一种大型三排圆柱滚子轴承径向游隙测量方法的研究

王立超，阳雪兵，李兴林，章 滔，王连吉*

（1. 大连理工大学，辽宁 大连 116023；2. 哈电风能有限公司，湖南 湘潭 411100；3. 杭州轴承试验研究中心有限公司，浙江 杭州 310022；4. 机械工业轴承产品质量检测中心（杭州）ISO/IEC 检测/校准 CNASL0309，浙江 杭州 310022）

1 前言

径向游隙是大型三排圆柱滚子轴承重要的技术指标，其很大程度上决定着大型三排圆柱滚子轴承的使用性能和使用寿命能否达到技术要求[1]。

大型轴承套圈在加工完成以后，其形状一般为非正圆，因此存在长轴与短轴，反映在径向游隙上，就存在最大值和最小值。目前测量大型三排圆柱滚子轴承的径向游隙的方法主要是测几个点位置的径向游隙值，然后取其平均值来作为最终的径向游隙值[2]，由于测点有限,不能真实反映出大型三排圆柱滚子轴承的径向游隙，同时，也无法判断轴承内外圈的最大、最小径向游隙值的方向，鉴于此，本文设计了一套风电主轴三排圆柱滚子轴承径向游隙测量设备，并应用于生产当中。

2 径向游隙测量的方法和原理

利用位移传感器对轴承内外圈进行 360°扫描，得到轴承内外圈相对于其零点的位移尺寸，通过计算机进行拟合，得到内外圈的形状。然后夹紧内外圈某一位置（角度α位置）测出其径向间隙值。

如图 1 所示，图中所示α角位置的径向间隙值可由上述所测得的值与图形上所示的δ对应位置进行比较，可按该比例算出其他任意位置对应的间隙值。取图形上均匀分布的n个角度，分别计算其径向间隙，然后根据轴承游隙定义，通过圆心的两个方向的n个间隙值相加，取其算术平均值，即得出径向游隙平均值。

对于大型三排圆柱滚子轴承来说，其内外圈的形状一般为非正圆，因此在装配成轴承成品后，其径向游隙在各个位置是不相等的。当外圈滚道的长轴与内圈滚道的短轴重合时，此时测得的径向游隙为最大值，当外圈滚道的短轴与内圈滚道的长轴重合时，此时测得的径向游隙值为最小值。找出径向游隙的最大值、最小值及其位置，在工程实践当中有一定的指导意义，本文利用旋转卡壳法来找出轴承套圈的长短轴，进行径向游隙最大值与最小值的测量。

旋转卡壳法是利用对踵点对进行凸多边形或光滑表面长短轴确定的方法，所谓的对踵点对指的是凸多边形或者光滑表面上由一对平行线相切于凸多边形或光滑表面的边界，其切点对即为一对对踵点对（如图 2）。

图 1 径向间隙的测量图形

图 2 对踵点对

在确定轴承内外圈长轴时，确定长轴的对踵点对不可能在轴承内外圈的内部，因此只需要利用旋转卡壳法在轴承内外圈边界上搜索长轴的对踵点对即可。其具体流程如下[3]：

（1）找出轴承内外圈形状上一对X方向上的端点，称之为A和B，见上图。

（2）构造通过A点，B点的一对平行切线，由于它们已经是一对对踵点了，计算出他们之间的距离，并保存为当前距离的最大值。

（3）旋转上述的平行切线，直至一条平行线与轴承内外圈形状上的一条边重合为止。

（4）由此产生一对新的对踵点，计算他们之间的距离，并与之前距离的最大值进行比较，若大于当前最大值，则对当前最大值进行更新，若小于当前最大值，则舍弃该对对踵点。

（5）重复（3）和（4）步骤，直至重现对踵点A点和B点。

（6）输出距离最大值的对踵点点对，完成对于轴承内外圈形状长轴的位置计算，并结束计算流程。

在完成对于轴承内外圈长轴的确定之后，轴承内外圈的短轴的计算流程和长轴的相似，唯一不同的是计算短轴需要保存对踵点之间最小的距离值并即时进行更新，直至重现原始点对为止，最终得到轴承内外圈短轴的位置。

由上述得到的长短轴位置，将轴承内外圈长短轴进行重合，利用上述测量原理，完成径向游隙最大值与最小值的测量。

3 测量装置的结构

基于以上径向游隙测量，设计出相应的径向游隙测量装置，其结构简图如下：

图 3 测量装置简图

由图 3 可知，该轴承径向游隙测量装置由支撑臂组件、压板、被测轴承、旋转扫描机构、夹紧机构等组成。采用固定外圈，移动内圈的方式进行径向间隙的测量，其测量过程如下：将被测轴承吊装到试验装置台面上，调整被测轴承中心，使其与回转中心的同心度不大于 5mm，然后利用测量杆上位移传感器，分别扫描轴承内外圈上的两个止口，从而测出内外圈的相对形状，利用上述测量方法完成径向游隙的测量。

4 试验结果与分析

随机抽取10套规格为φ1 816×φ2 195×150mm 的 130.45.2000 型三排圆柱滚子轴承作为测量对象，分别利用本文所提到的方法与传统方法在测量装置上进行径向游隙的测量，得到如下数据结果，参见表 1 和图 4。

表1 10组径向游隙测量值 μm

图 4 10 组径向游隙测量值

然后对上述被测轴承进行径向游隙最大值与最小值的测量，数据结果见表 2：

表2 径向游隙最大值与最小值的测量 μm

由上述图表可知：

（1）利用本文方法测量得到的径向游隙均值与用传统方法测量得到的径向游隙值，两者差距最大 6μm，最小 0μm，差距微小，由此本文中的测量方法可作为传统方法的替代方法。

（2）对于径向游隙最大值与最小值的测量，其径向游隙最大值的均值为 256.5μm，标准差为 6.2μm，其径向游隙最小值的均值为213.8μm，标准差 3.4μm，径向游隙最大值与最小值的离散程度较小，可为径向游隙的测量提供一定的参考。

5 误差分析

以上测量数据，存在以下几个方面的误差：

（1）旋转主轴的径向跳动误差

由于传感器固定在测量杆上，在驱动旋转主轴进行旋转扫描时，旋转主轴的径向跳动会造成测量误差。对于本测量装置来说，旋转主轴的径向跳动在 7 ~ 8μm之间，跟本文方法测出的径向游隙均值相比，其相对误差为 3 ~ 3.5%，因此可忽略不计。

（2）旋转主轴与支撑臂平面的垂直度误差

理论上四个支撑臂所形成的水平面应保持绝对水平，以保证轴承内外圈端面的水平，但在实际径向游隙测量中，四个支撑臂所形成的平面与理论水平面存在误差。为此可先用水平仪对四个支撑臂所形成的平面进行初步调平，然后分别利用尺寸较小的轴承与尺寸较大的轴承对四个支撑臂所形成的平面做进一步的水平校核，从而保证旋转主轴与支撑臂平面的垂直度在 0.02mm之内。假设轴承幅高 0.5m，经计算在旋转测量时形成的误差为 0.02mm，跟本文方法测出的径向游隙均值相比，其相对误差为 8 ~ 8.7%，因此可忽略此误差。

（3）夹紧时引起的变形误差

在对轴承内外圈进行夹紧的过程中，轴承内外圈及圆柱滚子会产生微弱的变形，由此也会产生一定的测量误差，但经过有限元计算，该测量误差与本文方法测出的径向游隙均值相比，其相对误差为 0.5% 左右，因而忽略此误差。

（4）止口与滚道的不同轴度引起的测量误差

此误差由轴承制造产生，为系统误差。

（5）安装轴承时轴承圆心与传感器回转中心不同轴度所产生的误差

采用扫描法测量轴承内外圈形状，理论上是不会产生测量误差，但在实际测量过程当中，考虑到传感器的量程，因此安装时对同心度有一定要求。

（6）传感器测量误差

本装置所使用的传感器测量误差是 0.5μm，因此可以忽略此误差。另外传感器与轴承止口表面夹角也可产生一定的测量误差，因此在测量时，尽量保证传感器测量杆与被测表面保持垂直。

综上所述，除轴承本身制造误差之外，本测量装置所产生的相对误差大约 10% 左右，在误差允许范围之内。

6 结论

通过对实际轴承径向游隙的测量，可得出以下结论：

（1）该测量设备能够真实有效地测量出轴承内外圈的相对形状与径向游隙，测量的相对误差在 10% 的范围内。

（2）用扫描法测量的轴承径向游隙，更能反映轴承径向游隙的实际状况。

（3）基于旋转卡壳法测得的轴承径向游隙的最大值、最小值，以及方向，在轴承装配时有更好的指导意义。