《滾動軸承 振動測量方法 第2部分：具有圓柱孔和圓柱外表面的向心球軸承》標(biāo)準(zhǔn)解讀

馬素青，史龍武，白如冰，胡寶成

（1.洛陽軸承研究所有限公司，河南 洛陽 471039；2.洛陽廣播電視大學(xué)，河南 洛陽 471039；3.萊蕪鋼鐵股份有限公司，山東 萊蕪 271104；4.洛陽LYC軸承有限公司，河南 洛陽 471039）

GB／T 24610《滾動軸承 振動測量方法》分為4個部分：

——第1部分：基礎(chǔ)；

——第2部分：具有圓柱孔和圓柱外表面的向心球軸承；

——第3部分：具有圓柱孔和圓柱外表面的調(diào)心滾子軸承和圓錐滾子軸承；

——第4部分：具有圓柱孔和圓柱外表面的圓柱滾子軸承。

本標(biāo)準(zhǔn)為GB／T 24610的第2部分，于2009年11月15日批準(zhǔn)，2010年4月1日起實(shí)施。本標(biāo)準(zhǔn)詳細(xì)規(guī)定了在測試裝置上，評定具有圓柱孔和圓柱外表面的向心球軸承振動的方法。

1 概況

1.1 國、內(nèi)外振動測量簡介

國外的一些先進(jìn)工業(yè)國家早已開展了滾動軸承振動測量的研究，收集到的有關(guān)軸承振動測量方法的國家或部門標(biāo)準(zhǔn)有：美國國家標(biāo)準(zhǔn)ANSI／AFBMA Std.13《滾動軸承振動和噪聲測量方法》、日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JISB 1548《滾動軸承A計權(quán)聲壓級測量方法》、前蘇聯(lián)國家標(biāo)準(zhǔn)ГОCT DH13《向心球和滾子軸承振動（加速度）標(biāo)準(zhǔn)》、德國工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DIN 5426／1《滾動軸承 軸承的運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲 第1部分：固體聲測量方法》等。

國內(nèi)軸承振動測量方法的研究始于20世紀(jì)60年代初，研究的主要問題是：表征軸承振動物理量的選擇、潤滑油、測頭與軸承接觸載荷、軸向載荷量對向心球軸承振動的影響等。在上述研究的基礎(chǔ)上最早制定的軸承振動測量方法標(biāo)準(zhǔn)為：《中小型電機(jī)用單列向心球軸承振動測量方法》。但是當(dāng)時國產(chǎn)軸承振動測量儀尚未問世，測量方法中有關(guān)試驗(yàn)都是用國外電子測量儀器和傳感器進(jìn)行的，因而留下一個急待解決的問題——制定適用于國產(chǎn)軸承振動測量儀的測量方法。根據(jù)國產(chǎn)測振儀的具體條件通過試驗(yàn)研究，制定了軸承行業(yè)統(tǒng)一企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)：ZQ 25—84《向心球軸承振動測量方法》（僅適用于S0910加速度型軸承振動測量儀）、ZQ 2—85《深溝球軸承振動技術(shù)條件》、ZQ 29—85（試行）《深溝球軸承振動（速度）技術(shù)條件》等。這些標(biāo)準(zhǔn)對軸承振動測量方法都作了較為詳盡的規(guī)定，但是這些規(guī)定都有一定的局限性。為能更合理有效地測量軸承振動，需要制定適用于軸承行業(yè)且為大多數(shù)主機(jī)用戶所接受的軸承振動測量方法。

此后，又開展了速度傳感器及速度型測振儀的研制，于1991年制定出兩項(xiàng)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)：JB／T 5313—1991《滾動軸承 振動（速度）測量方法》和JB／T 5314—1991（ZQ 25—84的修訂版）《滾動軸承 振動（加速度）測量方法》。兩個測量方法標(biāo)準(zhǔn)的不同點(diǎn)是選用了不同的物理量、傳感器及測量儀器（速度和加速度）。但對測試條件（如被測軸承的轉(zhuǎn)速、施加載荷、潤滑、測量系統(tǒng)機(jī)械裝置的精度、測量程序等方面）均采用相同的參數(shù)值，使兩種測量方法在盡可能一致的運(yùn)轉(zhuǎn)條件下進(jìn)行，以利于標(biāo)準(zhǔn)的貫徹。

1.2 相應(yīng)國際標(biāo)準(zhǔn)的制定過程

日本于1995年9月向國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO／TC4秘書處提交了一份工作項(xiàng)目提案，該提案提出：滾動軸承的振動和聲壓級噪聲對于生產(chǎn)廠家和用戶都是重要的運(yùn)轉(zhuǎn)特性。目前還沒有一項(xiàng)國際標(biāo)準(zhǔn)是針對滾動軸承振動和聲壓級噪聲的測量方法。日本建議在美國國家標(biāo)準(zhǔn)ANSI／AFBMA Std.13《滾動軸承振動和噪聲測量方法》和日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JISB 1548《滾動軸承A計權(quán)聲壓級測量方法》的基礎(chǔ)上研究和建立一項(xiàng)新的國際標(biāo)準(zhǔn)。1995年10月在ISO／TC4會議上作出了如下決議：成立ISO／TC4／WG8工作組，開展“滾動軸承振動和噪聲測量方法新ISO標(biāo)準(zhǔn)提案項(xiàng)目”的研究，奧地利、法國、德國、意大利、日本、美國和瑞典等國家參與此項(xiàng)工作，會上明確由瑞典Anton Gergely先生為項(xiàng)目組組長，參考美國ANSI／AFBMA Std.13、日本JISB 1548和德國DIN 5426-1等國家標(biāo)準(zhǔn)，開展該振動項(xiàng)目的研究，以后再逐步研究噪聲。到目前為止，已先后制定出4項(xiàng)滾動軸承振動測量方法的國際標(biāo)準(zhǔn)，即：ISO 15242-1：2004《滾動軸承—振動測量方法—第1部分：基礎(chǔ)》；ISO 15242-2：2004《滾動軸承—振動測量方法—第2部分：具有圓柱孔和圓柱外表面的向心球軸承》；ISO 15242-3：2006《滾動軸承—振動測量方法—第3部分：具有圓柱孔和圓柱外表面的調(diào)心滾子軸承和圓錐滾子軸承》；ISO 15242-4：2007《滾動軸承—振動測量方法—第4部分：具有圓柱孔和圓柱外表面的圓柱滾子軸承》。

2 制定原則及意義

滾動軸承旋轉(zhuǎn)時的振動是與運(yùn)轉(zhuǎn)條件有關(guān)的一種復(fù)雜的物理現(xiàn)象。在某一組條件下測量的單套軸承的振動值并不一定表征各種不同條件下或該軸承作為一較大部件中的一個零件時的振動值。評定裝有軸承的機(jī)械系統(tǒng)產(chǎn)生的聲響就更加復(fù)雜，其還受界面條件、感應(yīng)裝置的位置和方向以及系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)所處聲學(xué)環(huán)境的影響。為了再現(xiàn)軸承振動狀態(tài)，并將軸承振動的測量結(jié)果作為比較和選擇軸承的依據(jù)，必須建立嚴(yán)格、周密、統(tǒng)一的測量方法。

軸承振動可采用許多方法中的任一種來評定，不同的評定方法使用不同類型的傳感器和測試條件。沒有任何一組表征軸承振動的數(shù)值能夠?qū)λ锌赡苁褂脳l件下的軸承振動性能進(jìn)行評定。最終，還應(yīng)根據(jù)已知的軸承類型、使用條件以及振動測試目的（例如：是作為制造過程診斷，或是作為產(chǎn)品質(zhì)量評定）等，來選擇最適用的測試方法。

在國際間軸承行業(yè)中形成了以兩種物理量（速度和加速度）為基礎(chǔ)的軸承振動測量系統(tǒng)。美國和西歐的軸承公司多以軸承振動速度為被測物理量，而俄羅斯和東歐則多以加速度為被測物理量。我國最初軸承振動測試技術(shù)研究重點(diǎn)是以加速度為基礎(chǔ)的，各軸承廠配備的測試手段大都是以加速度為物理量的儀器。近十年來隨著經(jīng)濟(jì)改革的深入與歐美國家工業(yè)交往增多，軸承貿(mào)易要求建立以速度為主要被測物理量的測試系統(tǒng)。

國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 15242《滾動軸承—振動測量方法》是將那些具有足夠?qū)挼倪m用范圍的方法作為標(biāo)準(zhǔn)方法。為加強(qiáng)國際間經(jīng)濟(jì)交流，GB／T 24610.2—2009等同采用新版國際標(biāo)準(zhǔn)ISO15242-2：2004《滾動軸承—振動測量方法—第2部分：有圓柱孔和圓柱外表面的向心球軸承》，僅列入了具有圓柱孔和圓柱外表面的向心球軸承振動測量方法，因此，標(biāo)準(zhǔn)的適用范圍并不是通用的。

3 標(biāo)準(zhǔn)主要內(nèi)容的說明

3.1 表征軸承振動物理量的確定

軸承振動測量首先需要選定被測物理量，以便選用合適的測量原理與儀器。

表征振動的物理量有位移、速度、加速度。對于軸承應(yīng)選用哪一個物理量，首先應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)：

（1）選用的物理量能夠用較簡單的方法準(zhǔn)確地測量出來，測量軸承振動多采用速度或加速度，位移不適應(yīng)對軸承振動的測量。

（2）選定的物理量應(yīng)能真實(shí)反映軸承振動水平。對主機(jī)直接產(chǎn)生影響的是軸承內(nèi)圈和外圈。內(nèi)圈一般與軸配合并與軸一起轉(zhuǎn)動，其振動速度或加速度都難以測量。外圈一般與殼體配合，不旋轉(zhuǎn)，較易測量。國內(nèi)、外一般都測量外圈。

（3）規(guī)定的物理量能夠與軸承噪聲相協(xié)調(diào)，即測得的軸承振動值低，軸承噪聲也低，反之亦然。

根據(jù)上面的分析，按照我國積極采用國際標(biāo)準(zhǔn)的政策要求，本標(biāo)準(zhǔn)等同采用國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 15242-2：2004，選擇以軸承外圈徑向振動速度作為表征軸承振動的物理量。

3.2 轉(zhuǎn)速的確定

靜止的軸承不發(fā)生振動，只有當(dāng)軸承運(yùn)轉(zhuǎn)時才產(chǎn)生振動。因此，轉(zhuǎn)速是影響軸承振動狀態(tài)的重要因素。而影響軸承振動的多種因素（如結(jié)構(gòu)設(shè)計、表面質(zhì)量、外載荷等）都隨軸承的轉(zhuǎn)動作周期性變化，且基本變化頻率與軸承轉(zhuǎn)速密切相關(guān)。經(jīng)理論分析和試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，軸承振動速度與軸承內(nèi)圈的旋轉(zhuǎn)速度成正比。

本標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速設(shè)定值為1 800 r／min。對于小尺寸段的軸承，轉(zhuǎn)速可選得較高一些（2 400～3 600 r／min），以便獲得足夠的振動信號。相反，對于大尺寸段的軸承，轉(zhuǎn)速可選的較低一些（600～1 200 r／min），以避免球和溝道損傷。這與現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB／T 5313—2001規(guī)定的軸承公稱內(nèi)徑在3～60 mm時，轉(zhuǎn)速為1 764～1 818 r／min；軸承公稱內(nèi)徑在60～120 mm時，轉(zhuǎn)速為882～909 r／min不相矛盾。

3.3 軸向載荷的確定

施加軸向載荷可使鋼球與溝道緊密接觸，避免因鋼球在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中與溝道接觸不連續(xù)所造成的不穩(wěn)定振動狀態(tài)，并能限制軸承零件徑向與軸向的自由移動，形成穩(wěn)定的全溝道載荷區(qū)。我國在1976，1982，1986年，曾對內(nèi)徑10～60 mm的2，3系列多種型號球軸承進(jìn)行了軸向載荷值對軸承振動測量值影響的試驗(yàn)。試驗(yàn)證明：測量向心軸承和角接觸軸承時，為得到穩(wěn)定的軸承振動測量結(jié)果，必須施加軸向載荷，軸向載荷值一般應(yīng)隨軸承內(nèi)徑尺寸的增大而增大，但對軸向載荷具體值有分歧。

表1～表5給出了國際標(biāo)準(zhǔn)和國內(nèi)、外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的軸向載荷值，從表1～表5中可看出，不同國家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的軸向載荷值各不相同，除日本的數(shù)值偏低一些，其他國家的規(guī)定相差不是太大。本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的軸向載荷值與國際標(biāo)準(zhǔn)一致，與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB／T 5313—2001和JB／T 5314—2002規(guī)定的值也基本一致。

表1 國際標(biāo)準(zhǔn)和本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的軸承軸向載荷值

表2 JB／T 5313（JB／T 5314）規(guī)定的軸承軸向載荷值

表3 美國ANSI／AFBMA Std.13規(guī)定的軸承軸向載荷值

表4 德國DIN 5426／1規(guī)定的軸承軸向載荷值

表5 日本JISB 1548規(guī)定的軸承軸向載荷值

3.4 測試條件

軸承振動測量不同于一般物理量的測量。一般物理量（如長度、質(zhì)量、力、零件精度等）的測量，只需要一個適當(dāng)?shù)沫h(huán)境和一套標(biāo)準(zhǔn)的度量器具即可。軸承振動測量除需適當(dāng)?shù)沫h(huán)境及一套完整的測量儀器之外，還必須提供使軸承振動的條件（即產(chǎn)生軸承振動狀態(tài)）。

軸承振動原因可分為軸承內(nèi)在因素（如結(jié)構(gòu)設(shè)計和加工制造）和外在因素（如載荷、轉(zhuǎn)速、潤滑、清潔度等）。對于成品軸承，其內(nèi)在因素已成定局，但是由測量裝置和測量方法所提供的外在因素卻是變化的。判斷軸承的振動水平，即對軸承內(nèi)在質(zhì)量作出鑒定，應(yīng)提供使軸承產(chǎn)生振動的標(biāo)準(zhǔn)的外在因素，即運(yùn)轉(zhuǎn)條件標(biāo)準(zhǔn)化。

3.4.1 軸承測試要求

測試軸承振動時，必須加以適當(dāng)?shù)臐櫥?。因?yàn)闈櫥瑒┰谄饾櫥饔玫耐瑫r還改變了軸承間的接觸剛度及運(yùn)動零件所受的阻尼，而剛度和阻尼是決定軸承振動狀態(tài)的重要參數(shù)。實(shí)踐表明，在其他條件不變的情況下，同一套軸承使用不同的潤滑劑，將會測得不同的軸承振動值。即使使用同一種潤滑劑，軸承振動值也會因潤滑劑用量、環(huán)境溫度等不同而有所差異。

目前尚未建立表征潤滑劑特性的有關(guān)參數(shù)與軸承剛度和阻尼間的定量關(guān)系，但許多研究給出了潤滑劑特性、量值、環(huán)境溫度等對軸承振動狀態(tài)影響的定性分析。如：（1）軸承振動值隨潤滑油黏度的增加而減??；（2）油潤滑時球軸承振動值比脂潤滑時的振動值高；（3）充分潤滑是保持架穩(wěn)定振動的必要條件；（4）潤滑劑中的雜質(zhì)是引起軸承異常振動的主要原因之一；（5）在充分潤滑的前提下油量多少對振動值無影響；（6）在環(huán)境溫度為23～27℃，潤滑油黏度為75～300 mm2／s時，黏度對振動值影響最小。

根據(jù)如上因素，本標(biāo)準(zhǔn)在6.1，6.2節(jié)中對清洗、潤滑和環(huán)境進(jìn)行了定性的規(guī)定：（1）測試前，軸承應(yīng)進(jìn)行有效地清洗，注意不要引入污染物或其他振源；（2）測試前，軸承應(yīng)使用公稱黏度為10～100 mm2／s并經(jīng)過濾的潤滑油（過濾精度不低于0.8μm）進(jìn)行充分潤滑；（3）軸承應(yīng)在不影響振動測試的室溫環(huán)境中測試。

3.4.2 測試裝置的要求

測試裝置包括驅(qū)動機(jī)構(gòu)、加載機(jī)構(gòu)、傳感器等。對于不同的主軸精度、載荷的方向和大小、傳感器和軸承測點(diǎn)接觸位置及接觸力等均影響測試結(jié)果。本標(biāo)準(zhǔn)要對上述影響測量的多種因素分別予以規(guī)定，使其標(biāo)準(zhǔn)化，以減小外在因素對測值的影響。

3.4.2.1 主軸／芯軸的剛度及精度

用于支承和驅(qū)動軸承內(nèi)圈的主軸（包括芯軸），不僅可傳遞旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，而且還可作為內(nèi)圈軸線的剛性參照系。在使用的頻帶范圍內(nèi)，主軸／芯軸和軸承內(nèi)圈之間振動的傳遞與所測量的振動速度相比，可以忽略不計，但芯軸的精度影響軸承工作間隙，本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定用于安裝軸承內(nèi)圈的芯軸外徑面公差應(yīng)符合GB／T 1800.2—2009中f5級的規(guī)定，且具有最小的幾何誤差，確保芯軸以滑配合裝入軸承內(nèi)孔中。

3.4.2.2 加載機(jī)構(gòu)

軸承所受載荷的方向、大小和特性的變化可以改變鋼球間的載荷分布、鋼球和溝道間的接觸變形，從而改變軸承的振動狀態(tài)，所以應(yīng)使測試過程中的加載機(jī)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化。理論上，給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、角向或撓曲型（視軸承類型而定）的振動本質(zhì)上處于自由振動狀態(tài)。

3.4.2.3 軸承外加載荷的大小和對中精度

德國DIN 5426／1—1995規(guī)定軸向載荷相對于軸承內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)軸線的徑向偏差值在0.05D以內(nèi)，角偏差在3′以內(nèi)。美國ANSI／AFBMA Std.13—1987所規(guī)定的軸向載荷相對于軸承內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)軸線的同軸度在0.25 mm以內(nèi)，角偏差在3′以內(nèi)。我國JB／T 5313—2001所規(guī)定的軸向載荷相對于主軸軸心線的同軸度在0.20 mm以內(nèi)，角偏差在2°以內(nèi)。

本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定外加載荷的位置和方向應(yīng)與主軸旋轉(zhuǎn)軸線一致，其偏差不應(yīng)超過圖1和表6規(guī)定的范圍。

本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的偏差值與國際標(biāo)準(zhǔn)一致，與德國工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和美國國家標(biāo)準(zhǔn)相比，稍顯松一些，尤其在角偏差上，本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定在0.5°（30′）以內(nèi)，而德國工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和美國國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定在3′以內(nèi)。但本標(biāo)準(zhǔn)與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)相比，其徑向偏差松一些，角偏差較緊一些，行標(biāo)在2°以內(nèi)，國標(biāo)在0.5°以內(nèi)。

圖1 載荷軸線相對于軸承內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)軸線的偏差

表6 載荷軸線相對于軸承內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)軸線的偏差值

3.4.2.4 傳感器的軸向位置和測量方向

為使軸承振動的測試結(jié)果盡可能具有可比性，本標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定傳感器的軸向位置在軸承外圈外表面上且對應(yīng)于受載外圈溝道與球接觸處的中部平面上（圖2）。傳感器的位置確定后，允許的最大軸向位置偏差為：±0.5 mm（外徑D≤70 mm），±1.0 mm（外徑D＞70 mm）。

測量方向垂直于旋轉(zhuǎn)軸線。在任何方向上，其與徑向中心線的偏差不應(yīng)超過5°。該位置應(yīng)使外圈溝道與球的接觸相當(dāng)于承受了中等載荷。

圖2 傳感器設(shè)定的軸向位置及測量方向

4 結(jié)束語

等同采用國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 15242-2：2004的GB／T 24610.2—2009《滾動軸承 振動測量方法第2部分：有圓柱孔和圓柱外表面的向心球軸承》，具有先進(jìn)性、準(zhǔn)確性和可比性。通過對比分析可知本標(biāo)準(zhǔn)與美國國家標(biāo)準(zhǔn)、德國工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)以及舊的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)之間的差異，以利于本標(biāo)準(zhǔn)的貫徹實(shí)施。