王立超，陽雪兵，李興林，章 滔，王連吉*

（1. 大連理工大學(xué)，遼寧 大連 116023；2. 哈電風(fēng)能有限公司，湖南 湘潭 411100；3. 杭州軸承試驗(yàn)研究中心有限公司，浙江 杭州 310022；4. 機(jī)械工業(yè)軸承產(chǎn)品質(zhì)量檢測中心（杭州）ISO/IEC 檢測/校準(zhǔn) CNASL0309，浙江 杭州 310022）

1 前言

徑向游隙是大型三排圓柱滾子軸承重要的技術(shù)指標(biāo)，其很大程度上決定著大型三排圓柱滾子軸承的使用性能和使用壽命能否達(dá)到技術(shù)要求[1]。

大型軸承套圈在加工完成以后，其形狀一般為非正圓，因此存在長軸與短軸，反映在徑向游隙上，就存在最大值和最小值。目前測量大型三排圓柱滾子軸承的徑向游隙的方法主要是測幾個(gè)點(diǎn)位置的徑向游隙值，然后取其平均值來作為最終的徑向游隙值[2]，由于測點(diǎn)有限,不能真實(shí)反映出大型三排圓柱滾子軸承的徑向游隙，同時(shí)，也無法判斷軸承內(nèi)外圈的最大、最小徑向游隙值的方向，鑒于此，本文設(shè)計(jì)了一套風(fēng)電主軸三排圓柱滾子軸承徑向游隙測量設(shè)備，并應(yīng)用于生產(chǎn)當(dāng)中。

2 徑向游隙測量的方法和原理

利用位移傳感器對軸承內(nèi)外圈進(jìn)行 360°掃描，得到軸承內(nèi)外圈相對于其零點(diǎn)的位移尺寸，通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行擬合，得到內(nèi)外圈的形狀。然后夾緊內(nèi)外圈某一位置（角度α位置）測出其徑向間隙值。

如圖 1 所示，圖中所示α角位置的徑向間隙值可由上述所測得的值與圖形上所示的δ對應(yīng)位置進(jìn)行比較，可按該比例算出其他任意位置對應(yīng)的間隙值。取圖形上均勻分布的n個(gè)角度，分別計(jì)算其徑向間隙，然后根據(jù)軸承游隙定義，通過圓心的兩個(gè)方向的n個(gè)間隙值相加，取其算術(shù)平均值，即得出徑向游隙平均值。

對于大型三排圓柱滾子軸承來說，其內(nèi)外圈的形狀一般為非正圓，因此在裝配成軸承成品后，其徑向游隙在各個(gè)位置是不相等的。當(dāng)外圈滾道的長軸與內(nèi)圈滾道的短軸重合時(shí)，此時(shí)測得的徑向游隙為最大值，當(dāng)外圈滾道的短軸與內(nèi)圈滾道的長軸重合時(shí)，此時(shí)測得的徑向游隙值為最小值。找出徑向游隙的最大值、最小值及其位置，在工程實(shí)踐當(dāng)中有一定的指導(dǎo)意義，本文利用旋轉(zhuǎn)卡殼法來找出軸承套圈的長短軸，進(jìn)行徑向游隙最大值與最小值的測量。

旋轉(zhuǎn)卡殼法是利用對踵點(diǎn)對進(jìn)行凸多邊形或光滑表面長短軸確定的方法，所謂的對踵點(diǎn)對指的是凸多邊形或者光滑表面上由一對平行線相切于凸多邊形或光滑表面的邊界，其切點(diǎn)對即為一對對踵點(diǎn)對（如圖 2）。

圖 1 徑向間隙的測量圖形

圖 2 對踵點(diǎn)對

在確定軸承內(nèi)外圈長軸時(shí)，確定長軸的對踵點(diǎn)對不可能在軸承內(nèi)外圈的內(nèi)部，因此只需要利用旋轉(zhuǎn)卡殼法在軸承內(nèi)外圈邊界上搜索長軸的對踵點(diǎn)對即可。其具體流程如下[3]：

（1）找出軸承內(nèi)外圈形狀上一對X方向上的端點(diǎn)，稱之為A和B，見上圖。

（2）構(gòu)造通過A點(diǎn)，B點(diǎn)的一對平行切線，由于它們已經(jīng)是一對對踵點(diǎn)了，計(jì)算出他們之間的距離，并保存為當(dāng)前距離的最大值。

（3）旋轉(zhuǎn)上述的平行切線，直至一條平行線與軸承內(nèi)外圈形狀上的一條邊重合為止。

（4）由此產(chǎn)生一對新的對踵點(diǎn)，計(jì)算他們之間的距離，并與之前距離的最大值進(jìn)行比較，若大于當(dāng)前最大值，則對當(dāng)前最大值進(jìn)行更新，若小于當(dāng)前最大值，則舍棄該對對踵點(diǎn)。

（5）重復(fù)（3）和（4）步驟，直至重現(xiàn)對踵點(diǎn)A點(diǎn)和B點(diǎn)。

（6）輸出距離最大值的對踵點(diǎn)點(diǎn)對，完成對于軸承內(nèi)外圈形狀長軸的位置計(jì)算，并結(jié)束計(jì)算流程。

在完成對于軸承內(nèi)外圈長軸的確定之后，軸承內(nèi)外圈的短軸的計(jì)算流程和長軸的相似，唯一不同的是計(jì)算短軸需要保存對踵點(diǎn)之間最小的距離值并即時(shí)進(jìn)行更新，直至重現(xiàn)原始點(diǎn)對為止，最終得到軸承內(nèi)外圈短軸的位置。

由上述得到的長短軸位置，將軸承內(nèi)外圈長短軸進(jìn)行重合，利用上述測量原理，完成徑向游隙最大值與最小值的測量。

3 測量裝置的結(jié)構(gòu)

基于以上徑向游隙測量，設(shè)計(jì)出相應(yīng)的徑向游隙測量裝置，其結(jié)構(gòu)簡圖如下：

圖 3 測量裝置簡圖

由圖 3 可知，該軸承徑向游隙測量裝置由支撐臂組件、壓板、被測軸承、旋轉(zhuǎn)掃描機(jī)構(gòu)、夾緊機(jī)構(gòu)等組成。采用固定外圈，移動(dòng)內(nèi)圈的方式進(jìn)行徑向間隙的測量，其測量過程如下：將被測軸承吊裝到試驗(yàn)裝置臺面上，調(diào)整被測軸承中心，使其與回轉(zhuǎn)中心的同心度不大于 5mm，然后利用測量桿上位移傳感器，分別掃描軸承內(nèi)外圈上的兩個(gè)止口，從而測出內(nèi)外圈的相對形狀，利用上述測量方法完成徑向游隙的測量。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

隨機(jī)抽取10套規(guī)格為φ1 816×φ2 195×150mm 的 130.45.2000 型三排圓柱滾子軸承作為測量對象，分別利用本文所提到的方法與傳統(tǒng)方法在測量裝置上進(jìn)行徑向游隙的測量，得到如下數(shù)據(jù)結(jié)果，參見表 1 和圖 4。

表1 10組徑向游隙測量值 μm

圖 4 10 組徑向游隙測量值

然后對上述被測軸承進(jìn)行徑向游隙最大值與最小值的測量，數(shù)據(jù)結(jié)果見表 2：

表2 徑向游隙最大值與最小值的測量 μm

由上述圖表可知：

（1）利用本文方法測量得到的徑向游隙均值與用傳統(tǒng)方法測量得到的徑向游隙值，兩者差距最大 6μm，最小 0μm，差距微小，由此本文中的測量方法可作為傳統(tǒng)方法的替代方法。

（2）對于徑向游隙最大值與最小值的測量，其徑向游隙最大值的均值為 256.5μm，標(biāo)準(zhǔn)差為 6.2μm，其徑向游隙最小值的均值為213.8μm，標(biāo)準(zhǔn)差 3.4μm，徑向游隙最大值與最小值的離散程度較小，可為徑向游隙的測量提供一定的參考。

5 誤差分析

以上測量數(shù)據(jù)，存在以下幾個(gè)方面的誤差：

（1）旋轉(zhuǎn)主軸的徑向跳動(dòng)誤差

由于傳感器固定在測量桿上，在驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)主軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)掃描時(shí)，旋轉(zhuǎn)主軸的徑向跳動(dòng)會(huì)造成測量誤差。對于本測量裝置來說，旋轉(zhuǎn)主軸的徑向跳動(dòng)在 7 ~ 8μm之間，跟本文方法測出的徑向游隙均值相比，其相對誤差為 3 ~ 3.5%，因此可忽略不計(jì)。

（2）旋轉(zhuǎn)主軸與支撐臂平面的垂直度誤差

理論上四個(gè)支撐臂所形成的水平面應(yīng)保持絕對水平，以保證軸承內(nèi)外圈端面的水平，但在實(shí)際徑向游隙測量中，四個(gè)支撐臂所形成的平面與理論水平面存在誤差。為此可先用水平儀對四個(gè)支撐臂所形成的平面進(jìn)行初步調(diào)平，然后分別利用尺寸較小的軸承與尺寸較大的軸承對四個(gè)支撐臂所形成的平面做進(jìn)一步的水平校核，從而保證旋轉(zhuǎn)主軸與支撐臂平面的垂直度在 0.02mm之內(nèi)。假設(shè)軸承幅高 0.5m，經(jīng)計(jì)算在旋轉(zhuǎn)測量時(shí)形成的誤差為 0.02mm，跟本文方法測出的徑向游隙均值相比，其相對誤差為 8 ~ 8.7%，因此可忽略此誤差。

（3）夾緊時(shí)引起的變形誤差

在對軸承內(nèi)外圈進(jìn)行夾緊的過程中，軸承內(nèi)外圈及圓柱滾子會(huì)產(chǎn)生微弱的變形，由此也會(huì)產(chǎn)生一定的測量誤差，但經(jīng)過有限元計(jì)算，該測量誤差與本文方法測出的徑向游隙均值相比，其相對誤差為 0.5% 左右，因而忽略此誤差。

（4）止口與滾道的不同軸度引起的測量誤差

此誤差由軸承制造產(chǎn)生，為系統(tǒng)誤差。

（5）安裝軸承時(shí)軸承圓心與傳感器回轉(zhuǎn)中心不同軸度所產(chǎn)生的誤差

采用掃描法測量軸承內(nèi)外圈形狀，理論上是不會(huì)產(chǎn)生測量誤差，但在實(shí)際測量過程當(dāng)中，考慮到傳感器的量程，因此安裝時(shí)對同心度有一定要求。

（6）傳感器測量誤差

本裝置所使用的傳感器測量誤差是 0.5μm，因此可以忽略此誤差。另外傳感器與軸承止口表面夾角也可產(chǎn)生一定的測量誤差，因此在測量時(shí)，盡量保證傳感器測量桿與被測表面保持垂直。

綜上所述，除軸承本身制造誤差之外，本測量裝置所產(chǎn)生的相對誤差大約 10% 左右，在誤差允許范圍之內(nèi)。

6 結(jié)論

通過對實(shí)際軸承徑向游隙的測量，可得出以下結(jié)論：

（1）該測量設(shè)備能夠真實(shí)有效地測量出軸承內(nèi)外圈的相對形狀與徑向游隙，測量的相對誤差在 10% 的范圍內(nèi)。

（2）用掃描法測量的軸承徑向游隙，更能反映軸承徑向游隙的實(shí)際狀況。

（3）基于旋轉(zhuǎn)卡殼法測得的軸承徑向游隙的最大值、最小值，以及方向，在軸承裝配時(shí)有更好的指導(dǎo)意義。