CN113607412B - 一种测量滚动轴承能耗系数的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量滚动轴承能耗系数的方法及装置。现有滚动轴承能耗系数测量方式精度低、测量不准确。本发明基于能量转换法的原理，最初通过砝码给予整个装置一个动能，使得轴承套筒带动轴承外圈转动，内圈固定，在转动的过程中，一部分动能转换为轴承的动能，另一部分动能由于轴承内部存在摩擦从而转换为热能；通过测量轴承的动能以及转动的角度，可以计算出能耗系数。本发明突破传统测量摩擦力矩去计算能耗系数的方式，从能量转换法的角度提出一种新的滚动轴承能耗系数测量方法，避免了现有摩擦力矩测量方式误差大的问题，使得测量结果更加精确，且使轴承能耗系数的研究能从一个新的角度获得解决方法。

Description

一种测量滚动轴承能耗系数的方法及装置

技术领域

本发明属于滚动轴承技术领域，具体涉及一种结构简单、精度高的测量滚动轴承能耗系数的方法及装置。

背景技术

滚动轴承作为机械行业中必不可少的一种零部件，常被运用到农业机械、工业设备、家电等各种领域，其具有易启动、摩擦小、性能稳定、保养容易及维护简单便捷等特点。

随着目前先进装备的发展，高效、高速和使用寿命长是机械设备追求的主要目标。整个机械装备的系统性能很大程度上是由滚动轴承的性能决定的，一个机械设备运行的精确度和平稳度极大程度上受滚动轴承的性能所影响，它作为机械系统中提供旋转支撑的部件，由外圈、内圈，钢球、密封圈和保持架等五大部分组成，在其旋转过程中，这五大部分之间相互接触摩擦，存在一定的能量消耗。假如在这一过程中，轴承内部损耗的能量过大，将会导致轴承内部组件磨损加剧，从而降低滚动轴承运转的精度；并且在另一方面，过大的能量损耗转换为热量，会致使内部温度升高，进而使滚动轴承润滑剂因超出适用温度而失效，最终导致滚动轴承因内部组件表面烧伤而损坏。因此能耗系数是其性能的关键参数之一，它决定着滚动轴承运行时内部的磨损，发热和使用寿命等关键技术性能。

现有测试方法是通过摩擦力矩的测量换算计算得到能耗系数，但由于轴承本身摩擦力矩值较小，易受到外部条件干扰，并且受制于传感器的测量精度问题，现有的摩擦力矩测量有较大的波动性和随机性，其精确性很难得到认同。因此设计出一种能够精确测量滚动轴承能耗系数的方法及装置，是轴承行业的热门话题。

发明内容

本发明针对现有滚动轴承能耗系数测量方式精度低、测量不准确，难以做到精确测量的问题，提出一种精度高、结构简单的测量滚动轴承能耗系数的方法及装置。

本发明采用的技术方案如下：

本发明基于能量转换法的原理，最初通过砝码给予整个装置一个动能，使得轴承套筒带动轴承外圈转动，内圈固定，在转动的过程中，一部分动能转换为轴承的动能，另一部分动能由于轴承内部存在摩擦从而转换为热能；通过测量轴承的动能以及转动的角度，可以计算出能耗系数。这种方法突破传统测量摩擦力矩去计算能耗系数的方式，使轴承能耗系数的研究能从一个新的角度获得解决方法。

本发明一种测量滚动轴承能耗系数的方法，具体如下：

步骤一：将气缸的缸体通过轴向位移调整机构与底座连接，且气缸的活塞杆水平设置；然后，将气缸与气动回路系统连接，气动回路系统与控制器连接；将连接套筒的一端固定在气缸的活塞杆上。

步骤二：将三爪卡盘通过支撑座固定在底座上；选取支承轴段直径与被测轴承内径相同的芯轴装夹在三爪卡盘上；将被测轴承的内圈与芯轴的支承轴段过渡配合，并在芯轴支承轴段开设的卡槽内嵌入挡圈对被测轴承的内圈进行轴向定位；然后，选取内径与被测轴承外径相同的轴承套筒，将轴承套筒与被测轴承的外圈过盈配合。

步骤三：将光电传感器固定在底座上，并对准固定在轴承套筒一端端面处的光栅盘。

步骤四：轴承套筒的外壁对称固定有两根阶梯轴，通过轴向位移调整机构调整气缸和连接套筒沿芯轴轴向的位置，使得连接套筒与轴承套筒上的阶梯轴在沿芯轴轴向上对齐；然后，手扶轴承套筒的阶梯轴，使轴承套筒的阶梯轴处于水平状态；接着，控制器控制气动回路系统驱动气缸的活塞杆推出，使得连接套筒套入轴承套筒上靠近气缸的那根阶梯轴的最外端轴段，且连接套筒与该阶梯轴最外端轴段间隙配合；最后，将呈环状并悬挂有砝码的绳套在轴承套筒的远离气缸的那根阶梯轴最外端轴段上。

步骤五：控制器控制气动回路系统驱动气缸的活塞杆缩回，则砝码下落带动轴承套筒、光栅盘以及被测轴承的外圈同步旋转，光电传感器记录脉冲信号的个数n，最后计算出能耗系数M。

优选地，被测轴承的能耗系数M计算过程具体如下：

由于砝码竖直下落，砝码下落过程中，绳与轴承套筒中心轴线的距离不变，设轴承套筒转过γ角度时砝码脱离轴承套筒，则γ的计算公式为：

其中，L为悬挂砝码的阶梯轴最外端轴段的轴肩与轴承套筒中心轴线的距离，l为悬挂砝码的阶梯轴最外端轴段的长度，r为悬挂砝码的阶梯轴最外端轴段的半径；

化简后，得：

式(1)经变形后，得：

设φ为悬挂砝码的阶梯轴中心轴线与该阶梯轴最外端端面外圆上的点到芯轴中心轴线的垂线的夹角，则φ满足：

将式(2)和式(3)代入式(1)，得：

即：

从而得：

当轴承套筒转过的角度θ满足0°＜θ＜γ时，有：

其中，x为绳与悬挂砝码的阶梯轴中心轴线的交点到悬挂砝码的阶梯轴最外端轴段轴肩的距离。

轴承套筒转过角度θ时砝码对轴承套筒的转矩公式为：

T＝mgcosθ(L+x-rtanθ) (5)

其中，m为砝码的重量，g为重力加速度，取g＝9.8m/s²。

将式(4)代入式(5)并化简，得：

T＝mg(L-rsinθ)

在轴承套筒转过γ角度的整个过程中砝码对轴承套筒做的功W为：

被测轴承能耗系数M的计算公式为：

其中，α为被测轴承从开始旋转到停止时转过的角度。

α＝nβ (8)

其中，β为光电传感器记录的连续两个脉冲之间对应的光栅盘转角。

将式(6)和(8)代入式(7)，则被测轴承的能耗系数M为：

本发明一种测量滚动轴承能耗系数的装置，包括底座、轴向位移调整机构、气缸、连接套筒和测量机构；所述的轴向位移调整机构包括轴承座、滚珠丝杠、直线导轨和工作台；滚珠丝杠的螺杆通过轴承支承在轴承座上，轴承座固定在底座上；所述的工作台与滚珠丝杠的螺母块固定；直线导轨的滑块与工作台固定，直线导轨的滑轨固定在底座上；气缸的缸体固定在工作台上；所述连接套筒的一端固定在气缸的活塞杆上；气缸的活塞杆水平设置，气缸与气动回路系统连接；所述的气动回路系统由控制器控制；所述的测量机构包括芯轴、支撑座、三爪卡盘、轴承套筒、砝码和光电传感器；所述的三爪卡盘通过支撑座固定在底座上；所述的芯轴由三爪卡盘夹紧固定；所述轴承套筒的外壁两侧固定有对称布置的两根阶梯轴，一端端面固定有光栅盘；所述的光电传感器固定在底座上，并对准光栅盘；光电传感器的信号输出端接控制器；所述的砝码悬挂在呈环状的绳上。

优选地，所述滚珠丝杠的一端固定有手轮。

优选地，所述气缸的活塞杆上设有螺纹；连接套筒的一端设有一体成型的端面板，端面板开设的中心孔套在气缸的活塞杆上，螺母与气缸活塞杆的螺纹连接，并压紧连接套筒的端面板。

优选地，所述芯轴的支承轴段直径和轴承套筒的内径均设有多种规格。

优选地，所述的气动回路系统包括三通接头、调速阀、三位四通电磁换向阀、软管、二位三通电磁换向阀和气泵；气缸的活塞杆所在工作口与三通接头的第一个接口通过软管连接；二位三通电磁换向阀的一个工作口和出气口分别与气缸的另一个工作口和三通接头的第二个接口连接；三通接头的第三个接口与三位四通电磁换向阀的一个工作口连接；三位四通电磁换向阀的进气口与气泵通过软管连接；调速阀的进气口和出气口分别与三位四通电磁换向阀的另一个工作口和二位三通电磁换向阀的进气口通过软管连接；调速阀、三位四通电磁换向阀和二位三通电磁换向阀均由控制器控制。

本发明与现有技术相比，具有以下有益结果：

1.本发明突破传统测量摩擦力矩去计算能耗系数的方式，从能量转换法的角度提出一种新的滚动轴承能耗系数测量方法，避免了现有摩擦力矩测量方式误差大的问题，使得测量结果更加精确。

2.本发明采用气动回路系统，实现对气缸的进程进行调速减慢和回程进行加速的目的，避免了手动回程对轴承套筒造成的干扰。

3.本发明采用连接套筒，使得气缸活塞杆与阶梯轴同心，从而使另一端阶梯轴悬挂着的砝码处于水平状态。

4.本发明整体构型简单，方便操作，试验条件简单，试验可重复性好，得到的数据较为稳定。

附图说明

图1为本发明装置的整体结构立体图；

图2为本发明中气动回路系统的原理图；

图3为本发明中砝码脱离轴承套筒的位置示意图。

图4为本发明中轴承套筒转动过程中的一个状态示意图。

图5为本发明中轴承套筒转动过程中的另一个状态示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

如图1和3所示，一种测量滚动轴承能耗系数的方法，具体如下：

步骤一：将气缸8的缸体通过轴向位移调整机构与底座1连接，且气缸8的活塞杆水平设置；然后，将气缸8与气动回路系统连接，气动回路系统与控制器连接；将连接套筒10的一端固定在气缸的活塞杆9上。

步骤二：将三爪卡盘13通过支撑座12固定在底座1上；选取支承轴段直径与被测轴承15内径相同的芯轴11装夹在三爪卡盘13上；将被测轴承15的内圈与芯轴11的支承轴段过渡配合，并在芯轴11支承轴段开设的卡槽内嵌入挡圈对被测轴承15的内圈进行轴向定位；然后，选取内径与被测轴承15外径相同的轴承套筒14，将轴承套筒14与被测轴承15的外圈过盈配合。

步骤三：将光电传感器17固定在底座1上，并对准固定在轴承套筒14一端端面处的光栅盘。

步骤四：轴承套筒14的外壁对称固定有两根阶梯轴，通过轴向位移调整机构调整气缸和连接套筒10沿芯轴11轴向的位置，使得连接套筒10与轴承套筒14上的阶梯轴在沿芯轴11轴向上对齐；然后，手扶轴承套筒14的阶梯轴，使轴承套筒14的阶梯轴处于水平状态；接着，控制器控制气动回路系统驱动气缸的活塞杆9推出(推出速度较慢)，使得连接套筒10套入轴承套筒14上靠近气缸的那根阶梯轴的最外端轴段，且连接套筒10与该阶梯轴最外端轴段间隙配合；最后，将呈环状并悬挂有砝码16的绳套在轴承套筒14的远离气缸8的那根阶梯轴最外端轴段上。

步骤五：控制器控制气动回路系统驱动气缸的活塞杆9缩回(缩回速度较快)，则砝码16下落带动轴承套筒14、光栅盘以及被测轴承15的外圈同步旋转，光电传感器17记录脉冲信号的个数n，最后计算出能耗系数M。

优选地，被测轴承的能耗系数M计算过程具体如下：

如图3所示，由于砝码竖直下落，砝码下落过程中，绳与轴承套筒中心轴线的距离不变，设轴承套筒转过γ角度时砝码脱离轴承套筒，则γ的计算公式为：

其中，L为悬挂砝码的阶梯轴最外端轴段的轴肩与轴承套筒中心轴线的距离，l为悬挂砝码的阶梯轴最外端轴段的长度，r为悬挂砝码的阶梯轴最外端轴段的半径；

化简后，得：

式(1)经变形后，得：

设φ为悬挂砝码的阶梯轴中心轴线与该阶梯轴最外端端面外圆上的点到芯轴11中心轴线的垂线的夹角，则φ满足：

将式(2)和式(3)代入式(1)，得：

即：

从而得：

如图4和5所示，当轴承套筒转过的角度θ满足0°＜θ＜γ时，有：

其中，x为绳与悬挂砝码的阶梯轴中心轴线的交点到悬挂砝码的阶梯轴最外端轴段轴肩的距离。

轴承套筒转过角度θ时砝码对轴承套筒的转矩公式为：

T＝mgcosθ(L+x-rtanθ) (5)

其中，m为砝码的重量，g为重力加速度，取g＝9.8m/s²。

图4为轴承套筒转动过程中仍处于x＜l时的某个位置示意图，图5为轴承套筒转动过程中x＞l时的某个位置示意图，对于图4和图5的位置，式(4)和式(5)均适用。

将式(4)代入式(5)并化简，得：

T＝mg(L-rsinθ)

因为转矩做的功为转矩和角度的乘积，则在轴承套筒转过γ角度的整个过程中砝码对轴承套筒做的功W为：

被测轴承能耗系数M的计算公式为：

其中，α为被测轴承从开始旋转到停止时转过的角度。

α＝nβ (8)

其中，β为光电传感器记录的连续两个脉冲之间对应的光栅盘转角。

将式(6)和(8)代入式(7)，则被测轴承的能耗系数M为：

如图1所示，一种测量滚动轴承能耗系数的装置，包括底座1、轴向位移调整机构、气缸8、连接套筒10和测量机构；轴向位移调整机构包括轴承座3、滚珠丝杠4、直线导轨5和工作台6；滚珠丝杠4的螺杆通过轴承支承在轴承座3上，轴承座3固定在底座1上；工作台6与滚珠丝杠4的螺母块固定；直线导轨5的滑块与工作台6固定，直线导轨5的滑轨固定在底座1上；气缸8的缸体与挡板7固定，挡板7固定在工作台6上；连接套筒10的一端固定在气缸的活塞杆9上；气缸的活塞杆9水平设置，气缸8与气动回路系统连接；气动回路系统由控制器控制；测量机构包括芯轴11、支撑座12、三爪卡盘13、轴承套筒14、砝码16和光电传感器17；支撑座12固定在底座1上；三爪卡盘13固定在支撑座12上；芯轴11由三爪卡盘13夹紧固定；轴承套筒14的外壁两侧固定有对称布置的两根阶梯轴，一端端面固定有光栅盘；光电传感器17固定在底座1上，并对准光栅盘；光电传感器17的信号输出端接控制器；光栅盘转过一个角度，光电传感器17就会生成一个脉冲信号传给控制器；砝码16悬挂在呈环状的绳上。

优选地，滚珠丝杠4的一端固定有手轮2。

优选地，气缸的活塞杆9上设有螺纹；连接套筒10的一端设有一体成型的端面板，端面板开设的中心孔套在气缸的活塞杆9上，螺母与气缸活塞杆9的螺纹连接，并压紧连接套筒10的端面板。

优选地，芯轴11的支承轴段直径和轴承套筒14的内径均设有多种规格，以适应不同的轴承测量。

优选地，如图2所示，气动回路系统包括三通接头18、调速阀19、三位四通电磁换向阀20、软管21、二位三通电磁换向阀22和气泵23；气缸8的活塞杆所在工作口与三通接头18的第一个接口通过软管21连接；二位三通电磁换向阀22的一个工作口(A口)和出气口T分别与气缸8的另一个工作口和三通接头18的第二个接口连接；三通接头18的第三个接口与三位四通电磁换向阀20的一个工作口(B口)连接；三位四通电磁换向阀20的进气口P与气泵23通过软管21连接；调速阀19的进气口和出气口分别与三位四通电磁换向阀20的另一个工作口(A口)和二位三通电磁换向阀22的进气口P通过软管21连接；调速阀19、三位四通电磁换向阀20和二位三通电磁换向阀22均由控制器控制。气缸的推程采用调速阀19调速，回程采用差动急回：当三位四通电磁换向阀位于左位(P口和A口连通)，二位三通电磁换向阀也位于左位(P口和A口连通)时，气流从三位四通电磁换向阀的P口和A口进入，经调速阀和二位三通电磁换向阀进入气缸，气缸的活塞杆推出，活塞杆所在腔室的气体则通过三位四通电磁换向阀的B口和T口与外界气体相通，形成调速回路，通过调速阀实现调节气缸进程的快慢；当三位四通电磁换向阀位于右位(P口和B口连通)，二位三通电磁换向阀也位于右位(T口和A口连通)时，气流从三位四通电磁换向阀的P口和B口进入气缸，气缸的活塞杆缩回，气缸左端气体通过二位三通电磁换向阀的A口和T口在三通接头处与进入的气体相通，形成差动回路，可使气缸的活塞杆快速缩回。

Claims (7)

1.一种测量滚动轴承能耗系数的方法，其特征在于：该方法具体如下：

步骤一：将气缸的缸体通过轴向位移调整机构与底座连接，且气缸的活塞杆水平设置；然后，将气缸与气动回路系统连接，气动回路系统与控制器连接；将连接套筒的一端固定在气缸的活塞杆上；

步骤二：将三爪卡盘通过支撑座固定在底座上；选取支承轴段直径与被测轴承内径相同的芯轴装夹在三爪卡盘上；将被测轴承的内圈与芯轴的支承轴段过渡配合，并在芯轴支承轴段开设的卡槽内嵌入挡圈对被测轴承的内圈进行轴向定位；然后，选取内径与被测轴承外径相同的轴承套筒，将轴承套筒与被测轴承的外圈过盈配合；

步骤三：将光电传感器固定在底座上，并对准固定在轴承套筒一端端面处的光栅盘；

步骤四：轴承套筒的外壁对称固定有两根阶梯轴，通过轴向位移调整机构调整气缸和连接套筒沿芯轴轴向的位置，使得连接套筒与轴承套筒上的阶梯轴在沿芯轴轴向上对齐；然后，手扶轴承套筒的阶梯轴，使轴承套筒的阶梯轴处于水平状态；接着，控制器控制气动回路系统驱动气缸的活塞杆推出，使得连接套筒套入轴承套筒上靠近气缸的那根阶梯轴的最外端轴段，且连接套筒与该阶梯轴最外端轴段间隙配合；最后，将呈环状并悬挂有砝码的绳套在轴承套筒的远离气缸的那根阶梯轴最外端轴段上；

步骤五：控制器控制气动回路系统驱动气缸的活塞杆缩回，则砝码下落带动轴承套筒、光栅盘以及被测轴承的外圈同步旋转，光电传感器记录脉冲信号的个数n，最后计算出能耗系数M；

利用公式计算获得被测轴承的能耗系数M，其中n为光电传感器记录脉冲信号的个数，β为光电传感器记录的连续两个脉冲之间对应的光栅盘转角，m为砝码的重量，g为重力加速度，L为悬挂砝码的阶梯轴最外端轴段的轴肩与轴承套筒中心轴线的距离，r为悬挂砝码的阶梯轴最外端轴段的半径，θ为轴承套筒转过的角度；γ为砝码脱离轴承套筒时轴承套筒转过的角度。

2.根据权利要求1所述一种测量滚动轴承能耗系数的方法，其特征在于：被测轴承的能耗系数M计算过程具体如下：

由于砝码竖直下落，砝码下落过程中，绳与轴承套筒中心轴线的距离不变，设轴承套筒转过γ角度时砝码脱离轴承套筒，则γ的计算公式为：

其中，L为悬挂砝码的阶梯轴最外端轴段的轴肩与轴承套筒中心轴线的距离，l为悬挂砝码的阶梯轴最外端轴段的长度，r为悬挂砝码的阶梯轴最外端轴段的半径；

化简后，得：

式(1)经变形后，得：

设φ为悬挂砝码的阶梯轴中心轴线与该阶梯轴最外端端面外圆上的点到芯轴中心轴线的垂线的夹角，则φ满足：

将式(2)和式(3)代入式(1)，得：

即：

从而得：

当轴承套筒转过的角度θ满足0°＜θ＜γ时，有：

其中，x为绳与悬挂砝码的阶梯轴中心轴线的交点到悬挂砝码的阶梯轴最外端轴段轴肩的距离；

轴承套筒转过角度θ时砝码对轴承套筒的转矩公式为：

T＝mgcosθ(L+x-rtanθ) (5)

其中，m为砝码的重量，g为重力加速度，取g＝9.8m/s²；

将式(4)代入式(5)并化简，得：

T＝mg(L-rsinθ)

在轴承套筒转过γ角度的整个过程中砝码对轴承套筒做的功W为：

被测轴承能耗系数M的计算公式为：

其中，α为被测轴承从开始旋转到停止时转过的角度；

α＝nβ (8)

其中，β为光电传感器记录的连续两个脉冲之间对应的光栅盘转角；

将式(6)和(8)代入式(7)，则被测轴承的能耗系数M为：

3.一种测量滚动轴承能耗系数的装置，包括底座、轴向位移调整机构和气缸，其特征在于：还包括连接套筒和测量机构；所述的轴向位移调整机构包括轴承座、滚珠丝杠、直线导轨和工作台；滚珠丝杠的螺杆通过轴承支承在轴承座上，轴承座固定在底座上；所述的工作台与滚珠丝杠的螺母块固定；直线导轨的滑块与工作台固定，直线导轨的滑轨固定在底座上；气缸的缸体固定在工作台上；所述连接套筒的一端固定在气缸的活塞杆上，测量时，使得连接套筒另一端套入轴承套筒上靠近气缸的那根阶梯轴的最外端轴段，且连接套筒与该阶梯轴最外端轴段间隙配合；气缸的活塞杆水平设置，气缸与气动回路系统连接；所述的气动回路系统由控制器控制；所述的测量机构包括芯轴、支撑座、三爪卡盘、轴承套筒、砝码和光电传感器；所述的三爪卡盘通过支撑座固定在底座上；所述的芯轴由三爪卡盘夹紧固定；所述轴承套筒的外壁两侧固定有对称布置的两根阶梯轴，且轴承套筒的一端端面固定有光栅盘；所述的光电传感器固定在底座上，并对准光栅盘；光电传感器的信号输出端接控制器；所述的砝码悬挂在呈环状的绳上，测量时，将呈环状并悬挂有砝码的绳套在轴承套筒的远离气缸的那根阶梯轴最外端轴段上。

4.根据权利要求3所述一种测量滚动轴承能耗系数的装置，其特征在于：所述滚珠丝杠的一端固定有手轮。

5.根据权利要求3所述一种测量滚动轴承能耗系数的装置，其特征在于：所述气缸的活塞杆上设有螺纹；连接套筒的一端设有一体成型的端面板，端面板开设的中心孔套在气缸的活塞杆上，螺母与气缸活塞杆的螺纹连接，并压紧连接套筒的端面板。

6.根据权利要求3所述一种测量滚动轴承能耗系数的装置，其特征在于：所述芯轴的支承轴段直径和轴承套筒的内径均设有多种规格。

7.根据权利要求3至6中任一项所述一种测量滚动轴承能耗系数的装置，其特征在于：所述的气动回路系统包括三通接头、调速阀、三位四通电磁换向阀、软管、二位三通电磁换向阀和气泵；气缸的活塞杆所在工作口与三通接头的第一个接口通过软管连接；二位三通电磁换向阀的一个工作口和出气口分别与气缸的另一个工作口和三通接头的第二个接口连接；三通接头的第三个接口与三位四通电磁换向阀的一个工作口连接；三位四通电磁换向阀的进气口与气泵通过软管连接；调速阀的进气口和出气口分别与三位四通电磁换向阀的另一个工作口和二位三通电磁换向阀的进气口通过软管连接；调速阀、三位四通电磁换向阀和二位三通电磁换向阀均由控制器控制。