基于振動值和旋轉力矩的圓錐滾子軸承缺陷識別

陳金地

（龍溪集團 福建省永安軸承有限責任公司，福建 永安 366000）

1 引言

在高精度圓錐滾子軸承自動化連線磨削加工中發現：精磨內圈的滾道和擋邊時，因無心電磁夾具的磁力偏小，導致極個別工件停轉，造成加工面磨削缺口。該類缺口十分細微，超精后在日光燈下很難分辨，只能在特定角度、光線下看到（圖1），截面如圖2所示。

圖1 擋邊缺口與內滾道缺口缺陷件照片Fig.1 Defective photos of gaps on rib and inner raceway

圖2 擋邊缺口與內滾道缺口截面圖Fig.2 Cross－section diagram of gaps on rib and inner raceway

因缺陷產品數量較少且混入正常產品中，裝配前的人工終檢很難發現，常規檢驗方法下漏檢率達30%以上。而一旦缺陷件裝機使用，輕則造成早期損壞、異響，重則造成軸承抱死、車軸起火等重大安全事故。

針對上述異常件現象，嘗試利用速度型振動檢測機和旋轉力矩檢測機數據進行分析，以在自動化生產線上有效剔除異常件。

2 測量原理

2.1 振動

滾動軸承的振動是指軸承零件幾何中心瞬時位置偏離理想位置的運動，軸承零件隨時間變化的彈性變形以及其他軸承旋轉所必要的一切運動，通稱為軸承的振動。

振動值是軸承的綜合性質量指標，主要反映軸承各工作表面的微觀質量水平。對于單個軸承振動值的檢測，目前采用2種計量單位，一種為加速度型，計量單位為dB，組別代號為Z1，Z2，Z3，Z4；另一種為速度型，計量單位為μm／s，組別代號為V0，V1，V2，V3。

速度型振動值測量裝置如圖3所示，速度傳感器置于外徑面上。測量時，向外圈施加軸向載荷，外圈靜止，儀器帶動軸承內圈以890 r／min的轉速旋轉。分析對象為內滾道缺口和擋邊缺口，可看作內圈滾道與內孔間的厚度變動量Ki和內圈擋邊平行差Sif嚴重超差的產品。影響圓錐滾子軸承振動值的因素比較復雜，不同參數對軸承振動的影響見表1，由表可知：內圈滾道缺陷對中低頻值有一定影響，而在實際工況下，內圈滾道缺口會造成滾子運動不平穩，對高頻值也將產生一定影響；內圈擋邊缺陷對振動值的影響相對較小。

圖3 振動測量圖Fig.3 Diagram ofmeasurement for vibration

表1 影響圓錐滾子軸承振動值的套圈參數Tab.1 Ring parameters influencing vibration value of tapered roller bearing

2.2 旋轉力矩

由于啟動力矩在實際測量中取值難度很大，且在裝配線的實際應用中價值有限，因此采用旋轉力矩進行分析。

圓錐滾子軸承承受軸向載荷時，其旋轉力矩主要包括：1）滾子與內、外圈滾道面的滾動阻力（摩擦）與彈性滯后和EHL黏性滾動阻力之差；2）內圈擋邊與滾子端面之間的滑動摩擦阻力。考慮在裝配線旋轉力矩測量中溫度影響較小，油黏度變化對旋轉力矩的影響可以忽略不計。

不同軸向載荷下軸承轉速與旋轉力矩的關系如圖4所示。從圖中可以看出：相同轉速下，軸向載荷越大旋轉力矩越大；在相同軸向載荷下，轉速低于一定值時（圖中A點），轉速越低旋轉力矩越大。

圖4 轉速與旋轉力矩的關系Fig.4 Relationship between rotational speed and running torque

3 試驗分析

3.1 振動試驗

轉速300 r／min，軸向載荷1 100 N時，對同一套33217型軸承，分別裝入帶有滾道缺口、擋邊缺口的內圈以及正常內圈，各測量5次得到3種狀態振動均值數據見表2。由表可知：內圈擋邊缺口軸承振動值比正常軸承振動值有所增加，但差別不大；內圈滾道缺口軸承振動值則比正常軸承振動值增大明顯。符合理論分析。

表2 三種狀態振動均值數據Tab.2 Data of average values of vibration under three kinds of states

因此，考慮批次產品的振動值差異，利用振動檢測識別內圈擋邊缺口軸承不可行，但可用于識別內圈滾道缺口軸承。

3.2 旋轉力矩試驗

軸向載荷2 750 N下，轉速分別為20，120 r／min時，缺陷軸承與正常軸承的旋轉力矩對比如圖5所示，該數據從設備內部導出，每秒采集1次，共取52個數據。從圖中可以看出：120 r／min時，缺陷軸承與正常軸承的旋轉力矩曲線基本重合，兩者難以區分；而20 r／min時，缺陷軸承與正常軸承的旋轉力矩曲線有所分離，兩者間存在一定的差別。

圖5 缺陷軸承與正常軸承的旋轉力矩對比Fig.5 Comparison of running torque between defective bearing and normal bearing

為分析旋轉力矩檢測的可行性，列出不同轉速下3種缺陷狀態軸承的旋轉力矩均值，見表3。由表可知：120 r／min時，缺陷軸承與正常軸承的旋轉力矩差別不大，甚至因儀器分辨率等因素，內圈滾道缺口軸承的旋轉力矩小于正常軸承，無法檢出缺陷軸承；載荷保持不變，主軸轉速由120 r／min變化到20 r／min時，缺陷軸承和正常軸承的旋轉力矩值均有所增加，符合之前的理論分析，但正常軸承的旋轉力矩增加量較小，缺陷軸承的旋轉力矩均有較大的增幅，其中內圈擋邊缺口軸承旋轉力矩增幅更大；進一步分析，內圈擋邊缺口軸承與正常軸承之間的旋轉力矩差值由120 r／min時的0.078 N·m變化為20 r／min時的0.211 N·m，增加近3倍。綜上可知，可采用低轉速下的旋轉力矩均值檢測內圈擋邊缺口軸承。

表3 不同缺陷狀態軸承的旋轉力矩均值Tab.3 Average values of running torque of bearing under different defective states

4 振動與旋轉力矩在裝配線中的應用

如果客戶沒有明確要求，實際應用中一般參照國家標準測定產品振動值，并通過適當提高要求作為工序控制指標；旋轉力矩控制則一般采用主軸轉速120 r／min時固定載荷下的測量值。針對33217型軸承，依據上述標準設置的企業內控指標見表4。而對于同批次軸承，檢測20件正常軸承的振動均值以及20 r／min時的旋轉力矩制定新內控指標，其與舊指標的對比見表4。

表4 33217軸承新舊企業內控指標Tab.2 New and old internal control indexes of enterprise for bearing 33217

對于內圈滾道缺口和內圈擋邊缺口軸承，各取5套進行檢測，結果見表5。

表5 缺陷軸承振動值及旋轉力矩檢測結果Tab.5 Testing results on vibration value and running torque of defective bearing

由表4、表5可知：如果仍采用舊內控指標，缺陷軸承均無法檢出，漏檢率100%。而采用新指標，振動檢測檢出全部內圈滾道缺口軸承，但有2套內圈擋邊缺口軸承未檢出；旋轉力矩檢測則檢出全部內圈擋邊缺口軸承，有1套內圈滾道缺口軸承未檢出。

分別使用振動和旋轉力矩檢測對內圈滾道缺口和內圈擋邊缺口軸承進行批次跟蹤試驗，得出如下結果：1）僅使用振動檢測，內圈滾道缺口漏檢率為0，誤檢率約3%，內圈擋邊缺口漏檢率約47%；2）僅使用旋轉力矩檢測，內圈擋邊缺口漏檢率為0，誤檢率約1.5%，內圈滾道缺口漏檢率約15%；3）振動與旋轉力矩檢測串聯使用，2種缺陷的漏檢率為0，誤檢率約4.5%。

綜上分析，最終確定的圓錐滾子軸承裝配線流程為：超聲波清洗→人工終檢→內外徑檢測→裝滾子→鉚合→清洗→合套→振動檢查→旋轉力矩檢測→清洗→涂油→包裝。

5 結束語

利用振動與旋轉力矩檢測的特點，在全自動裝配線中采用串聯方式，并設定符合產品批次質量的控制值，能有效識別出圓錐滾子軸承內圈滾道缺口和擋邊缺口的軸承。該方法雖然沒有漏檢，但仍存在誤檢的問題，說明采用旋轉力矩均值識別產品缺陷時識別能力仍有不足。

在上述研究基礎上，嘗試采用2種以上的壓力和轉速來測量旋轉力矩，通過計算變化量來分析軸承零件的制造缺陷，并利用數據采集建立相關缺陷的各種檢測值數據庫，采用人工智能加以分析剔除出各類異常件是軸承智能制造中在線檢測的發展方向。