本发明公开了一种滚动轴承当量摩擦系数测量装置，包括机身、滑座、两个气浮主轴组件、芯轴、转速传感器和数据采集/处理/计算/显示系统。气浮主轴组件包括气浮主轴基体和气浮主轴；一个气浮主轴基体与机身固连，另一个气浮主轴基体与滑座固连，两个气浮主轴同轴；芯轴的两端分别通过锥面配合或是联轴器与两个气浮主轴连接；被测滚动轴承内圈安装于芯轴的轴肩；转速传感器用于监测芯轴或气浮主轴的角速度；数据采集/处理/计算/显示系统用于采集、处理转速传感器监测到的芯轴或气浮主轴的角速度信号，计算被测滚动轴承的当量摩擦力矩和当量摩擦系数。本发明测量装置具有快速精密测量滚动轴承当量摩擦力矩和当量摩擦系数的能力。
1.一种滚动轴承当量摩擦系数测量装置，包括机身(7)、滑座(8)、两个气浮主轴组件、芯轴(11)、转速传感器和数据采集/处理/计算/显示系统；其特征在于，所述气浮主轴组件包括气浮主轴基体(9)和气浮主轴(10)；所述两个气浮主轴基体(9)，其中一个与所述机身(7)固连，另一个与所述滑座(8)固连，所述两个气浮主轴(10)同轴；所述芯轴(11)的两端分别通过锥面配合或是联轴器与所述两个气浮主轴(10)连接，所述芯轴(11)与所述两个气浮主轴(10)同轴；所述芯轴(11)上设有用于安装被测滚动轴承的内圈(1)的轴肩(12)；所述滑座(8)在外力驱动下沿气浮主轴(10)的轴向平动；
该测量装置还设置有动力装置，所述动力装置的输出轴通过一离合装置与其中一个气浮主轴(10)的自由端联结或分离，在被测滚动轴承的径向设置有径向加载装置，包括两个气浮主轴组件、芯轴(11)和被测滚动轴承在内的零部件共同构成了所述滚动轴承当量摩擦系数测量装置的回转轴系，所述回转轴系上的运动件包括所述两个气浮主轴(10)、芯轴(11)、被测滚动轴承的内圈(1)、被测滚动轴承的滚动体(3)和被测滚动轴承的保持架；
所述转速传感器用于监测所述芯轴(11)或气浮主轴(10)的角速度；
所述数据采集/处理/计算/显示系统用于采集、处理所述转速传感器监测到的所述芯轴(11)或气浮主轴(10)的角速度信号，获得芯轴角速度-时间的数值关系，计算回转轴系上所有运动件的运动速度和动能，获得回转轴系总动能-时间的数值关系；对回转轴系总动能-时间的数值关系求导，回转轴系总动能-时间的数值关系在某一时刻对时间的导数即为回转轴系总动能的减低速率，亦为被测滚动轴承在该时刻所对应的角速度下的摩擦功率；
将被测滚动轴承抽象为一个滑动配合面(6)过被测滚动轴承的滚动体(3)的中心的虚拟径向滑动轴承，即所述虚拟径向滑动轴承是一个滑动配合面(6)过被测滚动轴承的滚动体(3)的中心的虚拟的径向滑动轴承；被测滚动轴承在某角速度下的摩擦功率相当于对应的虚拟径向滑动轴承的滑动摩擦副的摩擦功率；滑动摩擦副的摩擦功率除以被测滚动轴承的角速度值得到的商即为滑动摩擦副在该角速度下的摩擦力矩，亦相当于被测滚动轴承在该角速度下的当量摩擦力矩；滑动摩擦副在该角速度下的摩擦力矩除以滑动配合面的半径R与滑动配合面(6)处的径向负荷的乘积得到的商即为滑动摩擦副在该角速度下的摩擦系数，亦相当于被测滚动轴承在该角速度下的当量摩擦系数；所述数据采集/处理/计算/显示系统计算并显示被测滚动轴承的当量摩擦力矩和当量摩擦系数。
2.根据权利要求1所述滚动轴承当量摩擦系数测量装置，其特征在于，所述气浮主轴(10)为卧式布局，所述气浮主轴(10)的轴线平行于水平面。
3.一种滚动轴承当量摩擦系数测量方法，其特征在于，采用如权利要求1或2所述滚动轴承当量摩擦系数测量装置，该测量方法包括以下步骤：
步骤一、将被测滚动轴承的内圈(1)安装于芯轴(11)的轴肩(12)处；将芯轴(11)的两端分别通过锥面配合或是联轴器与两个气浮主轴(10)连接；
步骤二、根据被测滚动轴承的类型和尺寸，按滚动轴承摩擦力矩测量规范，利用径向加载装置向被测滚动轴承的外圈(2)施加规定的径向负荷；
步骤三、动力装置通过离合装置驱动其中一个气浮主轴(10)回转，气浮主轴(10)、芯轴(11)和被测滚动轴承的内圈(1)保持同步回转；所述数据采集/处理/计算/显示系统采集、处理来自转速传感器的芯轴(11)或气浮主轴(10)的角速度信号，计算并显示芯轴(11)的角速度；
步骤四、逐渐提高气浮主轴(10)和芯轴(11)的回转速度至给定值，运行速度稳定后，离合装置分离动力装置的输出轴与气浮主轴(10)，气浮主轴(10)和芯轴(11)的回转速度在被测滚动轴承的摩擦功耗作用下逐渐衰减直至气浮主轴(10)和芯轴(11)停止回转，数据采集/处理/计算/显示系统获得芯轴角速度-时间的数值关系；
步骤五、数据采集/处理/计算/显示系统计算回转轴系上所有运动件的运动速度和动能，获得回转轴系总动能-时间的数值关系；对回转轴系总动能-时间的数值关系求导，回转轴系总动能-时间的数值关系在某一时刻对时间的导数即为回转轴系总动能的减低速率，亦为被测滚动轴承在该时刻所对应的角速度下的摩擦功率；被测滚动轴承的摩擦功率除以该角速度值得到的商即为被测滚动轴承在该角速度下的当量摩擦力矩，被测滚动轴承的当量摩擦力矩除以与被测滚动轴承对应的虚拟径向滑动轴承的滑动配合面的半径R与滑动配合面(6)处的径向负荷的乘积得到的商即为被测滚动轴承在该角速度下的当量摩擦系数；
当气浮主轴(10)和芯轴(11)的角速度趋于零时，所对应的当量摩擦力矩和当量摩擦系数相当于被测滚动轴承的启动当量摩擦力矩和启动当量摩擦系数。
4.根据权利要求3所述滚动轴承当量摩擦系数测量方法，其特征在于，所述虚拟径向滑动轴承是一个滑动配合面(6)过被测滚动轴承的滚动体(3)的中心的虚拟的径向滑动轴承，所述虚拟径向滑动轴承的内圈(4)和虚拟径向滑动轴承的外圈(5)在滑动配合面(6)处组成滑动摩擦副；将所述虚拟径向滑动轴承处于与对应的被测滚动轴承相同的测量工况下，所述滑动摩擦副的摩擦功耗相当于被测滚动轴承的摩擦功耗，所述滑动摩擦副的摩擦功率等于所述滑动摩擦副的滑动摩擦力矩与所述虚拟径向滑动轴承的回转角速度的乘积，所述滑动摩擦副的滑动摩擦力矩等于所述滑动配合面的半径R、所述滑动配合面(6)处的径向负荷和所述滑动摩擦副的摩擦系数的乘积；将所述滑动摩擦副的滑动摩擦力矩记为对应被测滚动轴承的当量摩擦力矩，将所述滑动摩擦副的滑动摩擦系数记为对应被测滚动轴承的当量摩擦系数。
一种滚动轴承当量摩擦系数测量装置与方法
技术领域
[0001] 本发明属于滚动轴承摩擦能耗特性测试技术领域，涉及一种滚动轴承当量摩擦系数测量装置与方法。
背景技术
[0002] 滚动轴承运行过程中的摩擦能耗直接影响轴承的发热、温升和磨损等，进而影响滚动轴承的性能和寿命。滚动轴承的摩擦能耗特性是滚动轴承自身的一种固有特性，一定程度上反映了滚动轴承的制造品质和清洁程度。
[0003] 现阶段分别采用启动摩擦力矩和转动摩擦力矩来评价滚动轴承的启动摩擦能耗和转动摩擦能耗，并使用各式滚动轴承摩擦力矩测量装置测量被测滚动轴承的启动摩擦力矩和转动摩擦力矩。
[0004] 由于测试条件下滚动轴承的启动摩擦力矩和转动摩擦力矩的幅值较小，现有的滚动轴承摩擦力矩测量装置所使用的微力或微力矩传感器在进行高精度测量时精度明显不足。因此，亟需开发一种新型测量装置用于检测滚动轴承摩擦能耗特性。
发明内容
[0005] 针对现有技术存在的问题，本发明提出一种用于深沟球轴承和圆柱滚子轴承当量摩擦系数测量装置与方法。本发明所述的滚动轴承特指深沟球轴承和圆柱滚子轴承。本发明中，将被测滚动轴承抽象为一个滑动配合面过被测滚动轴承滚动体中心的虚拟径向滑动轴承，即所述虚拟径向滑动轴承是一个滑动配合面过被测滚动轴承滚动体中心的虚拟的径向滑动轴承，所述虚拟径向滑动轴承的内圈和虚拟径向滑动轴承的外圈在滑动配合面处组成滑动摩擦副。将所述虚拟径向滑动轴承处于与对应的被测滚动轴承相同的测量工况下，所述滑动摩擦副的摩擦功耗相当于被测滚动轴承的摩擦功耗，所述滑动摩擦副的摩擦功率等于所述滑动摩擦副的滑动摩擦力矩与所述虚拟径向滑动轴承的回转角速度的乘积，所述滑动摩擦副的滑动摩擦力矩等于所述滑动配合面的半径R、所述滑动配合面处的径向负荷和所述滑动摩擦副的摩擦系数的乘积。将所述滑动摩擦副的滑动摩擦力矩记为本发明所述的被测滚动轴承的当量摩擦力矩，将所述滑动摩擦副的滑动摩擦系数记为本发明所述的被测滚动轴承的当量摩擦系数。本发明所述当量摩擦系数客观反映了被测滚动轴承的制造品质和清洁程度，属被测滚动轴承的固有特性。本发明滚动轴承当量摩擦系数测量装置具有快速精密测量滚动轴承当量摩擦力矩和当量摩擦系数的能力。
[0006] 为了解决上述技术问题，本发明提出一种滚动轴承当量摩擦系数测量装置，该测量装置包括机身、滑座、两个气浮主轴组件、芯轴、转速传感器和数据采集/处理/计算/显示系统；所述气浮主轴组件包括气浮主轴基体和气浮主轴；所述两个气浮主轴基体，其中一个与所述机身固连，另一个与所述滑座固连，所述两个气浮主轴同轴；所述芯轴的两端分别通过锥面配合或是联轴器与所述两个气浮主轴连接，所述芯轴与所述两个气浮主轴同轴；所述芯轴上设有用于安装被测滚动轴承的内圈的轴肩；所述滑座在外力驱动下沿所述气浮主轴的轴向平动；包括所述两个气浮主轴组件、芯轴和被测滚动轴承在内的零部件共同构成了本发明测量装置的回转轴系，所述回转轴系上的运动件包括所述两个气浮主轴、芯轴、被测滚动轴承的内圈、被测滚动轴承的滚动体和被测滚动轴承的保持架；所述转速传感器用于监测所述芯轴或气浮主轴的角速度；所述数据采集/处理/计算/显示系统用于采集、处理所述转速传感器采监测到的所述芯轴或气浮主轴的角速度信号，计算并显示被测滚动轴承的当量摩擦力矩和当量摩擦系数。
[0007] 本发明中，所述回转轴系优选为卧式布局，所述气浮主轴的轴线平行于水平面。
[0008] 利用本发明滚动轴承当量摩擦系数测量装置进行当量摩擦系数测量时，还需设置动力装置，所述动力装置的输出轴通过一离合装置与其中一个气浮主轴的自由端联结或分离，在被测滚动轴承的径向设置有径向加载装置，测量方法包括以下步骤：
[0009] 步骤一、将被测滚动轴承的内圈安装于芯轴的轴肩处；将芯轴的两端分别通过分别通过锥面配合或是联轴器与所述两个气浮主轴连接；
[0010] 步骤二、根据被测滚动轴承的类型和尺寸，按滚动轴承摩擦力矩测量规范，利用径向加载装置向被测滚动轴承的外圈施加规定的径向负荷；
[0011] 步骤三、动力装置通过离合装置驱动其中一个气浮主轴回转，气浮主轴、芯轴和被测滚动轴承的内圈保持同步回转；数据采集/处理/计算/显示系统采集、处理来自转速传感器的芯轴或气浮主轴的角速度信号，计算并显示芯轴的角速度；
[0012] 步骤四、逐渐提高气浮主轴和芯轴的回转速度至给定值，运行速度稳定后，离合装置分离动力装置的输出轴与气浮主轴，气浮主轴和芯轴的回转速度在被测滚动轴承的摩擦功耗作用下逐渐衰减直至气浮主轴和芯轴停止回转，数据采集/处理/计算/显示系统获得芯轴角速度-时间的数值关系；
[0013] 步骤五、数据采集/处理/计算/显示系统计算回转轴系上所有运动件的运动速度和动能，获得回转轴系总动能-时间的数值关系；对回转轴系总动能-时间的数值关系求导，回转轴系总动能-时间的数值关系在某一时刻对时间的导数即为回转轴系总动能的减低速率，亦为被测滚动轴承在该时刻所对应的角速度下的摩擦功率；被测滚动轴承的摩擦功率除以该角速度值得到的商即为被测滚动轴承在该角速度下的当量摩擦力矩，被测滚动轴承的当量摩擦力矩除以与被测滚动轴承对应的虚拟径向滑动轴承的滑动配合面的半径R与滑动配合面处的径向负荷的乘积得到的商即为被测滚动轴承在该角速度下的当量摩擦系数；
[0014] 当气浮主轴和芯轴的角速度趋于零时，所对应的当量摩擦力矩和当量摩擦系数相当于被测滚动轴承的启动当量摩擦力矩和启动当量摩擦系数。
[0015] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0016] 一方面，转速传感器的角速度测量精度远高于传统滚动轴承摩擦力矩测量装置所采用的微力或微力距传感器的测量精度；另一方面，回转轴系上的所有运动件具有规则的几何形状、已知的高度精确的尺寸和质量、明确的运动方式和精确的运动速度，从而回转轴系总动能具有很高的计算精度。因此被测滚动轴承的当量摩擦力矩和当量摩擦系数均具有极高的测量/计算精度。
[0017] 进一步地，本发明还可以通过增加回转轴系上的运动件的质量以提升回转轴系的初始动能、延长回转轴系角速度的衰减时间，进一步提高回转轴系角速度的测量精度，进而提高被测滚动轴承的当量摩擦力矩和当量摩擦系数的测量/计算精度。
附图说明
[0018] 图1-1是被测深沟球轴承的结构示意图；
[0019] 图1-2是图1-1所示被测深沟球轴承的虚拟滑动轴承示意图；
[0020] 图2-1是被测圆柱滚子轴承的结构示意图；
[0021] 图2-2是图2-1所示被测圆柱滚子轴承的虚拟滑动轴承示意图；
[0022] 图3是滚动轴承当量摩擦系数测量装置的局部结构示意图；
[0023] 图中：
[0024] 1-内圈；
[0025] 2-外圈；
[0026] 3-滚动体；
[0027] 4-虚拟径向滑动轴承的内圈；
[0028] 5-虚拟径向滑动轴承的外圈；
[0029] 6-滑动配合面；
[0030] 7-机身；
[0031] 8-滑座；
[0032] 9-气浮主轴基体；
[0033] 10-气浮主轴；
[0034] 11-芯轴；
[0035] 12-轴肩。
具体实施方式
[0036] 以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。通过参考附图描述的实施例是示例性的,旨在用于解释本发明,而不能理解为对本发明的限制。另外，以下实施方式中记载的构成零件的尺寸、材质、形状及其相对配置等，如无特别的特定记载，并未将本发明的范围仅限于此。
[0037] 本发明中所涉及到的滚动轴承包括深沟球轴承和圆柱滚子轴承，图1-1示出了深沟球轴承的结构，图2-1示出了圆柱滚子轴承的结构。本发明中，将被测滚动轴承抽象为一个滑动配合面6过被测滚动轴承的滚动体3的中心的虚拟径向滑动轴承，即所述虚拟径向滑动轴承是一个滑动配合面6过被测滚动轴承的滚动体3的中心的虚拟的径向滑动轴承，与图1-1所示的被测深沟球轴承对应的虚拟滑动轴承如图1-2所示，与图2-1所示的被测圆柱滚子轴承对应的虚拟滑动轴承如图2-2所示，所述虚拟径向滑动轴承的内圈4和虚拟径向滑动轴承的外圈5在滑动配合面6处组成滑动摩擦副。将所述虚拟径向滑动轴承处于与对应的被测滚动轴承相同的测量工况下，所述滑动摩擦副的摩擦功耗相当于被测滚动轴承的摩擦功耗，所述滑动摩擦副的摩擦功率等于所述滑动摩擦副的滑动摩擦力矩与所述虚拟径向滑动轴承的回转角速度的乘积，所述滑动摩擦副的滑动摩擦力矩等于所述滑动配合面的半径R、所述滑动配合面处的径向负荷和所述滑动摩擦副的摩擦系数的乘积。将所述滑动摩擦副的滑动摩擦力矩记为本发明所述的被测滚动轴承的当量摩擦力矩，将所述滑动摩擦副的滑动摩擦系数记为本发明所述的被测滚动轴承的当量摩擦系数。
[0038] 图3示出了本发明提出的一种滚动轴承当量摩擦系数测量装置，该测量装置包括机身7、滑座8、两个气浮主轴组件、芯轴11、转速传感器(图中未画出)和数据采集/处理/计算/显示系统(图中未画出)。
[0039] 所述气浮主轴组件包括气浮主轴基体9和气浮主轴10；所述两个气浮主轴基体9，其中一个与所述机身7固连，另一个与所述滑座8固连，所述两个气浮主轴10同轴；所述芯轴11的两端分别通过锥面配合或是联轴器与所述两个气浮主轴10连接，所述芯轴11与所述两个气浮主轴10同轴；所述芯轴11上设有用于安装被测滚动轴承的内圈1的轴肩12；所述滑座
8在外力驱动下沿所述气浮主轴10的轴向平动；包括所述两个气浮主轴组件、芯轴11和被测滚动轴承在内的零部件共同构成了本发明测量装置的回转轴系，所述回转轴系上的运动件包括所述两个气浮主轴10、芯轴11、被测滚动轴承的内圈1、被测滚动轴承的滚动体3和被测滚动轴承的保持架(图中未画出)；如果所述芯轴11通过联轴器与所述两个气浮主轴10连接，则所述回转轴系还包括所述联轴器、所述回转轴系上的运动件还包括所述联轴器；所述转速传感器用于监测所述芯轴11或气浮主轴10的角速度；所述数据采集/处理/计算/显示系统用于采集、处理所述转速传感器监测到的所述芯轴11或气浮主轴10的角速度信号，计算并显示被测滚动轴承的当量摩擦力矩和当量摩擦系数。
[0040] 本发明中，所述回转轴系优选为卧式布局，所述气浮主轴10的轴线平行于水平面。
[0041] 利用本发明滚动轴承当量摩擦系数测量装置进行当量摩擦系数测量时，还需设置动力装置，所述动力装置的输出轴通过一离合装置与其中一个气浮主轴10的自由端联结或分离，在被测滚动轴承的径向设置有径向加载装置，上述动力装置、离合装置和径向加载装置与本发明测量装置中相关零部件的位置和连接关系均属于本领域公知常识，因此并未在图中画出。
[0042] 本发明滚动轴承当量摩擦系数测量装置的工作原理为：在径向加载装置向被测滚动轴承的外圈2施加规定的径向负荷条件下，动力装置通过离合装置驱动其中一个气浮主轴10回转，待气浮主轴10和芯轴11回转至给定的回转角速度后离合装置分离动力装置的输出轴与气浮主轴10，转速传感器监测芯轴11气浮主轴10的角速度直至气浮主轴10和芯轴11停止回转；数据采集/处理/计算/显示系统获得“芯轴角速度-时间”数值关系，计算回转轴系上所有运动件的运动速度和动能，获得“回转轴系总动能-时间”数值关系；对“回转轴系总动能-时间”数值关系求导，“回转轴系总动能-时间”数值关系在某一时刻对时间的导数即为回转轴系总动能的减低速率，亦为被测滚动轴承在该时刻所对应的角速度下的摩擦功率，亦相当于对应的虚拟径向滑动轴承的滑动摩擦副的摩擦功率；滑动摩擦副的摩擦功率除以该角速度值得到的商即为滑动摩擦副在该角速度下的当量摩擦力矩，亦相当于被测滚动轴承在该角速度下的当量摩擦力矩；滑动摩擦副在该角速度下的摩擦力矩除以虚拟径向滑动轴承的滑动配合面的半径R与滑动配合面处的径向负荷的乘积得到的商即为滑动摩擦副在该角速度下的摩擦系数，亦相当于被测滚动轴承在该角速度下的当量摩擦系数；当气浮主轴10和芯轴11的角速度趋于零时，所对应的当量摩擦力矩和当量摩擦系数相当于被测滚动轴承的启动当量摩擦力矩和启动当量摩擦系数。
[0043] 本发明同时提出一种滚动轴承当量摩擦系数测量方法，所述测量方法包括以下步骤：
[0044] 步骤一、将被测滚动轴承的内圈1安装于芯轴11的轴肩12处；将芯轴11的两端分别通过锥面配合与两个气浮主轴10连接(或通过联轴器与两个气浮主轴10连接)；
[0045] 步骤二、根据被测滚动轴承的类型和尺寸，按滚动轴承摩擦力矩测量规范，利用径向加载装置向被测滚动轴承的外圈2施加规定的径向负荷；
[0046] 步骤三、动力装置通过离合装置驱动其中一个气浮主轴10回转，气浮主轴10、芯轴11和被测滚动轴承的内圈1保持同步回转；所述数据采集/处理/计算/显示系统采集、处理来自转速传感器的芯轴11或气浮主轴10的角速度信号，计算并显示芯轴11的角速度；
[0047] 步骤四、逐渐提高气浮主轴10和芯轴11的回转速度至给定值并稳定运行，离合装置分离动力装置的输出轴与气浮主轴10，气浮主轴10和芯轴11的回转速度在被测滚动轴承的摩擦功耗作用下逐渐衰减直至气浮主轴10和芯轴11停止回转，数据采集/处理/计算/显示系统获得“芯轴角速度-时间”数值关系；
[0048] 步骤五、数据采集/处理/计算/显示系统计算回转轴系上所有运动件的运动速度和动能，获得“回转轴系总动能-时间”数值关系；对“回转轴系总动能-时间”数值关系求导，“回转轴系总动能-时间”数值关系在某一时刻对时间的导数即为回转轴系总动能的减低速率，亦为被测滚动轴承在该时刻所对应的角速度下的摩擦功率；被测滚动轴承的摩擦功率除以该角速度值得到的商即为被测滚动轴承在该角速度下的当量摩擦力矩，被测滚动轴承的当量摩擦力矩除以与被测滚动轴承对应的虚拟径向滑动轴承的滑动配合面的半径R与滑动配合面6处的径向负荷的乘积得到的商即为被测滚动轴承在该角速度下的当量摩擦系数；
[0049] 当气浮主轴10和芯轴11的角速度趋于零时，所对应的当量摩擦力矩和当量摩擦系数相当于被测滚动轴承的启动当量摩擦力矩和启动当量摩擦系数。
