述的R为压电陶瓷的平均旋转半径R；k为压电陶瓷的压电转换系数。

本发明与现有技术相比有益效果为：

(1)通过采用扭振压电陶瓷进行轴承摩擦力矩测量，弥补了非接触式电磁感应测量轴承摩擦力矩响应速度慢，存在电磁损耗的问题，不法真实反映轴承摩擦力矩动态变化的缺点。

(2)传统应变式力传感器和压电式力传感器均是通过拉压接触测力的方式，而本发明中的扭振压电陶瓷可直接进行力矩的测量，并且通过将扭振压电陶瓷与试验台基座和被测轴承稳定牢固连接，可弥补非刚性连接带来的传输误差以及高速下的振动冲击等问题。

附图说明

图1是本发明中所采用扭振压电陶瓷的极化方向图；

图2是本发明中所采用扭振压电陶瓷的制作过程示意图；

图3是本发明中所采用扭振压电陶瓷的工作原理示意图；

图4是本发明中采用扭振压电陶瓷进行轴承摩擦力矩测量的试验装置示意图-轴承外圈转动

图5是本发明中采用扭振压电陶瓷进行轴承摩擦力矩测量的试验装置示意图-轴承内圈转动

具体实施方式

下面结合附图及实例对本发明作详细说明。

基于压电陶瓷的轴承摩擦力矩测量方法，所用压电陶瓷是一种扭振压电陶瓷，陶瓷的极化方向近似沿着陶瓷圆环的圆周方向，如图1所示。整片圆环形扭振压电陶瓷无法直接极化而成，本申请中采用沿长度方向或宽度方向极化的薄片形压电陶瓷，经切割、粘结组合、精磨上下表面、上下表面敷银和再次精磨上下表面制成，如图2所示。为保证扭振压电陶瓷具有近似沿圆周方向的极化方向，组成扭振压电陶瓷的扇形剪切陶瓷数量不能过少，一般应大于10片。为保证陶瓷具有较好的测试性能，切割后扇形陶瓷粘结时粘结胶层尽可能薄，一般应采用特殊工装将所有扇形陶瓷沿外圈向圆心压装，组合后的陶瓷上下表面要精磨平整，表面敷银层尽可能薄，之后再次将上下表面精磨平整，上述方式得到的扭振压电陶瓷极化方向近似沿圆周方向，但是由于加工方法的限制并不是严格意义上的完全沿着陶瓷的圆周方向，如图2所示。

当陶瓷材料上下表面受到剪切作用力，即受到沿圆周方向的作用力时，陶瓷材料上下表面将实时动态产生一定数量的正负电荷，如图3所示。陶瓷材料表面产生电荷数量的多少与陶瓷表面所受的剪切力存在定量关系，即E＝kF。通过电荷测量装置或信号测量装置完成对陶瓷材料表面电荷数量的测量，进而完成对压电陶瓷表面所受剪切力的精确测试。基于此原理，将轴承内外圈之间的摩擦力矩通过某种连接结构作用在压电陶瓷材料表面，通过实时检测陶瓷材料表面的电荷数量，并依据产生的电荷数量与所受作用力之间的定量关系，可实现轴承摩擦力矩的精确测量并且该方法具有响应速度快(响应速度可达几十到几百kHz)、测量精度高、不受测量转速限制等优点。

基于压电陶瓷的轴承摩擦力矩测量系统主要由扭振压电陶瓷、电荷测量装置、试验台基座、被测轴承、驱动电机、转速采集装置等组成，其摩擦力矩测试原理示意图如图4所示。扭振压电陶瓷片2的上下端面通过压紧、胶粘或其他方式分别与电极9和电极11固连，电极11通过压紧、胶粘等方式与试验台基座1相连，为将陶瓷上下表面产生的电荷进行有效传输，陶瓷上下表面各连接一个铜片或者铜膜或者其它易导电薄膜制成的电极。电极9通过压紧、胶粘等方式与连接法兰3相连，同时电极9和电极11与电荷测量装置10相连，为了防止电荷通过试验台基座1和连接法兰3传导，电极9与连接法兰3之间以及电极11与试验台基座1之间进行绝缘处理。

轴承摩擦力矩测试之前，首先将被测轴承5安装到主轴4上，并通过固紧螺母6将内圈固定，主轴4与连接法兰3通过螺栓连接等方式固定连接，被测轴承5的外圈通过连接工装与驱动电机8相连，试验测试时的转速由转速测量装置7进行测量。

轴承摩擦力矩测试时，被测轴承5的外圈在驱动电机8的驱动下按照试验设定转速进行转动，由于被测轴承5内外圈之间摩擦力矩的存在，被测轴承5内外圈之间的摩擦力矩首先通过滚珠由外圈传递给内圈，并依次传递给主轴4、连接法兰3、电极9，并最终作用在扭振压电陶瓷2表面，由于扭振压电陶瓷的下表面与电极11和试验台基座1固连，因此被测轴承5内外圈之间的摩擦力矩将使扭振压电陶瓷2上下表面受到一个剪切作用力，在该剪切作用力下，扭振压电陶瓷2的上下表面将实时动态产生一定数量的正负电荷，扭振压电陶瓷2上下表面产生的电荷通过电极9和电极11传递给电荷测量装置10，通过电荷测量装置10所测的电荷量，并依据扭振压电陶瓷的压电转换系数实测值k，可得到扭振压电陶瓷所受的剪切作用力F，该作用力F和扭振压电陶瓷平均旋转半径R的乘积FR即为被测轴承5在测试转速下的摩擦力矩大小。由于轴承转动过程中的摩擦力矩通过刚性连接直接作用在能够进行力矩测量的扭振压电陶瓷，因此可高动态响应、高测量精度、不受测量转速限制的进行轴承摩擦力矩测量。

图4为轴承外圈转动时，轴承摩擦力矩安装测试示意图。通过更换连接工装，采用以上方法同样可以实现内圈转动轴承摩擦力矩测量，如图5所示。驱动电机8与被测轴承5的内圈相连，被测轴承5的外圈通过连接工装17与主轴4固连，主轴4与连接法兰3通过螺栓连接等方式固定连接。该方法同样可以实现多种轴系、轴承组件摩擦力矩的测量，只需将轴系、轴承组件非转动部分与图3测试装置中的连接法兰3相连或者与图4测试装置中的连接法兰3相连即可。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (10)

1.一种基于压电陶瓷的轴承摩擦力矩测量方法，其特征在于通过下述方式实现：

利用压电陶瓷采用刚性直连方式直接敏感当前转速下由于轴承转动，轴承内外圈、滚珠和保持架之间摩擦力矩导致压电陶瓷受到的剪切作用力F；

采集压电陶瓷表面产生的电荷数量E，根据电荷数量E结合压电陶瓷的压电转换系数k，确定压电陶瓷受到的剪切作用力F；

根据上述确定的剪切作用力F、压电陶瓷平均旋转半径R，确定轴承在当前测试转速下的摩擦力矩。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的压电陶瓷采用扭振压电陶瓷，陶瓷的极化方向近似沿着陶瓷的圆周方向。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述的压电陶瓷由已完成切向极化，即沿长度方向或宽度方向极化，而非厚度方向极化的压电陶瓷，经切割、粘结组合、上下表面研磨、敷银和再次研磨制备而成。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：组成扭振压电陶瓷的扇形剪切陶瓷数量大于10片。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：切割后扇形陶瓷粘结时粘结胶层尽可能薄，将所有扇形陶瓷沿外圈向圆心压装，组合后的陶瓷上下表面精磨平整，表面敷银层尽可能薄，之后再次将上下表面精磨平整。

6.一种基于压电陶瓷的轴承摩擦力矩测量装置：其特征在于：包括两个电极、试验台基座(1)、电荷测量装置(10)、压电陶瓷(2)、连接法兰(3)、主轴(4)、转速测量装置(7)、驱动电机(8)；

压电陶瓷上下两面分别固连一个电极，下面的电极固装在试验台基座上，上面的电极与连接法兰连接；连接法兰上安装主轴(4)，被测轴承(5)内圈或外圈安装在主轴(4)上并固定；被测轴承的外圈或者内圈通过工装与驱动电机(8)相连，由转速测量装置(7)测量试验过程中的转速；电荷测量装置(10) 连接上述两个电极，测量试验过程中的电荷量E，进而得到当前转速下被测轴承的摩擦力矩。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于：所述的电极为一个铜片或者铜膜制成。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于：电极与压电陶瓷之间采用压紧方式连接或采用胶粘方式连接。

9.根据权利要求7所述的装置，其特征在于：所述的两个电极与连接法兰(3)、试验台基座(1)之间进行绝缘处理。

10.根据权利要求7所述的装置，其特征在于：所述的摩擦力矩计算公式如下：M＝ER/k；所述的R为压电陶瓷的平均旋转半径R；k为压电陶瓷的压电转换系数。

Images