滾動軸承振動測量方法新國標(biāo)解析

陳芳華，章有良，嚴(yán)思思，張根源

(1.杭州軸承試驗研究中心有限公司，杭州 310022；2.浙江傳媒學(xué)院，杭州 310018)

1 概述

我國于1991年首次發(fā)布了JB/T 5313—1991《滾動軸承 振動(速度)測量方法》和JB/T 5314—1991《滾動軸承 振動(加速度)測量方法》2項機械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，并分別于2001年和2002年進(jìn)行了修訂。2009年又首次發(fā)布了4項滾動軸承振動測量方法國家標(biāo)準(zhǔn)，即GB/T 24610.1—2009 《滾動軸承 振動測量方法 第1部分：基礎(chǔ)》、 GB/T 24610.2—2009 《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》、GB/T 24610.3—2009 《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》和GB/T 24610.4—2009 《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》。在新國標(biāo)發(fā)布前，我國滾動軸承振動測量方法的有效版本為JB/T 5313—2001和JB/T 5314—2002(以下簡稱老行標(biāo))。

4項新國標(biāo)分別等同采用ISO 15242-1∶

2004，ISO 15242-2∶2004，ISO 15242-3∶2006和ISO 15242-4∶2007。下文針對新國標(biāo)具有的先進(jìn)性，與老行標(biāo)的不同之處，執(zhí)行時應(yīng)注意的問題，目前軸承行業(yè)所使用的軸承振動測量儀能否滿足新國標(biāo)實施的要求，哪些方面需要改進(jìn)以及如何改進(jìn)等一系列行業(yè)迫切關(guān)注的問題進(jìn)行了分析。

2 新國標(biāo)和老行標(biāo)的比較

2.1 引言部分

2項老行標(biāo)均無引言，而4項新國標(biāo)的引言部分則均闡述了標(biāo)準(zhǔn)的推薦性和局限性，主要有以下內(nèi)容：(1)滾動軸承旋轉(zhuǎn)時的振動是與運轉(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不同的條件下或該軸承成為一較大部件中的一個零件時的振動值。(2)在理想配合、理想環(huán)境下，可認(rèn)為軸承的結(jié)構(gòu)振動是最終導(dǎo)致空氣噪聲產(chǎn)生的驅(qū)動源；本標(biāo)準(zhǔn)僅列入了經(jīng)過選擇的軸承結(jié)構(gòu)振動的測量方法。(3)本標(biāo)準(zhǔn)方法的測振目的是軸承產(chǎn)品制造過程診斷或質(zhì)量評定，而非軸承應(yīng)用適用性評判。

2.2 適用范圍

新國標(biāo)和老行標(biāo)的適用范圍如表1所示。

表1 新國標(biāo)和老行標(biāo)的適用范圍

由表1可知：(1)新國標(biāo)適用的軸承類型增加了單列調(diào)心球軸承、雙列向心球軸承、雙列調(diào)心滾子軸承、雙列圓錐滾子軸承和雙列圓柱滾子軸承5大類；(2)新國標(biāo)適用的尺寸段范圍略小于老行標(biāo)；(3)新國標(biāo)的振動測量參數(shù)(測量載荷、測量轉(zhuǎn)速等)以外徑為依據(jù)確定，而老行標(biāo)以內(nèi)徑為依據(jù)確定。

2.3 振動測量的基本要素

2.3.1 測量物理量和單位

新國標(biāo)設(shè)定軸承振動測量的物理量為速度，單位為μm/s，與JB/T 5313—2001一致，可代替JB/T 5313—2001。JB/T 5314—2002設(shè)定的物理量為加速度(級)，單位為dB，可作為軸承振動測量的另一種方法，因為理論分析和應(yīng)用實踐表明，目前行業(yè)所使用的加速度型傳感器對軸承異常聲較為敏感。

2.3.2 測量轉(zhuǎn)速

新國標(biāo)和老行標(biāo)設(shè)定的各類軸承的測量轉(zhuǎn)速如表2所示。

表2 測量轉(zhuǎn)速設(shè)定值

JB/T 5313—2001設(shè)定的測量物理量雖與新國標(biāo)相同，但由表2可知，其部分類型的部分尺寸段軸承的測量轉(zhuǎn)速與新國標(biāo)不一致，若要執(zhí)行新國標(biāo)，則目前行業(yè)所使用的速度型系列測振儀在測量這些軸承振動時，應(yīng)采用增加變頻器或更換皮帶輪的方式按表2的要求進(jìn)行；并在提高主軸轉(zhuǎn)速的改造過程中，進(jìn)行主軸潤滑油黏度和主軸密封結(jié)構(gòu)對主軸溫升影響的研究，以滿足儀器長時間連續(xù)運轉(zhuǎn)的要求。雖然JB/T 5314—2002設(shè)定的測量轉(zhuǎn)速與新國標(biāo)不同，但在新國標(biāo)闡述的合理范圍內(nèi)，故目前行業(yè)所使用的以S0910為代表的軸承振動加速度測量儀的測量轉(zhuǎn)速不必另行改造。

新國標(biāo)規(guī)定測量轉(zhuǎn)速誤差為設(shè)定值的-2%～1%，與JB/T 5313—2001相同，故目前行業(yè)所使用的速度型測振儀能滿足新國標(biāo)實施的要求。JB/T 5314—2002規(guī)定的測量轉(zhuǎn)速誤差為設(shè)定值的±2%，由于振動測值與測量轉(zhuǎn)速具有線性關(guān)系，故建議JB/T 5314—2002在下次修訂時，應(yīng)嚴(yán)格控制測量轉(zhuǎn)速誤差，以減小儀器臺差。

2.3.3 測量載荷

新國標(biāo)闡明測量載荷不能過小，以防止?jié)L動體相對內(nèi)、外圈滾道打滑；但也不能過大，以防止引起套圈變形而影響振動測值，尤其是對輕薄系列軸承。比較新國標(biāo)與老行標(biāo)的測量載荷設(shè)定值，并結(jié)合測振儀的設(shè)計和軸承振動測量實踐，可發(fā)現(xiàn)以下幾點：

(1)對外徑小于100 mm的深溝球軸承、角接觸球軸承以及外徑小于50 mm的圓錐滾子軸承的軸向載荷設(shè)定值，新國標(biāo)與老行標(biāo)基本一致；而對外徑大于100～200 mm的深溝球軸承、角接觸球軸承以及外徑大于50 mm的圓錐滾子軸承，老行標(biāo)明顯小于新國標(biāo)。由于目前行業(yè)所使用的軸承振動測量儀無論是速度型還是加速度型，都是按老行標(biāo)的要求進(jìn)行設(shè)計，所以按新國標(biāo)規(guī)定的測量載荷很難滿足較大尺寸段軸承測振的要求。并且多年振動測量實踐表明，新國標(biāo)規(guī)定的測量載荷值更為合理，故建議在對較大尺寸段軸承測振時，應(yīng)對現(xiàn)有儀器(速度型和加速度型)進(jìn)行加大軸向載荷力的改造，且應(yīng)注意驅(qū)動主軸軸向承載能力的同步提高。并建議JB/T 5314—2002在下次修訂時，將測量載荷與新國標(biāo)相統(tǒng)一。

(2)對于圓柱滾子軸承，老行標(biāo)與新國標(biāo)規(guī)定的測量載荷基本一致。除外徑大于170 mm的雙列圓柱滾子軸承外，目前行業(yè)所使用的BVT-5型和BVT-6型測振儀可基本滿足新國標(biāo)實施的要求。

(3)新國標(biāo)規(guī)定測量載荷的誤差基本上為設(shè)定值的±10%，兩個老行標(biāo)雖未提及該控制要求，但在儀器設(shè)計時已考慮了測量載荷的誤差控制。從標(biāo)定的實踐可知，基本能滿足新國標(biāo)規(guī)定的測量載荷誤差控制要求。

2.3.4 傳感器

新國標(biāo)規(guī)定所測參量為軸承外圈的徑向振動，未規(guī)定傳感器的類型，但第1部分明確闡述了速度型傳感器較適用于軸承振動測量。因為軸承振動的幅值一般會隨著振動信號頻率的增高而減小，在幾千赫茲時，能減小到納米級，使得位移傳感器很難測出高頻振動信號。加速度型傳感器的信號與振動頻率的二次方成正比，故對低頻信號不敏感。而速度型傳感器的信號與振動頻率的一次方成正比，所以較適用于軸承振動測量。目前行業(yè)所使用的BVT系列測振儀的速度型傳感器，只要零件制作工藝、組裝工藝合適，其頻響、幅值線性和靈敏度特性均能滿足新國標(biāo)的要求。

新國標(biāo)指出傳感器觸頭的接觸力不能過小，以防止在較高頻率時，接觸頻響跟不上而產(chǎn)生觸頭與軸承外圈脫離現(xiàn)象；同時，接觸力又不能過大，以防止對軸承外圈的自由振動產(chǎn)生約束。目前行業(yè)所使用的以S0910為代表的加速度型測振儀，其接觸力在一定程度上過大，尤其是對微型軸承而言，而BVT系列的速度型傳感器要理想得多。若嚴(yán)格按使用說明書操作，目前所使用的速度型和加速度型測振儀傳感器接觸力過小的情況一般不會發(fā)生。

2.3.5 測量方法和評定方法

(1)新國標(biāo)設(shè)定的用于測量振動速度信號的頻率范圍如表3所示，其中，fL為下截止頻率，fH為上截止頻率。JB/T 5313—2001設(shè)定的頻率范圍未根據(jù)測量轉(zhuǎn)速變化而進(jìn)行比例調(diào)整，故新國標(biāo)實施時，對測量轉(zhuǎn)速為900 r/min的軸承測振時，其電子裝置的濾波特性應(yīng)按表3的要求進(jìn)行改造。

表3 設(shè)定的頻率范圍

(2)新國標(biāo)規(guī)定單列圓錐滾子軸承和單列角接觸球軸承在可承受軸向載荷的方向上施加軸向載荷測振，其他施加軸向載荷測振的各類軸承首先應(yīng)在外圈的一側(cè)施加軸向載荷測試，然后在另一側(cè)施加軸向載荷進(jìn)行重復(fù)測試。該條規(guī)定與老行標(biāo)一致。

(3)新國標(biāo)規(guī)定圓柱滾子軸承在施加徑向載荷測振的同時，應(yīng)施加一個不大于30 N的軸向載荷，以確保軸承運轉(zhuǎn)平穩(wěn)；老行標(biāo)均無該條規(guī)定，但目前行業(yè)所使用的BVT-5型測振儀能滿足此要求；如果結(jié)構(gòu)允許，應(yīng)對雙列圓柱滾子軸承進(jìn)行另一面的重復(fù)測試。

(4)新國標(biāo)規(guī)定各面、各點的最大測值為該軸承的振動評價值。而老行標(biāo)均規(guī)定每面測3點，3點測值的算術(shù)平均值作為振動評價值；需正反兩面測試的軸承，兩面平均值中的較大值為該軸承的振動評價值。新國標(biāo)規(guī)定的評定方法嚴(yán)于老行標(biāo)的規(guī)定，對不同點測值離散性較大的軸承提出了較高要求，因而目前行業(yè)所使用的在老行標(biāo)評定方法下制定的技術(shù)條件標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)重新進(jìn)行研究和修訂。

2.3.6清洗和潤滑

新國標(biāo)規(guī)定預(yù)潤滑(脂潤滑、油潤滑或固體潤滑)軸承應(yīng)在供貨狀態(tài)下測試。某些防銹劑可滿足測振的潤滑要求，此時可不必清除防銹劑；測試前，軸承應(yīng)使用清潔的(過濾精度不低于0.8 μm)、公稱黏度為10～100 mm2/s的潤滑油進(jìn)行充分潤滑；未經(jīng)預(yù)潤滑的軸承，應(yīng)進(jìn)行有效清洗，注意不要引入污染物或其他振源。

該條款中，除潤滑油黏度值外，其他規(guī)定與老行標(biāo)基本一致。JB/T 5313—2001規(guī)定潤滑油的公稱黏度為13.5 ～16.5 mm2/s， JB/T 5314—2002規(guī)定潤滑油的公稱黏度為80 ～150 mm2/s。由于潤滑油的黏度與振動測值顯著相關(guān)，故在對軸承振動質(zhì)量進(jìn)行評價時，應(yīng)明確所使用的潤滑油的黏度值，尤其是為客戶提供振動檢測數(shù)據(jù)或?qū)δ臣夹g(shù)條件作出符合性評判時。JB/T 5313—2001規(guī)定的黏度值處于新國標(biāo)的下限范圍附近，其測值能較敏感地反映出軸承零件滾動表面的形貌誤差；JB/T 5314—2002規(guī)定的黏度值處于新國標(biāo)的上限范圍，且部分已超出新國標(biāo)的范圍，其測值對軸承零件滾動表面的形貌誤差敏感度較低，故建議對標(biāo)準(zhǔn)加以修訂。

2.3.7 測試裝置因素

新國標(biāo)對主軸/芯軸的剛度、加載機構(gòu)、芯軸提出了技術(shù)要求，與老行標(biāo)的要求基本一致，有的或略松于老行標(biāo)；新國標(biāo)對軸承外加載荷的對中精度和傳感器的軸向位置及測量方向提出了定量要求，而老行標(biāo)雖未提及，但目前行業(yè)所使用的測振儀在設(shè)計和制造時，均已考慮了該方面的要求，在新國標(biāo)實施時，應(yīng)按附錄A和附錄B的方法對外加載荷的對中精度進(jìn)行檢查。傳感器的軸向位置憑目測基本能控制到位，但關(guān)于傳感器的測量方向，新國標(biāo)并未提及具體的測量方法，還有待進(jìn)一步研究。

2.3.8 系統(tǒng)部件和系統(tǒng)性能

新國標(biāo)明確規(guī)定了測振儀需標(biāo)定的部件及項目，其中部件包括驅(qū)動單元、加載單元、傳感器和電子單元。同時對系統(tǒng)性能也提出了測量重復(fù)性應(yīng)在平均值±10%以內(nèi)的要求，并申明不包括被測軸承本身測值的變化，即在驗證測振儀測量重復(fù)性時應(yīng)選用測值穩(wěn)定的軸承，且應(yīng)定點測量，測量次數(shù)要足夠多。而老行標(biāo)均僅對傳感器和電子單元提出了應(yīng)定期標(biāo)定的要求，卻未規(guī)定需標(biāo)定的具體項目，建議JB/T 5314—2002在下次修訂時，增加該條款的要求。

3 結(jié)論與建議

(1)新國標(biāo)對滾動軸承振動測量及影響測量的因素考慮得較全面，某些技術(shù)指標(biāo)規(guī)定得較適當(dāng)，也較科學(xué)。新國標(biāo)規(guī)定的方法是以軸承產(chǎn)品制造過程診斷或質(zhì)量評定為目的的、適用面較廣的一種軸承振動測量方法。

(2)建議對JB/T 5314—2002進(jìn)行修訂時：對較大尺寸段軸承適當(dāng)加大軸向載荷，尤其是圓錐滾子軸承；對微小型軸承適當(dāng)減小傳感器的接觸力；適當(dāng)降低潤滑油的公稱黏度值；增加測量系統(tǒng)標(biāo)定和系統(tǒng)性能評定條款。

(3)盡快開展現(xiàn)有各類軸承振動技術(shù)條件標(biāo)準(zhǔn)的修訂研究工作。因為這些技術(shù)條件標(biāo)準(zhǔn)均在老行標(biāo)測量方法下制定，測量方法的改變，尤其是評定方法的改變，其技術(shù)條件也應(yīng)進(jìn)行修訂。同時應(yīng)開展角接觸球軸承和雙列調(diào)心滾子軸承振動技術(shù)條件標(biāo)準(zhǔn)的研究工作，這2類軸承在國內(nèi)的生產(chǎn)雖已成氣候，但振動水平與國外同類產(chǎn)品相比差距較大。

(4)盡快開展較大載荷測振儀的研發(fā)工作。目前的測振儀尚不能完全滿足較大尺寸段軸承軸向載荷的要求，尤其是錐角大于23°的圓錐滾子軸承。且應(yīng)兼顧加載裝置的加載能力、驅(qū)動主軸止推軸承的承載能力和儀器的本底振動3方面。

(5)盡快開展JJF 1185—2007《速度型滾動軸承振動測量儀校準(zhǔn)規(guī)范》的修訂工作，因為其制定的依據(jù)為JB/T 5313—2001。