微型軸承振動(dòng)測(cè)試技術(shù)的對(duì)比

肖琳，黃迪山

(1.上海大學(xué) 機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，上海 200072；2.上海天安軸承有限公司，上海 201108)

1 軸承振動(dòng)測(cè)試技術(shù)概況

低噪聲現(xiàn)已成為微型軸承的基本質(zhì)量要求。隨著軸承產(chǎn)品質(zhì)量的提高，軸承運(yùn)轉(zhuǎn)的聲壓級(jí)越來(lái)越小，對(duì)噪聲測(cè)量設(shè)備的要求也越來(lái)越高。微型軸承的噪聲測(cè)量需要在消音室進(jìn)行，不能滿足生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的批量檢測(cè)，而振動(dòng)是產(chǎn)生噪聲的主要根源，因此一般通過(guò)振動(dòng)測(cè)量間接評(píng)價(jià)軸承的振動(dòng)噪聲水平。

軸承振動(dòng)按評(píng)價(jià)單位可分為2類：振動(dòng)加速度有效值或振動(dòng)速度值(安德魯或μm/s)。最初，我國(guó)軸承振動(dòng)測(cè)試技術(shù)研究重點(diǎn)以加速度為基礎(chǔ)，廠家一般配備S0910加速度型軸承振動(dòng)測(cè)量?jī)x。2009年我國(guó)首次發(fā)布了GB/T 24610.1—2009《滾動(dòng)軸承振動(dòng)測(cè)量方法》，等同采用新版國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 15242-2：2004，選擇以速度作為表征軸承振動(dòng)的物理量。美國(guó)的B1010安德魯儀是一款權(quán)威的、滿足國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的速度型振動(dòng)測(cè)量?jī)x，其以振動(dòng)速度為評(píng)價(jià)手段，通過(guò)外部傳感器對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采集、分析后也可以得到軸承振動(dòng)加速度的有效值。

壓電式加速度傳感器又稱壓電加速度計(jì)，具有頻率特性好，頻帶較寬、自發(fā)電、精確度高、靈敏度好等特點(diǎn)，被認(rèn)為是振動(dòng)絕對(duì)測(cè)量的最佳傳感器。壓電加速度計(jì)利用壓電效應(yīng)，在加速度計(jì)受振時(shí)，質(zhì)量塊施加在壓電元件上的力也隨之變化，當(dāng)被測(cè)振動(dòng)頻率遠(yuǎn)低于加速度計(jì)的固有頻率時(shí)，力的變化與被測(cè)加速度成正比，屬于慣性式傳感器，其原理如圖1所示。

圖1 壓電式加速度計(jì)結(jié)構(gòu)

丹麥B&K公司現(xiàn)有最小的加速度傳感器與內(nèi)徑1.5 mm的微型軸承如圖2所示，可見對(duì)于微型軸承，用壓電加速度計(jì)進(jìn)行接觸式振動(dòng)測(cè)試時(shí)傳感器安裝困難，測(cè)量中引入附加質(zhì)量可能會(huì)改變測(cè)量對(duì)象的振動(dòng)特性，測(cè)量數(shù)據(jù)不能準(zhǔn)確反映軸承工況。因此需要一種分辨率高、非接觸式的測(cè)量技術(shù)來(lái)彌補(bǔ)接觸式測(cè)量的缺陷。

圖2 B&K最小的加速度傳感器和激光多普勒測(cè)振儀

激光多普勒測(cè)振是典型的非接觸測(cè)試技術(shù)。將激光束打在微型軸承上測(cè)量振動(dòng)速度，經(jīng)譜分析后得到相應(yīng)的頻譜，作為信號(hào)分析、故障診斷的依據(jù)，通過(guò)微分處理可以估計(jì)加速度。

通常，壓電式加速度計(jì)或激光多普勒測(cè)振儀作為信號(hào)分析、故障診斷的手段存在于軸承行業(yè)的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，而S0910加速度型振動(dòng)測(cè)量?jī)x則廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)軸承成品的大批量檢驗(yàn)。在此，通過(guò)測(cè)振試驗(yàn)和數(shù)據(jù)處理，以振動(dòng)加速度級(jí)為最終評(píng)價(jià)手段，將非接觸式激光多普勒測(cè)振、接觸式壓電加速度計(jì)與S0910加速度型振動(dòng)測(cè)量?jī)x進(jìn)行對(duì)比，以驗(yàn)證微型軸承不同場(chǎng)合、不同測(cè)試技術(shù)的區(qū)別和聯(lián)系。

2 接觸式與非接觸式振動(dòng)測(cè)量的對(duì)比

在實(shí)驗(yàn)室，分別采用B&K 4517壓電式加速度計(jì)與德國(guó)Ometron VQ-500-D-V型非接觸式激光多普勒測(cè)振儀在安德魯軸承振動(dòng)檢測(cè)儀上對(duì)某微型軸承的同一點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，并對(duì)比測(cè)量結(jié)果。

2.1 測(cè)試儀器

(1)B&K 4517微型集成電路式壓電加速度計(jì)(圖2)。特點(diǎn)：自身質(zhì)量小，低阻抗輸出，蜂蠟粘貼安裝,頻響可達(dá)63.4 kHz，共振頻率80 kHz，低噪聲電纜，敏感元件為石英，線性度高，底座應(yīng)變和溫度波動(dòng)的影響小。

(2)B&K 3560型PULSE多分析系統(tǒng)(圖3)。頻率范圍0～25.6 kHz，A/D轉(zhuǎn)換精度24 bit。可與多種傳感器相連，用于FFT、包絡(luò)分析、模態(tài)分析等軸承聲振分析。配置激光單點(diǎn)振動(dòng)測(cè)量單元后，可進(jìn)行微振動(dòng)的測(cè)量和分析。

圖3 B&K 3560型PULSE多分析系統(tǒng)

(3)Ometron VQ-500-D-V型激光多普勒測(cè)振儀(圖2)。具有無(wú)附加質(zhì)量、遠(yuǎn)程測(cè)量、動(dòng)態(tài)測(cè)量、高低溫測(cè)量、拾取被測(cè)表面單點(diǎn)速度等特點(diǎn)。使用先進(jìn)的非接觸動(dòng)態(tài)干涉技術(shù)，用于精確測(cè)量物體的振動(dòng)速度和頻率。頻率范圍0.5～22 kHz，A/D轉(zhuǎn)換精度24 bit，每個(gè)諧波頻率成分的分辨率小于0.02 μm/s，適用于有限空間處，可對(duì)微細(xì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行振動(dòng)測(cè)量。

(4)B&K 4291型加速度計(jì)校準(zhǔn)儀。振動(dòng)精度±2%，加速度10.0 m/s2，速度20.0 mm/s，位移40.0 μm，內(nèi)部諧波振動(dòng)發(fā)生器標(biāo)準(zhǔn)頻率為79.6 Hz。

(5)安德魯軸承振動(dòng)測(cè)量?jī)x，如圖4所示。以振動(dòng)速度為評(píng)價(jià)手段，轉(zhuǎn)速1 800 r/min，在主軸回轉(zhuǎn)精度、基礎(chǔ)振動(dòng)性能方面高于國(guó)內(nèi)同類產(chǎn)品，采用分頻段多參數(shù)判別控制軸承的振動(dòng)質(zhì)量，還可顯示軸承的峰值個(gè)數(shù)和波峰因數(shù)，但是不能滿足國(guó)內(nèi)在微型軸承大批量生產(chǎn)過(guò)程100%檢驗(yàn)振動(dòng)加速度級(jí)的要求。

圖4 安德魯軸承振動(dòng)測(cè)量?jī)x

2.2 測(cè)定方法

(1)試驗(yàn)對(duì)象：6001-2Z/HV/P5型深溝球軸承，外徑28 mm，內(nèi)徑12 mm，球徑4.763 mm，球數(shù)8。

(2)采用B&K 4291型加速度計(jì)校準(zhǔn)儀分別對(duì)激光測(cè)振儀和B&K 4517型加速度計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)，軸承安置在安德魯試驗(yàn)臺(tái)上，軸承外圈固定，內(nèi)圈轉(zhuǎn)動(dòng)(1 800 r/min), 軸向加載68.1 N[1]。

(3)試驗(yàn)原理如圖5所示， B&K加速度計(jì)、激光測(cè)振儀的VELO OUT接口分別與B&K Pulse數(shù)據(jù)采集面板連接，2個(gè)傳感器同時(shí)對(duì)試驗(yàn)軸承上的同一點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，B&K Pulse 3560分析儀分別采集并分析振動(dòng)信號(hào)，得到振動(dòng)加速度級(jí)。

圖5 加速度測(cè)量原理示意圖

2.3 結(jié)果分析

2.3.1 頻域分貝值

從B&K 3560型PULSE分析系統(tǒng)得到的軸承振動(dòng)頻域功率譜如圖6所示，對(duì)所有譜分量進(jìn)行累加，除以9.81 mm/s2后計(jì)算得軸承振動(dòng)分貝值為46.2 dB。

圖6 B&K壓電式加速度傳感器測(cè)量結(jié)果

激光測(cè)振儀測(cè)得的頻域功率譜(速度信號(hào)在頻域上進(jìn)行微分) 如圖7所示。經(jīng)過(guò)微分處理后得到的軸承振動(dòng)分貝值同樣為46.2 dB。

圖7 激光測(cè)振儀測(cè)量結(jié)果(數(shù)值微分)

2.3.2 時(shí)域分貝值運(yùn)算

軸承振動(dòng)加速度分貝值定義為

L=20lg(a/a0)，

(1)

式中:a為有效值;參考值a0=9.81×10-3m/s2；振動(dòng)測(cè)量數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)N=30 000 。

在MATLAB環(huán)境下對(duì)時(shí)域信號(hào)測(cè)試數(shù)據(jù)(.uff文件)進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)數(shù)值微分處理，估計(jì)激光傳感器所測(cè)軸承的加速度分貝值。軸承振動(dòng)信號(hào)的時(shí)域歷程如圖8所示,根據(jù)振動(dòng)波形進(jìn)行時(shí)域運(yùn)算的結(jié)果見表1。

圖8 軸承振動(dòng)信號(hào)時(shí)域歷程

表1 1#軸承在安德魯儀上的測(cè)量分貝值 dB

經(jīng)數(shù)據(jù)對(duì)比可知，在同一測(cè)量環(huán)境、同一測(cè)點(diǎn)的情況下，速度型激光多普勒非接觸式測(cè)振儀與B&K壓電式加速度計(jì)測(cè)試結(jié)果基本一致。

3 加速度計(jì)與S0910的對(duì)比

在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，用B&K 4517型加速度計(jì)和S0910軸承振動(dòng)測(cè)量?jī)x對(duì)某軸承的同一位置進(jìn)行測(cè)試，并分析對(duì)比測(cè)試結(jié)果。

3.1 測(cè)試設(shè)備

(1)B&K 4517微型集成電路式壓電加速度計(jì)。

(2)B&K 3560型PULSE多分析系統(tǒng)。

(3)B&K 4291型加速度計(jì)校準(zhǔn)儀。

(4)S0910加速度型軸承振動(dòng)測(cè)量?jī)x(圖9)。S0910采用模擬電路對(duì)軸承振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行處理，分頻段顯示軸承振動(dòng)加速度有效值，但沒(méi)有相應(yīng)的振動(dòng)信號(hào)分析功能。

(a)傳感器和推力器 (b)測(cè)量示意圖

3.2 測(cè)定方法

(1)試驗(yàn)對(duì)象：2套6001-2Z/HV/P5深溝球軸承(正、反面測(cè)量)，外徑28 mm，內(nèi)徑12 mm，球徑4.763 mm，球數(shù)8。

(2)調(diào)零并采用電壓校準(zhǔn)法進(jìn)行校準(zhǔn)后，將軸承安裝在S0910型軸承振動(dòng)測(cè)量?jī)x上，軸承外圈固定，內(nèi)圈轉(zhuǎn)動(dòng)(1 500 r/min), 軸向加載40 N[2]。通過(guò)S0910軸承振動(dòng)測(cè)量?jī)x表讀出振動(dòng)加速度分貝值。

(3)采用B&K 4291型加速度計(jì)校準(zhǔn)儀對(duì)B&K加速度計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)后，將壓電式傳感器與B&K Pulse數(shù)據(jù)采集面板連接，對(duì)試驗(yàn)軸承同一測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，B&K Pulse 3560分析儀采集并分析振動(dòng)信號(hào)得到振動(dòng)加速度分貝值。

3.3 結(jié)果與分析

在裝配車間對(duì)1#和2#軸承正、反面施加軸向載荷，由B&K傳感器測(cè)得的頻域功率譜如圖10、圖11所示。與S0910軸承振動(dòng)測(cè)量?jī)x的結(jié)果對(duì)比見表2。

圖10 1#軸承正、反面頻域功率譜

圖11 2#軸承正、反面頻域功率譜

由表2可知，在同一測(cè)量環(huán)境、同一測(cè)點(diǎn)的情況下，S0910振動(dòng)測(cè)量?jī)x測(cè)量結(jié)果比B&K壓電式加速度計(jì)測(cè)量結(jié)果小10 dB以上。這是由于S0910采用電動(dòng)式傳感器，接觸力在一定程度上過(guò)大(尤其對(duì)于微型軸承),從而對(duì)軸承外圈的自由振動(dòng)產(chǎn)生約束。而速度型非接觸式傳感器和B&K加速度型壓電式傳感器不會(huì)發(fā)生接觸力過(guò)大的情況，也不存在傳感器接觸頻響跟不上較高頻率振動(dòng)而導(dǎo)致觸頭與軸承外圈脫離的現(xiàn)象。

表2 S0910振動(dòng)測(cè)量?jī)x測(cè)量結(jié)果 dB

軸承所受載荷的方向、大小和特性的變化均會(huì)改變鋼球間的載荷分布、鋼球與溝道間的接觸變形，從而改變軸承的振動(dòng)狀態(tài)。理論上，向軸承外圈施加載荷的加載機(jī)構(gòu)應(yīng)使軸承外圈在所有方向(徑向、軸向、周向)的振動(dòng)本質(zhì)上處于自由振動(dòng)狀態(tài)。新國(guó)標(biāo)未規(guī)定傳感器的類型，而不同的測(cè)試方法會(huì)產(chǎn)生不同的數(shù)值，用戶和軸承制造商應(yīng)根據(jù)測(cè)試目的和使用條件進(jìn)行選擇。

比較表1和表2可知，在使用相同傳感器和分析儀的情況下，1#軸承由 S0910裝置驅(qū)動(dòng)比安裝在安德魯儀上的振動(dòng)分貝值要小。這主要是因?yàn)檩S承在S0910上比在安德魯儀上的轉(zhuǎn)速低。當(dāng)軸承運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)才會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，而且影響軸承振動(dòng)的多種因素(如結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、表面質(zhì)量、外載荷等)都隨軸承的轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行周期性變化，因此轉(zhuǎn)速是影響軸承振動(dòng)狀態(tài)的重要因素。經(jīng)理論分析和試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，軸承振動(dòng)速度與內(nèi)圈的旋轉(zhuǎn)速度成正比。

4 結(jié)束語(yǔ)

激光非接觸式振動(dòng)測(cè)試技術(shù)可以不受軸承尺寸的限制，彌補(bǔ)了接觸式測(cè)量的缺陷。經(jīng)過(guò)信號(hào)采集器拾取并進(jìn)行軟件分析或編程運(yùn)算，得到的加速度級(jí)均能與主流接觸式壓電加速度計(jì)測(cè)量結(jié)果相符合。但由于轉(zhuǎn)速、載荷、精度等因素的區(qū)別，數(shù)值上與國(guó)內(nèi)廣泛采用的S0910振動(dòng)測(cè)試儀差距較大。

激光非接觸式振動(dòng)測(cè)量時(shí)，軸承外圈本質(zhì)上處于自由振動(dòng)狀態(tài)，理論上更能表征軸承噪聲，測(cè)試條件也非常理想，但對(duì)于軸承現(xiàn)場(chǎng)故障診斷或產(chǎn)品質(zhì)量評(píng)定，S0910振動(dòng)測(cè)試儀更為合適。