帶滾珠調節的面—面接觸形式負荷傳感器球頭副

梁 偉, 楊曉翔, 姚進輝, 許 航

(1.福州大學 機械工程及自動化學院, 福建 福州 350108;2.福建省計量科學研究院 智能測量研究所, 福建 福州 350003)

1 引 言

力值及質量計量在航空航天、大型橋梁、高速鐵路、高速公路、高層建筑以及冶金等領域的應用越來越廣泛,且測量量程越來越大、測量準確度要求越來越高[1～3]。作為測量用的工作傳感器及量值傳遞用的標準傳感器,負荷傳感器的需求量不斷增大,且準確度要求越來越高[4]。球頭是負荷傳感器的重要組成部分,外載荷通過球頭傳遞給彈性體,故球頭能夠調整傳感器彈性體的載荷分布,減小寄生分量(側向力和附加力矩)對傳感器的影響,提高負荷傳感器的計量性能。

在工業領域,長期以來對負荷傳感器球頭的設計沒有一定的設計標準和準則,從而給傳感器的使用帶來了各種問題。例如:目前負荷傳感器球頭所采用的球頭與彈性體的接觸形式為點—面接觸形式,接觸應力較大[1]。隨著負荷傳感器量程的不斷增大(力傳感器的量程已達到30 MN),若繼續采用該類型球頭,則可能出現兩種失效形式。首先,由于接觸應力過大,使球頭或彈性體材料發生屈服,產生塑性變形(產生凹坑或球面變形),使原有設計的接觸形式、調節能力受到破壞,進而使球頭調節失效；對于脆性較大的球頭,應力過大甚至會使球頭在受載時產生斷裂,造成危險。其次,根據材料的疲勞特性[5],較大的接觸應力水平,會大大縮短材料的疲勞壽命周期。對于稱重傳感器,其壽命要求一般在數百萬次以上[6,7],然而,其長年處于不斷重復循環加卸載狀態,傳感器球頭受法向載荷和切向載荷重復作用下,球頭表面在較大接觸壓應力和剪應力的長期不斷反復作用下,會引起表面疲勞破壞,接觸表面出現許多針狀或痘狀的凹坑(麻點)。有的凹坑很深,呈“貝殼”狀,有疲勞裂紋發展線的痕跡存在。在剛出現少數麻點時,一般仍能繼續工作,但隨著工作時間的延續,麻點剝落現象將不斷增多和擴大,從而導致球頭的失效。

為解決上述問題,一般采用2種方法:1) 降低接觸應力。例如,增大點—面接觸球頭中球面的曲率半徑以減小接觸應力。但是根據陳俊翔等[8]的研究結果,增大曲率半徑會降低球頭所能調節的角度范圍。因此,該方法所起作用有限。德國聯邦物理技術研究院(PTB)的Tegtmeier等[9～11]在設計大力值測量設備上,采用了不同曲率半徑的雙球面結構球頭副，根據接觸力學理論[12],該結構相對點—面接觸形式,可以有效降低接觸應力,提高球頭的接觸強度,且工作時球頭在球碗中發生滾動,運動阻力較??；但該球頭副所能調節的角度范圍較小,且對機械加工的精度要求較高。意大利國家計量院Ferrero等[13]甚至采用了等曲率半徑的雙球面結構球頭副,接觸形式為面—面接觸形式，該球頭副可以極大降低接觸應力水平,承載能力好,且可調節的角度范圍較大；但是,由于其為面—面接觸形式,工作時球頭需相對球碗發生滑動,滑動摩擦相對滾動摩擦較大,因此,該球頭副工作時所需的調節外力較大，且在大載荷作用下,容易出現自鎖、粘結等現象,影響了球頭的正常使用。2) 選擇力學性能更優的特種材料,該方法設計的球頭一般接觸應力水平在3 500 MPa以上；但是該方法成本高昂,代價高,且該材料一般硬度高,加工制造困難。

因此,通過改進球頭結構設計,降低接觸應力水平,是解決大量程、高精度傳感器球頭設計難題的重要手段。本文設計了一種帶滾珠調節的面—面接觸形式的傳感器球頭副結構,并通過對比實驗進行了驗證。

2 球頭副結構設計

2.1 結構設計

圖1所示為面—面接觸形式傳感器球頭副結構,當傳感器工作時的上下承壓面不平行時,存在一夾角α,需要通過轉動球頭,讓球頭上表面與上承壓面平行,使載荷較均勻地傳遞到傳感器彈性體上。

圖1 面—面接觸形式球頭副結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of loading pad of surface to surface contact form

圖2 帶滾珠調節的面—面接觸形式球頭副結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of loading pad of surface to surface contact form with bearing ball

圖3 帶彈簧滾珠Fig.3 Bearing ball with spring

圖4 帶滾珠調節的面—面接觸形式球頭副工作示意圖Fig.4 Schematic diagram of loading pad of surface to surface contact form with bearing ball

如圖2所示,當球頭上平面存在傾斜角時,由于滾珠與球頭之間為滾動摩擦,摩擦力很小,在重力FG作用下,球頭相對球碗發生轉動。在忽略摩擦力的條件下,當球碗球心O與球頭部分重心連線豎直向下時,達到力平衡狀態,此時,球頭上平面呈水平。因此,該結構具有水平自調節能力。此外,由于滾動摩擦力較小,即使在上承壓面不水平的條件下,上承壓面也可用很小的推力FM推動球頭相對球碗轉動,使球頭上平面與上承壓面平行。隨著外載荷的持續增大,滾珠克服彈簧力,被壓入球碗中,球頭與球碗面—面接觸,接觸面較大,接觸應力很小,球頭承載能力較強。當載荷卸除后,彈簧力頂起球頭,使球頭與球碗分離,在此過程中,彈簧力不僅克服了球頭的重力,而且還能克服了球頭與球碗在受壓狀態下產生的范德華力,避免了球頭與球碗相互黏連,無法分離。此外,球碗上安裝有保護罩,不僅使球頭副成為一個整體,而且使球頭即使承受偏載,也不易從球碗中滑出。保護罩與球頭直接留有足量間隙,球頭可在球碗中實現0°～10°的角度調整,滿足負荷傳感器角度調整的需求。

2.2 接觸應力

當球頭副的接觸形式為點—面接觸時,依據接觸力學[12],最大接觸應力σA為:

(1)

式中:F為施加在球頭上的外力;R1為球頭曲率半徑;E為彈性模量;ν為泊松比。

本文設計的該球頭,當滾珠被完全壓入球碗后,球頭與球碗為面—面接觸,按載荷均勻分布計算,接觸應力近似約為:

(2)

式中D為球頭半徑。

以一只常用的300 kN力傳感器為例,R1=160 mm,D=22.5 mm,E取212 GPa,ν取0.28。如果采用點—面接觸形式球頭副,最大接觸應力為 3 113 MPa; 而采用面—面接觸球頭副,最大接觸應力僅為188 MPa。

3 實驗測試

為驗證該帶滾珠調節的面—面接觸球頭副結構的性能,開展實驗測試,同時與未帶滾珠調節的面—面接觸球頭副進行實驗對比。

3.1 實驗對象

圖5為所測傳感器球頭副,其外形尺寸如圖6所示,其中球頭與球碗的曲率半徑為380 mm。球頭部分重362.6 N。球碗上均勻分布有4個帶調節彈簧的萬向球軸承,每個萬向球軸承的承載力為250 N。

圖5 20 MN力傳感器帶滾珠調節的面—面接觸球頭副Fig.5 Photo of the 20 MN force transducer loading pad surface to surface contact form with bearing ball

圖6 20 MN力傳感器球頭副外形尺寸Fig.6 Dimension of the 20 MN force transducer loading pad

選用一只量程為20 MN、準確度為0.05%的某品牌柱式力傳感器,如圖7所示。該傳感器上下面為平面結構,未帶球頭。傳感器所配儀表為德國HBM公司的DMP 41高精度應變式傳感器儀表。依據式(2),該球頭副在額定載荷作用下,接觸應力為320 MPa。

圖7 20 MN力傳感器Fig.7 20 MN force transducer

3.2 球頭副加工

球頭和球碗均采用17-4PH不銹鋼。該材料具有耐沖擊、高抗壓強度、高疲勞極限等優點,同時具有高硬度、高耐磨性及良好的尺寸穩定性,耐壓強度在1 100 MPa以上,遠高于本20 MN球頭副的320 MPa最大接觸應力。

球頭經過熱處理,表面硬度控制在45～50 HRC,滿足國際標準ISO376:2011(E)[14]的建議要求。同時,根據該國際標準的要求,其加工偏差在 ±0.1%以內。

球頭與球碗的球面經過數控車床精車后,相互進行了研磨處理,不僅使球面進一步拋光,而且使球頭球面與球碗球面更加貼合。研磨是加工球頭副的重要步驟。球面上形成凹坑是球頭副破壞的主要形式,而凹坑的形成主要是由于球面車制完成后,球面上仍有表面微凸體。這些微凸體在球頭和球碗互相滾壓接觸時,發生強烈的塑性變形,并在滾動接觸區域會產生黏著磨損,存在大的剪切應力,從而使微凸體被剪去。這些微凸體會在后續工作中充當磨粒,被擠入滾動接觸區域。在球頭和球碗的循環往復作用下而發生疲勞剝離,在表面形成原始的點蝕坑。如此反復,最后在球面上形成大量的點蝕坑。而研磨有效減少球面的微凸體,從而減小點蝕坑的產生。

3.3 測試方法

3.3.1 球頭自調節測試

為驗證帶滾珠調節的面—面接觸形式球頭副在傾斜安裝條件下,球頭能夠依靠自身重力調整角度的能力,進行了該球頭自調節測試,測試裝置如圖8所示。圖8中,條式水平儀的分辨率為0.02 mm/m。3種不同厚度墊塊的厚度分別為0.5 mm、1 mm和2.5 mm,調節得到的傾斜角度分別約為0.1°、0.2°和0.5°。

圖8 球頭自調節測試裝置Fig.8 Set-up of the ball self-adjusting testing

傾斜臺面角度調整好后,將球頭與球碗對中并固定不動,然后松開球頭,使球頭相對球碗自由轉動,待球頭穩定后,用條式水平儀測量球頭上平面的水平度。

為對比未帶滾珠調節的面—面接觸形式球頭副的自調節能力,測試完成后,將滾珠從球碗中取出,并重復上述實驗。

3.3.2 球頭副與力傳感器組合測試

采用一臺量程為20 MN力標準機對該20 MN力傳感器與球頭進行組合測試。為更好測試對比帶滾珠和未帶滾珠調節的面—面接觸形式球頭副,測試時,在傳感器下方,墊入一塊傾斜角度為0.2°的楔形墊塊。

參照ISO 376:2011(E)測力儀校準規范[13],對傳感器預加3次最大試驗力,在最大試驗力保持30 s。在0°方位上,均勻選擇10個測量點,按試驗力遞增順序逐點進行加載,在每個試驗力加到后,保持30 s,讀取并記錄傳感器信號值X0,1,直到最大試驗力,然后卸除試驗力。間隔5 min后,再在0°方位上測量一遍,并記錄信號輸出值X0,2。保持楔形墊塊不動,將傳感器和球頭副繞傳感器主軸線分別轉到120°和240°。在新的位置上,分別預加最大試驗力一次,在最大試驗力保持30 s。然后按10個測量點的試驗力遞增順序逐點測量一遍,在按實驗力遞減順序逐點測量一遍,在每個測量點上保壓30 s,然后讀取記錄傳感器數值X1,20和X2,40。

傳感器的重復性R為:

(3)

傳感器的方位誤差E為:

E=

(4)

帶滾珠調節的面—面接觸球頭副測試完畢后,把球碗中的萬向球軸承取出,并按照實驗步驟重復一遍,是為未帶滾珠調節的面—面接觸球頭副測試方法。

4 實驗結果

由實驗得到,帶滾珠調節的面—面接觸球頭副,其球頭在釋放瞬間,相對球碗發生轉動,使球頭上表面在5 s內迅速調整水平并穩定下來,未出現長時間振動。穩定后,由條式水平儀測得球頭上表面水平度如表1所示。從表1中可以看出,帶滾珠調節的球頭副,基本能夠實現水平自調節的功能,其調節后的水平度均優于0.04 mm/m,效果良好。而未帶滾珠調節的球頭副,其球頭在釋放瞬間,由于球頭與球碗之間的滑動摩擦較大,球頭基本無法相對球碗發生相對滑動。

表1 球頭上表面水平度測試結果Tab.1 Testing result of the levelness of the upper platen of the ball

表2和表3分別給出了20 MN力傳感器采用帶滾珠調節和未帶滾珠調節的面—面接觸球頭副在各受載方位上測試得到的傳感器輸出示值、重復性R和方位誤差E。

從表2和表3中可以明顯看出,滾珠對于提高球頭調節靈活性,提升傳感器計量性能具有重要作用。未采用滾珠進行調節時,傳感器測量結果顯示其準確度達不到0.05%的要求。重復性在2 MN力值點達0.066%,在4 MN為0.022%,而后隨著測量力值的增大,不斷減小;而其方位誤差在2 MN也達0.192%,在4 MN為0.087%,而后不斷減小。造成這樣測量結果的原因是由于未采用滾珠進行調節時,球頭相對球碗滑動所需的摩擦力阻力較大。每遍加載測試時,球頭上表面與力標準機上承壓面接觸瞬間所能調節的角度存在一定差異。因此,每遍之間的測量得到的傳感器輸出存在差異,形成了較大的重復性偏差和方位誤差,特別是在2 MN和4 MN力值點上測量時。隨著測量力值的增大,一方面球頭繼續相對球碗發生細微的滑動,另一方面載荷的增大使得球頭和球碗的變形加大,由此使力更均勻地傳遞到傳感器彈性體上。所以,隨著力值的不斷增大,重復性和方位誤差不斷減小。

表3 20 MN力傳感器采用未帶滾珠調節的面—面接觸球頭副在各測試方位的輸出值Tab.3 The output of the 20 MN force transducer loaded in different positions using the loading pad of surface to surface contact form without bearing ball mV/V

表2 20 MN力傳感器采用帶滾珠調節的面—面接觸球頭副在各測試方位的輸出值Tab.2 The output of the 20 MN force transducer loaded in different positions using the loading pad of surface to surface contact form with bearing ball mV/V

而采用滾珠進行調節的球頭,球頭不僅能夠依靠自身重力調節由于楔形墊塊帶來的傾斜角度偏差,而且由于球頭相對球碗滾動摩擦阻力很小,球頭調節靈活,使得傳感器和球頭無論旋轉動到任何方位進行測試,在球頭與力標準機上承壓面接觸的瞬間,球頭均能較好地調整角度,從而保證不同方位測量結果的一致性。從測量結果可以明顯看到,傳感器測量的重復性在(2～20)MN范圍內,均小于0.005%,方位誤差也在全量程范圍內小于0.040%。因此,帶滾珠調節的面—面接觸球頭副對于提高傳感器計量性能具有重要作用。

5 結 論

本文介紹了一種帶滾珠調節的面—面接觸形式的傳感器球頭副,并通過實驗測試,得出結論如下:1) 帶滾珠調節相對未帶滾珠調節的面—面接觸形式傳感器球頭副,球頭相對球碗轉動時摩擦阻力更小,角度調節更靈活,球頭可實現水平自調節;2) 帶滾珠調節的面—面接觸形式傳感器球頭副能在外載荷施加初始階段,靈活調整由負荷傳感器上、下承載面不平行帶來的角度偏差,使傳感器在不同測量方位測得的載荷輸出更一致,方位誤差更小;3) 帶滾珠調節的面—面接觸形式傳感器球頭副接觸應力較小,球頭副具有較大的承載能力,在大載荷作用下具有足夠的強度。