激光测距传感器在超微圆柱滚子动平衡检测中的应用
激光测距传感器在超微圆柱滚子动平衡检测中的应用
作者:隋新;刘春阳;李济顺;马伟;姜海军
0 引 言
高速精密滚动轴承中超微滚子的动不平衡问题会使滚子产生周期性离心力,加剧轴承的公转打滑、自旋滑动和滚子歪扭等,恶化轴承表面摩擦磨损和烧蚀情况,引起滚子端面偏心磨损与保持架磨损,激发保持架产生共振及交变应力甚至导致保持架疲劳破坏。国外企业将超微滚子动平衡检测方法列入企业核心技术而对外严格保密—以国际著名轴承企业德国舍弗勒公司为例,其生产的航空发动机配套轴承中的每颗滚子都经过激光测距传感器高精度动平衡检测,但该项技术对我国严格封锁,专利、论文等任何形式的研究成果均未见报道,针对高精度轴承超微圆柱滚子的动平衡检测技术在国内尚属空白。
自20 世纪50 年代以来,转子动平衡技术进入了针对高速重载工况的柔性转子动平衡阶段,常用方法包括模态平衡法[1]、影响系数法[2-3]和全息谱动平衡法[4-5]等,主要针对大中型转子而较少涉及超微滚子动不平衡检测问题,往往借 助压电式传感器测量转子振动响应并提取动平衡量[6-7]。
与常规转子不同,高速精密滚动轴承中的圆柱滚子尺寸小(直径≤10 mm,长径比接近1∶1)、质量轻(约为3~5g)、不平衡质量微小(mg量级)且驱动难度大,其 振幅往往在 μm 量级且变化速率较
快,如采用传统的压电式传感器将带来 被测对象的附加质量变化,难于有效、准确测量微型滚子的振动响应幅度。
激光测距传感器凭借其测距精度高、测 量速度快、方向性好、设备结构简单、非接触式测量等优点而在航天、航海、军事、医 疗、工 业、铁 路等领域取得了广泛应用[8-9],本文利用激光测距传感器上述特性,设计了基于激光测距传感器 的非接触式超微滚子动平衡测试系统,对超微圆 柱滚子的动不平衡量进行了检测和分析,避免了 因使用接触式压电传感器对振动摆架带来的寄生质量和附加刚度,提高被测滚子振幅测量精度与响应速度, 解决超微圆柱滚子动不平衡检测中面临的技术难题。
1 超微滚子动平衡测量原理
1.1 超微滚子动平衡检测动力学模型
本文以传统的模态分析法为基础,结合超微滚子动平衡检测的要求,设计了超微滚子动动平衡测试振动摆架。在图1(a)中,被测微型滚子置于摆架的 V 型滑块之上(整个摆架由弹性杆支撑),在传动皮带驱动下以速度ω 旋转;整个摆架简化后的振动响应动力学模型如图 1(b)所示,其中 m0 为滚子不平衡质量,e为不平衡质量的偏心半径,m 为摆架与待测超微滚子的质量,c 为摆架阻尼系数,k 为摆架支撑在x方向的刚度。由于不平衡量 m0的存在,滚子旋转时产生的离心力 F0 使摆架沿x 方向作周期性振动,其振动响应满足动力学方程组)反映了摆架在滚子微小平衡量作用下的稳态振动响应幅度,可用于提取微小滚子动平衡量大小及相位。式(5)中λ 满足λ2=1/(1-2 2)时,摆架振幅B 取得极大值。实际问题中一般ζ 很小,故可以认为当λ≈1即ω≈ωn 时摆架振幅B 出现极大值,可将此频段称为摆架共振区,并利用机械共振对摆架振幅的机械放大效果增强振幅测量值以改进对微小不平衡量的提取。通过式(5)可知质量为 mg 的微小动不平衡量产生的振幅约为 μm 量级,传统的压电式传感器难于满足测量灵敏度要求,且会带来附加刚度与寄生质量,因此能否有效测量摆架振幅是解决超微滚子动平衡量检测所面临的关键问题。
1.2 激光测距传感器工作原理
为满足1.1 小节中提出的高精度测量需求,本文采用基于三角形测量法[11]的激光测距方法测量微小动平衡量振动响应幅度,其原理如图
所半导体激光束发出一束单点激光,该激光照射到被测物体表面,并由接收透镜组接收来自入射光点的散射光并在 CCD 上成像,当被测物体由位置1移至位置2 时,CCD 上的光学成像点也将移动一定距离,并影响传感器输出的电位信号,
1.3 超微滚子转速测量方法
超微滚子转速信息也是提取动不平衡量的关键参数。本文采用如图 3 所示的激光脉冲计数法精确测量滚子转速信息。通过测量电信号的值就可以反映出物体的位移量。在图3所示的激光脉冲计数法测试方法中,采用反光漆将滚子端面的二分之一涂黑作为反光标记(质量可忽略不计),当待测滚子每转一圈时激光传感器将产生一个方波信号,单位时间内产生方波信号的数目即滚子的转速。假设激光传感器单位时间内产生n 个方波信号,则滚子的角速度为ω=2πn(rad/s)。
2 基于激光测距的超微滚子动平衡检测系统设计
在前述3小节的驱动系统和测试原理基础上, 本文给出了基于激光测距的超微滚子动平衡检测系统,其原理如图4所示。
在图4所示的动平衡测试系统中,激光测距传感器与激光计数传感器固定在动平衡机的机架上, 沿提高测量激光的反射率,并方便对焦。当摆架在伺服电机驱动下做x 方向的水平振动时,激光测距传感器测量摆架振幅并采集接收 CCD 感应到的电位模拟信号,同时利用激光传感器测量滚子转速信号, 两路模拟信号经测控系统转换为数字信号处理后发送至上位机,由上位机计算超微滚子动平衡量大小及相位并显示给测试用户。
为测量摆架微米量级振幅,测试系统选用 Key- enceLK-H020 高精度激光测距传感器作为动不平衡量测量装置,其输出激光的波长为655nm,光斑直径 为 25 μm,功 率 为 4.8 mW,测 量 范 围 为±3 mm,再现性为0.02μm,可以满足对超微滚子的动不平衡量的测量。待测滚子转速一般低于200 Hz,故选用响应时间为50μs的激光脉冲计数传感器(测试频率最高为20kHz),可以满足对滚子测速的高精度测量要求
3 超微滚子动平衡测量实验
3.1 实验用滚子准备
为检验所设计的基于激光测距的超微滚子动平衡检测系统的有效性,本 文选用长度和高度均为9 mm的高精度轴承圆柱滚子2颗,采用激光去重法在距滚子几何中心3 mm 的半径方向上烧去一部分质量,具体参数如表1所示。
3.2 摆架固有频率的测定
本文采用脉冲响应法测量摆架固有频率。具体方法为:将滚子放置在 V 型块上后启动电机。敲击摆架上端面激起摆架的自由振动,用激光测速仪测量摆架的振动,通过对测量数据频谱分析得到摆架的固有频率。放置1号滚子后摆架的自由振动曲线如图 5 所示,经 过 FFT 计算获得其固有频率为90 Hz。
3.3 超微滚子动平衡测量实验及结果分析
图6给出了使用1号滚子在90 Hz转速下摆架振幅的时域和频域信号。在图6(a)的振幅时域信号中,方波信号为滚子转速信号,正弦波信号为摆架振幅信号,并以转速信号的上升沿为触发信号采集摆架的振动信号。图6(b)为将时域信号进行 FFT后获得频域特性,可用于提取滚子转速频率下的摆架振幅大小。
为测试不同动不平衡量对摆架振幅的影响,在未去重、第一次去重和第二次去重后分别测量每颗待测滚子在转速10,20,30,……,120Hz共12组频率下的摆架振幅(称为一次测量历程),每个测量历程重复8 次并对结果数据进行平均以消除随机影响,动平衡量提取结果数据如图 7所示。从图7的实验结果可以看出,采用激光测距传感器可有效测量由 mg量级的微小动不平衡量激发的微米量级的微小振幅,测试结果准确反映了摆架的振动响应特性:(1)在不同质量的不平衡量作用下摆架振幅有明显差异,以 图 7(b)的 2 号滚子在 90 Hz的振幅为例,去重9 mg 时的振幅明显大于去重5 mg时的摆架振幅,且都明显大于未去重时的摆架振幅。(2)在不同测试频率(转速)驱动下,发现当待测滚子转速与摆架固有频率相当时会因共振而使摆架振幅有明显增加达到振幅最大,这与1.1 小节中的理论分析吻合。上述结论都证明了采用激光测距检测超微滚子动平衡量的有效性。
但是,通过对图7进一步分析发现,实验数据表明测试系统仍存在需要进一步解决的问题:以图 7
(a)为例,虽然去重5 mg 滚子的振幅在多个频率上都小于去重9 mg滚子的振幅,但在110 Hz下时反而出现了前者大于后者的情况,说明摆架振动动力学模型的简化带来了一定的系统误差;同时,去重5mg时振幅在70 Hz和120 Hz时出现了振幅最大值,并未如1.1小节分析所预期的当达到摆架固有频率90 Hz时达到最大值,说明摆架固有频率与滚子质量可能存在着一定的关联关系。上述问题都表明,为实现超微滚子动平衡量的精确提取,动力学模型的精确建模及回归分析、系统参数辨识与优化估计等问题是本研究在接下来的研究中需进一步解决的关键问题。
4 结 论
针对高速精密轴承中超微圆柱滚子的动平衡检测过程中遇到的困难,本文设计了基于激光位移传感器的超微滚子动平衡测试系统,利用三角激光测距法和激光脉冲计数法测量测试系统中的摆架振幅与待测滚子转速,用于微小动不平衡量大小和相位的提取计算。通过一系列验证试验表明,所设计的基于激光测距的超微滚子动平衡测试系统,避免了附加传感器导致的寄生质量和附加刚度,能够有效测量 mg量级微小滚子动平衡检测激发的 μm 量级摆架振幅,具有测量准确、测量速率高、系统响应迅速灵敏度高等特点,为提升我国高速精密轴承质量与可靠性提供了技术支持。
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