CN109238708B - 卧式滚动轴承当量摩擦系数测量装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种卧式滚动轴承当量摩擦系数测量装置，包括机身、滑座、芯轴、两个轴承座、环形配重、转速传感器和数据采集/处理/计算/显示系统。一个轴承座与机身固连，另一个与滑座固连；两个轴承座分别设有与被测滚动轴承的外圈配合的内圆柱面；两个内圆柱面同轴；芯轴的两端分别设有用于安装被测滚动轴承的内圈的轴肩；芯轴上设置有环形配重；所述滑座在外力驱动下沿所述两个轴承座的内圆柱面的轴向平动；数据采集/处理/计算/显示系统用于采集、处理转速传感器监测到的芯轴的角速度信号，计算A被测滚动轴承和B被测滚动轴承的当量摩擦力矩和当量摩擦系数。本发明测量装置具有快速精密测量滚动轴承当量摩擦力矩和当量摩擦系数的能力。
Description
技术领域
本发明属于滚动轴承摩擦能耗特性测试技术领域，涉及一种卧式滚动轴承当量摩擦系数测量装置与方法。
背景技术
滚动轴承运行过程中的摩擦能耗直接影响轴承的发热、温升和磨损等，进而影响滚动轴承的性能和寿命。滚动轴承的摩擦能耗特性是滚动轴承自身的一种固有特性，一定程度上反映了滚动轴承的制造品质和清洁程度。
现阶段分别采用启动摩擦力矩和转动摩擦力矩来评价滚动轴承的启动摩擦能耗和转动摩擦能耗，并使用各式滚动轴承摩擦力矩测量装置测量被测滚动轴承的启动摩擦力矩和转动摩擦力矩。
由于测试条件下滚动轴承的启动摩擦力矩和转动摩擦力矩的幅值较小，现有的滚动轴承摩擦力矩测量装置所使用的微力或微力矩传感器在进行高精度测量时精度明显不足。因此，亟需开发一种新型测量装置用于检测滚动轴承摩擦能耗特性。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提出一种用于深沟球轴承和圆柱滚子轴承当量摩擦系数测量装置与方法。本发明所述的滚动轴承特指深沟球轴承和圆柱滚子轴承。本发明中，将被测滚动轴承抽象为一个滑动配合面过被测滚动轴承滚动体中心的虚拟径向滑动轴承，即所述虚拟径向滑动轴承是一个滑动配合面过被测滚动轴承滚动体中心的虚拟的径向滑动轴承，所述虚拟径向滑动轴承的内圈和虚拟径向滑动轴承的外圈在滑动配合面处组成滑动摩擦副。将所述虚拟径向滑动轴承处于与对应的被测滚动轴承相同的测量工况下，所述滑动摩擦副的摩擦功耗相当于被测滚动轴承的摩擦功耗，所述滑动摩擦副的摩擦功率等于所述滑动摩擦副的滑动摩擦力矩与所述虚拟径向滑动轴承的回转角速度的乘积，所述滑动摩擦副的滑动摩擦力矩等于所述滑动配合面的半径R、所述滑动配合面处的径向负荷和所述滑动摩擦副的摩擦系数的乘积。将所述滑动摩擦副的滑动摩擦力矩记为本发明所述的被测滚动轴承的当量摩擦力矩，所述滑动摩擦副的滑动摩擦系数记为本发明所述的被测滚动轴承的当量摩擦系数。本发明所述当量摩擦系数客观反映了被测滚动轴承的制造品质和清洁程度，属被测滚动轴承的固有特性。本发明卧式滚动轴承当量摩擦系数测量装置具有快速精密测量滚动轴承当量摩擦力矩和当量摩擦系数的能力。
为了解决上述技术问题，本发明提出一种卧式滚动轴承当量摩擦系数测量装置，该测量装置包括机身、滑座、芯轴、两个轴承座、环形配重、转速传感器和数据采集/处理/计算/显示系统；所述两个轴承座，其中一个与所述机身固连，另一个与所述滑座固连；所述两个轴承座分别设有与A被测滚动轴承的和B被测滚动轴承的外圈的外圆柱面配合的内圆柱面；所述两个轴承座的内圆柱面同轴；所述芯轴的两端分别设有用于安装A被测滚动轴承和B被测滚动轴承的内圈的轴肩；，所述芯轴上设置有环形配重；所述滑座在外力驱动下沿所述两个轴承座的内圆柱面的轴向平动；包括所述芯轴、A被测滚动轴承、B被测滚动轴承和环形配重在内的零部件共同构成了本发明测量装置的回转轴系，所述回转轴系上的运动件包括所述芯轴、A被测滚动轴承的内圈、B被测滚动轴承的内圈、A被测滚动轴承的滚动体、B被测滚动轴承的滚动体、A被测滚动轴承的保持架、B被测滚动轴承的保持架和环形配重；所述转速传感器用于监测所述芯轴的角速度；所述数据采集/处理/计算/显示系统用于采集、处理转速传感器监测到的所述芯轴的角速度信号，计算并显示A被测滚动轴承和B被测滚动轴承的当量摩擦力矩和当量摩擦系数。
本发明中，所述回转轴系为卧式布局，所述两个轴承座的内圆柱面的轴线平行于水平面。
利用本发明卧式滚动轴承当量摩擦系数测量装置进行当量摩擦系数测量时，需对两个被测滚动轴承进行两次成对测量；通过调整所述环形配重的质量及其在所述芯轴上的轴向位置，使得在两次测量过程中A被测滚动轴承和B被测滚动轴承所承受的径向支反力的组合线性无关；根据两次测量过程中因两个被测滚动轴承承受两组线性无关的径向支反力所产生的差异信息解析出两个被测滚动轴承的当量摩擦力矩和当量摩擦系数。
被测滚动轴承的摩擦功率除以被测滚动轴承的回转角速度值得到的商即为被测滚动轴承在该角速度下的当量摩擦力矩，被测滚动轴承的当量摩擦力矩除以与被测滚动轴承对应的虚拟径向滑动轴承的滑动配合面的半径R与滑动配合面处的径向负荷的乘积得到的商即为被测滚动轴承在该角速度下的当量摩擦系数，所述滑动配合面处的径向负荷相当于对应的被测滚动轴承所承受的径向支反力。
利用本发明卧式滚动轴承当量摩擦系数测量装置进行当量摩擦系数测量时，还需设置动力装置，所述动力装置的输出轴通过一离合装置与所述芯轴的一个自由端联结或分离，在被测滚动轴承的径向设置有径向加载装置，测量方法包括以下步骤：
步骤一、将A被测滚动轴承的内圈安装于芯轴的一端轴肩处，将B被测滚动轴承的内圈安装于芯轴的另一端轴肩处；移动滑座，将A被测滚动轴承和B被测滚动轴承的外圈的外圆柱面分别与两个轴承座的内圆柱面配合；
步骤二、根据被测滚动轴承的类型和尺寸，调整环形配重的质量及其在芯轴上的轴向位置，使得A被测滚动轴承和B被测滚动轴承所承受的径向支反力分别为FA1和FB1，并满足滚动轴承摩擦力矩测量规范对施加径向负荷的要求；
步骤三、动力装置通过离合装置驱动芯轴回转，芯轴、A被测滚动轴承的内圈、B被测滚动轴承的内圈和环形配重保持同步回转；数据采集/处理/计算/显示系统采集、处理来自转速传感器的芯轴的角速度信号，计算并显示芯轴的角速度；
步骤四、逐渐提高芯轴的回转速度至给定值，运行速度稳定后，离合装置分离动力装置的输出轴与芯轴，芯轴的回转速度在A被测滚动轴承和B被测滚动轴承的摩擦功耗作用下逐渐衰减直至芯轴停止回转，数据采集/处理/计算/显示系统获得芯轴角速度-时间的数值关系ω(t)；
步骤五、数据采集/处理/计算/显示系统计算回转轴系上所有运动件的运动速度和动能，获得回转轴系总动能-时间的数值关系；对回转轴系总动能-时间的数值关系求导，回转轴系总动能-时间的数值关系在某一时刻对时间的导数即为回转轴系总动能的减低速率，亦为被测滚动轴承在该时刻所对应的角速度下的摩擦功率，从而计算获得A被测滚动轴承与B被测滚动轴承的摩擦功率之和-角速度的数值关系P1(ω)；
步骤六、调整环形配重的质量及其在芯轴上的轴向位置，使A被测滚动轴承和B被测滚动轴承所承受的径向支反力分别为FA2和FB2，FA2、FB2与FA1、FB1线性无关，并满足滚动轴承摩擦力矩测量规范对施加径向负荷的要求；
步骤七、重复步骤三、步骤四和步骤五，数据采集/处理/计算/显示系统实时计算获得芯轴角速度-时间的数值关系ω(t)、回转轴系总动能-时间的数值关系、A被测滚动轴承与B被测滚动轴承的摩擦功率之和-角速度的数值关系P2(ω)；
步骤八、被测滚动轴承的摩擦功率除以被测滚动轴承的回转角速度值得到的商即为被测滚动轴承在该角速度下的当量摩擦力矩，被测滚动轴承的当量摩擦力矩除以与被测滚动轴承对应的虚拟径向滑动轴承的滑动配合面的半径R与滑动配合面处的径向负荷的乘积得到的商即为被测滚动轴承在该角速度下的当量摩擦系数，所述滑动配合面处的径向负荷相当于对应的被测滚动轴承所承受的径向支反力；根据在上述两次测量条件下A被测滚动轴承和B被测滚动轴承的摩擦功率之和的构成，在测量角速度范围内，针对不同角速度ω1、ω2、ω3、...，建立二元一次方程组：
式中，方程式等号左边的第一项为A被测滚动轴承的摩擦功率，第二项为B被测滚动轴承的摩擦功率，μA(ω)、μB(ω)分别为A被测滚动轴承当量摩擦系数-角速度的数值关系和B被测滚动轴承当量摩擦系数-角速度的数值关系；
解上述二元一次方程组即可分别得到A被测滚动轴承当量摩擦系数-角速度的数值关系μA(ω)和B被测滚动轴承当量摩擦系数-角速度的数值关系μB(ω)：
根据摩擦力矩与摩擦系数的力学关系，当A被测滚动轴承和B被测滚动轴承所承受的径向负荷为F时，A被测滚动轴承当量摩擦力矩-角速度的数值关系MA(ω)和B被测滚动轴承当量摩擦力矩-角速度的数值关系MB(ω)为：
当芯轴的角速度趋于零时，所对应的当量摩擦力矩和当量摩擦系数分别相当于A被测滚动轴承和B被测滚动轴承的启动当量摩擦力矩和启动当量摩擦系数。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
一方面，转速传感器的角速度测量精度远高于传统滚动轴承摩擦力矩测量装置所采用的的微力或微力距传感器的测量精度；另一方面，回转轴系上的所有运动件具有规则的几何形状、已知的高度精确的尺寸和质量、明确的运动方式和精确的运动速度，从而回转轴系总动能具有很高的计算精度。因此被测滚动轴承的当量摩擦力矩和当量摩擦系数均具有极高的测量/计算精度。
进一步地，本发明还可以通过增加回转轴系上的运动件的质量以提升回转轴系的初始动能、延长回转轴系角速度的衰减时间，进一步提高回转轴系角速度的测量精度，进而提高被测滚动轴承的当量摩擦力矩和当量摩擦系数的测量/计算精度。
附图说明
图1-1是被测深沟球轴承结构示意图；
图1-2是图1-1所述深沟球轴承的虚拟径向滑动轴承；
图2-1是被测圆柱滚子轴承结构示意图；
图2-2是图2-1所述圆柱滚子轴承的虚拟径向滑动轴承；
图3是卧式滚动轴承当量摩擦系数测量装置的局部结构示意图；
图中：
1-内圈；
2-外圈；
3-滚动体；
4-虚拟径向滑动轴承的内圈；
5-虚拟径向滑动轴承的外圈；
6-滑动配合面；
7-机身；
8-滑座；
9-芯轴；
10-轴承座；
11-内圆柱面；
12-轴肩；
13-环形配重；
14-A被测滚动轴承；
15-B被测滚动轴承；
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。通过参考附图描述的实施例是示例性的,旨在用于解释本发明,而不能理解为对本发明的限制。另外，以下实施方式中记载的构成零件的尺寸、材质、形状及其相对配置等，如无特别的特定记载，并未将本发明的范围仅限于此。
本发明所述的滚动轴承包括深沟球轴承和圆柱滚子轴承，图1-1示出了深沟球轴承的结构，图2-1示出了圆柱滚子轴承的结构。本发明中，将被测滚动轴承抽象为一个滑动配合面6过被测滚动轴承的滚动体3的中心的虚拟径向滑动轴承，即所述虚拟径向滑动轴承是一个滑动配合面6过被测滚动轴承的滚动体3的中心的虚拟的径向滑动轴承，与图1-1所示的被测深沟球轴承对应的虚拟滑动轴承如图1-2所示，与图2-1所示的被测圆柱滚子轴承对应的虚拟滑动轴承如图2-2所示，所述虚拟径向滑动轴承的内圈4和虚拟径向滑动轴承的外圈5在滑动配合面6处组成滑动摩擦副。将所述虚拟径向滑动轴承处于与对应的被测滚动轴承相同的测量工况下，所述滑动摩擦副的摩擦功耗相当于被测滚动轴承的摩擦功耗，所述滑动摩擦副的摩擦功率等于所述滑动摩擦副的滑动摩擦力矩与所述虚拟径向滑动轴承的回转角速度的乘积，所述滑动摩擦副的滑动摩擦力矩等于所述滑动配合面的半径R、所述滑动配合面处的径向负荷和所述滑动摩擦副的摩擦系数的乘积。将所述滑动摩擦副的滑动摩擦力矩记为本发明所述的被测滚动轴承的当量摩擦力矩，将所述滑动摩擦副的滑动摩擦系数记为本发明所述的被测滚动轴承的当量摩擦系数。
图3示出了本发明提出的一种卧式滚动轴承当量摩擦系数测量装置，该测量装置包括机身7、滑座8、芯轴9、两个轴承座10、环形配重13、转速传感器(图中为画出)和数据采集/处理/计算/显示系统(图中为画出)。
所述两个轴承座10，其中一个与所述机身7固连，另一个与所述滑座8固连；所述两个轴承座10分别设有与A被测滚动轴承14的和B被测滚动轴承15的外圈的外圆柱面配合的内圆柱面11；所述两个轴承座10的内圆柱面11同轴；所述芯轴9的两端分别设有用于安装A被测滚动轴承14和B被测滚动轴承15的内圈的轴肩12；所述芯轴9上设置有环形配重13；所述滑座8可在外力驱动下并在导向部件(图中未画出)的引导下沿所述两个轴承座10的内圆柱面11的轴向平动；包括所述芯轴9、A被测滚动轴承14、B被测滚动轴承15和环形配重13在内的零部件共同构成了本发明测量装置的回转轴系，所述回转轴系上的运动件包括所述芯轴9、A被测滚动轴承14的内圈、B被测滚动轴承15的内圈、A被测滚动轴承14的滚动体、B被测滚动轴承15的滚动体、A被测滚动轴承14的保持架(图中未画出)、B被测滚动轴承14的保持架(图中未画出)和环形配重13。所述转速传感器用于监测所述芯轴9的角速度；所述数据采集/处理/计算/显示系统用于采集、处理转速传感器监测到的所述芯轴9的角速度信号，计算并显示A被测滚动轴承14和B被测滚动轴承15的当量摩擦力矩和当量摩擦系数。
本发明中，所述回转轴系为卧式布局，所述两个轴承座的内圆柱面11的轴线平行于水平面。
利用本发明立式滚动轴承当量摩擦系数测量装置进行当量摩擦系数测量时，还需设置动力装置，所述动力装置的输出轴通过一离合装置与所述芯轴9的一个自由端联结或分离，在被测滚动轴承的径向设置有径向加载装置。上述动力装置、离合装置和轴向加载装置与本发明测量装置中相关零部件的位置和连接关系均属于本领域公知常识，因此并未在图中画出。
利用本发明卧式滚动轴承当量摩擦系数测量装置进行当量摩擦系数测量时，需对两个被测滚动轴承进行两次成对测量；通过调整所述环形配重13的质量及其在所述芯轴13上的轴向位置，使得在两次测量过程中A被测滚动轴承14和B被测滚动轴承15所承受的径向支反力的组合线性无关；根据两次测量过程中因两个被测滚动轴承承受两组线性无关的径向支反力所产生的差异信息解析出两个被测滚动轴承的当量摩擦力矩和当量摩擦系数。
本发明卧式滚动轴承当量摩擦系数测量装置的工作原理为：
首先，将A被测滚动轴承14的内圈安装于芯轴的一端轴肩12处，B被测滚动轴承15的内圈安装于芯轴的另一端轴肩12处；将A被测滚动轴承14和B被测滚动轴承15的外圈分别安装于两个轴承座10的内圆柱面11处；通过调整环形配重13的质量及其在芯轴9上的轴向位置，使得A被测滚动轴承14和B被测滚动轴承15所承受的径向支反力分别为FA1和FB1；动力装置通过离合装置驱动芯轴9回转，待芯轴9回转至给定的回转角速度后离合装置分离动力装置的输出轴与芯轴9，转速传感器监测芯轴9的角速度直至芯轴9停止回转；数据采集/处理/计算/显示系统获得“芯轴角速度-时间”数值关系ω(t)，计算回转轴系上所有运动件的运动速度和动能，获得“回转轴系总动能-时间”数值关系；对“回转轴系总动能-时间”数值关系求导，“回转轴系总动能-时间”数值关系在某一时刻t对时间的导数即为回转轴系总动能的减低速率，亦为在该时刻所对应的角速度ω(t)下A被测滚动轴承14与B被测滚动轴承15在该时刻所对应的角速度ω(t)下的摩擦功率之和，从而计算获得“A被测滚动轴承与B被测滚动轴承的摩擦功率之和-角速度”数值关系P1(ω)。
然后，通过调整环形配重13的质量及其在芯轴9上的轴向位置，使得A被测滚动轴承14和B被测滚动轴承15所承受的径向支反力分别为FA2和FB2，FA2、FB2与FA1、FB1线性无关；动力装置通过离合装置驱动芯轴9回转，待芯轴9回转至给定的回转角速度后离合装置分离动力装置的输出轴与芯轴93，转速传感器监测芯轴9的角速度直至芯轴9停止回转；数据采集/处理/计算/显示系统获得“芯轴角速度-时间”数值关系ω(t)，计算回转轴系上所有运动件的运动速度和动能，获得“回转轴系总动能-时间”数值关系；对“回转轴系总动能-时间”数值关系求导，“回转轴系总动能-时间”数值关系在某一时刻t对时间的导数即为回转轴系总动能的减低速率，亦为在该时刻所对应的角速度ω(t)下A被测滚动轴承14与B被测滚动轴承15在该时刻所对应的角速度ω(t)下的摩擦功率之和，从而计算获得“A被测滚动轴承与B被测滚动轴承的摩擦功率之和-角速度”数值关系P2(ω)。
被测滚动轴承在某角速度下的摩擦功率相当于对应的虚拟径向滑动轴承的滑动摩擦副的摩擦功率；滑动摩擦副的摩擦功率除以被测滚动轴承的角速度值得到的商即为滑动摩擦副在该角速度下的摩擦力矩，亦相当于被测滚动轴承在该角速度下的当量摩擦力矩；滑动摩擦副在该角速度下的摩擦力矩除以滑动配合面的半径R与滑动配合面6处的径向负荷的乘积得到的商即为滑动摩擦副在该角速度下的摩擦系数，亦相当于被测滚动轴承在该角速度下的当量摩擦系数，所述滑动配合面6处的径向负荷相当于对应的被测滚动轴承所承受的径向支反力。
最后，根据在上述两次测量条件下A被测滚动轴承14和B被测滚动轴承15在摩擦功率之和的构成,在测量角速度范围内，针对不同角速度ω1、ω2、ω3、...，分别建立二元一次方程组：
式中，方程式等号左边的第一项为A被测滚动轴承14的摩擦功率，第二项为B被测滚动轴承15的摩擦功率，μA(ω)、μB(ω)分别为“A被测滚动轴承当量摩擦系数-角速度”和“B被测滚动轴承当量摩擦系数-角速度”数值关系。
解上述二元一次方程组分别得到“A被测滚动轴承当量摩擦系数-角速度”数值关系和“B被测滚动轴承当量摩擦系数-角速度”数值关系：
根据摩擦力矩与摩擦系数的力学关系，当A被测滚动轴承14和B被测滚动轴承15所承受的径向负荷为F时，“A被测滚动轴承当量摩擦力矩-角速度”数值关系MA(ω)和“B被测滚动轴承当量摩擦力矩-角速度”数值关系MB(ω)为：
当芯轴9的角速度趋于零时，所对应的当量摩擦力矩和当量摩擦系数分别相当于A被测滚动轴承14和B被测滚动轴承15的启动当量摩擦力矩和启动当量摩擦系数。
本发明同时提出一种滚动轴承当量摩擦系数测量方法，所述测量方法包括以下步骤：
步骤一、将A被测滚动轴承14的内圈安装于芯轴9的一端轴肩12处，将B被测滚动轴承15的内圈安装于芯轴9的另一端轴肩12处；移动滑座8，将A被测滚动轴承14和B被测滚动轴承15的外圈分别安装于两个轴承座10的内圆柱面11处；
步骤二、根据被测滚动轴承的类型和尺寸，调整环形配重13的质量及其在芯轴9上的轴向位置，使得A被测滚动轴承14和B被测滚动轴承15所承受的径向支反力分别为FA1和FB1，并满足滚动轴承摩擦力矩测量规范对施加径向负荷的要求；
步骤三、动力装置通过离合装置驱动芯轴9回转，芯轴9、A被测滚动轴承14的内圈、B被测滚动轴承15的内圈和环形配重13保持同步回转；数据采集/处理/计算/显示系统采集、处理来自转速传感器的芯轴9的角速度信号，计算并显示芯轴9的角速度；
步骤四、逐渐提高芯轴9的回转速度至给定值并稳定运行，离合装置分离动力装置的输出轴与芯轴9，芯轴9的回转速度在A被测滚动轴承14和B被测滚动轴承15的摩擦功耗作用下逐渐衰减直至芯轴9停止回转，数据采集/处理/计算/显示系统获得“芯轴角速度-时间”数值关系ω(t)；
步骤五、数据采集/处理/计算/显示系统计算回转轴系上所有运动件的运动速度和动能，获得“回转轴系总动能-时间”数值关系；对“回转轴系总动能-时间”数值关系求导，“回转轴系总动能-时间”数值关系在某一时刻t对时间的导数即为回转轴系总动能的减低速率，亦为被测滚动轴承在该时刻所对应的角速度下的摩擦功率，从而计算获得“A被测滚动轴承与B被测滚动轴承的摩擦功率之和-角速度”数值关系P1(ω)；
步骤六、根据被测滚动轴承的类型和尺寸，调整环形配重13的质量及其在芯轴9的轴向位置，使A被测滚动轴承14和B被测滚动轴承15所承受的径向支反力分别为FA2和FB2，FA2、FB2与FA1、FB1线性无关，并满足滚动轴承摩擦力矩测量规范对施加径向负荷的要求；
步骤七、重复步骤三、步骤四和步骤五，数据采集/处理/计算/显示系统实时计算获得“芯轴角速度-时间”数值关系ω(t)、“回转轴系总动能-时间”数值关系、“A被测滚动轴承与B被测滚动轴承的摩擦功率之和-角速度”数值关系P2(ω)；
步骤八、被测滚动轴承的摩擦功率除以被测滚动轴承的回转角速度值得到的商即为被测滚动轴承在该角速度下的当量摩擦力矩，被测滚动轴承的当量摩擦力矩除以与被测滚动轴承对应的虚拟径向滑动轴承的滑动配合面的半径R与滑动配合面6处的径向负荷的乘积得到的商即为被测滚动轴承在该角速度下的当量摩擦系数，所述滑动配合面6处的径向负荷相当于对应的被测滚动轴承所承受的径向支反力；根据在上述两次测量条件下A被测滚动轴承14和B被测滚动轴承15的摩擦功率之和的构成，在测量角速度范围内，针对不同角速度ω1、ω2、ω3、...，建立二元一次方程组：
式中，方程式等号左边的第一项为A被测滚动轴承14的摩擦功率，第二项为B被测滚动轴承15的摩擦功率，μA(ω)、μB(ω)分别为“A被测滚动轴承当量摩擦系数-角速度”数值关系和“B被测滚动轴承当量摩擦系数-角速度”数值关系；
解上述二元一次方程组即可分别得到“A被测滚动轴承当量摩擦系数-角速度”数值关系μA(ω)和“B被测滚动轴承当量摩擦系数-角速度”数值关系μB(ω)：
根据摩擦力矩与摩擦系数的力学关系，当A被测滚动轴承14和B被测滚动轴承15所承受的径向负荷为F时，“A被测滚动轴承当量摩擦力矩-角速度”数值关系MA(ω)和“B被测滚动轴承当量摩擦力矩-角速度”数值关系MB(ω)为：
当芯轴9的角速度趋于零时，所对应的当量摩擦力矩和当量摩擦系数分别相当于A被测滚动轴承14和B被测滚动轴承15的启动当量摩擦力矩和启动当量摩擦系数。
Claims (4)
1.一种卧式滚动轴承当量摩擦系数测量装置，包括机身(7)、滑座(8)、芯轴(9)、两个轴承座(10)和转速传感器和数据采集/处理/计算/显示系统；其特征在于，
所述两个轴承座(10)，其中一个轴承座与所述机身(7)固连，另一个轴承座与所述滑座(8)固连；所述两个轴承座(10)分别设有与A被测滚动轴承(14)和B被测滚动轴承(15)的外圈的外圆柱面配合的内圆柱面(11)；所述两个轴承座(10)的内圆柱面(11)同轴；所述芯轴(9)的两端分别设有用于安装A被测滚动轴承(14)和B被测滚动轴承(15)的内圈的轴肩(12)；所述芯轴(9)上设置有环形配重(13)；所述滑座(8)在外力驱动下沿所述两个轴承座(10)的内圆柱面(11)的轴向平动；
该测量装置还设置有动力装置，所述动力装置的输出轴通过一离合装置与其中所述芯轴(9)的一个自由端联结或分离；包括所述芯轴(9)、A被测滚动轴承(14)、B被测滚动轴承(15)和环形配重(13)在内的零部件共同构成了所述卧式滚动轴承当量摩擦系数测量装置的回转轴系，所述回转轴系上的运动件包括所述芯轴(9)、A被测滚动轴承(14)的内圈、B被测滚动轴承(15)的内圈、A被测滚动轴承(14)的滚动体、B被测滚动轴承(15)的滚动体、A被测滚动轴承(14)的保持架、B被测滚动轴承(15)的保持架和环形配重(13)；
所述转速传感器用于监测所述芯轴(9)的角速度；所述数据采集/处理/计算/显示系统用于采集、处理转速传感器监测到的所述芯轴(9)的角速度信号，获得芯轴角速度-时间的数值关系，计算回转轴系上所有运动件的运动速度和动能，获得回转轴系总动能-时间的数值关系；对回转轴系总动能-时间的数值关系求导，回转轴系总动能-时间的数值关系在某一时刻对时间的导数即为回转轴系总动能的减低速率，亦为被测滚动轴承在该时刻所对应的角速度下的摩擦功率，从而计算获得A被测滚动轴承与B被测滚动轴承的摩擦功率之和-角速度的数值关系；将被测滚动轴承抽象为一个滑动配合面(6)过被测滚动轴承的滚动体(3)的中心的虚拟径向滑动轴承，即所述虚拟径向滑动轴承是一个滑动配合面(6)过被测滚动轴承的滚动体(3)的中心的虚拟的径向滑动轴承；被测滚动轴承在某角速度下的摩擦功率相当于对应的虚拟径向滑动轴承的滑动摩擦副的摩擦功率；滑动摩擦副的摩擦功率除以被测滚动轴承的角速度值得到的商即为滑动摩擦副在该角速度下的摩擦力矩，亦相当于被测滚动轴承在该角速度下的当量摩擦力矩；滑动摩擦副在该角速度下的摩擦力矩除以滑动配合面的半径R与滑动配合面(6)处的径向负荷的乘积得到的商即为滑动摩擦副在该角速度下的摩擦系数，亦相当于被测滚动轴承在该角速度下的当量摩擦系数；所述数据采集/处理/计算/显示系统计算并显示A被测滚动轴承(14)和B被测滚动轴承(15)的当量摩擦力矩和当量摩擦系数。
2.根据权利要求1所述卧式滚动轴承当量摩擦系数测量装置，其特征在于，所述两个轴承座(10)为卧式布局，所述两个轴承座(10)的内圆柱面(11)的轴线平行于水平面。
3.一种滚动轴承当量摩擦系数测量方法，其特征在于，采用如权利要求1或2所述卧式滚动轴承当量摩擦系数测量装置，并包括以下步骤：
步骤一、将A被测滚动轴承(14)的内圈安装于芯轴(9)的一端轴肩(12)处，将B被测滚动轴承(15)的内圈安装于芯轴(9)的另一端轴肩(12)处；移动滑座(10)，将A被测滚动轴承(14)和B被测滚动轴承(15)的外圈分别安装于两个轴承座(10)的内圆柱面(11)处；
步骤二、根据被测滚动轴承的类型和尺寸，调整环形配重(13)的质量及其在芯轴(9)上的轴向位置，使得A被测滚动轴承(14)和B被测滚动轴承(15)所承受的径向支反力分别为FA1和FB1，并满足滚动轴承摩擦力矩测量规范对施加径向负荷的要求；
步骤三、动力装置通过离合装置驱动芯轴(9)回转，芯轴(9)、A被测滚动轴承(14)的内圈、B被测滚动轴承(15)的内圈和环形配重(13)保持同步回转；数据采集/处理/计算/显示系统采集、处理来自转速传感器的芯轴(9)的角速度信号，计算并显示芯轴(13)的角速度；
步骤四、逐渐提高芯轴(9)的回转速度至给定值，运行速度稳定后，离合装置分离动力装置的输出轴与芯轴(9)，芯轴(9)的回转速度在A被测滚动轴承(14)和B被测滚动轴承(15)的摩擦功耗作用下逐渐衰减直至芯轴(9)停止回转，数据采集/处理/计算/显示系统获得芯轴角速度-时间的数值关系ω(t)；
步骤五、数据采集/处理/计算/显示系统计算回转轴系上所有运动件的运动速度和动能，获得回转轴系总动能-时间的数值关系；对回转轴系总动能-时间的数值关系求导，回转轴系总动能-时间的数值关系在某一时刻对时间的导数即为回转轴系总动能的减低速率，亦为被测滚动轴承在该时刻所对应的角速度下的摩擦功率，从而计算获得A被测滚动轴承与B被测滚动轴承的摩擦功率之和-角速度的数值关系P1(ω)；
步骤六、根据被测滚动轴承的类型和尺寸，调整环形配重(13)的质量及其在芯轴(9)上的轴向位置，使A被测滚动轴承(14)和B被测滚动轴承(15)所承受的径向支反力分别为FA2和FB2，FA2、FB2与FA1、FB1线性无关，并满足滚动轴承摩擦力矩测量规范对施加径向负荷的要求；
步骤七、重复步骤三、步骤四和步骤五，数据采集/处理/计算/显示系统实时计算获得芯轴角速度-时间的数值关系ω(t)、回转轴系总动能-时间的数值关系、A被测滚动轴承与B被测滚动轴承的摩擦功率和-角速度的数值关系P2(ω)；
步骤八、被测滚动轴承的摩擦功率除以被测滚动轴承的回转角速度值得到的商即为被测滚动轴承在该角速度下的当量摩擦力矩，被测滚动轴承的当量摩擦力矩除以与被测滚动轴承对应的虚拟径向滑动轴承的滑动配合面的半径R与滑动配合面(6)处的径向负荷的乘积得到的商即为被测滚动轴承在该角速度下的当量摩擦系数，所述滑动配合面(6)处的径向负荷相当于对应的被测滚动轴承所承受的径向支反力；根据两次测量条件下A被测滚动轴承(14)和B被测滚动轴承(15)的摩擦功率之和的构成，在测量角速度范围内，针对不同角速度ω1、ω2、ω3、...，建立二元一次方程组：
式中，方程式等号左边的第一项为A被测滚动轴承(14)的摩擦功率，第二项为B被测滚动轴承(15)的摩擦功率，μA(ω)、μB(ω)分别为A被测滚动轴承当量摩擦系数-角速度的数值关系和B被测滚动轴承当量摩擦系数-角速度的数值关系；
解上述二元一次方程组即可分别得到A被测滚动轴承当量摩擦系数-角速度的数值关系μA(ω)和B被测滚动轴承当量摩擦系数-角速度的数值关系μB(ω)：
根据摩擦力矩与摩擦系数的力学关系，当A被测滚动轴承(14)和B被测滚动轴承(15)所承受的径向负荷为F时，A被测滚动轴承当量摩擦力矩-角速度的数值关系MA(ω)和B被测滚动轴承当量摩擦力矩-角速度的数值关系MB(ω)为：
当芯轴(9)的角速度趋于零时，所对应的当量摩擦力矩和当量摩擦系数分别相当于A被测滚动轴承(14)和B被测滚动轴承(15)的启动当量摩擦力矩和启动当量摩擦系数。
4.根据权利要求3所述滚动轴承当量摩擦系数测量方法，其特征在于，所述虚拟径向滑动轴承是一个滑动配合面(6)过被测滚动轴承的滚动体(3)的中心的虚拟的径向滑动轴承，所述虚拟径向滑动轴承的内圈(4)和虚拟径向滑动轴承的外圈(5)在滑动配合面(6)处组成滑动摩擦副；将所述虚拟径向滑动轴承处于与对应的被测滚动轴承相同的测量工况下，所述滑动摩擦副的摩擦功耗相当于被测滚动轴承的摩擦功耗，所述滑动摩擦副的摩擦功率等于所述滑动摩擦副的滑动摩擦力矩与所述虚拟径向滑动轴承的回转角速度的乘积，所述滑动摩擦副的滑动摩擦力矩等于所述滑动配合面的半径R、所述滑动配合面(6)处的径向负荷和所述滑动摩擦副的摩擦系数的乘积；将所述滑动摩擦副的滑动摩擦力矩记为对应被测滚动轴承的当量摩擦力矩，将所述滑动摩擦副的滑动摩擦系数记为对应被测滚动轴承的当量摩擦系数。
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