伺服试验机的研制

本文作者研制一种伺服试验机，适合用于模拟分析不同工况条件下以及整个寿命周期内轴承内部的动态摩擦力矩，可以真实反映微型轴承在运转过程中的动态摩擦力矩。

1 测试原理

测量轴承摩擦力矩的方法常见的有传递法、平衡力矩法和能量转换法[5]。文中测量装置采用平衡力矩法，即通过测量轴承大小相等、方向相反的平衡力矩(F1×L)，通过其变化反映被测轴承实际摩擦力矩(MD)的变化。图1为平衡力矩法示意图。

(1)F1为施加在轴承外圈的平衡力；L为轴承半径；MD为轴承动态摩擦力矩。

对于内圈旋转、外圈固定条件下的滚动轴承，当轴承内圈转动时，由于轴承内部球滚动体与内、外圈滚道之间的摩擦作用，外圈有向与内圈相同方向旋转的趋势。根据这一物理现象，利用精密天平测试技术所拟定的轴承动态摩擦力矩试验测试原理如图2所示。

用柔绳连接的2个砝码(即砝码1、2，其质量分别为m1、m2，且m1>m2)套在固定轴承外圈的轴承室上，其中砝码2悬空，从而可以给被试轴承施加径向载荷，砝码1放置在一电子天平的称量托盘上。当轴承内圈顺时针方向旋转时，轴承内部将产生动态摩擦力矩，由于轴承外圈与轴承室的紧密接触，所以其动态摩擦力矩将传递到轴承室上。此时轴承室处于力矩平衡状态。

(2)F1为左侧柔绳拉力；F2为右侧柔绳拉力；L为轴承室半径；MD为轴承动态摩擦力矩。

当被试轴承静止时n=0，此时

(3)F1为静止时左侧柔绳拉力；F2为静止时右侧柔绳拉力。

当被试轴承如图示方向旋转时，n≠0，由于动态摩擦力矩影响，右侧柔绳拉力不变，左侧柔绳拉力较静止时增加了ΔF1。

因此只要测得因轴承内部摩擦力矩所引起的左侧柔绳拉力的增加值ΔF1与轴承室半径L，即可得到被测轴承的摩擦力矩MD。而左侧柔绳拉力的增加值ΔF1，可由被试轴承静止与运动后电子天平示数的变化值表示。将电子天平示数值通过串口通信传输至计算机，进行数据处理后得出微型轴承动态摩擦力矩测量结果，以及动态摩擦力矩变化曲线。

2 伺服试验机研制

2.1 伺服试验机功能

该伺服试验机主要针对高速、轻载的微型轴承，模拟被试轴承在不同温度、不同径向和轴向载荷及不同转速工况下动态摩擦力矩的变化规律，从而获得该轴承的摩擦特性。具体功能要求如下：

(1)可调参数：运转速度(1 000～50 000 r/min范围内转速无极可调)、径向载荷及轴向载荷；

(2)监测参数：实时运转速度、动态摩擦力矩数据；

(3)试验数据能够实时显示并保存，记录数据的时间间隔可调；

(4)可长期测量微型轴承的动态摩擦力矩，如轴承的整个寿命周期。

2.2 伺服试验机结构

伺服试验机的机械结构如图3所示，主要分为驱动部分、测量部分和支架部分，其主要部件的规格见表1。

驱动部分由静压空气电主轴驱动，静压空气电主轴通过端部夹头与芯轴连接，带动芯轴旋转。测量部分由柔绳、径向加载砝码、测量砝码、电子天平组成，微型轴承通过芯轴安装在驱动电主轴上。支架部分由底座和支撑座组成，将驱动空气电主轴固定于支撑座中。

测量时，如图3、4所示，通过一根柔绳两端连接的径向加载砝码和测量砝码悬挂于被试轴承外部轴承室外圆表面的狭小V形环槽内，并用一螺钉进行固定，测量砝码放置于所述电子天平托盘的中心位置。

通过驱动电主轴带动输出端安装被试轴承的芯轴及被试轴承内圈等高速旋转，而轴承外圈和轴承室则由于柔绳与轴承室之间的摩擦力以及固定螺钉作用，仅产生顺时针旋转趋势和提起测量砝码的趋势，但由于测量砝码的重量足够大，因此实际中并不会发生运动，从而导致电子天平上重量示数值会发生减小。通过设定或改变驱动电主轴的变频器，从而可以设定或改变电主轴的转速，通过改变径向加载砝码的大小，从而可以实现轴承径向载荷的调节，而轴承的轴向预载荷则需要在安装之前进行调定。

2.3 微型轴承轴向加载

如图4所示，对于角接触球轴承，两被试轴承需要背对背安装，2个被试轴承之间设置有外隔圈、内隔圈和波形弹性圈等，外部设置有被试轴承室(质量为m3)，利用外隔圈、内隔圈和波形弹性圈的宽度差致使波形弹性圈产生一定的压缩量，从而对被试轴承施加轴向载荷。

3 数据采集系统设计

3.1 硬件配置

文中所使用的上位机为安装Windows10 操作系统和软件Labview的计算机。该计算机与下位机电子天平Precisa(型号为XB320M，见图5) 。同样带有RS232串口，通过RS232通信电缆来实现数据的双向传输。通信电缆采用Z-TEK屏蔽双绞线，适用于RS232 通信协议，实现计算机与电子天平的通信[7]。

3.2 软件配置

通过Labview图形化语言编制微型轴承摩擦力矩采集程序，如图6所示，控制发送命令对信号进行读取、存储、显示。

采集程序共分4个模块，分别是参数设置模块、转速采集与控制模块、摩擦力矩采集模块、信息存储模块。

参数设置模块：实现串口选择、通信协议设置、采集频率设置、报警条件设置。

转速采集与控制模块：实现被试轴承实时转速的采集与转速的控制。

摩擦力矩采集模块：实现动态摩擦力矩的实时采集以及变化趋势的呈现。

信息存储模块：实现实时转速、摩擦力矩的信息存储，方便对其进行数据的提取与处理。

Precisa电子天平通过RS232 串口连接计算机， RS232 连接线长度应在15 m内，否则信息传输不准确，影响信息正常交换。协议主要参数设置为:9600波特传输速度；奇偶校验设置为奇：1个停止位；信息以ASCII 字符形式传输。硬件信号交换采用3线的接口，软件信号交换采用XON 和XOFF[8]。串口通信应用面广，无论是计算机之间，还是计算机与其他设备间通信，都能较好地实现工业控制。

4 伺服试验机性能测试

4.1 被试轴承参数

为验证伺服试验机性能，以某公司生产的微型球轴承为被试轴承，该微型球轴承引导方式为内圈引导，具体参数如表2所示；采用特4#精密仪表油，测试前将1～2滴润滑油滴入被测轴承的沟道[9]，环境温度为20 ℃。

4.2 试验结果及分析

微型球轴承摩擦力矩测试系统如图8所示。试验中对一对轴承施加轴向载荷7 N，径向载荷1.56 N(其中被试轴承室施加0.16 N，径向加载砝码施加1.4 N)。为了验证伺服试验机性能，在电机转速为6 000～15 000 r/min时进行了4次试验[10-11]，试验结果如图9所示。

在6 000～15 000 r/min转速下轴承动态摩擦力矩变化趋势平稳；摩擦力矩随着转速的升高而增加；在稳定转速下摩擦力矩有先下降然后趋于平稳的趋势，这是由于轴承内部温度升高影响内部润滑油黏度从而影响摩擦力矩变化趋势。

5 结论

(1) 根据平衡力矩法测试原理研制一种伺服试验机，其采用高精度电子天平和高速电主轴等技术，可以模拟轴承的实际工况，测试精度高，并可进行长时期测试等。

(2) 实际使用和试验测试结果表明，研制的伺服试验机的测试原理正确，系统设计合理，可以实时测试轴承内部的动态摩擦力矩，实时显示轴承内部摩擦力矩的动态变化曲线，便于用户对轴承内部的动态摩擦力矩变化情况进行直观和综合分析。