殷继猛
(北方工业大学机械与材料工程学院，北京 100144)
摘要：阐述了缓冲弹簧刚度测试的原理及试验方法，通过综合测试，获得了缓冲弹簧的载荷-位移特性曲线。试验结果表明：缓冲弹簧的工作稳定、可靠。实测结果对开展轴承组件的进一步深入研究具有重要的参考价值。
关键词：缓冲弹簧；轴向力；位移；轴向刚度
缓冲弹簧一般都是作为轴承组件，配合轴承安装在轴与轴承座上。缓冲弹簧的小径一端顶在轴承的内圈上，缓冲弹簧的大径一端顶在轴承座上，这样就可以限制轴承沿轴向的窜动。此类缓冲弹簧一般都是配合轴承安装在精密仪器上。精密仪器对于轴承的轴向定位有很高的要求，而且需要在轴承受到很大轴向载荷的时候能够瞬时恢复原状态。而普通的轴承工作定位方式即便能够达到轴承轴向定位的要求，但是因为缺乏回弹力而不能够及时使轴承恢复原状态，这就难以满足精密仪器的要求[1]。而缓冲弹簧的独特设计既能够承受轴承的轴向载荷也能够及时恢复原状态，而且缓冲弹簧的设计精密而小巧，因此缓冲弹簧适用于一些特定情况下精密仪器的轴承的轴向定位，具有普通定位方式无法取代的优势。
对于缓冲弹簧轴向刚度的研究一般有3种方法，即理论计算、仿真分析、试验研究。理论计算具有一定的参考价值，但难以得到可靠的数据值。仿真分析难以模拟弹簧真实受载下的情况，得到的数据可信度也不高。通过实测法可以准确地得到弹簧在受载情况下的真实变形，虽然存在一定的系统误差，但可信度是最高的。
本文设计了一种缓冲弹簧轴向刚度测试的试验方案，得到了实测数据值，并对实测数据进行分析，就本试验方案提出了试验过程中需要注意的细节。
确定方案需要知道试验所测的物理量，根据相关定义，弹簧的轴向刚度是指弹簧产生轴向的单位位移所需要的外加轴向载荷。弹簧轴向刚度K 的计算公式为：
K=F/Δδ .
(1)
其中：F为弹簧所受的轴向载荷；Δδ为弹簧轴向位移变化量。由计算公式(1)可知，弹簧的轴向刚度测试需要测量的物理量包括所施加的轴向载荷和弹簧产生的轴向位移[2]。缓冲弹簧结构示意图如图1所示。
图1 缓冲弹簧结构示意图
试件的刚度测试通常是在微机控制的压力机上完成的，通过测量所施加的载荷和试件的位移变化，根据刚度计算公式得出试件刚度。但压力机无法实现微量加载的安全控制，因此在压力机上进行弹簧刚度测试的精度无法保证。数控机床是精密的机电一体化设备，具有高刚性、高精度等特点，主轴可承受几千牛的轴向载荷，甚至可以达到10kN；另外，通过手摇脉冲发生器可实现主轴的微量进给(1μm)，从而可以实现加载的精确控制。因此，择数控机床作为加载设备，可以利用其主轴进行轴向加载，保证加载的安全可控，载荷大小通过专门的测力传感器进行测量，弹簧产生的位移通过接触式的位移传感器直接测量[3]。根据试原理首先提出了两种试验方案，如图2、3所示。
方案一的优点在于能够准确、快速地定位缓冲弹簧，且通过自制传感器和钢球能够准确、方便地找准所施力的中心位置，保证传感器、弹簧中心处于一条直线上；其缺点是串联环节较多，有多个接触面，对实测结果造成影响，且实测时步骤较多，操作不方便，而且由于自制的传感器在标定的时候前1kN 为非线性区，会直接对加载载荷造成影响。
方案二中的传感器是购置的小吨位的力传感器(TJH-3应变式负荷传感器，300kg)，在传感器的下方设计试验工装———外旋板，并将其安装在传感器的下方，能够直接测量弹簧本身的变形。其中弹簧通过定位板进行定位；传感器通过球铰与主轴接触而找准力的中心。通过对传感器的标定试验，发现该传感器线性度良好，完全满足试验要求。方案二的优点是串联环节少，减少了试验误差[4]。因此最终选择了方案二进行试验。
2.1 试验过程
将缓冲弹簧小端面朝下放置在数控机床工作台的定位孔中(与组件中的受载方向相反)，在缓冲弹簧的上端放置一测力传感器，传感器底端外圆与四工位位移测量接触外旋板连接。通过2只对称180°安装在外旋板上的位移传感器进行位移检测，位移测量装置的输出方式为A+B，此处的A 与B 分别为对称180°位置上的位移传感器所测量的位移(即缓冲弹簧在受压力状态下在对称180°位置上的位移之和)，为减小误差可将Δ(A+B)/2视为弹簧的真实位移变化量。利用数控机床面板的pos位置控制功能逐级加载，重复5次，并将5次实测结果平均，获得已知载荷与位移的实测数据，经数学处理后得到缓冲弹簧的刚度特性曲线[5]。缓冲弹簧刚度测试现场如图4所示。
2.2 实测结果与分析
所有准备工作完成之后就可以对弹簧进行加载，弹簧的加载范围为0N～2 000N，载荷间间隔为400N，实测数据见表1，拟合后特性曲线如图5所示。
表1 缓冲弹簧的刚度测试数据
通过MATLAB数据分析软件，对实测数据进行数据拟合，得到的拟合曲线如图5所示。其中刚度曲线拟合表达式为：
y=-3×10-7x2+0.003x.
(2)
拟合方差R2=0.999 6。
图5 缓冲弹簧的载荷-位移特性曲线
通过拟合曲线我们可以看到，缓冲弹簧的轴向载荷-位移曲线呈二次函数特征，不过，总体还是线性为主。这表明弹簧在受载荷的情况下变形还是很均匀的[6]。实测结果对开展轴承组件的进一步深入研究具有重要的参考价值。
本文提出了两种测试缓冲弹簧刚度的试验方法，但通过实测摸索发现方案二比方案一能够更精确地获取准确的实测结果。试验过程中使用数控机床对弹簧进行加载，测力传感器进行力的测量，电感测微仪进行位移的测量。试验过程中需要注意的细节如下：①底部的定位板用于定位弹簧的小端面，因为大断面朝上便于弹簧的变形；②将外旋板粘贴在测力传感器上，通过电感测微仪对弹簧进行测量能够精确反映弹簧的轴向变形；③可以加工一个底部平整的钢制台阶轴，安装在机床主轴刀头上，使之加载过程中能与传感器顶部的圆弧进行点接触，减小了偏载的误差；④可适时适量预加一定量的小载荷便于消除间隙。
该实测结果对于以后的缓冲弹簧的刚度测试与分析具有一定的借鉴意义。
参考文献：
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[5]邱轶兵.试验设计与数据处理[M].合肥：中国科学技术大学出版社，2008.
[6]HArris Ta,Kotzalas M N.Advanced concepts of bearingtechnology[M].New York: Tayor Frabcis,2006.
YIN Ji-meng
(College of Mechanical and Materials Engineering,North China University of Technology,Beijing 100144,China)
Abstract：IN this paper,the principle and methods of buffer spring stiffnesstast are described,and the load-displacement characteristic curve if obtained.The results show that the buffer spring is stable and reliable.The measured results have important reference value for the furhter research of bearing assembly.
Key words：buffer spring;axial force;displacement;axial stiffness
收稿日期：2016-06-13；
修订日期：2016-11-26
作者简介：殷继猛(1989-)，男，山东济宁人，在读硕士研究生，研究方向：先进制造技术。
文章编号：1672-6413(2017)01-0030-02
中图分类号：TH135
文献标识码：A
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