振動(dòng)檢測技術(shù)在軸承壽命考核中的應(yīng)用

孫北奇，葛世東，買楠楠，于曉凱，張文濤

(洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039)

由于陀螺主軸承的性能直接影響到位標(biāo)器的靈敏度和導(dǎo)引性能，而且軸承工況極為惡劣，使用壽命很短，所以主機(jī)壽命均以陀螺主軸承的壽命為依據(jù)。目前使用的陀螺主軸承是由9Cr18不銹鋼材料制成的微型薄壁軸承，軸承內(nèi)、外圈溝道與內(nèi)、外配合表面的最薄壁厚一般在0.3 mm左右,且軸承不能添加任何外加供油裝置。軸承高速工作在強(qiáng)磁場環(huán)境中，由于套圈變形、渦流、潤滑不良等因素，在使用過程中經(jīng)常出現(xiàn)軸承卡死的現(xiàn)象，很難滿足新型位標(biāo)器陀螺主軸承的精度和壽命要求。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

振動(dòng)檢測技術(shù)通過安裝在試驗(yàn)裝置上的振動(dòng)傳感器監(jiān)測軸承振動(dòng)信號，并對信號進(jìn)行分析與處理來判斷軸承工況與故障。在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，由于軸承內(nèi)部和表面狀態(tài)出現(xiàn)早期微小故障，都會(huì)在其振動(dòng)頻譜中反應(yīng)出來，且信號測試處理簡單直觀，診斷結(jié)果可靠，故軸承振動(dòng)在線檢測技術(shù)已成為軸承試驗(yàn)技術(shù)中的主要的分析監(jiān)測手段。其優(yōu)點(diǎn)在于軸承一旦出現(xiàn)問題，可以在最短的時(shí)間內(nèi)發(fā)現(xiàn)，并根據(jù)試驗(yàn)情況做出相應(yīng)處置。在所有試驗(yàn)參數(shù)不變的情況下，加快試驗(yàn)循環(huán)可以縮短試驗(yàn)周期[1]。

用戶要求研制的66/9TN3/HVP4(以下簡寫66/9)和F66/9TN3/HVP4(以下簡寫F66/9)軸承按照高、低溫條件跑合150 h后，軸承本身不能出現(xiàn)異常磨損及振動(dòng)過大。試驗(yàn)的主要目的是應(yīng)用振動(dòng)在線檢測技術(shù)對66/9和F66/9軸承進(jìn)行試驗(yàn)，以檢驗(yàn)軸承跑合150 h后能否滿足用戶的使用要求。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備及裝置

軸承在試驗(yàn)裝置中的安裝結(jié)構(gòu)如圖1所示，模擬了軸承實(shí)際使用過程中的安裝方式，2套軸承由加載鎖緊環(huán)鎖緊后，通過內(nèi)圈接觸產(chǎn)生預(yù)緊力。外卡套端面上設(shè)有2個(gè)小孔，以方便試驗(yàn)臺(tái)對外組件定位并防止轉(zhuǎn)動(dòng)。

1—66/9軸承 ；2 —F66/9軸承；3 —旋轉(zhuǎn)軸；4—內(nèi)卡套；5—外卡套；6—加載鎖緊環(huán)

1.3 試驗(yàn)準(zhǔn)備

(1)校準(zhǔn)空氣主軸的轉(zhuǎn)速。在變頻電源輸出為100 Hz，電壓為30 V時(shí)，使主軸轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在6 000 r/min，并固定電源輸出電壓和頻率;(2)將66/9和F66/9軸承用汽油和石油醚清洗后，注入高低溫儀表油，然后測量并記錄軸承的摩擦力矩和旋轉(zhuǎn)精度;(3)軸承重新清洗后，進(jìn)行真空浸油，并利用離心機(jī)甩去浮油;(4)將軸承成對裝入清洗干凈的試驗(yàn)裝置中;(5)調(diào)整好軸向定位和徑向測振頭后，將試驗(yàn)裝置放入高低溫試驗(yàn)箱進(jìn)行試驗(yàn)。

試驗(yàn)采用自制的精密空氣靜壓主軸(轉(zhuǎn)速0～90 000 r/min)，主軸和轉(zhuǎn)軸連接驅(qū)動(dòng)軸承內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)。采用該主軸主要是因?yàn)槠淠Σ亮睾突A(chǔ)振動(dòng)在常溫下比較穩(wěn)定，對軸承振動(dòng)和摩擦力矩的影響基本恒定，更容易通過檢測軸承系統(tǒng)的振動(dòng)和停慣時(shí)間確定軸承的動(dòng)態(tài)性能，以便及時(shí)做出相應(yīng)的處理。

預(yù)載荷的大小對成對安裝角接觸球軸承的性能有著極為重要的影響，預(yù)載荷過大，雖然可以獲得較高的軸向剛度及抗卸載能力，但使軸承摩擦力矩增大；預(yù)載荷過小，情況則相反[2]。綜合考慮，利用軸向加載彈簧對軸承施加5 N的軸向載荷。徑向拾振頭中設(shè)有徑向加載彈簧，采集的振動(dòng)信號利用S901G智能軸承振動(dòng)分析儀及分析軟件進(jìn)行處理。采用高低溫試驗(yàn)箱控制軸承的溫度，溫控箱可以實(shí)現(xiàn)-60～150 ℃的精確控溫。試驗(yàn)裝置的框架如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)裝置框架示意圖

1.4 試驗(yàn)過程

采用S901G智能軸承振動(dòng)分析儀及分析軟件，獲取軸承振動(dòng)信號得到振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)值及振動(dòng)峰值。通過分析軸承振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)值及振動(dòng)峰值的變化來反映軸承跑合150 h后的振動(dòng)及磨損情況。試驗(yàn)軸承(內(nèi)圈旋轉(zhuǎn))轉(zhuǎn)速為6 000 r/min，室溫下進(jìn)行40個(gè)循環(huán)試驗(yàn)，每次運(yùn)轉(zhuǎn)3 h，合計(jì)運(yùn)轉(zhuǎn)120 h；常溫試驗(yàn)完成后，繼續(xù)在+65 ℃環(huán)境下進(jìn)行5個(gè)循環(huán)的高溫試驗(yàn)，每次運(yùn)轉(zhuǎn)3 h，合計(jì)運(yùn)轉(zhuǎn)15 h；最后在-60 ℃環(huán)境下進(jìn)行5個(gè)循環(huán)的低溫試驗(yàn)，每次運(yùn)轉(zhuǎn)3 h，合計(jì)運(yùn)轉(zhuǎn)15 h；總試驗(yàn)時(shí)間為150 h。

隨機(jī)選擇2對共4套軸承進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)前后軸承的徑向游隙和精度和摩擦力矩的測試結(jié)果見表1。為了評價(jià)軸承運(yùn)轉(zhuǎn)150 h后零件的磨損情況，測量了軸承的跳動(dòng)值。動(dòng)態(tài)力矩的測試條件為：軸向載荷10 N，轉(zhuǎn)速10 r/min。軸承徑向游隙的測量載荷為10 N。

表1 試驗(yàn)前、后軸承的精度及摩擦力矩測試結(jié)果

2 結(jié)果分析

2.1 振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)值

振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)值是振動(dòng)的加權(quán)均方根值，主要反映軸承的總體振動(dòng)水平是否穩(wěn)定，且振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)值對瞬時(shí)振動(dòng)信號的變化不敏感，其值一般隨著軸承內(nèi)部磨損的增大而增大，可接受水平主要取決于載荷變化和軸承轉(zhuǎn)速[3]，所以一般用來衡量軸承內(nèi)、外圈及鋼球的磨損情況。

試驗(yàn)軸承振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)值的變化情況如圖3所示。2#軸承對的振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)值基本保持平穩(wěn)變化，甚至還有下降的趨勢。說明2#軸承對在150 h試驗(yàn)中運(yùn)轉(zhuǎn)正常。14#軸承對振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)值隨試驗(yàn)的進(jìn)行出現(xiàn)了比較明顯的上升趨勢，說明軸承的磨損隨運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間的增加而增加，但經(jīng)過150 h試驗(yàn)后，其振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)值仍在可接受的范圍。從軸承振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)值的變化情況來看，14#與2#軸承對雖有差異，但不明顯。試驗(yàn)情況基本正常。同時(shí)，徑向游隙的變化也能間接反映出軸承的磨損情況，從測試結(jié)果看，軸承徑向游隙變化最大為2 μm，也是比較正常的。試驗(yàn)150 h后分解檢查，軸承沒有出現(xiàn)異常磨損的情況。

圖3 軸承振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)值變化趨勢

2.2 振動(dòng)峰值

振動(dòng)峰值主要記錄軸承運(yùn)轉(zhuǎn)情況下的最大振動(dòng)水平，該指標(biāo)主要反映軸承運(yùn)轉(zhuǎn)過程中是否出現(xiàn)異常損壞或表面剝落現(xiàn)象。

如圖4所示,2#軸承對在整個(gè)試驗(yàn)過程中的振動(dòng)峰值基本保持在一個(gè)比較穩(wěn)定的數(shù)值水平，而14#軸承對振動(dòng)峰值則出現(xiàn)了一些變化，有顯著增大趨勢。

2.3 振動(dòng)分析

軸承振動(dòng)的峰值因子是軸承峰值水平與軸承標(biāo)準(zhǔn)值的比值，主要反應(yīng)峰值水平是否異常或出現(xiàn)瞬時(shí)共振情況，能有效地檢查出軸承的表面磨損和損傷。該指標(biāo)可判別軸承振動(dòng)峰值的水平和變化情況，其可接受水平主要取決于載荷和轉(zhuǎn)速。一般認(rèn)為，軸承振動(dòng)峰值因子低于7均屬于正常情況，超過10為危險(xiǎn)狀態(tài)。當(dāng)軸承有較大損傷時(shí)，振動(dòng)峰值因子會(huì)超過10，有時(shí)達(dá)到幾十[4]。如圖5所示，2#軸承對振動(dòng)峰值變化平穩(wěn)，沒有出現(xiàn)瞬時(shí)共振情況；14#軸承對振動(dòng)峰值波動(dòng)較大，存在瞬時(shí)共振的情況。

圖4 振動(dòng)峰值變化趨勢

振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)值是對時(shí)間的平均，因此對于具有表面皺裂的無規(guī)則振動(dòng)，其測值變動(dòng)小，與軸承惡化程度有較好的相關(guān)性，可以對軸承作出恰當(dāng)?shù)脑u價(jià)。但其對于表面剝落或損傷等具有脈沖振動(dòng)波形的異常是不合適的，因沖擊波峰的振幅大，持續(xù)時(shí)間短，振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)值幾乎沒有差異。此時(shí)用峰值判別法較適合，但也存在對滾動(dòng)體沖擊保持架、灰塵等原因引起的瞬時(shí)振動(dòng)及突發(fā)的外部干擾比較敏感的缺點(diǎn)[4]。

14#軸承對振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)值沒有出現(xiàn)異常波動(dòng)，但其振動(dòng)峰值出現(xiàn)了鋸齒形微小波動(dòng)(圖5b)，這說明軸承已經(jīng)開始出現(xiàn)輕微的磨損。

圖5 峰值因子變化趨勢

2.4 分解檢查

14#軸承對運(yùn)轉(zhuǎn)情況較差，故試驗(yàn)后對66/9軸承進(jìn)行分解檢查，照片如圖6所示。從軸承分解情況可以看出，軸承保持架兜孔和陶瓷球接觸的部位有輕微的磨損，內(nèi)、外圈溝道表面有1個(gè)暗灰色的跑合帶，比較均勻且沒有出現(xiàn)表面疲勞現(xiàn)象，球體外觀基本正常。

圖6 14#軸承對試驗(yàn)后分解圖示

3 結(jié)束語

分析了2組軸承的振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)值和振動(dòng)峰值的變化情況，結(jié)果表明，振動(dòng)在線檢測技術(shù)在薄壁陶瓷球軸承壽命試驗(yàn)分析中具有一定的實(shí)用性與可靠性。

振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)值對軸承的磨損分析不太敏感，振動(dòng)峰值能更加清晰地反映軸承的磨損趨勢。分解檢查發(fā)現(xiàn)14#軸承對的保持架有一定的磨損。試驗(yàn)測試結(jié)果表明薄壁軸承保持架的加工有一定的離散性，防止其離散性過大是今后保持架加工應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注的問題。