轴承检测装置的设计

摘 要 轴承是各类机械装备中最为重要的基础部件， 它的精度 、性能、寿命以及可靠性对主机的精度、性能、寿命以及可靠性起着非常 重要的作用。在机械产品中，轴承属于高精度产品，不仅需要数学、物理等诸多学科理论的综合支持，而且需要材料科学、热处理技术、精密加工和测量技术、数控技术和有效的数值方法及功能强大的计算机技术等诸多学科为之服务，因此轴承又是一个代表国家科技实力的产品。随着工业水平的不断进步、生产自动化水平的不断提高，轴承已经广泛的应用在好多行业领域，它的质量直接影响到工作母机的工作性能， 其精度的高低直接影 响到整个设备性能的好坏 。据统计 在 旋转机械中 30%的故障与轴承有关。因此，工业生产监控的要求也越来越高，为了保证轴承质量必须对其进行严格的出厂检测。目前在轴承检测项目中 ：轴承游隙检测、内径检测以及振动情况检测等项目， 都 是反应轴承质量的重要指标，轴承的合格与否将会直接影响到轴承的使用性能。现有的轴承检测仪一般只能进行单一项目的检测，检测效率低不方便。为了满足轴承安全检测的要求，研制出一种检测效率高、基本实现自动化的轴承多方面检测项目的检测装置显得越来越重要。 关键词： 轴承；自动化；检测；装置 II Abstract Bearing is the most basic components in all kinds of the mechanical equipment, for its accuracy, performance, life and reliability plays a very important role of the hosts accuracy, performance, life and reliability. Bearing is a high precision product in the mechanical products, not only its needs a comprehensive support for math, physics and other disciplines theory, but also needs the material science, heat treatment technology, precision machining and measuring technology, numerical control technology and numerical method is effective and powerful computer technology and other disciplines to serve its, so the bearing is the products that represents of the national scientific and technological strength. Along with the automation level of continuous improvement, the level of industrial production increasing, application field of bearing has been widely in many industries, it directly affects the quality of the work performance of machine tools, and its precision directly affects the performance of the whole device is good or bad. there are 30 percent of faculties in the rotating mechanism to be relative to bearings. so we must strictly check the qualities of bearings before they are sold .At the present in the bearing detection project, Bearing clearance detection, inner diameter measurement and vibration detection project, is an important indicator of the quality of the bearing.Weather the bearing is qualified or not,it will directly affect the bearing performance. Detection of the existing bearing tester is generally only for a single project, low detection efficiency is not convenient. In order to meet the requirements of bearing safety detection, developing a detection for higb detecting efficiency ,and the basic realization of automatic bearing detection project becomes more and more important. Key words: bearing； automation； measurement； system equipment 目 录 摘 要 . I ABSTRACT . II 目 录 . III 1 绪论 . 1 1.1 本课题的研究内容和意义 . 1 1.2 国内外的发展概况 . 1 1.3 本课题应达到的要求 . 2 2 轴承检测装置的分类及发展 . 3 2.1 概述 . 3 2.2 轴承仪器的分类和发展 方向 . 3 2.2.1 轴承仪器的分类及特点 . 3 2.2.2 轴承仪器的发展方向 . 4 2.3 检测方法的研究 . 4 3 轴承的检测 . 5 3.1 轴承的基本结构 . 5 3.2 轴承的类型及特点 . 6 3.3 轴承检测的内容和检测条件 . 6 3.3.1 轴承检测的标准 . 6 3.3.2 轴承检测的内容和检测条件 . 6 4 轴承的振动检测 . 8 4.1 研究背景 . 8 4.2 轴承振动自动检测的工作原理 . 8 4.3 系统组成及功能 . 10 4.4 振动信号的采集方案设计 . 12 4.5 数据预处理 . 13 4.6 幅值域参数计算 . 13 5 轴承游隙的检测 . 14 5.1 轴承径向游隙检测装置的设计 . 14 5.1.1 游隙 . 14 5.1.2 径向游隙的设计原理 . 14 5.2 轴承径向游隙的动态游隙的测量计算 . 15 5.3 校核 轴承游隙计算关系 . 16 6 轴承内径检测装置的设计 . 18 6.1 轴承内径在线检测装置的设计 . 18 6.2 轴承内径检测装置的测量原理 . 18 6.2.1 内径测量方法的研究 . 18 6.2.2 内径测量的设计机理 . 19 IV 6.3 轴承内径检测系统精度的确定 . 20 7 传动装置的结构设计 . 21 7.1 电动机的选择 . 21 7.2 传动比的分配 . 21 7.3 传动带的选择 . 22 7.3.1 带传动的类型 . 22 7.3.2 带传动的特点及应用 . 22 7.3.3 V 带的材料和结构 . 22 7.3.4 V 带的设计计算 . 23 8 齿轮传动 . 24 8.1 齿轮概述 . 24 8.2 齿轮类型的选择及齿数的计算 . 25 8.2.1 按齿面接触强度设计 . 25 8.2.2 计算各参数 . 26 8.2.3 按齿根弯曲强度设计 . 27 8.2.4 齿轮的几何尺寸计算 . 28 8.2.5 齿轮的结构设计 . 29 9 轴 . 30 9.1 最小轴径的估算 . 30 9.2 轴的强度和刚度校核计算 . 30 10 轴承、联轴器的选择 . 33 10.1 轴承的选择 . 33 10.2 联轴器的选择 . 33 11 结论与 展望 . 35 11.1 结论 . 35 11.2 不足之处及未来展望 . 35 致 谢 . 36 参考文献 . 37 轴承检测装置的设计 1 绪论 1.1 本课题的研究内容 和 意义 轴承是旋转机械中广泛应用的基础零件之一，其质量好坏在一定程度上影响整个机械系统的性能，可以说在制造业大发展的环境下轴承的使用无处不在。但是轴承也是最容易损坏的零件之一，据统计，旋转机械中大约有 30%的故障与轴承有关，轴承的质量与设备的正常运行有着紧密的联系。我国轴承行业对轴承成品也采用了极为严格的检 测工艺，主要依据有国家标准、行业标准、企业标准。检测项目从重要性上分为：关键项目、主要项目及次要项目。随着轴承工业生产的日益发展和当前市场前景的预测，轴承仪器制造业已显跟不上形式的发展，因此开发高新检测装置仪器势在必行并且大有市场。 产品的质量是一个企业生存的根本，在全球经济一体化，行业竞争白炽化的环境下，产品的质量尤为重要。目前，我国轴承企业广泛应用了自动化程度比较高的加工机床，生产效率和产品质量得到了很大的提高，然而轴承的检测却处于半自动化与手工检测相结合的静态测量阶段。在国外轴承产品的冲击下，国内轴承 企业求生存求发展的根本也就要求地保证轴承的质量。因此， 对 轴承检测项目的要求及其检测项目的精确度要求也越来越多、越来越高， 此外还要在一定 程度上满足人机协作的要求。 1.2 国内外的发展概况 精密机械制造技术的飞速发展和产品精度的日益提高，有力地促进了测试技术和试验技术的发展，使其呈现出多态性和超精密的特性。为了满足人们的需求，许多厂家和轴承试验研究所都在研究改进新产品来适应市场的需求。在国内，常用的检测轴承质量的轴承振动检测仪有两种，一种是测量轴承振动的加速型轴承振动检测仪，另一种是通过测量轴承振动速度的速度 型轴承振动检测仪。 杭州轴承试验研究中心的 BVT-5 轴承振动速度检测仪 （如图 1.1） 是其性能最完善的一个型号。 杭州轴承试验中心的 BVT 系列轴承振动检测仪以及洛阳轴承研究所研制的 S09（如图 1.2） 系列轴承振动检测仪是轴承行业应用最多的产品，同时其他厂家也研制出了自主特色的圆锥滚子轴承振动检测仪。例如：大连轴承仪器厂、大连科汇轴承仪器有限公司研制的 S3907-2A 型轴承振动监测仪、宁波科技园区中策仪器厂研制的 S7910 圆锥滚子轴承振动测量仪 1。 图 1.1 BVT-5 轴承振动检测仪外形 图 1.2 S09 系列轴承振动检测仪外形 无锡太湖学院学士学位论文 2 在国外，丹麦研制出了 B&K2112 型仪器，其性能与国产的 S0910 型轴承振动给检测仪类似。在国外轴承振动一般采用测量多个参数进行判断。如美国 BENDIX 公司研制的B1010 就是国际上此类设备中具有代表性的产品之一。国内轴承行业的测试与试验技术在多方面逐步与世界接轨，并不断开发出一系列适合国情和国家标准的测试仪器与实验装备。 随着新的国际标准 （ ISO 15242-3： 2006)于 2006 年的实施。针对新标准 SKF 集团研制出了 MVU150 轴承振动测量仪，用于外径 40mm 到 150mm 的轴承测量，轴向承载能力750N。采用激光传感器作为轴承振动信号的拾振器也正在发展成为一种新型振动信号获取方式，并有着不可估量的潜力。 图 1.2 MVU150 轴承振动检测仪 1.3 本课题应 达到的要求 针对国家标准所规定的轴承的主要检测项目：尺寸精度、旋转精度、游隙、旋转灵活性、振动噪声、残磁强度、表面质量、硬度等：研究设计出一种轴承在线 检测装置 ，能够 有针对性的尽可能多的对轴承的质量尺寸的问题进行检测，以提高轴承的检测效率与测量精度。通过键盘和显示器能实现良好的人机交互。基本上实现自 动化在线检测，节约时间，降低成本。 轴承检测装置的设计 2 轴承检测装置的分类及发展 2.1 概述 精密机械制造技术的飞速发展和产品精度的日益提高，有力地促进了测试技术和试验技术的发展，使其呈现出多态性和超精密的特性。轴承加工技术的进步和轴承产品精度的提高，促进了轴承检测仪器及实验技术的发展，纳米测量、智能仪器、虚拟仪器、网络仪器等开始在轴承行业先进企业应用 3。 2.2 轴承仪器的分类和发展方向 2.2.1 轴承仪器的分类及特点 (1)从结构构成上分 轴承检测仪器可以分为机械式仪器、光机电一体化仪器、智能化仪器、 无损检测仪器。 机械式仪器测量采用表头进行显示，分辨率低，显示分辨率在 1 mm左右，主观误差较大，一般检测参数单一，但成本低、可靠性高，普及面广，如轴承行业现在使用的 D系列内、外径仪、 H系列高度仪、 W系列沟位置仪 B系列摆差仪等。光机电一体化仪器一般采用传感器测量、数字显示，分辨率高，显示分辨率一般比机械式仪器高一数量级，示值准确，动态性能好，如激光粗糙度仪、标准测长机、基准游隙仪、摩擦力矩仪、主动测量仪、振动测量仪、在线内径测量机、机外检测机等。 智能化仪器一般采用传感器测量，计算机分析处理测量数据，一般具 有消除测量安装误差、综合分析判断、数据存储、统计分析、网络管理接口等功能。具有分辨率高、示值准确、显示直观、人机对话良好、动态性能好等特点，如 Y系列圆度仪、基准游隙仪、机外检测机、智能振动测量仪、 R系列沟曲率仪、摩擦力矩仪、网络化轴承多参数仪等。 无损检测仪器一般采用传感器测量，可以非破坏检查轴承内部和表面裂纹缺陷等，如显微硬度机、涡流裂纹检查机、超声波探伤机等。 (2)从性能上分 轴承检测仪器可以分为计量型仪器、抽检实验仪器和工序用仪器。 计量型仪器一般采用传感器测量，测量数值准确，精度高，要求操作员技术 水平高，使用条件好，如圆度仪、轮廓度、测长仪、凸度仪、干涉显微镜等。 抽检实验仪器一般采用传感器测量，测量数值准确，精度高，要求操作员技术水平较高，如圆度仪、振动仪、游隙仪、旋转精度仪、摩擦力矩仪、刚度仪、沟曲率仪、接触角仪、多参数仪、性能实验机等。 工序间用仪器一般采用机械量表或传感器测量，显示分辨率、测量精度相对较低，测量数值稳定。如内外径仪、高度仪、沟位置仪、摆差仪、主动量仪、机外检测机等。 (3)从检测性能上分 轴承检测仪器可以分为零件测量仪器成品测量仪器和在线测量仪器。 零件测量仪器一般指测量零件 特征的仪器，如圆度仪、轮廓度、沟形、凸度仪、粗糙度仪、内外径仪、 H高度仪等。 成品测量仪器一般指测量轴承整体性能或特征的仪器，如振动仪、游隙仪、旋转精度仪、摩擦力矩仪、刚度仪、接触角仪、凸出量仪等。 在线测量仪器一般应用在轴承生产设备上或生产、装配线中。如主动测量仪、机外检无锡太湖学院学士学位论文 4 测机、自动游隙仪、自动测振仪、灵活性检测机等 4。 2.2.2 轴承仪器的发展方向 高速发展的技术经济对机械制造的要求越来越高，特别是计算机技术的发展，有力地促进了机械科技的进步。轴承精度的提高促使计量型仪器向高精度方向发展，进入了纳米时代。目前机械加工业已突破了 0.01um的进给技术， 0.01um圆度的加工技术和纳米级的粗糙度加工技术。纳米轮廓形状测量技术、亚微米尺寸测量技术、工业 CT无损检测技术、激光技术已应用在轴承行业。 2.3 检测方法的研究 在实际工作中，测量方法通常是指获得测量结果的具体方式，可以按下面几种方法分类： 按实测几何量是否就是被测几何量分为： 直接测量和间接测量。直接测量：是指被测几何量的量值直接由计量器具读出。间接测量：是指欲测量的几何量的量值由实测几何量的量值按一定的函数关系式运算后获得。 按示值是否就是被测几何 量的量值分为：绝对测量和相对测量。绝对测量：是计量器具的示值只是被测几何量的量值。相对测量：是计量器具的示值只是被测几何量的相对于标准量的偏差，被测几何量的量值等于已知标准量 与该偏差值的代数和。 按测量时被测表面与计量器具的测头是否接触分类：接触测量和非接触测量。接触测量是在测量过程中，计量器具的测头与被测表面接触，即有测量力存在。非接触测量：是指计量器具的测头不与被测表面接触，即无测量力存在。 按工件上是否有多个被测几何量同时测量分类：单项测量和综合测量。单项测量 ；是对工件上的各个被测几何量分别进行测 量。综合测量：是对工件上的几个相关几何量的综合效应同时测量得到综合指标 ，以判断综合结果是否合格。 轴承检测装置的设计 3 轴承的检测 3.1 轴承的基本结构 轴承的基本结构如图 3.1、图 3.2、图 3.3所示，它有内圈 1、外圈 2、滚动体 3、和保持架4组成。内圈安装在轴劲上，外圈安装在轴承座孔中。内外圈上制有弧形环状滚道，用以限制滚动体的侧向移动，并可降低滚动体在内、外圈的接触应力。轴承通常是内圈旋转、外圈固定，也有外圈旋转、内圈固定。保持架的功用是使滚动体均匀隔开，防止相邻滚动体转动时由于接触处产生较大的相对滑动速度而引 起磨损。滚动体是滚动轴承的核心元件，当内、外圈相对运动时，滚动体就在轴承的内、外圈滚道间滚动，使相对运动表面间的滑动摩擦变为滚动摩擦。 图 3.1 轴承结构图 1-外圈； 2-内圈； 3-滚动体； 4-保持架 图 3.2 圆锥滚子 轴承 内、外圈及滚动体一般是用强度高、耐磨性好的轴承钢制造，例如 GCr15、 GCr15SiMn等，热处理后工作表面硬度应达到 HRC60-65。由于这些元件都经过 150 C 的回火处理，所以通常当轴承的工作温度 120 E D+-L+C+-R+-SoVii时，元件的硬度都不会下降。保持架多用低碳钢板冲压成形，也有用铜合金、铝合金或塑料等制成实体的。 图 3.3 轴承 无锡太湖学院学士学位论文 6 3.2 轴承 的类型及特点 轴承 的功用是支撑轴及轴上的零件，保持轴的旋转精度，减少转轴与支撑之间的摩擦和磨损。根据轴承中摩擦性质的不同，轴承可以分为滚动摩擦轴承（简称滚动轴承）和摩擦轴承（简称滑动轴承）两大类。滚动轴承按其结构按其结构特点、承载情况有多种分类方法，分别适用于不同的载荷、转速及特殊的工作要求。 按其所承受载荷方向可以分为向心轴承和推力轴承两大类。 按滚动体的种类可分为球轴承和滚子轴承。球轴承的滚动体为球，球与滚道表面的接触点为点接触；滚子轴承的滚动体为滚子，滚子与滚 道表面的接触为线接触。滚子轴承比球轴承的承载能力 和耐冲击能力都好，而球轴承摩擦小、高速性能好。 按工作时能否调心可分为调心轴承和非调心轴承。 调心轴承允许的偏位角大。 按安装轴承时其内、外圈可否分别安装，分为可分离轴承和不可分离轴承。轴承在装置中的应用（如图 3.4）所示： 图 3.4 轴承在装置中的应用 3.3 轴承检测的内容和检测条件 3.3.1 轴承检测的标准 轴承的检测是个全面的系统化的过程，它包括很多方面的内容和要求。它的检测必须符合相关的轴 承检测标准规定 针对轴承质量进行检测的标准主要 有以下两个方面 ： （ 1） 滚动轴承检测的国家标准是 轴承检测的主要依据 。 例 如 GB307.2-84滚动轴承公差的测量方法及 GB307.3-84滚动轴承的一般技术要求等。 （ 2）颁标了 专用标准和统一 的 企业标准。 例 如 JB/CQ13-87球轴承及其零件补充技术要求以及 JB/CQ14-88滚子轴承及其零件补充技术要求等。 3.3.2 轴承检测的内容和检测条件 轴承的基本的基本结构是由内圈、外 圈、滚动体和保持架四部分 构成 ，相应轴承的检测也包括 对轴承内圈的检测，外圈的检测，滚动体 的检测以及 对保持架的检测。以上 检测都合格并不代表该轴承是合格的， 轴承装配好了以后， 我们 还要进行 对该 轴承的成品检测。国家标准所规定的轴承的检测项目 主要 有：尺寸精度、旋转精度、游隙、旋转灵活性、振动噪声、残磁强度、表面质量、硬度等。如图 3.5 所示： 轴承检测装置的设计 图 3.5 轴承的主要检测项目 国家标准不仅对轴承检测的内容作了规定，而且对轴承检测时应满足的条件足额作了规定。在设计轴承检测仪器以及进行轴承检测时，应当尽量符合国家标准的规定。 温度的影响：因轴承摩擦发热和其他热源的影响而使轴承套圈的温度高于相配件的温度时，内圈轴颈的配合将会变松，外圈外壳孔 的配合将会变紧，当轴承工作温度高于 100度时，应该对所选用的配合适当修正（减少外圈与外壳孔的过盈，增加内圈与轴颈的过盈）。轴承在测量时的标准温度为 20 度，测量时要保证被测轴承、标准件或量块以及测量时用的仪器处于同一温度条件下。 转速的影响：对于转速高又承受冲击动负荷作用的滚动轴承，轴承与轴颈的外壳孔的配合应选用过盈配合。 在一般转速下，转速的高低对类型的选择没有什么影响，只有在转速较高时，才会有比较显著的影响，通常轴承的工作转速应低于其极限转速（手册中查阅），否则会降低其使用的寿命。 公差等级的协调：选择轴承 和外壳孔精度等级时应与轴承精度等级相协调。如 0 级轴承配合轴颈一般为 IT6，外壳孔则为 IT7；对旋转精度和运动平稳性有较高要求地场合，轴颈为 IT5 时，外壳孔选为 IT6； 无锡太湖学院学士学位论文 8 4 轴承的振动检测 4.1 研究背景 随着我国轴承检测技术标准的不断提高， 2010 年 4 月我国实施的新标准基本和国际标准一致。滚动轴承 振动测量方法第 3 部分规定：具有圆柱孔和圆柱外表面的向心调心滚子轴承和圆锥滚子轴承（ GB/T 24610.3-2009)中加载力要求如下表 4-1： 表 4-1 圆锥滚子轴承轴向载荷的新设定值 由于振动检 测法具有：（ 1）适用于不同类型和不同工作环境下的轴承；（ 2）可以有效地诊断出轴承生产制造时的各种缺陷与不足，同时可以 判断出轴承的寿命 ；（ 3）对轴承振动信号的各种测试及相关处理比较简单、直观；（ 4）诊断结果准 确度高，可靠性较好等一系列优点，因此振动检测法在实际中得到了 广泛的应用。 图 4.1 装置图 4.2 轴承振动自动检测的工作原理 轴承测振原理 ： 主轴系统作为被测轴承的支撑 (如图 4.1)，当测振传感器 （如图 4.2）的测头压在被测轴承外圈 表面 时，其获得的 振动信号中包含了主轴系统自身的振动信号和被测轴承的振动信号，因此主轴的旋转精度、轴向跳动 、端面跳动、自振等参数要较小，否则会造成轴承优良判断的误差 。即当测振传感器的拾振杆轻压在振动 的 物体上 时 ，随着振动物体一起振动，拾振质量相对于传感器壳体作相对运动。系统的输入是壳体运动 所 引起的惯性 力， 系统的输出则是质量的相对位移。为了真实的测得轴承的振动情况，可以 模轴承检测装置的设计 拟轴承正常工作时的实际 运转情况， 首 先定位好 该被测轴承的位置，考虑到 轴承型号的不同 （即 检测的轴承的内径不同 ） ，在此我们选用了锥形主轴（如图 4.3） 所示 ， 利用轴承的推力装置将被测轴承推送到圆锥主轴系统的芯轴上 ，并利用螺塞、锥轴套加以固定被测轴承的内圈 ， 以 一定的轴向压紧力压紧被测轴承的外圈。随后，加速度传感器 轻压在被测轴承的外圈 表面 上，主轴传动系统带动被测轴承转动。传感器将采集到的振动信号转化为电信号，再经过信号处理电路处理后，由数据采集卡的 A/D 模块转化为数 字 信号， 最后将数字信号 传送给计算机进行数 据处理 图 4.2 速度型传感器结构原理图 得出测量结果 5， 流程 如（图 4.4 所示）： 图 4.3 锥 形 轴 图 4.4 轴承振动测量无锡太湖学院学士学位论文 10 4.3 系统组成及功能 系统 主要 由软件系统和硬件系统两部分组成，具有信号采集、数据预处理、故障诊断等主要功能。由 于 传感器 所 得到的电信号很弱，必须经电荷放大器 进行 处理，在处理中控制示波器 器 辅助监视信号 的 大小，以不超过 A/D 转换额定电压 5V 为准。应用磁带机主要是便于离线分析， 低通滤波主要是为了适应 A/D 转换的要求，如果信号中包含的频率很高，为满足采样定理，采样速率就必须很大，因为 A/D 转换