球軸承振動頻譜的局部分析方法

黃迪山，章 林，傅慧燕，顧家銘，張 婕

(1.上海大學(xué) 機(jī)電工程與自動化學(xué)院，上海 200072；2.上海天安軸承有限公司，上海 200230)

在軸承制造過程中，為了降低軸承的振動和噪聲，控制軸承零件的加工誤差是必要的手段之一。在進(jìn)行軸承質(zhì)量控制以前，首先應(yīng)該進(jìn)行振動測試和分析，了解現(xiàn)有零件加工質(zhì)量對軸承振動的影響。以下針對深溝球軸承平穩(wěn)振動中有關(guān)的零件加工誤差，如波紋度和保持架因素的影響，進(jìn)行信號分析，研究軸承平穩(wěn)振動的特征提取問題(暫不考慮軸承有異常聲和其他的非平穩(wěn)振動情況)。在沖擊試驗和振動測試證實軸承振動頻譜結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，引入軸承振動頻譜的局部分析方法，用國內(nèi)、外軸承測試分析結(jié)果證明軸承振動特征提取的有效性，揭示軸承零件波紋度和保持架缺陷對振動頻譜的影響，并進(jìn)行軸承的振動與噪聲源識別。

1 振動頻譜結(jié)構(gòu)

1.1 振動特點

在軸承試驗機(jī)上，對深溝球軸承進(jìn)行內(nèi)圈驅(qū)動，通過軸向加載固定的外圈，測定軸承外圈的振動。從彈性體結(jié)構(gòu)振動的觀點分析，軸承外圈近似于帶阻尼圓環(huán)，軸承振動是由零件工作表面幾何形狀誤差等因素激勵產(chǎn)生的，以圓環(huán)固有彎曲振動為主振型，并疊加與鋼球通過頻率有關(guān)的振動成分，形成復(fù)合振動[1-2]。

當(dāng)軸承內(nèi)、外溝道和鋼球同時存在加工誤差(波紋度)時，除各自的激勵特性外，由于接觸載荷的非線性，還引起波紋度的交互作用，形成新的激勵特性，軸承的振動特征頻率呈現(xiàn)組合形式[3]；當(dāng)外溝道受激勵時，外圈激發(fā)出的共振頻率與軸承特征頻率同樣呈現(xiàn)組合形式，分布在共振頻率兩邊，形成振動邊帶群。所以波紋度對球軸承的激勵，不僅得到穩(wěn)態(tài)的具有特征頻率的振動諧波響應(yīng)，而且得到穩(wěn)態(tài)的具有組合特征頻率的振動諧波響應(yīng)，形成振動邊帶群。

由于潤滑、流體阻尼、振動傳遞衰減等因素，制造誤差對軸承外溝道振動的影響是不相同的。所以在軸承振動頻譜分析中，振動頻譜峰值對內(nèi)、外溝道及鋼球的波紋度的敏感度是有差別的。

1.2 振動測試

為了說明軸承振動的實際頻譜結(jié)構(gòu)，首先對國外某著名公司的608軸承外圈作微小的沖擊試驗，模擬軸承在運行過程中波紋度對外圈的沖擊響應(yīng)。用加速度傳感器B&K 4517-002 55978拾取軸承振動信號，用PULSE分析儀3560-B-120對振動信號進(jìn)行頻譜分析，得到如圖1所示的0～12.8 kHz振動響應(yīng)頻譜。響應(yīng)反映了帶阻尼和彈性約束的圓環(huán)振動特性，共振峰出現(xiàn)在2 kHz和8.5 kHz附近，頻譜結(jié)構(gòu)如山丘形狀。

圖1 軸承的沖擊響應(yīng)頻譜

然后，將深溝球軸承安裝在安德魯測振儀上，驅(qū)動轉(zhuǎn)速為1 800 r/min，固定外圈并且軸向加載22 N，進(jìn)行振動測試和頻譜分析。軸承振動信號時間歷程和相應(yīng)的頻譜如圖2所示。

圖2 軸承振動信號時間歷程與頻譜

比較圖1和圖2b的頻譜結(jié)構(gòu)，圖2b的譜圖可以近似地看成在圖1的基礎(chǔ)上疊加了低頻部分(0～1 kHz),以及在兩個共振峰附近分布了與特征頻率有關(guān)的諧波成分，形成振動邊帶群。

由于在信號分析時，采樣頻率fs=32 768 Hz，譜線數(shù)800條，譜平均次數(shù)300次，振動頻譜的分辨率近似為16 Hz。處理后的頻譜暴露了一些不足，如振動邊帶群的譜線不清晰，也不精確。若要了解邊帶群詳細(xì)的振動情況，則需對局部邊帶進(jìn)一步作信號分析，才能剖析軸承振動特征。

2 振動頻譜局部分析

2.1 振動特征頻率

被測軸承相關(guān)參數(shù)為：鋼球直徑Dw=3.969 mm，球組節(jié)圓直徑Dpw=15 mm,鋼球數(shù)目Z=7粒。在內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)，外圈固定和驅(qū)動轉(zhuǎn)速n=1 800 r/min工況下，振動特征頻率列于表1。

表1 球軸承振動特征頻率 Hz

2.2 頻譜局部分析

在振動頻譜中，共振峰附近邊帶群的譜線不清晰，不利于特征分析，所以引入頻譜局部分析。其只對振動頻譜特定的局部頻段進(jìn)行細(xì)化處理[4]，提高局部頻段分析的分辨率，出現(xiàn)清晰梳狀譜，可精確辨認(rèn)譜中的頻差；同時作滑動平均處理，扼制隨機(jī)噪聲對細(xì)化處理的干擾。在軸承振動分析中，需對低頻段信號、共振峰附近的邊帶群以及對頻譜有特別影響的局部頻段作局部頻譜細(xì)化。

在細(xì)化處理的基礎(chǔ)上，作實倒譜處理，提取具有共同頻差族的倒譜特征，然后由倒譜特征識別和分析制造誤差對振動的影響。

3 實例分析

3.1 低頻段信號分析(0～800 Hz)

軸承振動信號的低頻段頻譜中，離散的軸承特征頻率諧波占主導(dǎo)成份。圖3是圖2b頻譜在0～800 Hz的細(xì)化譜，譜的頻率分辨率為1 Hz。從圖中可以看到，被測軸承在低頻段振動中，特征頻率為77 Hz，其2次諧波為153 Hz，對照表1可知特征頻率是由外溝道波紋度激勵造成的。

圖3 低頻段信號頻譜

3.2 邊帶群信號分析

對共振峰附近的邊帶群進(jìn)行局部細(xì)化處理，譜的結(jié)構(gòu)從連續(xù)和離散組合的模糊狀態(tài)變成清晰狀態(tài)的頻譜。圖4a是圖2b頻譜在第1階共振峰附近邊帶群(1.6～4.8 kHz)的細(xì)化譜，梳狀譜線清晰。為了有效進(jìn)行譜分析，在細(xì)化譜基礎(chǔ)上作實倒譜分析，快速判別梳狀頻譜特征。圖4b是圖4a的倒譜，即細(xì)化分析后的倒譜。明顯的倒譜特征頻率為9.52 ms(105 Hz)和2～6次倒頻均出現(xiàn)在倒譜上，對照表1可知特征頻率是由鋼球波紋度激勵造成的。

圖4 第1階共振峰附近邊帶群譜分析

同理，對第2階共振峰附近邊帶群(5.4～8.6 kHz)進(jìn)行細(xì)化譜分析，然后作倒譜處理，得到如圖5所示的細(xì)化譜和相應(yīng)的倒譜。這里鋼球波紋度仍然是離散譜的原因。

圖5 第2階共振峰附近邊帶群譜分析

通過對軸承振動頻譜的局部分析，可知影響被測軸承加工質(zhì)量的主要因素之一是外溝道波紋度和鋼球波紋度。如果對軸承產(chǎn)品進(jìn)一步降低振動水平，那么需對外溝道和鋼球加工誤差(波紋度)進(jìn)行控制。

3.3 保持架缺陷

為了說明軸承振動頻譜的局部分析方法的有效性，以下給出國產(chǎn)608深溝球軸承中有保持架缺陷的實例。圖6和圖7是軸承振動時間歷程和對應(yīng)的振動頻譜；圖8是振動信號低頻段(0～800 Hz)分析，從譜分析可知，內(nèi)圈的偏心(30 Hz)和外溝道(77 Hz)的1～3階波紋度是振動信號低頻段的主要成因；圖9是邊帶群細(xì)化譜；圖10則是邊帶群細(xì)化分析的倒譜，可以看出保持架(11 Hz)缺陷對軸承振動邊帶群的影響最大。因此，保持架的加工質(zhì)量在軸承振動控制中占有重要地位。

圖6 軸承振動的時間歷程

圖7 軸承振動信號頻譜

圖8 低頻段信號頻譜

圖9 邊帶群細(xì)化譜

圖10 邊帶群細(xì)化分析的倒頻譜

通過對第2例軸承振動頻譜的局部分析可知，外溝道波紋度影響振動的低頻部分；保持架缺陷影響振動的高頻部分。值得注意的是：如果在譜分析中沒有共振峰附近邊帶群的局部分析，則保持架缺陷的影響有可能被忽視。

4 結(jié)束語

細(xì)化和倒譜結(jié)合的振動頻譜局部分析的優(yōu)點在于突出局部信息，克服了整體頻譜分析中分辨率低、特征易被淹沒或難以辨認(rèn)的弱點。特別是對共振峰附加邊帶群的局部分析，能發(fā)現(xiàn)被忽視的振動特征頻率。通過深溝球軸承振動加速度實測證明，局部分析方法能有效分析軸承零件加工質(zhì)量中波紋度和保持架缺陷對軸承振動的影響，適合于具有平穩(wěn)振動的軸承質(zhì)量分析。