基于磁悬浮轴承的角接触轴承摩擦力矩试验机及测量方法

1.本发明属于轴承测试领域，具体涉及一种基于磁悬浮轴承的角接触轴承摩擦力矩试验机及测量方法。


背景技术：

2.摩擦力存在于两个相互作用的物体包括物体内分子之间之间，一般分为内摩擦和外摩擦。内摩擦指材料分子间存在的摩擦力，如液体的粘度、固体的减振和吸振等就是材料内摩擦作用的结果。外摩擦指两物体间相互运动或有相互运动趋势时存在的摩擦力，分为动摩擦和静摩擦。摩擦力总是阻碍物体间的相互运动，当摩擦力与运动物体绝对速度瞬心间存在距离时就产生摩擦力矩。摩擦力、摩擦力矩存在于运转着的轴承中它阻碍轴承的运动，产生摩擦热。
3.轴承摩擦力矩的量值直接影响轴承寿命，是影响主机系统的可靠性和精确性的重要因素，是轴承设计时必须考虑的主要因素，运动物体从滑动到滚动的革命正是为了减少摩擦提高运动物体的寿命和精度。国内外对轴承的摩擦研究十分重视，轴承的动力学设计就是以摩擦力矩为主要出发点的。
4.球轴承的摩擦力矩是一个十分复杂的问题，它不仅与轴承本身的结构尺寸、几何精度、材料及热处理性能有关，还与工作载荷、装配精度、润滑条件及环境参数有关，是一个非平稳的周期性的随机过程。定量研究和测量轴承摩擦力矩一直是世界轴承行业和主机单位的尖端课题。目前世界各国对于精密轴承摩擦力矩有了定量的分析要求。轴承摩擦力矩测量技术的研究目的就是研究如何合理评定，准确测量轴承的摩擦力矩，为改进轴承设计参数、改进加工工艺和分析轴承摩擦力矩的影响因素，提供一个可靠的手段，从而提高轴承质量，提高主机精度，满足使用单位对轴承摩擦性能的技术要求，这对尖端科学技术的发展和国防建设都有着重要意义。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种基于磁悬浮轴承的角接触轴承摩擦力矩试验机及测量方法，以准确获得角接触轴承摩擦力矩，为改进轴承设计参数、改进加工工艺提供可靠的依据，并有利于提高轴承质量和主机精度，满足使用单位对轴承摩擦性能的技术要求。
6.为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种基于磁悬浮轴承的角接触轴承摩擦力矩试验机，包括试验机主体、磁悬浮轴承系统、变频调速系统和试验监控系统，所述磁悬浮轴承系统安装在试验机主体上，用于控制试验机主体的主轴轴向浮动，所述变频调速系统安装在试验机主体上，用于驱动所述主轴旋转；所述主轴上连接试验轴承的一端安装能够随主轴运动的上间隙调整垫以及上压紧螺母，上间隙调整垫的外圆面为台阶轴面，上压紧螺母和主轴螺纹连接，上压紧螺母和上间隙调整垫之间设置能够随主轴运动的上碰撞垫片；所述试验轴承的内圈和上间隙调整垫外圆面的小直径段之间留有第二调整间隙l2，所述内圈的一端端面和所述上间隙调整垫的台阶面之间留有第三调整间隙l3，根据
主轴的轴向位置不同，所述内圈的另一端和所述上碰撞垫片接触传动或形成第一调整间隙l1；所述试验监控系统包括速度传感器和计时器，速度传感器用于监测试验轴承的内圈转速，计时器用于记录所述内圈的停车时间。
7.第一调整间隙l1、第二调整间隙l2和第三调整间隙l3之间的数量关系为：l3＞l1=2l2，且l1为0.55mm-0.75mm。
8.作为一种选择，所述主轴上相对于试验轴承的另一端安装有陪试轴承。
9.进一步的，所述主轴上安装有能够随主轴运动的下碰撞环，所述陪试轴承的内圈和下碰撞环的外圆面之间留有第四调整间隙l4。
10.更进一步的，第一调整间隙l1、第二调整间隙l2、第三调整间隙l3和第四调整间隙l4之间存在以下数量关系：l3＞l1=2l2=2l4，且l1为0.55mm-0.75mm。
11.具体的，所述磁悬浮轴承系统包括径向磁悬浮轴承和轴向磁悬浮轴承。
12.进一步的，所述径向磁悬浮轴承设置两个，并沿主轴轴向间隔设置，两个径向磁悬浮轴承之间的主轴部分设置有大直径段；所述轴向磁悬浮轴承设置两个，并分别和主轴上所述大直径段的两个端面相对设置。
13.作为另一种选择，所述主轴竖向设置，试验轴承和陪试轴承分别设置在主轴的上下两端，在主轴的下部还连接有重量调整组件，以增加并调整主轴的配重。
14.一种基于磁悬浮轴承的角接触轴承摩擦力矩测量方法，该方法利用以上所述的试验机进行，首先，试验机中变频调速系统的电机驱动主轴带动试验轴承的内圈旋转至预设转速，然后磁悬浮轴承系统中的轴向磁悬浮轴承通电加磁，将主轴浮起，上间隙调整垫片随主轴向上移动并将上碰撞垫片和上压紧螺母顶起，使得上碰撞垫片和试验轴承的内圈分离，同时计时器开始记录试验轴承内圈的停车时间；根据试验轴承内圈的转速和停车时间，通过、f=ma和m=f
·
l计算得出试验轴承的摩擦力矩m，其中a为加速度、v
t
为试验轴承内圈的预设转速、v0为停车转速、m为试验轴承质量、f为摩擦力，l为摩擦力的力臂。
15.在电机驱动主轴旋转的同时，磁悬浮轴承系统中的径向磁悬浮轴承通电加磁。
16.本发明的有益效果是：本发明可以通过直接测量试验轴承内圈被电机传动主轴带动的转速，以及测量峰值转速至停车的时间，间接通过计算公式测得轴承摩擦力矩的数值。本发明中利用磁悬浮轴承系统优化传动方式，能保证主轴旋转时良好的对中性、良好的稳定性的同时，较为简易地实现一定范围内滚子轴承的互换，能实现控制、操作、分析、计算等皆简易化的目的；精准的时间、速度的测量更直接影响或使得最终间接计算得的摩擦力矩精确度更高。
17.本发明中，可通过更换间隙调整组件，如上间隙调整垫（调整垫的厚度）等来实现不同轴承内径安装，实现一定范围的轴承适用性，也增加了本发明的实用性。
附图说明
18.图1为本发明所述试验机的结构示意图；图2为本发明中试验轴承安装结构示意图；图3为本发明中试验轴承的上间隙调整组件的结构示意图；图4为本发明中磁悬浮轴承安装结构示意图；
图5为本发明中陪试轴承安装结构示意图；图6为本发明中陪试轴承的下间隙调整组件的结构示意图；图7为本发明中重量调整组件的结构示意图；图中标记：1-下底板；2-l型角铁；3-上底板；4-下法兰.；5-壳体；6-磁悬浮轴承安装座；7-电机座；8-电机水套；9-电机定子；10-电机转子；11-电机平衡环；12-试验轴承安装座；13-上传感器座；14-上压紧螺母；15-上碰撞垫片；16-上压盖.；17-上间隙调整垫；18-限位防护板；19-主轴；20-径向磁悬浮轴承；21-调整环；22-轴向磁悬浮轴承；23-轴向间隙调整环；24-配重盘调整环；25-配重盘；26-下过渡环；27-配重盘压帽；28-下碰撞环；29-陪试轴承安装座；30-下传感器座；31-下防护环；32-下压盖；33-下压紧螺母；34-配重盘锥套；100-试验轴承；200-陪试轴承。
具体实施方式
19.下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明，但并不作为对发明做任何限制的依据。
20.实施例1：基于磁悬浮轴承的角接触轴承摩擦力矩试验机，包括试验机主体、磁悬浮轴承系统、变频调速系统和试验监控系统。
21.如图1所示，所述试验机主体主要包括下底板1、上底板3、磁悬浮轴承安装座6、电机座7、试验轴承安装座12、主轴19、陪试轴承安装座29和电机。所述磁悬浮轴承系统包括径向磁悬浮轴承20和轴向磁悬浮轴承22。
22.所述下底板1与地面牢固固定，下底板1上固定两块l型角铁2，一起支撑整台试验机。在两块l型角铁2上端固定连接有上底板3，上底板3的上表面和下法兰4连接，试验机主体的壳体5下端固定在下法兰4上，壳体5的上端和电机座7连接。所述的陪试轴承安装座29通过下过渡环26与所述下法兰4固定连接，陪试轴承安装座29内安装用于保护、支撑主轴19的陪试轴承200，陪试轴承200采用深沟球轴承。所述电机座7内安装用于驱动主轴19旋转的电机，电机定子9与电机座7固定连接，电机转子10安装在主轴19的中部。所述试验轴承安装座12和电机座7的上端固定连接，试验轴承安装座12内的试验轴承100为角接触球轴承，安装在所述主轴19上端。
23.如图1、4所示，所述壳体5内还设置有所述的磁悬浮轴承安装座6，磁悬浮轴承安装座6的两端分别和所述下法兰4及电机座7连接，磁悬浮轴承安装座6内设置有轴向磁悬浮轴承22和径向磁悬浮轴承20。径向磁悬浮轴承20设置两个，并上下间隔设置，径向磁悬浮轴承20的定子安装座安装在所述磁悬浮轴承安装座6的内侧，径向磁悬浮轴承20的定子安装在定子安装座内，以主轴19作为径向磁悬浮轴承20的转子，两个径向磁悬浮轴承20通电加磁后，可实现主轴19的良好对中性，使得主轴19旋转稳定，不发生大程度振荡。所述轴向磁悬浮轴承22也设置两个，位于两个径向磁悬浮轴承20之间，且上下间隔设置，在主轴19上设置有大直径段，上方的轴向磁悬浮轴承22和大直径段的上端面相对设置，下方的轴向磁悬浮轴承22和大直径段的下端面相对设置，两个轴向磁悬浮轴承22通过加磁和断磁，使得主轴19可完成依靠磁力浮起与依靠重力跌落的过程。
24.所述主轴19在轴心上集成电机转子、间隙调整组件和重量调整组件构成试验所需的旋转轴系。间隙调整组件包括上间隙调整组件和下间隙调整组件。
25.如图1-3所示，所述上间隙调整组件设置在试验轴承安装座12内，包括上压紧螺母14、上碰撞垫片15和上间隙调整垫17。根据需要在试验轴承安装座12内设置上传感器座13，以安装必要的传感器，如位移、温度、振动传感器等，本发明中仅测试试验轴承的摩擦力矩，因此暂时不需要在此安装传感器。所述的上间隙调整垫17安装在主轴19上，并随主轴19运动，上间隙调整垫17为空心台阶轴，其外圆面为台阶轴面，所述试验轴承100位于台阶轴面的小直径段，试验轴承100的外圈安装在所述上传感器座13上，外圈下端支撑在上间隙调整垫17和上传感器座13之间的上限位防护板18上，由试验轴承安装座12的上压盖16压紧试验轴承外圈和上传感器座13；如图3所示，试验轴承100的内圈和上间隙调整垫17外圆面之间留有第二调整间隙l2，内圈和上间隙调整垫17的台阶面之间留有第三调整间隙l3，在所述轴向磁悬浮轴承22加磁和断磁时，主轴19可以相对于试验轴承100的内圈轴向活动。在主轴19上安装有上压紧螺母14和上碰撞垫片15；上压紧螺母14螺纹连接在主轴19上，并将上碰撞垫片15压在试验轴承100的内圈以及上间隙调整垫17的上端面，通过上压紧螺母14的预紧和主轴轴系自重实现上碰撞垫片15的预压紧，此时上碰撞垫片15和试验轴承内圈的端面接触，从而实现主轴19对试验轴承内圈的驱动，并带动试验轴承内圈旋转至设定转速，。在轴向磁悬浮轴承22通电加磁时，主轴19向上浮起，带动所述上碰撞垫片15脱离试验轴承内圈端面，上碰撞垫片15和试验轴承内圈端面之间形成第一调整间隙l1。为了适应不同试验轴承的尺寸规格，可以通过修配上碰撞垫片15的端面，使得第一调整间隙l1能够达到实验要求的轴向间隙。同理，通过修配上间隙调整垫的外径及端面尺寸，使得第二调整间隙l2及第三调整间隙l3达到试验所要求的径向间隙和轴向间隙。当更换试验轴承100时，就需要更换上间隙调整垫17，以确保两者之间的间隙尺寸符合实验要求。
26.继续参考图2、3所示，进一步的，所述上压紧螺母14和上碰撞垫片15的最大外径均小于试验轴承内圈的最大直径，即从外界可以观测到内圈甚至轴承球体的运动情况，以便于速度传感器测速。
27.如图1、5、6所示，所述下间隙调整组件包括下碰撞环28、下防护环31和下压紧螺母33，下碰撞环28套设固定在主轴19下端，陪试轴承200的外圈安装在陪试轴承安装座29内，并由下压紧螺母33和下防护环31轴向定位，陪试轴承200的内圈和下碰撞环28之间留有第四调整间隙l4。通过修配下压紧螺母33的外径尺寸，使得第四调整间隙l4可以达到指标所要求的径向间隙的要求。当更换陪试轴承200时，就需要更换下压紧螺母33，以确保第四调整间隙的尺寸符合试验要求。
28.本发明中磁悬浮轴承系统中轴向磁悬浮轴承气隙的大小和上间隙调整垫与试验轴承内圈间的距离应相互协调，上间隙调整垫与试验轴承内圈距离过小，在轴向磁悬浮轴承加磁，主轴浮起时，会出现试验轴承内圈也被上间隙调整垫带起，此时由于轴承内圈受外界摩擦力，不但不能测得试验轴承的主体摩擦力矩，更可能损坏试验机，带来不必要的人身安全隐患和财产损失。
29.因此，第一调整间隙l1、第二调整间隙l2、第三调整间隙l3和第四调整间隙l4之间存在以下数量关系：l3＞l1=2l2=2l4=s=0.6mm，其中s为轴向磁悬浮轴承气隙。
30.如图1、7所示，所述重量调整组件用于为主轴19增加配重，并根据试验要求调整配重。所述重量调整组件包括配重盘25、配重盘调整环24、配重盘压帽27和配重盘锥套34等。配重盘25装在配重盘锥套34的外圆柱面上，配重盘压帽27通过螺纹将配重盘25及配重盘锥
套34压紧在主轴19的锥面上，锥面加工时配做，保证配合度，因此可以保证安装后配重盘25的定心精度很高，锥面定位好处是拆装多次不丧失精度。配重盘压帽27上安装有防松顶丝，顶丝顶紧配重盘锥套34端面，防止高速运转后配重盘25从锥面松脱。配重盘调整环24安装在主轴19上，并位于配重盘25和下方的径向磁悬浮轴承20之间，用于限定配重盘25和径向磁悬浮轴承20的间距。
31.综合上述结构，试验机主体给试验轴承外圈施加预负荷的三种加载方式：一种是通过配重盘加载预负荷，一种是通过上压紧螺母加载预负荷，一种是主轴和各零部件组件的重量皆可作为固定轴承外圈的预负荷。
32.所述变频调速系统包括变频调速电机、变频器及速度反馈系统和计算机系统，该部分结构可以采用市售产品进行连接，因此部分结构未在图中显示，所述的变频调速电机就是上述试验机主体的电机座中安装的用于带动主轴旋转的电机。计算机系统通过通讯及速度反馈系统与变频器建立联系，可以读取变频器中参数，可以向变频器发出调整电机转速指令控制变频器输出频率，满足指标要求的200～1000r/min可调速要求。变频调速电机包括电机转子10、电机定子9、电机水套8、电机座7、电机平衡环11等。
33.所述试验监控系统，包括速度传感器、秒表等。本试验机用到的速度传感器是红外测速传感器，通过支架支立在试验机外侧，监测试验轴承内圈的转速，速度传感器发射光束通过上碰撞垫片和上压盖之间的空隙直接射触到轴承内圈以获得精确的转速数值，从而利用秒表间接测得轴承从峰值转速至停车的时间。
34.实施例2：在利用本发明的试验机进行角接触球轴承的摩擦力矩测量时，试验机中的电机驱动主轴19带动试验轴承100的内圈旋转至预设转速后，轴向磁悬浮轴承22通电加磁，将主轴19浮起，上间隙调整垫17随主轴19向上移动，将上碰撞垫片15及上压紧螺母14顶起，使得上碰撞垫片15和试验轴承100的内圈分离，此时试验轴承100的内圈除自身摩擦外无任何外界输入摩擦。与此同时，计算机系统自动开启计时。计时直到速度传感器测得试验轴承内圈速度为零，即试验轴承内圈自由停车时，停止计时，得出自由停车所耗时间，轴承摩擦力矩作为负载力矩会消耗能量，消耗的能量与轴承摩擦力矩存在线性关系，通过测量驱动单元消耗的能量即可得出轴承摩擦力矩。
35.进一步的，根据试验轴承内圈的转速和停车时间，通过公式：、f=ma（a为加速度、v
t
为试验轴承内圈的预设转速、v0为停车转速、m为试验轴承质量、f为摩擦力）可以计算得出试验轴承自身的摩擦力f，再根据公式：m=f
·
l计算得出试验轴承的摩擦力矩m，其中的l为力臂。
36.以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，所属领域的普通技术人员应当理解，参照上述实施例可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换均在申请待批的权利要求保护范围之内。