軸承異常聲檢測(cè)錯(cuò)判和漏判原因分析與對(duì)策

王冰，趙聯(lián)春，王東，晏麗明

(1. 中山市盈科軸承制造有限公司，廣東 中山 528437；2. 上海斐賽軸承科技有限公司，上海 201100)

軸承振動(dòng)具有敏感、隨機(jī)、復(fù)雜等多重屬性[1]，現(xiàn)實(shí)軸承振動(dòng)測(cè)量中，振動(dòng)異常聲的錯(cuò)判和漏判存在多種原因。下文僅分析說(shuō)明采用軸承振動(dòng)技術(shù)條件行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的有效值限值和峰值限值檢測(cè)判定軸承異常聲，存在理論上的錯(cuò)判和漏判。在對(duì)比分析的基礎(chǔ)上指出，采用波峰因數(shù)或峰值與有效值之差可以規(guī)避理論上的錯(cuò)判和漏判。

1 振動(dòng)特征參量

1.1 有效值

有效值(Root mean square)反映了振動(dòng)信號(hào)總體能量的大小，是對(duì)時(shí)間(即全部采樣點(diǎn))的平均值，因此對(duì)軸承振動(dòng)脈沖不敏感，對(duì)軸承異常聲基本沒(méi)有檢測(cè)能力。

1.2 峰值

峰值(Peak)反映波形中沖擊最大的振動(dòng)幅值，與時(shí)間的歷程無(wú)關(guān)。出現(xiàn)異常聲時(shí)，軸承峰值必然較大，但反之并不成立，只有對(duì)振動(dòng)有效值比較低的低噪聲軸承，較大峰值才預(yù)示著軸承異常聲。所以，峰值對(duì)低噪聲軸承的異常聲才具有檢測(cè)能力。

峰值為有量綱量，影響軸承振動(dòng)有效值的所有參數(shù)和工況均會(huì)影響振動(dòng)峰值。

1.3 波峰因數(shù)

波峰因數(shù)(Crest factor)是峰值同有效值之比，同時(shí)受到峰值和有效值的影響。

波峰因數(shù)同時(shí)反映了軸承振動(dòng)信號(hào)的峰值這一局部信息和有效值這一整體信息，因而，不論軸承是否為低噪聲軸承，波峰因數(shù)對(duì)其異常聲均具有檢測(cè)能力。

波峰因數(shù)為無(wú)量綱量，與軸承尺寸、結(jié)構(gòu)參數(shù)、測(cè)量載荷、測(cè)量速度、潤(rùn)滑狀態(tài)及傳感器靈敏度等無(wú)關(guān)，無(wú)異常聲和有異常聲的判定可以非常單純地進(jìn)行，使用非常方便[1-2]。

需要特別說(shuō)明的是，波峰因數(shù)是峰值同有效值之比這一關(guān)系具有先決條件，那就是，必須是同一個(gè)信號(hào)在相同頻帶上的峰值和有效值之比，得出的波峰因數(shù)也是該信號(hào)在該頻帶上的波峰因數(shù)，不能拿某一采樣時(shí)間所得信號(hào)的峰值去同另一個(gè)采樣時(shí)間所得信號(hào)的有效值去比，也不能拿同一采樣時(shí)間所得信號(hào)某一個(gè)頻帶的峰值去同該信號(hào)另一個(gè)頻帶的有效值去比，否則就會(huì)得出波峰因數(shù)小于1等不合理結(jié)論。

2 錯(cuò)判和漏判原因分析

盡管波峰因數(shù)對(duì)軸承振動(dòng)異常聲具有特別的檢出能力，但波峰因數(shù)是一個(gè)無(wú)量綱量，傳統(tǒng)的模擬電箱表頭指針無(wú)法給予指示。因此，制定低噪聲軸承的異常聲控制技術(shù)條件時(shí)，采用了峰值參量。其峰值限值的具體確定辦法是，采用數(shù)字化振動(dòng)儀器，顯示軸承振動(dòng)信號(hào)的有效值、波峰因數(shù)，并將軸承振動(dòng)信號(hào)輸出給功放，對(duì)軸承振動(dòng)異常聲進(jìn)行監(jiān)聽(tīng)，確定對(duì)應(yīng)不同耳感異常聲的波峰因數(shù)，將對(duì)應(yīng)頻帶的波峰因數(shù)乘以有效值限值就得到峰值限值，這就是JB/T 10187—2000 《滾動(dòng)軸承 深溝球軸承振動(dòng)(速度)技術(shù)條件》[3]中的VP3，VP4和JB/T 7047—2006 《滾動(dòng)軸承 深溝球軸承振動(dòng)(加速度)技術(shù)條件》[4]中的ZP3，ZP4。順應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)要求，幾乎所有振動(dòng)儀都通過(guò)檢測(cè)軸承振動(dòng)有效值和峰值監(jiān)控軸承異常聲，對(duì)其靜音水平進(jìn)行判級(jí)。以空調(diào)電動(dòng)機(jī)常用608軸承為例，表1是JB/T 10187—2000給定的VF3，VF4靜音等級(jí)振動(dòng)速度有效值限值V3，V4及峰值限值VP3，VP4；表2是JB/T 7047—2006給定的ZF3，ZF4靜音等級(jí)振動(dòng)加速度有效值限值Z3，Z4及峰值限值ZP3，ZP4，其相關(guān)導(dǎo)出量見(jiàn)表1～表2。

表1 608軸承振動(dòng)異常聲控制參量(速度)

表2 608軸承振動(dòng)異常聲控制參量(加速度)

表1給出了制定軸承振動(dòng)峰值限值時(shí)采用的波峰因數(shù)，其由對(duì)應(yīng)頻帶上的峰值限值與有效值限值之比求得。對(duì)VF3靜音等級(jí)，低、中、高3個(gè)頻帶的波峰因數(shù)限值分別是3.30，4.11和3.96，可以看出，當(dāng)軸承振動(dòng)達(dá)到V3組，實(shí)際振動(dòng)波峰因數(shù)沒(méi)有超過(guò)這些波峰因數(shù)限值時(shí)，軸承振動(dòng)就達(dá)到了VF3靜音等級(jí)。

但如果采用峰值判定軸承異常聲，情況則大不相同，仍以VF3靜音等級(jí)進(jìn)行說(shuō)明。表1將軸承振動(dòng)速度V3組有效值允許值和VP3組峰值允許值列于其中，可以看出其范圍相當(dāng)寬，V3組有效值允許值是：低頻為38-～44 μm/s，中頻為12-～28 μm/s，高頻為12-～24 μm/s；VP3組峰值允許值是：低頻為120-～145 μm/s，中頻為55-～115 μm/s，高頻為55-～95 μm/s，也就是說(shuō)，只要軸承振動(dòng)有效值和峰值分別在這些允許值范圍之內(nèi)，軸承就將被判為VF3組靜音軸承。但實(shí)際軸承的異常聲或靜音等級(jí)并非如此。為便于說(shuō)明問(wèn)題，由標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的V3組有效值允許值范圍和VP3組峰值允許值范圍導(dǎo)出其對(duì)應(yīng)的波峰因數(shù)允許值范圍，即低頻帶：2.73-～3.82+；中頻帶：1.96-～9.58+；高頻帶：2.79-～7.92+。

顯然，波峰因數(shù)在這樣的數(shù)值范圍內(nèi)，與標(biāo)準(zhǔn)制定時(shí)采用的波峰因數(shù)(低頻帶≤ 3.30，中頻帶≤ 4.11，高頻帶≤ 3.96)相去甚遠(yuǎn)，軸承有異常聲甚至是有顯著異常聲的概率很高，而按照標(biāo)準(zhǔn)要求的有效值和峰值判定，這些軸承則全部是VF3級(jí)靜音軸承。即按照J(rèn)B/T 10187—2000判定軸承異常聲，錯(cuò)判和漏判在理論上不可避免。

表2同時(shí)列出了以Z，ZP(單位dB)和以a，aF(單位m/s2)表示的軸承振動(dòng)加速度有效值和峰值，它們滿足如下關(guān)系：

表2列出了制定軸承振動(dòng)加速度峰值限值時(shí)采用的波峰因數(shù)，其由峰值限值與有效值限值之比求得。對(duì)ZF3靜音等級(jí)，波峰因數(shù)限值是6.31，可以看出，當(dāng)軸承振動(dòng)達(dá)到Z3組，波峰因數(shù)沒(méi)有超過(guò)6.31時(shí)，軸承振動(dòng)就達(dá)到了ZF3靜音等級(jí)。

但如果采用峰值判定軸承異常聲，情況同樣大不相同。以ZF3靜音等級(jí)為例，為便于說(shuō)明問(wèn)題，由標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的Z3有效值允許值范圍和ZP3峰值允許值范圍導(dǎo)出其對(duì)應(yīng)的波峰因數(shù)允許值范圍，即通頻帶：3.90-～10.00+。

顯然，波峰因數(shù)在這樣的數(shù)值范圍內(nèi)，與標(biāo)準(zhǔn)制定時(shí)采用的波峰因數(shù)6.31相去甚遠(yuǎn)，軸承有異常聲甚至是有顯著異常聲的概率很高，而按照標(biāo)準(zhǔn)要求的有效值和峰值判定，這些軸承則全部是ZF3級(jí)靜音軸承。即按照J(rèn)B/T 7047—2006判定軸承異常聲，錯(cuò)判和漏判在理論上不可避免。錯(cuò)判和漏判的根本原因是，標(biāo)準(zhǔn)雖然給出了某一等級(jí)的有效值允許值范圍和該等級(jí)的峰值允許值范圍，但卻沒(méi)有顧及一個(gè)具體信號(hào)其峰值超出有效值的程度，而該超出程度表現(xiàn)的正是振動(dòng)異常聲，超出越多，異常聲越重，超出越少，靜音性能越好。

3 用波峰因數(shù)或峰值與有效值之差檢測(cè)和判斷軸承異常聲

實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，波峰因數(shù)實(shí)時(shí)反映一個(gè)信號(hào)峰值超出其有效值的程度，標(biāo)準(zhǔn)制定者在制定VP3，VP4和ZP3，ZP4峰值限制時(shí)，采用的波峰因數(shù)是基本合適的，因此，采用波峰因數(shù)控制軸承振動(dòng)異常聲，就不會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)判和漏判。

但是，波峰因數(shù)是一個(gè)無(wú)量綱量，對(duì)數(shù)字化軸承振動(dòng)測(cè)量?jī)x采用該量沒(méi)有問(wèn)題，而對(duì)于傳統(tǒng)的模擬電箱指針式顯示則難以實(shí)現(xiàn)，在此情況下，可以采用峰值與有效值之差Δ這一有量綱量對(duì)軸承異常聲進(jìn)行檢測(cè)。若用RMS表示有效值，PK表示峰值，CF表示波峰因數(shù)，則有

依據(jù)此式，表3和表4分別給出了608軸承VF3和ZF3靜音等級(jí)峰值與有效值之差及相關(guān)參量。

表3 608軸承VF3靜音等級(jí)峰值與有效值之差

表4 608軸承ZF3靜音等級(jí)峰值與有效值之差

實(shí)際測(cè)量時(shí)，波峰因數(shù)和峰值與有效值之差都是實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)量，兩者都將同一個(gè)信號(hào)的有效值和峰值動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)起來(lái)，反映峰值對(duì)有效值的超出程度，正是這種動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)性，使得用它們?cè)u(píng)價(jià)軸承振動(dòng)異常聲理論上不會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)判和漏判。

如表3所示，當(dāng)608軸承振動(dòng)有效值為V3組，波峰因數(shù)低頻不超3.30、中頻不超4.11、高頻不超3.96或峰值與有效值之差低頻不超101 μm/s、中頻不超87 μm/s、高頻不超71 μm/s時(shí)，該軸承就是VF3組靜音軸承。

如表4所示，當(dāng)608軸承振動(dòng)有效值為Z3組，波峰因數(shù)不超6.31或峰值與有效值之差不超45.5 dB時(shí)，該軸承就是ZF3組靜音軸承。

以軸承振動(dòng)速度異常聲控制中頻帶VF3等級(jí)為例，表5給出了軸承公稱內(nèi)徑3 ～60 mm設(shè)計(jì)VF3量值時(shí)采用的波峰因數(shù)CF3、按照峰值VP3控制異常聲時(shí)實(shí)際控制的波峰因數(shù)CFR3以及峰值與有效值之差VP3-V3。表5中的相關(guān)數(shù)據(jù)分別以曲線形式顯示(圖1～圖3)。

表5 軸承振動(dòng)速度異常聲控制參量(中頻帶)

圖1所示為標(biāo)準(zhǔn)給定的V3組振動(dòng)有效值和VP3組振動(dòng)峰值的范圍變化情況。圖2所示為設(shè)計(jì)波峰因數(shù)CF3和實(shí)際測(cè)量時(shí)標(biāo)準(zhǔn)所允許的波峰因數(shù)最小值CFR3-和最大值CFR3+，可以看出，盡管CF3完全落在CFR3-和CFR3+之間，但CFR3-和CFR3+之間的范圍很寬，在此范圍內(nèi)，軸承實(shí)際異常聲可能遠(yuǎn)比期望的VF3好，也可能遠(yuǎn)比期望的VF3差，但都被判定為VF3靜音等級(jí)。圖3所示為軸承振動(dòng)峰值與有效值之差與峰值的變化趨勢(shì)，由于其幾乎完全一致，這從另一個(gè)方面說(shuō)明，將峰值與有效值之差作為軸承振動(dòng)異常聲的判定參量是可行的。

圖1 軸承振動(dòng)速度分布

圖2 設(shè)計(jì)波峰因數(shù)CF3與實(shí)際波峰因數(shù)CFR3

圖3 峰值、峰值與有效值之差趨勢(shì)圖

4 結(jié)論

(1)根據(jù)JB/T 10187—2000《滾動(dòng)軸承 深溝球軸承振動(dòng)(速度)技術(shù)條件》和JB/T 7047—2006《滾動(dòng)軸承 深溝球軸承振動(dòng)(加速度)技術(shù)條件》中給定的有效值限值和峰值限值判定軸承靜音等級(jí)時(shí)，存在理論上的錯(cuò)判和漏判。其原因是，標(biāo)準(zhǔn)中要求的有效值和峰值各有一個(gè)范圍，在其都不超過(guò)范圍的情況下，組合出來(lái)的波峰因數(shù)卻會(huì)遠(yuǎn)小于或遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)峰值限值時(shí)使用的被認(rèn)為與某個(gè)靜音等級(jí)相對(duì)應(yīng)的波峰因數(shù)。

(2)軸承振動(dòng)特征量波峰因數(shù)因?qū)崟r(shí)地將振動(dòng)信號(hào)的峰值與有效值以二者之比的方式相關(guān)聯(lián)，因此，采用其對(duì)軸承異常聲進(jìn)行檢測(cè)和判級(jí)，不存在理論上的錯(cuò)判和漏判。

(3)軸承振動(dòng)特征量峰值與有效值之差因?qū)崟r(shí)地將振動(dòng)信號(hào)的峰值與有效值以二者之差的方式相關(guān)聯(lián)，因此，也能夠有效地反映軸承振動(dòng)異常聲，對(duì)難以顯示波峰因數(shù)的非數(shù)字化軸承振動(dòng)儀，可考慮將其作為波峰因數(shù)的代用參量檢測(cè)控制軸承振動(dòng)和異常聲。