滾動(dòng)軸承振動(dòng)測(cè)量物理量和測(cè)量條件的探討

楊曉蔚

(洛陽(yáng)軸承研究所有限公司，河南 洛陽(yáng) 471039)

滾動(dòng)軸承的振動(dòng)水平是其動(dòng)態(tài)性能中最受關(guān)注的一個(gè)質(zhì)量指標(biāo)。在軸承振動(dòng)測(cè)量中，選用何種測(cè)量物理量常常會(huì)引起爭(zhēng)論，對(duì)于測(cè)量條件中的轉(zhuǎn)速和載荷等的選擇，也常常存在較大差異。了解這些問(wèn)題的背景信息，厘清本源，對(duì)于更加客觀、正確和深入地研究軸承振動(dòng)是十分必要和重要的。

1 振動(dòng)測(cè)量物理量

描述機(jī)械振動(dòng)大小的物理量有位移、速度和加速度。一般而言，位移主要適用于低頻范圍；速度主要適用于中頻范圍；加速度主要適用于高頻范圍。由于3個(gè)物理量之間存在著微分或積分的關(guān)系，因此可以測(cè)量出其中任一物理量，然后通過(guò)數(shù)學(xué)微分或積分處理就可得到另外2個(gè)物理量，如加速度1次積分為速度，2次積分為位移。

測(cè)量物理量的選擇主要取決于研究對(duì)象的特性。在工程應(yīng)用中，常用位移來(lái)研究結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和變形(位移與應(yīng)力、應(yīng)變直接相關(guān))、機(jī)器設(shè)備的運(yùn)行穩(wěn)定性(如旋轉(zhuǎn)機(jī)械的不平衡量)等；常用速度來(lái)反映振動(dòng)系統(tǒng)的能量(如機(jī)械零件的疲勞進(jìn)程與振動(dòng)速度成正比，而振動(dòng)能量與振動(dòng)速度的平方成正比)和所輻射的噪聲(噪聲與速度大小有直接關(guān)系)等；常用加速度來(lái)描述機(jī)械受沖擊力的程度、振動(dòng)對(duì)人的影響等，人體振動(dòng)對(duì)加速度比較敏感，如當(dāng)加速度值超過(guò)0.02g(重力加速度，下同)時(shí)，振動(dòng)就會(huì)對(duì)人產(chǎn)生影響，超過(guò)0.032g時(shí)，人就會(huì)產(chǎn)生不適感[1]。

由于軸承為精密機(jī)械產(chǎn)品，又多在中、高速下運(yùn)轉(zhuǎn)(機(jī)械中一般將低于100 r/min歸為低速運(yùn)轉(zhuǎn))，因此其振動(dòng)一般多屬于低位移幅值的中、高頻振動(dòng)，選擇的測(cè)量物理量主要是速度和加速度。

關(guān)于軸承振動(dòng)測(cè)量物理量是選擇速度還是加速度的問(wèn)題，曾存在比較激烈的爭(zhēng)論。實(shí)際上“非此即彼”的結(jié)論都是不正確的，應(yīng)對(duì)其適用性作客觀研究。

對(duì)于速度，在等同采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 24610.1—2009/ISO 15242-1∶2004《滾動(dòng)軸承 振動(dòng)測(cè)量方法 第1部分：基礎(chǔ)》中，給出了采用其作為軸承振動(dòng)測(cè)量物理量的理由：軸承振動(dòng)的“位移幅值一般會(huì)隨著頻率的增高而減小，在幾千赫茲時(shí)，能減小到納米級(jí)，這樣就使得某些位移測(cè)量系統(tǒng)在高頻范圍內(nèi)很難給出可靠的測(cè)量結(jié)果；而另一方面，一個(gè)非常適合于高頻測(cè)量的加速度傳感器，卻需要極高的動(dòng)態(tài)性能才能分辨出較低的頻譜，一個(gè)比較好的處理方法是采用速度傳感器，顯示的信號(hào)與速度成比例”。此段描述說(shuō)明了位移和加速度在軸承振動(dòng)測(cè)量中的局限性，而速度卻對(duì)包括低、高頻在內(nèi)的全頻段都具有較好的兼容性。

對(duì)于速度，另外還有一個(gè)非常重要的理由就是與噪聲顯著相關(guān)，對(duì)軸承噪聲分析十分有利。因?yàn)闇y(cè)量和控制軸承振動(dòng)的目的，主要是控制軸承噪聲。

但是，采用加速度也具有以下十分突出的優(yōu)點(diǎn)：

(1)加速度計(jì)的系統(tǒng)誤差一般遠(yuǎn)小于速度計(jì)和位移計(jì)，而且加速度可通過(guò)數(shù)學(xué)積分獲得較小誤差速度和位移參數(shù)，而位移微分則誤差很大；

(2)對(duì)于高頻振動(dòng)，通常位移量很小，而加速度幅值卻很大，易于準(zhǔn)確測(cè)量；

(3)對(duì)于機(jī)械結(jié)構(gòu)而言，引起破壞的力與加速度的關(guān)系比與速度或位移的關(guān)系更為密切，即加速度特別適合于具有沖擊載荷的場(chǎng)合；

(4)加速度采用壓電式傳感器，具有動(dòng)態(tài)范圍大、頻率范圍寬、可靠性高、尺寸較小和質(zhì)量較輕的特點(diǎn)。

由于上述加速度的優(yōu)點(diǎn)，故其在機(jī)械振動(dòng)測(cè)量中應(yīng)用最為廣泛。在軸承振動(dòng)測(cè)量中，加速度對(duì)異常聲比較敏感；在軸承故障診斷中，加速度也多占主要地位；在電動(dòng)機(jī)振動(dòng)測(cè)量評(píng)定中，也由原主要考核速度增加為同時(shí)考核位移和加速度。

由于技術(shù)傳統(tǒng)的不同，歐洲、美國(guó)和日本的軸承振動(dòng)測(cè)量基本上都采用速度，但也有采用加速度的，如德國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)DIN 5426-1∶1995《滾動(dòng)軸承-滾動(dòng)軸承運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲-第1部分：固體聲測(cè)量方法》中，就規(guī)定測(cè)量物理量是速度或加速度，還有一些著名軸承公司也采用加速度。前蘇聯(lián)(俄羅斯)和中國(guó)的軸承振動(dòng)測(cè)量早期多采用加速度，后來(lái)也逐漸開(kāi)始推廣采用速度。

2 振動(dòng)測(cè)量轉(zhuǎn)速

2.1 測(cè)量轉(zhuǎn)速的確定

振動(dòng)是動(dòng)態(tài)性能，因此測(cè)量時(shí)應(yīng)使軸承處于一定的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。根據(jù)軸承大小不同，測(cè)量軸承振動(dòng)速度的轉(zhuǎn)速一般以1 800 r/min為基礎(chǔ)(1 800 r/min或900 r/min)，測(cè)量軸承振動(dòng)加速度的轉(zhuǎn)速一般以1 500 r/min為基礎(chǔ)(1 500 r/min或1 000 r/min)。前者是由于美國(guó)和日本的工業(yè)供用交流電的頻率(工頻)為60 Hz，后者是由于前蘇聯(lián)(俄羅斯)以及我國(guó)沿用其技術(shù)系統(tǒng)的電力工頻為50 Hz，直接采用同步電動(dòng)機(jī)作為振動(dòng)測(cè)量的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)即可(60 Hz和50 Hz對(duì)應(yīng)的2極對(duì)同步電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速即為1 800 r/min和1 500 r/min，采用2∶1和3∶2傳動(dòng)比的皮帶輪即可得到900 r/min和1 000 r/min)。歐洲的電力工頻為50 Hz，但由于與美國(guó)技術(shù)系統(tǒng)趨于一體化的緣故，多采用速度來(lái)測(cè)量振動(dòng)，因此轉(zhuǎn)速以1 800 r/min為基礎(chǔ)。

采用1 800 r/min或1 500 r/min為基礎(chǔ)的測(cè)量轉(zhuǎn)速，還與過(guò)去主要要求電動(dòng)機(jī)軸承為低噪聲軸承有直接關(guān)系，因?yàn)榇宿D(zhuǎn)速與電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)條件一致，相當(dāng)于模擬測(cè)量。

在實(shí)際應(yīng)用中，測(cè)量轉(zhuǎn)速并非只能按照1 800 r/min或1 500 r/min為基礎(chǔ)來(lái)確定，而是可以根據(jù)軸承類型、大小和用途的不同等進(jìn)行選定，如我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 24610.2～4—2009/ISO 15242-2～4∶2004中規(guī)定，向心球軸承的設(shè)定轉(zhuǎn)速為1 800 r/min，對(duì)于小尺寸段的軸承也可采用2 400～3 600 r/min之間的轉(zhuǎn)速；圓錐滾子軸承和調(diào)心滾子軸承設(shè)定轉(zhuǎn)速為900 r/min，對(duì)于小尺寸段的軸承也可采用1 200～1 800 r/min的轉(zhuǎn)速；圓柱滾子軸承，外徑D≤100 mm，設(shè)定轉(zhuǎn)速為1 800 r/min，外徑D>100～200 mm，設(shè)定轉(zhuǎn)速為900 r/min。

德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)DIN 5426-1∶1995中規(guī)定，對(duì)于向心球軸承(主要是深溝球軸承)，內(nèi)徑d=1～20 mm時(shí)轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，d=8～50 mm時(shí)轉(zhuǎn)速為1 800 r/min(其中，對(duì)于d=8～20 mm，允許采用2種轉(zhuǎn)速)。

美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)ANSI/ABMA Std.13-1987《滾動(dòng)軸承 振動(dòng)和噪聲(測(cè)量方法)》中規(guī)定，對(duì)于精密球軸承，轉(zhuǎn)速為1 800 r/min，對(duì)于精密儀器球軸承，轉(zhuǎn)速限定為300～3 600 r/min。

SKF對(duì)于深溝球軸承，當(dāng)內(nèi)徑d≤100 mm時(shí)采用1 800 r/min的轉(zhuǎn)速，當(dāng)內(nèi)徑d>100 mm時(shí)采用700 r/min的轉(zhuǎn)速。

GMN對(duì)于普通軸承采用3 000 r/min的轉(zhuǎn)速，對(duì)于小型精密軸承采用5 000 r/min的轉(zhuǎn)速。

大尺寸軸承采用低轉(zhuǎn)速，是為了防止?jié)L動(dòng)體與滾道接觸處打滑損傷，但此時(shí)應(yīng)注意將測(cè)振儀的濾波器特性作相應(yīng)調(diào)整。

2.2 測(cè)量轉(zhuǎn)速與對(duì)應(yīng)的頻率范圍

測(cè)量轉(zhuǎn)速確定后，不同振動(dòng)諧波分量所對(duì)應(yīng)的頻率范圍也是確定的，如測(cè)量轉(zhuǎn)速為1 800 r/min時(shí)，對(duì)應(yīng)的低、中、高3頻段如下：50～300 Hz為1.67～10次/轉(zhuǎn)的振動(dòng)頻響范圍；300～1 800 Hz為10～60次/轉(zhuǎn)的振動(dòng)頻響范圍；1 800～10 000 Hz為60～333次/轉(zhuǎn)的振動(dòng)頻響范圍。

同理，1 500 r/min時(shí)，對(duì)應(yīng)3頻段分別為2～12，12～72和72～400次/轉(zhuǎn)的振動(dòng)頻響范圍。

由上可以看出，僅從軸承相關(guān)零件加工質(zhì)量的圓度、波紋度和表面粗糙度簡(jiǎn)單區(qū)分，低頻段振動(dòng)主要由圓度(2～15波/周)影響；中頻段主要由低次波紋度(內(nèi)滾道、滾動(dòng)體15～150波/周，外滾道15～250波/周)影響；高頻段主要由高次波紋度和表面粗糙度影響。

當(dāng)測(cè)量轉(zhuǎn)速改變時(shí)，諧波振動(dòng)的頻響范圍顯然也隨之改變，如當(dāng)測(cè)量轉(zhuǎn)速為5 000 r/min時(shí)，2次諧波(橢圓)就可激勵(lì)出166.6 Hz 的振動(dòng)，5次諧波(5棱圓)所激勵(lì)的振動(dòng)頻率為416.5 Hz。

以測(cè)量轉(zhuǎn)速1 800 r/min 或1 500 r/min為公稱轉(zhuǎn)速，采用其他測(cè)量轉(zhuǎn)速時(shí)濾波器特性的調(diào)整即頻率范圍的設(shè)定是按等比例原則。以測(cè)量振動(dòng)速度規(guī)定的1 800 r/min和900 r/min為例，其頻率范圍設(shè)定見(jiàn)表1。

表1 頻率范圍設(shè)定

3 振動(dòng)測(cè)量載荷

施加振動(dòng)測(cè)量的載荷應(yīng)足夠大，其目的主要有2個(gè)：一是防止?jié)L動(dòng)體相對(duì)于滾道打滑；二是不致引起過(guò)大接觸變形而影響測(cè)量結(jié)果。

我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 24610.1—2009/ISO 15242-1∶2004規(guī)定的對(duì)應(yīng)于某一尺寸段的測(cè)量載荷的最小值與最大值的范圍為：向心球軸承(18～22)～(1 620～1 980)N；調(diào)心滾子軸承和圓錐滾子軸承(45～55)～(1 800～2 200)N；圓柱滾子軸承(135～165)～(720～880)N。

我國(guó)機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 5314—2002《滾動(dòng)軸承 振動(dòng)(加速度)測(cè)量方法》規(guī)定的測(cè)量載荷為：深溝球軸承20～225 N；角接觸球軸承60～440 N；圓錐滾子軸承49～88 N；圓柱滾子軸承150～600 N。

美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)ANSI/ABMA Std.13-1987規(guī)定的測(cè)量載荷為22.2～444.8 N。

德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)DIN 5426-1∶1995規(guī)定的測(cè)量載荷為10～220 N。

根據(jù)在軸承振動(dòng)測(cè)量中的實(shí)踐看，載荷適度增大對(duì)測(cè)值沒(méi)有太大影響，因此可以取ISO標(biāo)準(zhǔn)給出的測(cè)量載荷。但是，必須對(duì)現(xiàn)有測(cè)振儀的加載機(jī)構(gòu)特別是主軸剛度進(jìn)行改造加強(qiáng)。

對(duì)于測(cè)量載荷的性質(zhì)，以深溝球軸承為例，通常規(guī)定為軸向中心載荷，但有些國(guó)際著名軸承公司除采用軸向中心載荷外，還采用軸向力矩載荷進(jìn)行測(cè)量。

4 結(jié)束語(yǔ)

由于軸承的特性，關(guān)于振動(dòng)測(cè)量物理量的選擇，除了位移外，速度和加速度都是比較適用的。由于速度對(duì)低、中、高頻的兼顧性，尤其是與噪聲的相關(guān)性較好，而在大多數(shù)情況下，控制軸承振動(dòng)的目的主要是控制軸承噪聲，因應(yīng)優(yōu)先采用速度。但是，加速度除了具有測(cè)量簡(jiǎn)便可靠等突出優(yōu)點(diǎn)外，還對(duì)軸承異常聲比較敏感，因此對(duì)加速度也不應(yīng)簡(jiǎn)單地予以排斥偏廢。

關(guān)于振動(dòng)測(cè)量速度和載荷，應(yīng)首先遵從標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，以保證測(cè)值之間具有可比性。但對(duì)于不同類型和尺寸，尤其是不同用途的軸承，還應(yīng)盡量根據(jù)實(shí)際工況選擇測(cè)量條件，實(shí)現(xiàn)模擬測(cè)量。

軸承振動(dòng)測(cè)量ISO標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布，對(duì)于在國(guó)際范圍內(nèi)規(guī)范統(tǒng)一有關(guān)軸承振動(dòng)測(cè)量中的許多問(wèn)題具有十分重要的作用。我國(guó)軸承行業(yè)在貫徹執(zhí)行等同采用ISO標(biāo)準(zhǔn)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的過(guò)程中，還應(yīng)充分注重驗(yàn)證分析工作，以使對(duì)軸承振動(dòng)的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究更加深入。