球轴承打滑度测量仪

李利歌，闫伟，马德锋，王虎强

（1.洛阳轴承研究所有限公司，河南 洛阳 471039；2.河南省高性能轴承技术重点实验室，河南 洛阳 471039；3.滚动轴承产业技术创新战略联盟，河南 洛阳 471039）

球轴承在实际转动过程中，内、外圈与球及保持架之间存在比较复杂的运动关系，各种因素的影响使轴承无法达到理想的纯滚动状态，当滚转力矩小于阻滚力矩时，会出现球相对内、外圈的滑动，即轴承打滑现象，从而造成轴承的摩擦磨损和急剧温升，最终导致润滑失效[1]。

为分析打滑现象对轴承的影响，测量球轴承在不同转速和载荷下的打滑度变化趋势，从而为轴承设计及工艺人员提供理论支持，设计了球轴承打滑度测量仪。

1 测量原理及组成

球轴承打滑度测量仪基于轴承的运动学原理，测量时轴承外圈固定，内圈旋转。首先，在低速下测量轴承接触角β，并假设其不随转速和载荷变化的影响；然后，根据内圈转速和保持架转速之间的理论关系计算出轴承在不同转速和载荷下的打滑度[2]。

轴承外圈固定、内圈旋转时，根据轴承接触角的计算公式[3]可得

式中：n0为保持架理论转速；n1为内圈实际转速；Dw为球径；Dpw为球组节圆直径。

则轴承的打滑度为

式中：n2为保持架实际转速。

球轴承打滑度测量仪主要由保持架转速测量传感器、主轴转速测量模块、计算机系统（包括计算机及Labwindows/CVI开发平台）、测量电路、控制系统、采集卡等组成。仪器工作原理如图1所示。

图1 仪器工作原理图Fig.1 Schematic diagram of Instrument

2 实现过程

2.1 保持架转速的获取

由于球轴承常工作于油雾和高温环境下，且转速较高，保持架转速传感器的选择和安装是本设计的关键，需选择耐高温和耐油雾的高频响非接触式传感器，因此选用了2种不同类型的传感器分别进行试验测试。

1）选用反射式光纤传感器。在保持架某处贴上1～2 mm2的反光纸或用记号笔涂上与被测体色差大的颜色进行标记。考虑到油雾环境，选配了大功率的放大器，光纤头发射光更强，使反射光在油雾中的衰减量对测量结果的影响减到最小。另外，由于该光纤传感器的测量信号经过放大器后输出NPN信号，为使与接入1780卡的电平匹配，需要通过如图2所示电路将其转换为TTL电平信号。

图2 光纤传感器输出电路Fig.2 Output circuit of optical sensor

2）选用电涡流传感器。该传感器型号为ZED2，并配以放大器。在被测保持架上打孔进行标记，在孔中镶入圆柱形棒体（或由传感器能识别材料做成的棒体），保证棒体凸出保持架端面1～2 mm。为消除轴承运转过程中的不平衡量，需对称打2个孔，分别镶入2个磁性钢棒体，保持架旋转1周传感器输出2个脉冲信号。另外，由于电涡流传感器的测量信号经过放大器后输出开关信号，为使其与接入1780卡的电平匹配，需要通过如图3所示电路将其转换为TTL电平信号。

图3 电涡流传感器输出转换电路Fig.3 Output converting circuit of eddy current sensor

为检验和对比上述2种传感器测量的准确度，分别测量了有、无油雾的高温环境下某磁性钢轴的转速，测量结果见表1。

表1 不同传感器的测速结果Tab.1 Measuring result of speed of differente sensors r/min

从试验结果可以看出：无油雾高温环境下，2种传感器的测量结果都满足精度要求；油雾高温环境下，由于油雾干涉了反光量，光纤传感器测量结果完全不正确，电涡流传感器测量结果则可以满足精度要求。

由于电涡流传感器的识别标记做法比较麻烦且改变了保持架结构，可专用于油雾环境下的测量；在油雾非常小或无油雾环境下，可以选择光纤传感器进行测量。实际测量中，将测头直径相同的2种传感器安装在保持架对面，设计专用夹具固定传感器测头，通过调节夹具高低改变传感器测头与被测标记之间的距离。每次测量前要将传感器测头调至能测到信号的最大距离，以保证轴承高速运转时保持架的跳动不会撞坏传感器测头。

2.2 轴承内圈转速的获取

轴承内圈转速即主轴的转速，通过KH4300磁电式传感器获取。KH4300转速传感器内装永久磁钢，当磁芯端面近处有转动的导磁齿轮、带孔（或槽）圆盘（或轴）等时，由于磁路中磁阻的变化，传感器内线圈即能感应输出相应的交流电压信号，输出近似正弦波电信号。球轴承打滑度测量仪的主轴端面设置有槽，将传感器对准槽顶，测量传感器的安装间隙为0.5～3.0 mm。

2.3 测量过程

打开测试软件，在测试界面中输入轴承的球组节圆直径、球径、球数、接触角和采样周期，启动主轴及加载设备，传感器会自动读取保持架及内圈的转速并实时显示，测量仪后台计算打滑度并实时显示轴承的打滑度曲线，自动保存测试数据，测量界面如图4所示。

图4 轴承打滑度仪测试界面Fig.4 Testing interface of measuring instrument for slipping degree of bearing

3 应用结果及分析

对运行于高温油雾环境下的7005型轴承进行实际测量，该轴承球径为5.556 mm，球组节圆直径为42 mm，接触角为29°37′，外圈固定，改变主轴转速，采用电涡流传感器获取保持架转速，测量结果曲线较平稳时，几组打滑度结果见表2。

表2 打滑度测量结果Tab.2 Measuring results of slipping degree

由于保持架转速实时变化，因此打滑度也变化，本结果只取大致稳定后的数值作分析，经过多次测量的数据及打滑度曲线趋势分析，本仪器测量结果符合轴承打滑的理论结果，随着转速的不断提高，内沟道与球之间的静摩擦力越来越小，轴承的打滑度也越来越大。因此应用本仪器可以分析轴承载荷、转速等因素对轴承打滑度的影响。

4 结束语

所设计的球轴承打滑度测量仪能准确测量出轴承不同转速下轴承打滑度的变化趋势，而且测量保持架转速的传感器可以根据实际测量环境选配，光纤式传感器可以不改变轴承保持架的结构即可以测量，测量方法简单；电涡流传感器可以在油雾等条件很恶劣的工况环境下测量轴承打滑度。结果表明，该仪器在高温、油雾的复杂工况下仍然可以测量出打滑度的变化趋势，协助轴承设计和工艺人员分析轴承打滑的临界转速及润滑失效的原因。