轴承摩擦力矩测量的新型轴向加载装置

高奋武, 朱孔敏, 郝大庆, 李媛媛

(洛阳轴研科技股份有限公司 仪器开发部,河南 洛阳 471039)

轴承摩擦力矩测量中，轴向加载装置是一个重要组成部分，直接影响测量精度。因此，在轴承摩擦力矩测量方案中，根据不同类型的测量特点和要求设计合理的加载方式，是保证测量精度的重要环节。

1 常用轴向加载方式

常用轴向加载方式有重物加载、弹簧加载和气缸加载，其特点及应用范围见表1。

表1 常用加载方式的特点及应用范围

常用轴向加载方式随着载荷的增大，要求支承机构承载能力越高，而当载荷要求在2 000 N以上时，采用重物加载和弹簧加载方式很难实现。采用气缸加载方式则对测量轴系中的空气轴承轴向承载能力提出了很高的要求，随着载荷的增大，空气轴承的尺寸结构就相应增大，制造工艺相应复杂，制造难度加大，成为影响测量精度的重要因素。为了合理地施加较大的载荷，提出了一种新型加载装置。

2 新型加载装置

2.1 结构及组成

普通双作用气缸主要由上、下端盖，缸体和活塞杆组成，活塞杆与上、下端盖以及缸体间安装有密封件，因此活塞杆在上下移动中有摩擦力。新型加载装置是一个改进的双作用气缸结构，如图1所示，缸体的上、下端面分别安装上空气轴承和下空气轴承，然后用上压盖和下压盖紧固在缸体端面上，活塞杆的两端轴置于上空气轴承和下空气轴承中，活塞杆的中间轴面与缸体配合，留有一定间隙。

1—上压盖；2—上空气轴承；3—活塞杆；4—缸体；5—下空气轴承；6—下压盖图1 新型加载装置结构

在此结构中，上、下空气轴承替代普通气缸的上、下端盖，与活塞杆组成一套轴系，在轴系的径向方向，活塞杆由空气轴承支承，悬浮在空气轴承中间；在轴向方向，活塞杆可以自由上下移动，同时活塞杆与缸体组成气缸，当给缸体进气口B1供气，活塞杆产生压力，由此就组合成一个转动灵活的加载装置。

2.2 气路设计及其干涉处理

新型加载装置中空气轴承和气缸都是利用压缩空气作为动力源和传导介质，要求具有定量的压力和足够的流量，因此必须设计合理的气路。

2.2.1 气路设计

如图2所示，压缩空气经过滤减压组合阀后，分成两路：A气路和B气路。

1—压缩空气；2—过滤减压组合阀；3—调压阀；4—精密过滤器；5—空气轴承；6—分气块；7—精密调压阀；8—压力表；9—电磁阀；10—节流阀；11—气缸图2 气路图

(1)A气路：提供气源给加载气缸以控制气缸动作并供给一定的压力。主要气动元件由精密调压阀、压力表、电磁阀和分气块组成。气源首先进入分气块，由分气块将气路进行3路接口分配，其中一路分配给精密调压阀，另两路分配给电磁阀的先导口。精密调压阀的出气气路与电磁阀进气口连接，电磁阀输出口经单向节流阀进入气缸。其中，精密调压阀作用是调节输入到气缸的压力大小，进行调节和保持需要的气压的大小；电磁阀的作用是切换输入气缸的气路流向，控制气缸上下动作；单向节流阀的作用是控制气缸排气流量的大小。

(2)B气路：其主要由减压阀、精密过滤器组成。提供气压稳定、比较干燥和洁净的空气给空气轴承。空气主轴对空气的洁净度要求非常高，过滤的固体杂质尺寸必须小于空气轴承间隙量的1/2。

2.2.2 干涉处理

新型加载装置结构中没有密封件。图1中A1和A2分别给上、下空气轴承供气，B1和B2分别作为气缸的进气口和出气口，在空气轴承和气缸的上、下腔体之间，A气路与B气路容易产生干涉。通常B1气路的气体压力大于腔体压力时，会将气体排放到腔体里，从而影响气缸的加载精度，因此，在结构中开有两个排气口C1和C2，利于空气轴承排气，消除干涉。

2.3 新型加载装置的应用

新型加载装置可以施加较大的载荷，因此常应用在推力轴承或圆锥滚子轴承摩擦力矩测量中。如图3所示，被测轴承安装在驱动轴系上，新型加载装置安装在支架上，空气主轴下端通过更换套压到被测轴承上，空气主轴的上端连接扭矩传感器，扭矩传感器可以通过导轨上下移动。

1—导轨；2—扭矩传感器；3—空气主轴；4—空气轴承；5—缸体；6—更换套；7—被测轴承；8—连接套；9—支架；10—驱动轴系图3 新型加载装置

加载装置通过控制电磁阀给气缸供气，空气主轴连接更换套下压到被测轴承上圈，加载的大小可以通过调节供给气缸压力实现。加载力通过压力传感器测量，测量时，驱动轴系旋转带动被测轴承下圈转动，由于被测轴承摩擦力矩的存在，有带动上圈转动的趋势。因活塞杆是悬浮在气缸中，此时传递到扭矩传感器的力矩即为被测轴承的摩擦力矩。

3 结束语

该新型加载装置结合气缸加载特点，将空气支承机构与气缸组合成一体，支承机构只是作为活塞杆的径向支承，不作为轴向加载的支承机构；当增加加载能力时，只需增加气缸的缸径，而不需要增加空气轴承的轴向支承能力；减少了制造工艺的难度，保证了测量轴系的灵活性，有效地解决了大载荷加载的难题，可广泛用于目前大型轴承或推力和圆锥等要求大载荷的轴承摩擦力矩测量仪中。