微型軸承保持架軸向振動檢測與分析

黃迪山，郭蘭滿，劉 品，朱利軍，傅慧燕

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

深溝球軸承在運轉過程中，保持架振動除了自身的特征頻率成分外，軸承內、外圈的幾何誤差引起的振動通過鋼球傳遞也影響保持架的振動。保持架振動響應不僅產生噪聲，而且影響其工作壽命。另外，鋼球與保持架兜孔之間出現碰撞[1]，碰撞的幅度和頻數取決于鋼球與保持架的游隙和轉速。因此，在軸承制造的質量保證系統中，檢測軸承保持架振動，分析其動態特性，揭示其振動規律顯得非常重要。

到目前為止，對保持架的試驗研究主要集中在穩定性、運動、滑動、溫度檢測等方面。文獻[2]研究了角接觸球軸承的保持架渦動，分析了不同布置時的保持架接觸頻率；文獻[3]用激光測量了圓柱滾子軸承中滾子與保持架的運動速度；文獻[4]用高頻共振技術測試了保持架與滾子的滑移；文獻[5]用振蕩器和無線傳遞技術測量軸承保持架的溫度及其變化；文獻[6]用錘擊法測試了用于列車的單個軸承保持架零件的動態特性。但對旋轉運動的微型軸承保持架，由于尺寸小，振動傳感困難，其振動測試尚未見報道。因此，基于保持架研究現狀，對保持架激光測振及其動態特性進行研究。具體介紹在中、低轉速下，微型軸承冠形保持架軸向振動的試驗與檢測技術及初步的振動信號處理。

1 試驗裝置

微型軸承軸向振動試驗裝置如圖1a所示，由試驗臺、激光測頭和計算機控制系統組成，試驗臺轉速可控。試驗軸承型號為619/6/P4F(C1000096F)外徑為15 mm, 內徑為6 mm，其中保持架結構如圖1b所示。 軸承水平安置在試驗裝置上，軸向加載1 N。在試驗中，軸承內圈固定，外圈轉動，試驗在常速(600～3 000 r/min)下進行。采用KEYENCE激光測頭LK-G10拾取微型軸承保持架軸向振動位移，振動位移測量分辨率為0.01 μm。由于保持架寬度為0.5 mm，而激光光束斑點只有20 μm，光斑尺寸遠小于保持架軸向的寬度，因此，激光方法可以有效地進行非接觸測量, 檢測保持架的軸向振動位移。在檢測中，信號的采樣頻率為5 kHz，采樣點數為65 536，對振動信號進行數據采集。

圖1 微型軸承保持架軸向振動試驗系統簡圖

2 試驗與分析

2.1 特征頻率

特征頻率是軸承運行中出現的一個重要動態特征。當外圈轉動和內圈固定時，以穩定轉速1 800 r/min為例,根據軸承幾何基本尺寸和轉速，特征頻率計算如表1所示(N為外圈轉速，r/min；α為接觸角；Dw為鋼球直徑；Dpw為球組節圓直徑；Z為鋼球數)。一般情況下，從軸承保持架拾取的軸向振動信號不僅包含自身的特征頻率，而且會呈現其他部分的特征頻率。

表1 軸承特征頻率

2.2 測試分析

軸承保持架的軸向振動檢測，按轉速600，800，1 000，…，3 000 r/min進行，圖2a是轉速1 800 r/min時的振動位移時間歷程;對50 000點振動位移數據進行譜分析，得到分辨率為0.1 Hz的頻譜，譜圖如圖2 b所示。從保持架軸向振動的頻譜圖可知，保持架軸向振動的主要諧波與軸承特征頻率吻合。其中，保持架特征頻率振動幅度最大，并且呈現1階、2階和3階諧波。保持架振動特征頻率的產生主要與保持架的加工誤差、流體潤滑作用及保持架與鋼球碰撞有關。軸承工作時，由于潤滑油的作用保持架懸掛在鋼球上，保持架的加工誤差將導致保持架徑向振動、軸向振動和陀螺運動，使保持架軸向振動特征明顯。潤滑油的飛濺同樣促使保持架振動。保持架與鋼球之間不合理的游隙將加大保持架與鋼球的周向碰撞和軸向碰撞，加速保持架的軸向振動[7]。

另外，由于外圈驅動軸偏心引起的軸承外圈振動的特征頻率較為顯著，而軸承內、外溝道振動的特征頻率較小，說明內、外溝道的波紋度影響較小。

由于保持架特征頻率的第1階振動諧波幅度與外圈振動特征頻率諧波幅度相當，頻率接近，所以在振動時間歷程中信號呈現拍狀現象。

但是在保持架軸向振動的倒譜中有175 ms的明顯倒譜線(圖2c)，這表明在振動中存在5.7 Hz的諧波族。由于保持架動力學機理復雜，對此諧波族的信號識別有待于進一步研究。

圖2 保持架軸向振動位移時間歷程、頻譜和倒譜(1 800 r/min)

集合在各個轉速下(600～3 000 r/min，間隔200 r/min)的保持架軸向振動頻譜，構成三維的瀑布圖(圖3)，從中可觀測振動諧波成分隨轉速的變化情況。試驗數據中，幾乎所有的振動各階諧波頻率隨著轉速線性增大，這表明：在中、低轉速下，特征頻率諧波為保持架振動的主要成分，且分布在中、低段頻率范圍。由于軸承振動特征頻率諧波與軸承外圈驅動的偏心、溝道的加工波紋度、保持架誤差、流體潤滑作用及保持架與鋼球碰撞相關，因此，微型軸承加工誤差、保持架誤差、保持架與鋼球不合理游隙是保持架軸向振動的主要根源。

圖3 保持架軸向振動頻譜瀑布圖(600～3 000 r/min)

2.3 振動速度譜估計

軸承保持架噪聲的聲壓級正比于保持架振動速度，工程中常用振動速度評定軸承振動工況。因此，有必要在測量保持架軸向振動位移基礎上估計軸向振動速度，對微型軸承保持架軸向振動速度有一個數量上的認識。

在軸承轉速為1 800 r/min時，用50 kHz的采樣率拾取振動位移，然后進行數值微分處理，得到如圖4a所示的振動速度時間歷程估計，振動速度的最大值為20～30 mm/s。對振動速度作進一步處理后得頻譜估計，如圖4b所示。在保持架軸向振動速度譜中，能量集中在中、低頻段,所以保持架振動對低頻噪聲貢獻大。圖4c則顯示1～500 Hz的保持架軸向振動速度頻譜。

圖4 振動位移時間歷程和頻譜估計(1 800 r/min)

3 結束語

應用激光技術能有效地對微型軸承冠形保持架軸向振動位移進行非接觸測量以及相應信號的分析與估計。從振動測試分析可知：微型軸承在中、低速工況下，保持架軸向振動的主要成分是軸承的特征頻率諧波，它們對應于軸承溝道加工誤差、保持架誤差及保持架與鋼球不合理的游隙，并且分布在中、低段頻率范圍。由于保持架動力學機理復雜，對保持架軸向振動信號的研究有待于進一步深入。