滾動軸承振動測量方法新國標解析

陳芳華，章有良，嚴思思，張根源

(1.杭州軸承試驗研究中心有限公司，杭州 310022；2.浙江傳媒學院，杭州 310018)

1 概述

我國于1991年首次發布了JB/T 5313—1991《滾動軸承 振動(速度)測量方法》和JB/T 5314—1991《滾動軸承 振動(加速度)測量方法》2項機械行業標準，并分別于2001年和2002年進行了修訂。2009年又首次發布了4項滾動軸承振動測量方法國家標準，即GB/T 24610.1—2009 《滾動軸承 振動測量方法 第1部分：基礎》、 GB/T 24610.2—2009 《滾動軸承 振動測量方法 第2部分：具有圓柱孔和圓柱外表面的向心球軸承》、GB/T 24610.3—2009 《滾動軸承 振動測量方法 第3部分：具有圓柱孔和圓柱外表面的調心滾子軸承和圓錐滾子軸承》和GB/T 24610.4—2009 《滾動軸承振動測量方法 第4部分：具有圓柱孔和圓柱外表面的圓柱滾子軸承》。在新國標發布前，我國滾動軸承振動測量方法的有效版本為JB/T 5313—2001和JB/T 5314—2002(以下簡稱老行標)。

4項新國標分別等同采用ISO 15242-1∶

2004，ISO 15242-2∶2004，ISO 15242-3∶2006和ISO 15242-4∶2007。下文針對新國標具有的先進性，與老行標的不同之處，執行時應注意的問題，目前軸承行業所使用的軸承振動測量儀能否滿足新國標實施的要求，哪些方面需要改進以及如何改進等一系列行業迫切關注的問題進行了分析。

2 新國標和老行標的比較

2.1 引言部分

2項老行標均無引言，而4項新國標的引言部分則均闡述了標準的推薦性和局限性，主要有以下內容：(1)滾動軸承旋轉時的振動是與運轉條件有關的一種復雜的物理現象；在某一組條件下測量的單套軸承的振動值并不一定表征不同的條件下或該軸承成為一較大部件中的一個零件時的振動值。(2)在理想配合、理想環境下，可認為軸承的結構振動是最終導致空氣噪聲產生的驅動源；本標準僅列入了經過選擇的軸承結構振動的測量方法。(3)本標準方法的測振目的是軸承產品制造過程診斷或質量評定，而非軸承應用適用性評判。

2.2 適用范圍

新國標和老行標的適用范圍如表1所示。

表1 新國標和老行標的適用范圍

由表1可知：(1)新國標適用的軸承類型增加了單列調心球軸承、雙列向心球軸承、雙列調心滾子軸承、雙列圓錐滾子軸承和雙列圓柱滾子軸承5大類；(2)新國標適用的尺寸段范圍略小于老行標；(3)新國標的振動測量參數(測量載荷、測量轉速等)以外徑為依據確定，而老行標以內徑為依據確定。

2.3 振動測量的基本要素

2.3.1 測量物理量和單位

新國標設定軸承振動測量的物理量為速度，單位為μm/s，與JB/T 5313—2001一致，可代替JB/T 5313—2001。JB/T 5314—2002設定的物理量為加速度(級)，單位為dB，可作為軸承振動測量的另一種方法，因為理論分析和應用實踐表明，目前行業所使用的加速度型傳感器對軸承異常聲較為敏感。

2.3.2 測量轉速

新國標和老行標設定的各類軸承的測量轉速如表2所示。

表2 測量轉速設定值

JB/T 5313—2001設定的測量物理量雖與新國標相同，但由表2可知，其部分類型的部分尺寸段軸承的測量轉速與新國標不一致，若要執行新國標，則目前行業所使用的速度型系列測振儀在測量這些軸承振動時，應采用增加變頻器或更換皮帶輪的方式按表2的要求進行；并在提高主軸轉速的改造過程中，進行主軸潤滑油黏度和主軸密封結構對主軸溫升影響的研究，以滿足儀器長時間連續運轉的要求。雖然JB/T 5314—2002設定的測量轉速與新國標不同，但在新國標闡述的合理范圍內，故目前行業所使用的以S0910為代表的軸承振動加速度測量儀的測量轉速不必另行改造。

新國標規定測量轉速誤差為設定值的-2%～1%，與JB/T 5313—2001相同，故目前行業所使用的速度型測振儀能滿足新國標實施的要求。JB/T 5314—2002規定的測量轉速誤差為設定值的±2%，由于振動測值與測量轉速具有線性關系，故建議JB/T 5314—2002在下次修訂時，應嚴格控制測量轉速誤差，以減小儀器臺差。

2.3.3 測量載荷

新國標闡明測量載荷不能過小，以防止滾動體相對內、外圈滾道打滑；但也不能過大，以防止引起套圈變形而影響振動測值，尤其是對輕薄系列軸承。比較新國標與老行標的測量載荷設定值，并結合測振儀的設計和軸承振動測量實踐，可發現以下幾點：

(1)對外徑小于100 mm的深溝球軸承、角接觸球軸承以及外徑小于50 mm的圓錐滾子軸承的軸向載荷設定值，新國標與老行標基本一致；而對外徑大于100～200 mm的深溝球軸承、角接觸球軸承以及外徑大于50 mm的圓錐滾子軸承，老行標明顯小于新國標。由于目前行業所使用的軸承振動測量儀無論是速度型還是加速度型，都是按老行標的要求進行設計，所以按新國標規定的測量載荷很難滿足較大尺寸段軸承測振的要求。并且多年振動測量實踐表明，新國標規定的測量載荷值更為合理，故建議在對較大尺寸段軸承測振時，應對現有儀器(速度型和加速度型)進行加大軸向載荷力的改造，且應注意驅動主軸軸向承載能力的同步提高。并建議JB/T 5314—2002在下次修訂時，將測量載荷與新國標相統一。

(2)對于圓柱滾子軸承，老行標與新國標規定的測量載荷基本一致。除外徑大于170 mm的雙列圓柱滾子軸承外，目前行業所使用的BVT-5型和BVT-6型測振儀可基本滿足新國標實施的要求。

(3)新國標規定測量載荷的誤差基本上為設定值的±10%，兩個老行標雖未提及該控制要求，但在儀器設計時已考慮了測量載荷的誤差控制。從標定的實踐可知，基本能滿足新國標規定的測量載荷誤差控制要求。

2.3.4 傳感器

新國標規定所測參量為軸承外圈的徑向振動，未規定傳感器的類型，但第1部分明確闡述了速度型傳感器較適用于軸承振動測量。因為軸承振動的幅值一般會隨著振動信號頻率的增高而減小，在幾千赫茲時，能減小到納米級，使得位移傳感器很難測出高頻振動信號。加速度型傳感器的信號與振動頻率的二次方成正比，故對低頻信號不敏感。而速度型傳感器的信號與振動頻率的一次方成正比，所以較適用于軸承振動測量。目前行業所使用的BVT系列測振儀的速度型傳感器，只要零件制作工藝、組裝工藝合適，其頻響、幅值線性和靈敏度特性均能滿足新國標的要求。

新國標指出傳感器觸頭的接觸力不能過小，以防止在較高頻率時，接觸頻響跟不上而產生觸頭與軸承外圈脫離現象；同時，接觸力又不能過大，以防止對軸承外圈的自由振動產生約束。目前行業所使用的以S0910為代表的加速度型測振儀，其接觸力在一定程度上過大，尤其是對微型軸承而言，而BVT系列的速度型傳感器要理想得多。若嚴格按使用說明書操作，目前所使用的速度型和加速度型測振儀傳感器接觸力過小的情況一般不會發生。

2.3.5 測量方法和評定方法

(1)新國標設定的用于測量振動速度信號的頻率范圍如表3所示，其中，fL為下截止頻率，fH為上截止頻率。JB/T 5313—2001設定的頻率范圍未根據測量轉速變化而進行比例調整，故新國標實施時，對測量轉速為900 r/min的軸承測振時，其電子裝置的濾波特性應按表3的要求進行改造。

表3 設定的頻率范圍

(2)新國標規定單列圓錐滾子軸承和單列角接觸球軸承在可承受軸向載荷的方向上施加軸向載荷測振，其他施加軸向載荷測振的各類軸承首先應在外圈的一側施加軸向載荷測試，然后在另一側施加軸向載荷進行重復測試。該條規定與老行標一致。

(3)新國標規定圓柱滾子軸承在施加徑向載荷測振的同時，應施加一個不大于30 N的軸向載荷，以確保軸承運轉平穩；老行標均無該條規定，但目前行業所使用的BVT-5型測振儀能滿足此要求；如果結構允許，應對雙列圓柱滾子軸承進行另一面的重復測試。

(4)新國標規定各面、各點的最大測值為該軸承的振動評價值。而老行標均規定每面測3點，3點測值的算術平均值作為振動評價值；需正反兩面測試的軸承，兩面平均值中的較大值為該軸承的振動評價值。新國標規定的評定方法嚴于老行標的規定，對不同點測值離散性較大的軸承提出了較高要求，因而目前行業所使用的在老行標評定方法下制定的技術條件標準應重新進行研究和修訂。

2.3.6清洗和潤滑

新國標規定預潤滑(脂潤滑、油潤滑或固體潤滑)軸承應在供貨狀態下測試。某些防銹劑可滿足測振的潤滑要求，此時可不必清除防銹劑；測試前，軸承應使用清潔的(過濾精度不低于0.8 μm)、公稱黏度為10～100 mm2/s的潤滑油進行充分潤滑；未經預潤滑的軸承，應進行有效清洗，注意不要引入污染物或其他振源。

該條款中，除潤滑油黏度值外，其他規定與老行標基本一致。JB/T 5313—2001規定潤滑油的公稱黏度為13.5 ～16.5 mm2/s， JB/T 5314—2002規定潤滑油的公稱黏度為80 ～150 mm2/s。由于潤滑油的黏度與振動測值顯著相關，故在對軸承振動質量進行評價時，應明確所使用的潤滑油的黏度值，尤其是為客戶提供振動檢測數據或對某技術條件作出符合性評判時。JB/T 5313—2001規定的黏度值處于新國標的下限范圍附近，其測值能較敏感地反映出軸承零件滾動表面的形貌誤差；JB/T 5314—2002規定的黏度值處于新國標的上限范圍，且部分已超出新國標的范圍，其測值對軸承零件滾動表面的形貌誤差敏感度較低，故建議對標準加以修訂。

2.3.7 測試裝置因素

新國標對主軸/芯軸的剛度、加載機構、芯軸提出了技術要求，與老行標的要求基本一致，有的或略松于老行標；新國標對軸承外加載荷的對中精度和傳感器的軸向位置及測量方向提出了定量要求，而老行標雖未提及，但目前行業所使用的測振儀在設計和制造時，均已考慮了該方面的要求，在新國標實施時，應按附錄A和附錄B的方法對外加載荷的對中精度進行檢查。傳感器的軸向位置憑目測基本能控制到位，但關于傳感器的測量方向，新國標并未提及具體的測量方法，還有待進一步研究。

2.3.8 系統部件和系統性能

新國標明確規定了測振儀需標定的部件及項目，其中部件包括驅動單元、加載單元、傳感器和電子單元。同時對系統性能也提出了測量重復性應在平均值±10%以內的要求，并申明不包括被測軸承本身測值的變化，即在驗證測振儀測量重復性時應選用測值穩定的軸承，且應定點測量，測量次數要足夠多。而老行標均僅對傳感器和電子單元提出了應定期標定的要求，卻未規定需標定的具體項目，建議JB/T 5314—2002在下次修訂時，增加該條款的要求。

3 結論與建議

(1)新國標對滾動軸承振動測量及影響測量的因素考慮得較全面，某些技術指標規定得較適當，也較科學。新國標規定的方法是以軸承產品制造過程診斷或質量評定為目的的、適用面較廣的一種軸承振動測量方法。

(2)建議對JB/T 5314—2002進行修訂時：對較大尺寸段軸承適當加大軸向載荷，尤其是圓錐滾子軸承；對微小型軸承適當減小傳感器的接觸力；適當降低潤滑油的公稱黏度值；增加測量系統標定和系統性能評定條款。

(3)盡快開展現有各類軸承振動技術條件標準的修訂研究工作。因為這些技術條件標準均在老行標測量方法下制定，測量方法的改變，尤其是評定方法的改變，其技術條件也應進行修訂。同時應開展角接觸球軸承和雙列調心滾子軸承振動技術條件標準的研究工作，這2類軸承在國內的生產雖已成氣候，但振動水平與國外同類產品相比差距較大。

(4)盡快開展較大載荷測振儀的研發工作。目前的測振儀尚不能完全滿足較大尺寸段軸承軸向載荷的要求，尤其是錐角大于23°的圓錐滾子軸承。且應兼顧加載裝置的加載能力、驅動主軸止推軸承的承載能力和儀器的本底振動3方面。

(5)盡快開展JJF 1185—2007《速度型滾動軸承振動測量儀校準規范》的修訂工作，因為其制定的依據為JB/T 5313—2001。