軸承異常聲檢測錯判和漏判原因分析與對策

王冰，趙聯(lián)春，王東，晏麗明

(1. 中山市盈科軸承制造有限公司，廣東 中山 528437；2. 上海斐賽軸承科技有限公司，上海 201100)

軸承振動具有敏感、隨機、復雜等多重屬性[1]，現實軸承振動測量中，振動異常聲的錯判和漏判存在多種原因。下文僅分析說明采用軸承振動技術條件行業(yè)標準中規(guī)定的有效值限值和峰值限值檢測判定軸承異常聲，存在理論上的錯判和漏判。在對比分析的基礎上指出，采用波峰因數或峰值與有效值之差可以規(guī)避理論上的錯判和漏判。

1 振動特征參量

1.1 有效值

有效值(Root mean square)反映了振動信號總體能量的大小，是對時間(即全部采樣點)的平均值，因此對軸承振動脈沖不敏感，對軸承異常聲基本沒有檢測能力。

1.2 峰值

峰值(Peak)反映波形中沖擊最大的振動幅值，與時間的歷程無關。出現異常聲時，軸承峰值必然較大，但反之并不成立，只有對振動有效值比較低的低噪聲軸承，較大峰值才預示著軸承異常聲。所以，峰值對低噪聲軸承的異常聲才具有檢測能力。

峰值為有量綱量，影響軸承振動有效值的所有參數和工況均會影響振動峰值。

1.3 波峰因數

波峰因數(Crest factor)是峰值同有效值之比，同時受到峰值和有效值的影響。

波峰因數同時反映了軸承振動信號的峰值這一局部信息和有效值這一整體信息，因而，不論軸承是否為低噪聲軸承，波峰因數對其異常聲均具有檢測能力。

波峰因數為無量綱量，與軸承尺寸、結構參數、測量載荷、測量速度、潤滑狀態(tài)及傳感器靈敏度等無關，無異常聲和有異常聲的判定可以非常單純地進行，使用非常方便[1-2]。

需要特別說明的是，波峰因數是峰值同有效值之比這一關系具有先決條件，那就是，必須是同一個信號在相同頻帶上的峰值和有效值之比，得出的波峰因數也是該信號在該頻帶上的波峰因數，不能拿某一采樣時間所得信號的峰值去同另一個采樣時間所得信號的有效值去比，也不能拿同一采樣時間所得信號某一個頻帶的峰值去同該信號另一個頻帶的有效值去比，否則就會得出波峰因數小于1等不合理結論。

2 錯判和漏判原因分析

盡管波峰因數對軸承振動異常聲具有特別的檢出能力，但波峰因數是一個無量綱量，傳統(tǒng)的模擬電箱表頭指針無法給予指示。因此，制定低噪聲軸承的異常聲控制技術條件時，采用了峰值參量。其峰值限值的具體確定辦法是，采用數字化振動儀器，顯示軸承振動信號的有效值、波峰因數，并將軸承振動信號輸出給功放，對軸承振動異常聲進行監(jiān)聽，確定對應不同耳感異常聲的波峰因數，將對應頻帶的波峰因數乘以有效值限值就得到峰值限值，這就是JB/T 10187—2000 《滾動軸承 深溝球軸承振動(速度)技術條件》[3]中的VP3，VP4和JB/T 7047—2006 《滾動軸承 深溝球軸承振動(加速度)技術條件》[4]中的ZP3，ZP4。順應標準要求，幾乎所有振動儀都通過檢測軸承振動有效值和峰值監(jiān)控軸承異常聲，對其靜音水平進行判級。以空調電動機常用608軸承為例，表1是JB/T 10187—2000給定的VF3，VF4靜音等級振動速度有效值限值V3，V4及峰值限值VP3，VP4；表2是JB/T 7047—2006給定的ZF3，ZF4靜音等級振動加速度有效值限值Z3，Z4及峰值限值ZP3，ZP4，其相關導出量見表1～表2。

表1 608軸承振動異常聲控制參量(速度)

表2 608軸承振動異常聲控制參量(加速度)

表1給出了制定軸承振動峰值限值時采用的波峰因數，其由對應頻帶上的峰值限值與有效值限值之比求得。對VF3靜音等級，低、中、高3個頻帶的波峰因數限值分別是3.30，4.11和3.96，可以看出，當軸承振動達到V3組，實際振動波峰因數沒有超過這些波峰因數限值時，軸承振動就達到了VF3靜音等級。

但如果采用峰值判定軸承異常聲，情況則大不相同，仍以VF3靜音等級進行說明。表1將軸承振動速度V3組有效值允許值和VP3組峰值允許值列于其中，可以看出其范圍相當寬，V3組有效值允許值是：低頻為38-～44 μm/s，中頻為12-～28 μm/s，高頻為12-～24 μm/s；VP3組峰值允許值是：低頻為120-～145 μm/s，中頻為55-～115 μm/s，高頻為55-～95 μm/s，也就是說，只要軸承振動有效值和峰值分別在這些允許值范圍之內，軸承就將被判為VF3組靜音軸承。但實際軸承的異常聲或靜音等級并非如此。為便于說明問題，由標準規(guī)定的V3組有效值允許值范圍和VP3組峰值允許值范圍導出其對應的波峰因數允許值范圍，即低頻帶：2.73-～3.82+；中頻帶：1.96-～9.58+；高頻帶：2.79-～7.92+。

顯然，波峰因數在這樣的數值范圍內，與標準制定時采用的波峰因數(低頻帶≤ 3.30，中頻帶≤ 4.11，高頻帶≤ 3.96)相去甚遠，軸承有異常聲甚至是有顯著異常聲的概率很高，而按照標準要求的有效值和峰值判定，這些軸承則全部是VF3級靜音軸承。即按照JB/T 10187—2000判定軸承異常聲，錯判和漏判在理論上不可避免。

表2同時列出了以Z，ZP(單位dB)和以a，aF(單位m/s2)表示的軸承振動加速度有效值和峰值，它們滿足如下關系：

表2列出了制定軸承振動加速度峰值限值時采用的波峰因數，其由峰值限值與有效值限值之比求得。對ZF3靜音等級，波峰因數限值是6.31，可以看出，當軸承振動達到Z3組，波峰因數沒有超過6.31時，軸承振動就達到了ZF3靜音等級。

但如果采用峰值判定軸承異常聲，情況同樣大不相同。以ZF3靜音等級為例，為便于說明問題，由標準規(guī)定的Z3有效值允許值范圍和ZP3峰值允許值范圍導出其對應的波峰因數允許值范圍，即通頻帶：3.90-～10.00+。

顯然，波峰因數在這樣的數值范圍內，與標準制定時采用的波峰因數6.31相去甚遠，軸承有異常聲甚至是有顯著異常聲的概率很高，而按照標準要求的有效值和峰值判定，這些軸承則全部是ZF3級靜音軸承。即按照JB/T 7047—2006判定軸承異常聲，錯判和漏判在理論上不可避免。錯判和漏判的根本原因是，標準雖然給出了某一等級的有效值允許值范圍和該等級的峰值允許值范圍，但卻沒有顧及一個具體信號其峰值超出有效值的程度，而該超出程度表現的正是振動異常聲，超出越多，異常聲越重，超出越少，靜音性能越好。

3 用波峰因數或峰值與有效值之差檢測和判斷軸承異常聲

實際測量過程中，波峰因數實時反映一個信號峰值超出其有效值的程度，標準制定者在制定VP3，VP4和ZP3，ZP4峰值限制時，采用的波峰因數是基本合適的，因此，采用波峰因數控制軸承振動異常聲，就不會產生錯判和漏判。

但是，波峰因數是一個無量綱量，對數字化軸承振動測量儀采用該量沒有問題，而對于傳統(tǒng)的模擬電箱指針式顯示則難以實現，在此情況下，可以采用峰值與有效值之差Δ這一有量綱量對軸承異常聲進行檢測。若用RMS表示有效值，PK表示峰值，CF表示波峰因數，則有

依據此式，表3和表4分別給出了608軸承VF3和ZF3靜音等級峰值與有效值之差及相關參量。

表3 608軸承VF3靜音等級峰值與有效值之差

表4 608軸承ZF3靜音等級峰值與有效值之差

實際測量時，波峰因數和峰值與有效值之差都是實時動態(tài)量，兩者都將同一個信號的有效值和峰值動態(tài)關聯(lián)起來，反映峰值對有效值的超出程度，正是這種動態(tài)關聯(lián)性，使得用它們評價軸承振動異常聲理論上不會產生錯判和漏判。

如表3所示，當608軸承振動有效值為V3組，波峰因數低頻不超3.30、中頻不超4.11、高頻不超3.96或峰值與有效值之差低頻不超101 μm/s、中頻不超87 μm/s、高頻不超71 μm/s時，該軸承就是VF3組靜音軸承。

如表4所示，當608軸承振動有效值為Z3組，波峰因數不超6.31或峰值與有效值之差不超45.5 dB時，該軸承就是ZF3組靜音軸承。

以軸承振動速度異常聲控制中頻帶VF3等級為例，表5給出了軸承公稱內徑3 ～60 mm設計VF3量值時采用的波峰因數CF3、按照峰值VP3控制異常聲時實際控制的波峰因數CFR3以及峰值與有效值之差VP3-V3。表5中的相關數據分別以曲線形式顯示(圖1～圖3)。

表5 軸承振動速度異常聲控制參量(中頻帶)

圖1所示為標準給定的V3組振動有效值和VP3組振動峰值的范圍變化情況。圖2所示為設計波峰因數CF3和實際測量時標準所允許的波峰因數最小值CFR3-和最大值CFR3+，可以看出，盡管CF3完全落在CFR3-和CFR3+之間，但CFR3-和CFR3+之間的范圍很寬，在此范圍內，軸承實際異常聲可能遠比期望的VF3好，也可能遠比期望的VF3差，但都被判定為VF3靜音等級。圖3所示為軸承振動峰值與有效值之差與峰值的變化趨勢，由于其幾乎完全一致，這從另一個方面說明，將峰值與有效值之差作為軸承振動異常聲的判定參量是可行的。

圖1 軸承振動速度分布

圖2 設計波峰因數CF3與實際波峰因數CFR3

圖3 峰值、峰值與有效值之差趨勢圖

4 結論

(1)根據JB/T 10187—2000《滾動軸承 深溝球軸承振動(速度)技術條件》和JB/T 7047—2006《滾動軸承 深溝球軸承振動(加速度)技術條件》中給定的有效值限值和峰值限值判定軸承靜音等級時，存在理論上的錯判和漏判。其原因是，標準中要求的有效值和峰值各有一個范圍，在其都不超過范圍的情況下，組合出來的波峰因數卻會遠小于或遠大于設計峰值限值時使用的被認為與某個靜音等級相對應的波峰因數。

(2)軸承振動特征量波峰因數因實時地將振動信號的峰值與有效值以二者之比的方式相關聯(lián)，因此，采用其對軸承異常聲進行檢測和判級，不存在理論上的錯判和漏判。

(3)軸承振動特征量峰值與有效值之差因實時地將振動信號的峰值與有效值以二者之差的方式相關聯(lián)，因此，也能夠有效地反映軸承振動異常聲，對難以顯示波峰因數的非數字化軸承振動儀，可考慮將其作為波峰因數的代用參量檢測控制軸承振動和異常聲。