[发明专利]一种基于压电陶瓷的轴承摩擦力矩测量方法及系统

说明书

一种基于压电陶瓷的轴承摩擦力矩测量方法及系统，方法通过下述方式实现：利用扭振压电陶瓷采用刚性直连方式直接敏感当前转速下由于轴承转动，轴承内外圈、滚珠、保持架之间摩擦力矩导致压电陶瓷受到的剪切作用力F；采集压电陶瓷表面产生的电荷数量E，根据电荷数量E结合压电陶瓷的压电转换系数k，确定压电陶瓷受到的剪切作用力F；根据上述确定的剪切作用力F、压电陶瓷平均旋转半径R，确定轴承在当前测试转速下的摩擦力矩。区别于传统压电式力传感器纵向的极化方式以及进行测力的方式，本发明中的压电陶瓷采用切向极化的陶瓷经切割、粘结组合而成，陶瓷极化方向近似沿圆周方向，可直接测量轴承摩擦力矩，具有高动态响应、测量精度高、不受测量转速限制的特点。

技术领域

本发明涉及一种轴承摩擦力矩测量方法，特别是针对高速、高动态响应摩擦力矩测试要求的空间精密轴承。

背景技术

轴承是飞轮、控制力矩陀螺、太阳帆板驱动机构、陀螺仪、红外地球敏感器等空间机构的核心支承零件，具有旋转精度高、精度等级高、稳定性高和寿命长等特点。轴承的润滑状态和运转性能在一定程度上决定了空间机构的性能和寿命，并在一定程度上影响航天器的功能和可靠性。轴承的摩擦力矩是轴承润滑状态和运转性能的综合表现，通过对轴承摩擦力矩的测试，能够对轴承的润滑状态和运转性能进行有效的评估，国内外均将摩擦力矩测试作为轴承性能筛选和评估的一种重要手段。

目前，对轴承摩擦力矩测试常用的方法有两种。

一种是基于电磁感应的非接触式测量方法，理论上由于电磁产生的电磁力矩与线圈中电流的大小成正比，通过标定输入电流I与产生力矩M的关系，即可通过检测电流得到驱动轴承转动所产生的电磁力矩，即轴承的摩擦力矩。但该方法存在响应速度慢、电流损耗等缺点，无法真实反映轴承摩擦力矩的动态变化，尤其是在高转速情况下；

另一种是采用应变式或压电式力传感器的接触式测量方法，通过在轴承的内圈或者外圈固定一个压力拨杆或拉丝，当轴承转动时，内外圈之间摩擦力矩将通过压力拨杆或拉丝作用在力传感器的压头上，进而得到轴承的摩擦力矩。两种传感器均是采用拉压接触测力的方式，但该方法在测试过程中，经常出现拨杆或拉丝与传感器压头短时间分离的现象，如摩擦力矩有较大波动时，高转速下尤其严重。因此，该方法通常只能进行低速下轴承摩擦力矩的测试，高转速下则无法实现轴承摩擦力矩的准确测量。

因此，采用具有高动态响应、测量精度高、不受测量转速限制的轴承摩擦力矩测量方法对轴承性能评估异常重要。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种具有高动态响应、测量精度高、不受测量转速限制的轴承摩擦力矩测量方法及系统。

本发明的技术解决方案是：一种基于压电陶瓷的轴承摩擦力矩测量方法，通过下述方式实现：

利用扭振压电陶瓷采用刚性直连方式直接敏感当前转速下由于轴承转动，轴承内外圈、滚珠和保持架之间摩擦力矩导致压电陶瓷受到的剪切作用力F；

采集压电陶瓷表面产生的电荷数量E，根据电荷数量E结合压电陶瓷的压电转换系数k，确定压电陶瓷受到的剪切作用力F；

根据上述确定的剪切作用力F、压电陶瓷平均旋转半径R，确定轴承在当前测试转速下的摩擦力矩。

进一步的，所述的压电陶瓷采用扭振压电陶瓷，陶瓷的极化方向近似沿着陶瓷的圆周方向。

进一步的，所述的压电陶瓷由已完成切向极化的压电陶瓷，经切割、粘结组合、上下表面研磨、敷银和再次研磨制备而成。

进一步的，所述的压电陶瓷与被测轴承之间采用刚性连接。

一种基于压电陶瓷的轴承摩擦力矩测量装置：包括两个电极、试验台基座、电荷测量装置、压电陶瓷、连接法兰、主轴、转速测量装置、驱动电机；