CN208999099U - 立式滚动轴承当量摩擦系数测量装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种立式滚动轴承当量摩擦系数测量装置，包括机身、滑台、芯轴、两个轴承座、转速传感器和数据采集/处理/计算/显示***。其中一个轴承座与机身固连，另一个与滑台固连；A被测滚动轴承外圈安装于与机身固连的轴承座挡肩，B被测滚动轴承外圈安装于与滑台固连的轴承座挡肩；A被测滚动轴承内圈安装于芯轴一端轴肩，B被测滚动轴承内圈安装于芯轴另一端轴肩；滑台可以在导向部件的引导下沿轴承座的内圆柱面的轴向平动；数据采集/处理/计算/显示***用于采集、处理转速传感器监测到的芯轴的角速度信号，计算被测滚动轴承的当量摩擦力矩和当量摩擦系数。本实用新型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
本实用新型属于滚动轴承摩擦能耗特性测试技术领域，涉及一种立式滚动轴承当量摩擦系数测量装置。
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。
实用新型内容
针对现有技术存在的问题，本实用新型提出一种用于角接触球轴承和单列圆锥滚子轴承当量摩擦系数测量装置。本实用新型所述的滚动轴承特指角接触球轴承和单列圆锥滚子轴承。本实用新型中，将被测滚动轴承抽象为一个接触角不变、滑动配合面过滚动体中心的虚拟滑动轴承，即所述虚拟滑动轴承是一个接触角与被测滚动轴承接触角α相等、滑动配合面过被测滚动轴承滚动体中心的虚拟的滑动轴承，所述虚拟滑动轴承的内圈和外圈在滑动配合面处组成滑动摩擦副。将所述虚拟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中部半径R、所述滑动配合面处的法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实用新型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实用新型所述的被测滚动轴承的当量摩擦系数。本实用新型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。本实用新型立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系数的能力。
为了解决上述技术问题，本实用新型提出一种立式滚动轴承当量摩擦系数测量装置，该测量装置包括机身、滑台、芯轴、两个轴承座、转速传感器和数据采集/处理/计算/显示***；所述两个轴承座，其中一个与所述机身固连，另一个与所述滑台固连；所述两个轴承座分别设有用于安装A被测滚动轴承和B被测滚动轴承的外圈的内圆柱面和挡肩；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；所述两个轴承座的内圆柱面同轴；所述滑台在外力作用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被测滚动轴承和B被测滚动轴承在内的零部件共同构成了本实用新型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和B被测滚动轴承的保持架；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***用于采集、处理所述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。
本实用新型中，所述回转轴系为立式布局，所述两个轴承座的内圆柱面的轴线垂直于水平面。
利用本实用新型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，需对两个被测滚动轴承进行两次成对测量；由于立式布局的回转轴系的重力G的影响，测量过程中两个被测滚动轴承分别承载两个方向相反大小不等的轴向负荷；根据两次测量过程中因两个被测滚动轴承的位置对调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。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：
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，本实用新型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是被测角接触球轴承的结构示意图；
图1-2是图1-1所示被测角接触球轴承的虚拟滑动轴承示意图；
图2-1是被测单列圆锥滚子轴承的结构示意图；
图2-2是图2-1所示被测单列圆锥滚子轴承的虚拟滑动轴承示意图；
图3是立式滚动轴承当量摩擦系数测量装置的局部结构示意与测量原理图。
图中：
1-内圈；
2-外圈；
3-滚动体；
4-虚拟滑动轴承的内圈；
5-虚拟滑动轴承的外圈；
6-滑动配合面；
7-机身；
8-滑台；
9-轴承座；
10-挡肩；
11-内圆柱面；
12-芯轴；
13-轴肩；
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实用新型作进一步详细描述。通过参考附图描述的实施例是示例性的,旨在用于解释本实用新型,而不能理解为对本实用新型的限制。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，并未将本实用新型的范围仅限于此。
本实用新型所述的滚动轴承包括角接触球轴承和单列圆锥滚子轴承，图1-1示出了角接触球轴承的结构，图2-1示出了单列圆锥滚子轴承的结构。本实用新型中，将被测滚动轴承抽象为一个接触角不变、滑动配合面6过被测滚动轴承的滚动体3的中心的虚拟滑动轴承，即所述虚拟滑动轴承是一个接触角与被测滚动轴承接触角α相等、滑动配合面过6被测滚动轴承的滚动体3的中心的虚拟的滑动轴承，与图1-1所示的被测角接触球轴承对应的虚拟滑动轴承如图1-2所示，与图2-1所示的被测单列圆锥滚子轴承对应的虚拟滑动轴承如图2-2所示，所述虚拟滑动轴承的内圈4和虚拟滑动轴承的外圈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中部半径R、所述滑动配合面处的法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实用新型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实用新型所述的被测滚动轴承的当量摩擦系数。
图3示出了本实用新型提出的一种立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、滑台8、芯轴12、两个轴承座9、转速传感器(图中未画出)和数据采集/处理/计算/显示***(图中未画出)。
所述两个轴承座9，其中一个与所述机身7固连，另一个与所述滑台8固连；所述两个轴承座9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的外圈的挡肩10和内圆柱面11；所述芯轴12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13；所述两个轴承座9的内圆柱面11同轴；所述滑台8可以在导向部件(图中未画出)的引导下沿所述两个轴承座9的内圆柱面11的轴向平动；包括所述芯轴12、A被测滚动轴承14和B被测滚动轴承15在内的零部件构成了本实用新型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12、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)和B被测滚动轴承15的保持架(图中未画出)；所述转速传感器用于监测所述芯轴12的角速度；所述数据采集/处理/计算/显示***用于采集、处理所述转速传感器监测到的所述芯轴12的角速度信号，计算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，并显示相关信息。
本实用新型中，所述回转轴系为立式布局，所述两个轴承座9的内圆柱面11的轴线垂直于水平面。
利用本实用新型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，在所述机身7一侧设有动力装置，所述动力装置的输出轴通过一离合装置与所述芯轴12联结或分离，在所述滑台8一侧设置有轴向加载装置。上述动力装置、离合装置和轴向加载装置与本实用新型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。
利用本实用新型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，需对两个被测滚动轴承进行两次成对测量；由于立式布局的芯轴的重力G的影响，测量过程中两个被测滚动轴承分别承载两个方向相反大小不等的轴向负荷；根据两次测量过程中因两个被测滚动轴承的位置对调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。
本实用新型立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12的一端轴肩13处，B被测滚动轴承15的内圈安装于芯轴12的另一端轴肩13处；将A被测滚动轴承14的外圈安装于与机身7固连的轴承座的挡肩10处，B被测滚动轴承15的外圈安装于与滑台8固连的轴承座的挡肩10处；在轴向加载装置通过滑台8、与滑台7固连的轴承座9向B被测滚动轴承15的外圈施加规定的轴向负荷F1的条件下，动力装置通过离合装置驱动芯轴12回转，待芯轴12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12，转速传感器监测芯轴12的角速度直至芯轴12停止回转；数据采集/处理/计算/显示***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的摩擦功率之和，从而获得“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，将A被测滚动轴承14的内圈安装于芯轴12的一端轴肩13处，B被测滚动轴承15的内圈安装于芯轴12的另一端轴肩二13处；将A被测滚动轴承14的外圈安装于与滑台8固连的轴承座的挡肩10处，B被测滚动轴承15的外圈安装于与机身7固连的轴承座的挡肩10处；在轴向加载装置通过滑台8、与滑台7固连的轴承座9向A被测滚动轴承14的外圈施加规定的轴向负荷F2的条件下，动力装置通过离合装置驱动芯轴12回转，待芯轴12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12，转速传感器监测芯轴12的角速度直至芯轴12停止回转；数据采集/处理/计算/显示***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；“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，数据采集/处理/计算/显示***计算获得“B被测滚动轴承与A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中部半径R与滑动配合面6处的法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处的法向负荷相当于对应的被测滚动轴承所承受的轴向负荷在所述滑动配合面6处的法向分量，其数值为被测滚动轴承所承受的轴向负荷除以被测滚动轴承接触角α的正弦得到的商。
最后，根据在上述两次测量条件下A被测滚动轴承14与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)；
当F1＝F2＝F时，“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”数值关系为：
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所承受的轴向负荷为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12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。
利用本实用新型立式滚动轴承当量摩擦系数测量装置进行测量，步骤如下：
步骤一、将A被测滚动轴承14的内圈安装于芯轴12的一端轴肩13处，B被测滚动轴承15的内圈安装于芯轴12的另一端轴肩13处；移动滑台8，将A被测滚动轴承14的外圈安装于与机身7固连的轴承座的挡肩10处，B被测滚动轴承15的外圈安装于与滑台8固连的轴承座的挡肩10处；
步骤二、根据被测滚动轴承的类型和尺寸，按滚动轴承摩擦力矩测量规范如中华人民共和国国家标准GB/T 32562-2016《滚动轴承摩擦力矩测量方法》，轴向加载装置通过滑台8、与滑台8固连的轴承座9向B被测滚动轴承15的外圈施加规定的轴向负荷；
步骤三、动力装置通过离合装置驱动芯轴12回转，芯轴12、A被测滚动轴承14的内圈和B被测滚动轴承15的内圈保持同步回转；数据采集/处理/计算/显示***采集、处理来自转速传感器的芯轴12的角速度信号，计算芯轴12的角速度，并显示相关信息；
步骤四、逐渐提高芯轴12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12，芯轴12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12停止回转，数据采集/处理/计算/显示***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***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下A被测滚动轴承14与B被测滚动轴承15的摩擦功率之和，从而获得“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、将A被测滚动轴承14的内圈安装于芯轴12的一端轴肩13处，B被测滚动轴承15的内圈安装于芯轴12的另一端轴肩13处；移动滑台8，将B被测滚动轴承15的外圈安装于与机身7固连的轴承座的挡肩10处，A被测滚动轴承14的外圈安装于与滑台8固连的轴承座的挡肩10处；
步骤七、根据被测滚动轴承的类型和尺寸，按滚动轴承摩擦力矩测量规范如中华人民共和国国家标准GB/T 32562-2016《滚动轴承摩擦力矩测量方法》，轴向加载装置通过滑台8、与滑台8固连的轴承座9向A被测滚动轴承14的外圈施加规定的轴向负荷；
步骤八、重复步骤三、步骤四和步骤五，数据采集/处理/计算/显示***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)；
步骤九、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滑动轴承的滑动配合面的中部半径R与滑动配合面6处的法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处的法向负荷相当于对应的被测滚动轴承所承受的轴向负荷在所述滑动配合面6处的法向分量，其数值为被测滚动轴承所承受的轴向负荷除以被测滚动轴承接触角α的正弦得到的商；根据在上述两次测量条件下A被测滚动轴承14与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14的当量摩擦系数-角速度的数值关系和B被测滚动轴承15的当量摩擦系数-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14的当量摩擦系数-角速度的数值关系μA(ω)和B被测滚动轴承15的当量摩擦系数-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所承受的轴向负荷为F时，A被测滚动轴承14的当量摩擦力矩-角速度的数值关系MA(ω)和B被测滚动轴承15的当量摩擦力矩-角速度的数值关系MB(ω)为：
当芯轴12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 (2)
1.一种立式滚动轴承当量摩擦系数测量装置，其特征在于，包括机身(7)、滑台(8)、芯轴(12)、两个轴承座(9)、转速传感器和数据采集/处理/计算/显示***；
所述两个轴承座(9)，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台(8)固连；所述两个轴承座(9)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)的外圈的挡肩(10)和内圆柱面(11)；所述芯轴(12)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(13)；所述两个轴承座(9)的内圆柱面(11)同轴；所述滑台(8)在外力驱动下沿所述两个轴承座(9)的内圆柱面(11)的轴向平动；
所述转速传感器用于监测所述芯轴(12)的角速度；所述数据采集/处理/计算/显示***用于采集、处理所述转速传感器监测到的所述芯轴(12)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。
2.根据权利要求1所述立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(9)为立式布局，所述两个轴承座(9)的内圆柱面(11)的轴线垂直于水平面。
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Granted publication date: 20190618 Termination date: 20201031 |
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