滾針軸承振動與噪聲分析及試驗

康獻(xiàn)民，杜春英，康華洲

(1.五邑大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，廣東 江門 529020；2.中北大學(xué) 機(jī)械工程與自動化學(xué)院，太原 030051)

滾針軸承檢測分為低速軸向竄動量的檢測和高速下振動與噪聲的綜合檢測。在對無外圈滾針軸承生產(chǎn)廠家以及用戶的調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，大多采用手動慣性輪的方式檢查滾針軸承的軸向竄動以及振動與噪聲，以檢測人員的感覺來判斷軸承的性能，缺乏統(tǒng)一的檢測指標(biāo)及方法。下文通過設(shè)定幾種典型的故障形式，測試、分析振動與噪聲的關(guān)系，為開發(fā)滾針軸承全自動檢測裝置提供數(shù)據(jù)支持。

1 振動與噪聲分析

當(dāng)滾針軸承有一定徑向游隙時，在徑向載荷下運(yùn)轉(zhuǎn)，滾道內(nèi)存在承載區(qū)與非承載區(qū)，只有承載區(qū)若干個滾針承受載荷，構(gòu)成彈簧支承使?jié)L針產(chǎn)生周期性振動，轉(zhuǎn)軸中心會上下垂直移動引發(fā)振動與噪聲，尤其是在低速運(yùn)轉(zhuǎn)時表現(xiàn)更為明顯。

1.1 保持架的旋轉(zhuǎn)頻率

假設(shè)滾針與滾道之間沒有相對滑動且無變形，軸承工作時保持架的旋轉(zhuǎn)頻率fc為

cosα)fe]，

(1)

式中:Dw為滾針直徑；Dpw為滾針組節(jié)圓直徑；α為接觸角；fi為內(nèi)圈回轉(zhuǎn)頻率；fe為外圈回轉(zhuǎn)頻率。

由于檢測時采用內(nèi)圈固定、外圈轉(zhuǎn)動的方式進(jìn)行，即有fi=0，則滾針在內(nèi)滾道上的通過頻率fni為

(2)

式中：Z為滾針個數(shù)。

按照下文中所檢測的滾針軸承參數(shù)，Dw=4 mm，Dpw=38 mm，Z=17,α=0,即有

fc=1.117fe，fni=9.945fe。

(3)

1.2 保持架接觸面傾斜對振動的影響

滾針直徑小更易于發(fā)生偏斜運(yùn)動，但由于受內(nèi)、外滾道的約束，滾針的傾斜有限。在非承載區(qū)時，由于接觸間隙的存在滾針的傾斜對滾道的作用力比較小；當(dāng)進(jìn)入承載區(qū)后，徑向力、軸向力還有回復(fù)力矩作用在滾針上，滾道對滾針的約束作用力使得滾針回復(fù)到與軸線平行的正常運(yùn)行姿態(tài)。

據(jù)文獻(xiàn)[1]介紹，在滾針進(jìn)入承載區(qū)的過程中，滾針后端與外滾道接觸將產(chǎn)生輕微的摩擦。根據(jù)力矩平衡原理，摩擦力的作用使?jié)L針向著減小歪斜的方向轉(zhuǎn)動(圖1)。由于滾針前端受內(nèi)、外滾道的作用，滾針以該接觸點(diǎn)為回轉(zhuǎn)中心，在后端回復(fù)力的作用下，使?jié)L針在脫離保持架的推力作用后向減小歪斜方向轉(zhuǎn)動。由圖可得回復(fù)扭轉(zhuǎn)力矩Mnf及其最大值Mnfmax分別為

圖1 滾針進(jìn)入承載區(qū)的回復(fù)受力分析

Mnf(t)=μKμQψeb(t)l(t)，

(4)

Mnfmax=Febrn=μKμQψeblw，

(5)

式中：Feb為外圈對滾針后端的摩擦力；rn為從滾針中心到內(nèi)、外圈接觸面上點(diǎn)的半徑；Kμ為接觸變形系數(shù)；Qψ為承載區(qū)內(nèi)滾針承受的徑向載荷；lw為滾針長度;μ為滑動摩擦因數(shù)；l(t)為滾針的接觸回復(fù)扭轉(zhuǎn)半徑隨時間變化的函數(shù)。

由于滾針進(jìn)入承載區(qū)時的回轉(zhuǎn)半徑最大，使回復(fù)扭轉(zhuǎn)力矩為最大，其中l(wèi)(t)隨滾針進(jìn)入承載區(qū)的過程持續(xù)減小，直至到零，滾針在回復(fù)力矩的作用下回復(fù)到平行于軸線的位置。

滾針進(jìn)入承載區(qū)的過程中，由于偏斜將發(fā)生歸正運(yùn)動。在歸正過程中，滾針進(jìn)入承載區(qū)的頭部與保持架發(fā)生接觸，當(dāng)滾針歸正時，滾針與保持架發(fā)生碰撞，該碰撞力的大小與滾針的受力相關(guān)，也與其速度有關(guān)[2-3]。

當(dāng)滾針離開承載區(qū)后，由于不存在推動保持架的驅(qū)動作用，滾針的運(yùn)動因摩擦力的作用將減速，滾針與保持架將再次發(fā)生碰撞，也就是說在進(jìn)出承載區(qū)的過程中保持架與滾針前后發(fā)生的兩次碰撞，引起軸承的振動與噪聲[4-5]。

軸承噪聲是指滾動體相對于接觸面回轉(zhuǎn)或滑動、摩擦及撞擊時產(chǎn)生的噪聲，主要發(fā)生在滾動體進(jìn)入和退出承載區(qū)的時刻。由于存在較大的徑向游隙且檢測時滾針軸承只承受徑向載荷,故在此狀態(tài)下滾針的運(yùn)動最容易產(chǎn)生滾動噪聲，而噪聲是用來判斷軸承性能好壞的一個重要參數(shù)[6-7]。

1.3 滾針卡死對振動的影響

滾針正常的受力如圖2所示。滾針進(jìn)入承載區(qū)時，受保持架的推動作用，當(dāng)進(jìn)入承載區(qū)后，其相對于保持架成為受力主體，并與保持架的前接觸面接觸推動保持架運(yùn)動，并在此過程中與保持架發(fā)生碰撞。

圖2 滾針進(jìn)入承載區(qū)時的受力情況

卡死滾針的受力狀態(tài)如圖3所示。由于滾針被卡死，其與內(nèi)、外滾道之間沒有滾動運(yùn)動，接觸面之間均為滑動摩擦。因保持架受到滑動摩擦力的作用，其回轉(zhuǎn)速度受到極大影響，大大低于正常狀態(tài)下的速度，進(jìn)而導(dǎo)致滾針與保持架發(fā)生撞擊，產(chǎn)生較大的振動與噪聲。

圖3 卡死滾針進(jìn)入承載區(qū)的受力情況

1.4 兜孔間隙過大的影響

當(dāng)保持架兜孔間隙較大時，由于受滾針與保持架之間的間隙影響，碰撞作用明顯，其振幅遠(yuǎn)大于兜孔間隙較小的保持架。

2 檢測方法

為了探討滾針卡死或傾斜對軸承振動與噪聲的影響，按照慣例人為制造了2種不同的故障形式：一是將其中1個滾針用502膠固定;二是在保持架與滾針的接觸面上粘貼一個薄銅片，使?jié)L針與保持架之間產(chǎn)生一定的傾斜，以檢測指定轉(zhuǎn)速條件下滾針軸承的振動與噪聲性能。

滾針軸承自動檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。由推入機(jī)構(gòu)將滾針軸承以及慣性輪推入到圖4所示的位置，其中檢測支架固定在工作臺上，檢測心軸為直徑30 mm的光軸，其在檢測時作為滾針軸承的內(nèi)圈，左端與檢測支架固定(不能轉(zhuǎn)動)；慣性輪為Φ38 mm×Φ62 mm×22 mm的鋼質(zhì)套，其在檢測時作為軸承外圈轉(zhuǎn)動，測得的慣性輪的軸向竄動量即為滾針軸承的軸向竄動量。

圖4 滾針軸承自動檢測系統(tǒng)圖

被測對象為摩托車C125發(fā)動機(jī)用K30×38×17型滾針軸承(測試時加少量潤滑油)。檢測時由接近氣缸將驅(qū)動輪移動臺向前推動，使驅(qū)動輪與慣性輪接觸；由驅(qū)動電動機(jī)帶動慣性輪轉(zhuǎn)動，當(dāng)達(dá)到設(shè)定的轉(zhuǎn)速后驅(qū)動輪與慣性輪脫離接觸，檢測系統(tǒng)僅有慣性輪的自由慣性轉(zhuǎn)動；滾針軸承處于內(nèi)圈固定、外圈轉(zhuǎn)動的工作狀態(tài)(除慣性輪的重力外沒有徑向力作用)，慣性輪可沿心軸軸向自由竄動，此時系統(tǒng)不得有其他的運(yùn)動激勵，以免影響測試結(jié)果。測試系統(tǒng)由計算機(jī)、同步數(shù)據(jù)采集卡PCI4472、加速度傳感器LC0102T、噪聲傳感器、光電轉(zhuǎn)速傳感器、光電軸向竄動傳感器等組成，數(shù)據(jù)分析采用LabVIEW應(yīng)用軟件，以振動量、噪聲以及竄動量的大小為軸承質(zhì)量好壞的判斷依據(jù)。檢測系統(tǒng)整體安裝在大理石平臺上，以減少各構(gòu)件之間的振動。

3 測試分析

3.1 完好狀態(tài)下的振動測試

圖5和圖6所示為完好狀態(tài)下滾針軸承外圈轉(zhuǎn)動2圈時的振動加速度與噪聲級。根據(jù)(3)式可得外圈轉(zhuǎn)動1圈，保持架轉(zhuǎn)動1.117圈，滾針通過數(shù)為9.945個；在外圈轉(zhuǎn)動2圈下滾針的通過數(shù)為19.89個。圖5和圖6中滾針的通過振動脈沖數(shù)為14～17個，可見在滾針的運(yùn)動過程中存在較大的滑動，這與滾針的實(shí)際運(yùn)動有一定的誤差，可以理解為因軸承游隙過大，接觸區(qū)滾針較少并引起過大的滑動所致。

圖5 完好狀態(tài)下軸承的振動加速度信號

圖6 完好狀態(tài)下軸承的噪聲信號

3.2 保持架偏斜下的測試分析

假設(shè)保持架傾斜，且內(nèi)、外圈之間存在間隙，那么滾針在進(jìn)入承載區(qū)前將處于偏斜狀態(tài)。由于承載區(qū)的糾偏作用，滾針在進(jìn)入滾道后必然產(chǎn)生歸正碰撞，對比圖5和圖7可見，滾針偏斜狀態(tài)的振動加速度信號并沒有明顯大于正常接觸的情況。但因假設(shè)的完好狀態(tài)并非沒有缺陷，故兩者的振動加速度信號沒有明顯的區(qū)別，相同轉(zhuǎn)速下其振動峰值大10%以上。對比圖6和圖8可知，滾針偏斜狀態(tài)的噪聲明顯大于正常接觸狀態(tài)的噪聲，根據(jù)噪聲的圖形曲線可以明確地辨別滾針的沖擊狀態(tài)，可見用噪聲來辨別偏斜狀態(tài)下發(fā)生的沖擊是可行的。

圖7 保持架面傾斜的振動加速度信號

圖8 保持架面傾斜的噪聲信號

由圖7可見，隨著轉(zhuǎn)速從48 r/min減小至39r/min，滾針的通過沖擊由13個增加為16.5個，可見隨著轉(zhuǎn)速的下降，滾針與滾道間的相對滑動減小，由于滾針偏斜在歸正中的沖擊力有限，因而，利用振動加速度信號對滾針偏斜進(jìn)行判斷有一定的困難。

3.3 一針卡死下的測試分析

由圖9和圖10可見，滾針卡死時振動沖擊明顯。在外圈運(yùn)行2圈的過程中，卡死滾針必有一次通過承載區(qū)，其通過承載區(qū)時振動以及噪聲均比較明顯。高速時其他干擾相對較多，但轉(zhuǎn)速減至35 r/min時，其振動沖擊明顯。另外由于滾針卡死使得摩擦力增大，在同樣的初始轉(zhuǎn)速下，外圈轉(zhuǎn)速迅速降低。

圖9 一針卡死時的振動加速度信號

圖10 一針卡死時的噪聲信號

綜上所述，軸承振動加速度和噪聲與軸承振動的大小有密切的關(guān)系，使用這2個參數(shù)可以對滾針軸承的振動和噪聲水平進(jìn)行定性和一定程度的定量評估和分檔，由于這2個參數(shù)之間關(guān)系的同步性并不明顯，因而使用振動加速度級峰值與噪聲級來綜合判斷軸承的振動和噪聲比較合理。

4 結(jié)論

(1)因保持架與滾針之間存在間隙，滾針在進(jìn)出承載區(qū)時均與保持架碰撞，其碰撞的頻率保持穩(wěn)定，碰撞加速度相對均勻，沒有明顯的碰撞噪聲。

(2)當(dāng)滾針因保持架的加工質(zhì)量設(shè)定為偏斜時，其進(jìn)入承載區(qū)后將發(fā)生歸正碰撞，引起振動或噪聲。滾針歸正碰撞在實(shí)際測試中難以辨別，說明保持架接觸面偏斜對滾針的振動加速度影響有限，而接觸面傾斜導(dǎo)致的噪聲比較明顯，故以噪聲來辨別偏斜狀態(tài)下發(fā)生的沖擊是可行的。

(3)當(dāng)有個別滾針卡死時，碰撞的振動加速度明顯增大，同時噪聲變化明顯；如果有2個滾針卡死，慣性輪將難以轉(zhuǎn)動。