軸承保持架質(zhì)心運(yùn)動(dòng)軌跡測(cè)量

劉 品，黃迪山，傅慧燕，莫遠(yuǎn)珍，張 婕

(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 200230)

在滾動(dòng)軸承中，保持架與滾動(dòng)體和套圈之間存在著摩擦、磨損和碰撞，產(chǎn)生的摩擦力和碰撞力對(duì)保持架的運(yùn)動(dòng)和穩(wěn)定性有很大的影響，當(dāng)保持架結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)不合理、制造精度不高及運(yùn)行狀況不良時(shí)，會(huì)造成保持架質(zhì)心運(yùn)動(dòng)軌跡不穩(wěn)定，所以測(cè)量保持架質(zhì)心軌跡在分析軸承動(dòng)態(tài)特性中顯得非常重要。

目前國(guó)外對(duì)軸承保持架動(dòng)態(tài)特性已做了很多研究工作，主要關(guān)注的是保持架的運(yùn)動(dòng)與不穩(wěn)定性問(wèn)題。文獻(xiàn)[1]研究了角接觸球軸承的保持架質(zhì)心運(yùn)動(dòng)軌跡，提出了角接觸球軸承渦動(dòng)模型，并測(cè)量和識(shí)別了不同類(lèi)型的保持架渦動(dòng)，將其分為穩(wěn)定和不穩(wěn)定兩類(lèi)。還有研究者用3個(gè)渦流式傳感器檢測(cè)角接觸球軸承保持架x，y，z方向的振動(dòng)位移，測(cè)定各種運(yùn)轉(zhuǎn)條件下(轉(zhuǎn)速、載荷、潤(rùn)滑及間隙)的保持架渦動(dòng)，把運(yùn)動(dòng)軌跡分為質(zhì)心近似保持不動(dòng)、質(zhì)心為圓周運(yùn)動(dòng)及過(guò)渡狀態(tài)[2]。但采用渦流式傳感器檢測(cè)保持架質(zhì)心運(yùn)動(dòng)軌跡有一定局限，由于兩個(gè)相互垂直的渦流傳感器體積相對(duì)較大，受微型軸承的幾何空間限制，不可能安裝在微型軸承上。而且渦流傳感器感應(yīng)面積大，拾取的保持架側(cè)梁運(yùn)動(dòng)信號(hào)中將包含球體通過(guò)時(shí)的干擾，檢測(cè)到的信號(hào)品質(zhì)不夠理想；另外渦流傳感器對(duì)非金屬保持架檢測(cè)不敏感，對(duì)保持架材料有限制。

因此，在微型角接觸球軸承外圈上垂直加工兩個(gè)槽，安裝兩個(gè)相互垂直且在同一徑向平面上的激光傳感器，由于激光光束斑點(diǎn)的數(shù)量級(jí)只有幾十微米，激光光束可透過(guò)兩槽進(jìn)行測(cè)量，能克服渦流式傳感器體積大和材料敏感性的弱點(diǎn)。

1 試驗(yàn)裝置

選擇微型軸承實(shí)體保持架為試驗(yàn)對(duì)象，保持架材料為酚醛夾布，用激光進(jìn)行質(zhì)心位移測(cè)量。由于保持架的幾何位置比較特殊，處于軸承外圈和內(nèi)圈之間，通過(guò)特殊方法加工軸承外圈，使激光光束導(dǎo)入并直接照到保持架上，測(cè)量保持架的徑向振動(dòng)。應(yīng)用中，采用電火花鉬絲切割技術(shù)在軸承外圈邊框上加工出4個(gè)互成90°，寬2.2 mm，深2 mm的槽，該槽深度不侵入溝道，槽的加工不影響軸承的工作狀態(tài)。激光光束透過(guò)槽可照到連續(xù)的保持架圓周邊框,激光斑點(diǎn)在保持架位置示意圖如圖1a所示，保持架渦動(dòng)在激光測(cè)量方向投影為振動(dòng)位移。保持架質(zhì)心軌跡測(cè)量原理圖如圖1b所示。

圖1 保持架質(zhì)心運(yùn)動(dòng)軌跡激光測(cè)量原理圖

試驗(yàn)裝置由安德魯軸承試驗(yàn)臺(tái)、激光傳感器、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)組成。試驗(yàn)軸承型號(hào)為7002，外徑為32 mm,內(nèi)徑為15 mm，球徑為4.763 mm，球數(shù)Z=11。軸承安置在試驗(yàn)臺(tái)的驅(qū)動(dòng)軸上，軸向加載22.23 N。外圈固定，驅(qū)動(dòng)內(nèi)圈，試驗(yàn)在轉(zhuǎn)速為1 800 r/min下進(jìn)行。采用兩個(gè)光束斑點(diǎn)只有20 μm,分辨率為0.05 μm高精度的KYENCE非接觸激光傳感器(LK-G30)垂直拾取軸承保持架徑向振動(dòng)位移。

在檢測(cè)時(shí)，為了克服保持架表面油膜的存在所產(chǎn)生的隨機(jī)干擾以及表面粗糙度對(duì)激光檢測(cè)信號(hào)的影響，選擇激光濾波器為低通濾波，截止頻率設(shè)置為300 Hz,在采樣前進(jìn)行初次濾波。設(shè)置信號(hào)的采樣頻率為10 kHz，采樣點(diǎn)數(shù)為65 536，對(duì)振動(dòng)信號(hào)同時(shí)進(jìn)行x，y方向采集。

2 振動(dòng)位移

對(duì)采集到的數(shù)據(jù)按文獻(xiàn)[2]設(shè)計(jì)組合小波函數(shù)濾波器進(jìn)行低通濾波處理，截止頻率fcut=50 Hz。組合小波函數(shù)設(shè)計(jì)濾波器的特點(diǎn)：(1)無(wú)相移濾波保證處理后的信號(hào)沒(méi)有附加的相移，保持原波形諧波的形狀；(2)濾波衰減分貝數(shù)高(大于40 dB以上)，確保處理后信號(hào)無(wú)噪聲干擾。

圖2是處理后兩個(gè)方向的振動(dòng)位移信號(hào)，其中的直流分量與激光測(cè)量的初始距離有關(guān)。由分析得到：內(nèi)圈轉(zhuǎn)速頻率n=30 Hz,保持架特征頻率fc=11.96 Hz,鋼球特征頻率fb=141.9 Hz,內(nèi)溝道特征頻率fi=198.4 Hz,外溝道特征頻率fe=131.5 Hz。對(duì)于檢測(cè)到的保持架徑向平面x,y方向信號(hào)，經(jīng)低通濾波處理后進(jìn)行譜分析，得到分辨率為0.2 Hz的頻譜(圖3)，把圖中的頻率和上述各特征頻率對(duì)比，可知保持架特征頻率呈現(xiàn)1～4階的諧波，并且幅度較大。

圖2 保持架兩方向位移信號(hào)1 s時(shí)間歷程

圖3 保持架兩方向信號(hào)頻譜圖

3 質(zhì)心運(yùn)動(dòng)軌跡圖

在保持架徑向平面上相差90°的位置上，采集x,y振動(dòng)信號(hào)。設(shè)保持架質(zhì)心運(yùn)動(dòng)軌跡為復(fù)矢量z,數(shù)據(jù)為50 000組，表示為：

z=x+jy。

根據(jù)該方法可以得到保持架質(zhì)心運(yùn)動(dòng)軌跡。合成的質(zhì)心運(yùn)動(dòng)軌跡如圖4所示，該軌跡呈現(xiàn)一個(gè)外“8”字形。根據(jù)質(zhì)心運(yùn)動(dòng)軌跡特征以及旋轉(zhuǎn)體的基本物理現(xiàn)象分析，可以識(shí)別很多保持架的狀態(tài)信息。從旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障機(jī)理分析得知[3],此軌跡形狀為保持架不對(duì)中與不平衡的綜合原因所致，表明保持架處于異常運(yùn)行狀態(tài)下。

圖4 保持架質(zhì)心軌跡圖

對(duì)兩個(gè)信號(hào)再次進(jìn)行低通濾波[2]，頻率大于15 Hz的信號(hào)被濾掉，即只剩下保持架一階諧波頻率，濾波后時(shí)域信號(hào)見(jiàn)圖5，質(zhì)心運(yùn)動(dòng)軌跡如圖6所示，此時(shí)的軌跡為一個(gè)橢圓。從單一諧波所組成的橢圓質(zhì)心運(yùn)動(dòng)軌跡知，保持架在空間位置呈不平衡狀態(tài)。

圖5 經(jīng)濾波處理后的兩方向信號(hào)1 s時(shí)間歷程

圖6 保持架質(zhì)心運(yùn)動(dòng)軌跡圖(橢圓特征)

質(zhì)心運(yùn)動(dòng)軌跡圖是在保持架同一截面的兩個(gè)相互垂直的方向上測(cè)得的一組振動(dòng)位移信號(hào)，保持架單一諧波信號(hào)和多諧波信號(hào)組成的質(zhì)心運(yùn)動(dòng)軌跡，都可以反映保持架運(yùn)動(dòng)狀態(tài)?？紤]保持架的剛性渦動(dòng)和彈性體振動(dòng)的物理現(xiàn)象，對(duì)質(zhì)心運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)一步信號(hào)處理，可識(shí)別與保持架幾何參數(shù)、制造質(zhì)量對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)特征。因此，進(jìn)一步對(duì)質(zhì)心運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行分析,優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)，提高制造質(zhì)量，從而提升軸承保持架質(zhì)心軌跡的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性。

4 結(jié)束語(yǔ)

在不需對(duì)保持架做特殊設(shè)計(jì)并確保滾動(dòng)軸承正常運(yùn)行下，對(duì)軸承外圈挖槽，利用激光光束斑點(diǎn)的微小性，可檢測(cè)金屬或非金屬材料制微型軸承保持架的徑向振動(dòng)位移，通過(guò)相應(yīng)的信號(hào)處理得到保持架的質(zhì)心運(yùn)動(dòng)軌跡圖。文中的檢測(cè)結(jié)果驗(yàn)證了激光對(duì)微型軸承實(shí)體保持架質(zhì)心運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行精密測(cè)量的有效性。

如果更換高速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，可以觀測(cè)到保持架更多的質(zhì)心運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息，如非穩(wěn)定質(zhì)心運(yùn)動(dòng)?？紤]保持架的剛性渦動(dòng)和彈性體振動(dòng)的物理現(xiàn)象，對(duì)質(zhì)心運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行信號(hào)模式識(shí)別和全息技術(shù)分析，判別保持架運(yùn)動(dòng)特征。其可用于軸承保持架故障狀態(tài)診斷，同時(shí)為微型軸承保持架運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性影響因素研究提供依據(jù)。