DZ系列紡錠軸承振動(dòng)測(cè)量方法

陳芳華，蔡麗萍，王蘭英，蔣智杰

（杭州軸承試驗(yàn)研究中心有限公司，杭州 310022）

DZ系列紡錠軸承（以下簡(jiǎn)稱(chēng)紡錠軸承）為無(wú)內(nèi)圈、兩擋邊均分離的向心圓柱滾子軸承，主要用于棉、毛、麻、緝、化纖純紡和混紡的粗、細(xì)紗機(jī)及捻線機(jī)的錠子上，轉(zhuǎn)子在紡錠軸承滾子組內(nèi)復(fù)圓表面高速旋轉(zhuǎn)。隨著人們對(duì)工作環(huán)境要求的不斷提高，對(duì)紡機(jī)噪聲提出了越來(lái)越高的要求，其大小已成為紡機(jī)質(zhì)量?jī)?yōu)劣的重要指標(biāo)之一，由于軸承是紡機(jī)的主要噪聲源之一，所以對(duì)紡錠軸承噪聲的控制已勢(shì)在必行，迫在眉睫。

要實(shí)現(xiàn)對(duì)紡錠軸承噪聲的控制，首先要實(shí)現(xiàn)紡錠軸承噪聲的快速測(cè)量。由于紡錠軸承的噪聲與振動(dòng)存在密切相關(guān)，通過(guò)軸承振動(dòng)控制能達(dá)到軸承噪聲控制已成行業(yè)共識(shí)［1］。早在20世紀(jì)80年代中期，國(guó)內(nèi)紡織機(jī)械廠就開(kāi)始檢測(cè)紡機(jī)軸承的振動(dòng)，但由于紡錠軸承結(jié)構(gòu)的特殊性，其振動(dòng)測(cè)值極為不穩(wěn)定，故在FZ／T 92025—2008標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布前，一直未形成DZ系列紡錠軸承振動(dòng)測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)方法，至今還沒(méi)有該類(lèi)軸承的振動(dòng)技術(shù)條件，對(duì)該類(lèi)軸承振動(dòng)質(zhì)量缺乏規(guī)范的評(píng)價(jià)方法。

文中從測(cè)量夾具、測(cè)量載荷、驅(qū)動(dòng)芯軸、測(cè)振潤(rùn)滑等方面進(jìn)行了試驗(yàn)與分析，結(jié)合ISO 15242-4：2007標(biāo)準(zhǔn)對(duì)圓柱滾子軸承振動(dòng)測(cè)量的推薦建議，提出了紡錠軸承振動(dòng)的測(cè)量方法，并對(duì)8個(gè)規(guī)格型號(hào)，共28個(gè)批次（每批次20套，共560套）軸承樣品進(jìn)行了測(cè)試、統(tǒng)計(jì)和分析，提出了V1，V2和V3三個(gè)振動(dòng)組別的技術(shù)條件草案。

1 振動(dòng)測(cè)量方法

1.1 測(cè)量物理量

振動(dòng)測(cè)量的物理量可以是位移、速度和加速度3種物理量中的任何一種。但由于軸承振動(dòng)的幅值一般會(huì)隨著頻率的增高而減小，在幾千Hz時(shí)，能減小到納米級(jí)，使得位移傳感器很難測(cè)出高頻振動(dòng)信號(hào)。加速度傳感器的振動(dòng)信號(hào)與頻率的2次方成正比，故對(duì)低頻振動(dòng)信號(hào)不敏感。而速度型傳感器的振動(dòng)信號(hào)與頻率成正比，所以，速度型傳感器是軸承振動(dòng)測(cè)量的較適用傳感器［2］。測(cè)量物理量推薦為速度，單位為μm／s。

1.2 測(cè)振目的與測(cè)量信號(hào)

軸承的旋轉(zhuǎn)軸線呈現(xiàn)6個(gè)基本自由度的運(yùn)動(dòng)，其中1個(gè)為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，另5個(gè)為非旋轉(zhuǎn)自由度上的位移，即軸承的運(yùn)動(dòng)誤差。振動(dòng)是由運(yùn)動(dòng)誤差引起位移的結(jié)果。旋轉(zhuǎn)軸承的運(yùn)動(dòng)誤差是軸承旋轉(zhuǎn)時(shí)進(jìn)行相對(duì)運(yùn)動(dòng)的各零件滾動(dòng)表面幾何形狀不理想所致。本測(cè)量方法的測(cè)振目的是呈現(xiàn)軸承零件滾動(dòng)表面加工的形狀誤差，為軸承產(chǎn)品制造過(guò)程診斷或產(chǎn)品質(zhì)量評(píng)定提供依據(jù)。鑒于紡錠軸承結(jié)構(gòu)總體歸類(lèi)為向心圓柱滾子軸承，故參照ISO 15242-4：2007標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)振時(shí)施加徑向載荷，將傳感器側(cè)頭接觸于滾道中部位置所對(duì)應(yīng)的外圈外徑表面上方，測(cè)量軸承外圈徑向振動(dòng)信號(hào)。

1.3 測(cè)量夾具

由于紡錠軸承的結(jié)構(gòu)具有無(wú)內(nèi)圈、兩擋邊均分離的特點(diǎn)，其振動(dòng)測(cè)值影響因素較多，故其測(cè)值具有較大的不穩(wěn)定性。為使測(cè)值穩(wěn)定，測(cè)量重復(fù)性好，測(cè)振時(shí)推薦采用專(zhuān)用夾具將軸承2分離擋圈進(jìn)行固定，并采用標(biāo)準(zhǔn)芯軸驅(qū)動(dòng)，即標(biāo)準(zhǔn)芯軸在紡錠軸承滾子內(nèi)復(fù)圓表面旋轉(zhuǎn)并驅(qū)動(dòng)滾子滾動(dòng)，從而激勵(lì)軸承外圈振動(dòng)，用傳感器拾取外圈徑向振動(dòng)信號(hào)。測(cè)振原理如圖1所示。

圖1 紡錠軸承測(cè)振原理圖

基于上述測(cè)振原理，夾具對(duì)振動(dòng)測(cè)值影響較大的因素主要有夾具套與軸承外徑的配合間隙、夾具套（包括緊固螺母）的質(zhì)量以及驅(qū)動(dòng)芯軸的旋

轉(zhuǎn)精度和表面形狀誤差等。

1.3.1 夾具套與軸承外徑的配合間隙

為了保證快速測(cè)振，軸承外徑與夾具套必須采取間隙配合，確保軸承以滑配裝入夾具套內(nèi)。但如果配合間隙過(guò)大，將造成測(cè)值重復(fù)性不好。由于紡錠軸承的外徑公差為h5，故夾具套的內(nèi)孔公差推薦為H5，且應(yīng)具有最小的形狀誤差。

1.3.2 夾具套的質(zhì)量

夾具套與軸承外圈及兩擋圈固定，夾具套質(zhì)量（包括緊固螺母）的大小直接影響振動(dòng)測(cè)值。為了在同一狀態(tài)下評(píng)價(jià)軸承零件滾動(dòng)表面形狀誤差的優(yōu)劣，同一型號(hào)軸承的夾具套質(zhì)量必須一致。從理論上說(shuō)，夾具套的質(zhì)量越小越好，結(jié)合夾具套剛性等因素，夾具套壁厚推薦為2～2.5 mm，材料為GCr15，硬度為61～65 HRC。

1.3.3 驅(qū)動(dòng)芯軸的旋轉(zhuǎn)精度與表面形狀誤差

由于紡錠軸承無(wú)內(nèi)圈，故驅(qū)動(dòng)芯軸相當(dāng)于滾動(dòng)軸承的內(nèi)圈，驅(qū)動(dòng)芯軸的旋轉(zhuǎn)精度和表面形狀誤差均對(duì)振動(dòng)測(cè)值產(chǎn)生直接影響。故驅(qū)動(dòng)芯軸的旋轉(zhuǎn)精度與表面形狀誤差應(yīng)控制在一定范圍內(nèi)。推薦值如表1所示。

表1 驅(qū)動(dòng)芯軸的主要技術(shù)規(guī)范 μm

1.4 測(cè)量轉(zhuǎn)速

軸承振動(dòng)在旋轉(zhuǎn)動(dòng)態(tài)下測(cè)量，測(cè)量時(shí)外圈靜止不轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)芯軸以某一恒定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速與軸承的尺寸和結(jié)構(gòu)有關(guān)。參照ISO 15242-4：2007標(biāo)準(zhǔn)，紡錠軸承振動(dòng)測(cè)量的轉(zhuǎn)速設(shè)定為1 764～1 818 r／min［3］。

1.5 測(cè)振潤(rùn)滑

在以產(chǎn)品質(zhì)量評(píng)定為目的測(cè)振時(shí)，某些可滿(mǎn)足振動(dòng)測(cè)試的潤(rùn)滑要求的防銹劑可不必清除；在以產(chǎn)品制造過(guò)程診斷或產(chǎn)品質(zhì)量比對(duì)為目的測(cè)振時(shí)，應(yīng)對(duì)軸承進(jìn)行有效清洗，注意不要引入污染物或其他振源。經(jīng)清洗的軸承待清洗劑揮發(fā)干后，應(yīng)使用清潔的低黏度潤(rùn)滑油對(duì)軸承進(jìn)行充分潤(rùn)滑。按ISO15242-4：2007標(biāo)準(zhǔn)的推薦，潤(rùn)滑油的公稱(chēng)黏度應(yīng)為10～100 mm2／s。潤(rùn)滑油的黏度越大，軸承振動(dòng)測(cè)值對(duì)零件滾動(dòng)表面形狀誤差的反應(yīng)越不敏感，故參照J(rèn)B／T 5313—2001標(biāo)準(zhǔn)，推薦L-AN15全損耗系統(tǒng)用油作為紡錠軸承測(cè)振潤(rùn)滑用油，其公稱(chēng)黏度為13.5～16.5 mm2／s［4］。

1.6 測(cè)量載荷

為使軸承運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，測(cè)值穩(wěn)定，紡錠軸承振動(dòng)測(cè)量時(shí)應(yīng)在軸承外圈寬度中部位置施加徑向載荷，其加載原理如圖2所示。

圖2 加載原理圖

在n＝1 800 r／min和LN-15全損耗系統(tǒng)用油潤(rùn)滑狀態(tài)下，對(duì)DZ1，DZ2，DZ4，DZ5和DZ6 5種型號(hào)軸承進(jìn)行測(cè)量載荷試驗(yàn)。結(jié)果表明，對(duì)于DZ1，DZ2和DZ4軸承，當(dāng)測(cè)量載荷P小于20 N時(shí)，振動(dòng)測(cè)值不穩(wěn)，即在軸承運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，振動(dòng)讀數(shù)時(shí)而變大，時(shí)而變小，測(cè)值變化在50%以上，從揚(yáng)聲器聲音監(jiān)聽(tīng)中也反映出該現(xiàn)象；當(dāng)測(cè)量載荷增大到30 N時(shí)，這一現(xiàn)象基本消除，讀數(shù)指針基本穩(wěn)定，僅有個(gè)別軸承偶有不穩(wěn)；當(dāng)測(cè)量載荷增大到40 N時(shí)，軸承振動(dòng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，且繼續(xù)增大到50 N和60 N時(shí)測(cè)值基本不變。而對(duì)于DZ5和DZ6軸承，當(dāng)測(cè)量載荷增大到50 N時(shí)軸承振動(dòng)才達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，繼續(xù)增大到60 N和80 N時(shí)，測(cè)值基本不變。試驗(yàn)結(jié)果表明，紡錠軸承振動(dòng)測(cè)量時(shí)必須給予一定的徑向載荷值，該載荷太小時(shí)，將使軸承在測(cè)振過(guò)程中處于運(yùn)轉(zhuǎn)不穩(wěn)定狀態(tài)。通過(guò)試驗(yàn)，推薦紡錠軸承振動(dòng)測(cè)量的徑向載荷如表2所示。

表2 紡錠軸承振動(dòng)測(cè)量徑向載荷

1.7 頻率范圍

參照ISO 15242-4：2007和JB／T 5313—2001的標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)定按表3規(guī)定的3個(gè)頻段范圍測(cè)量速度信號(hào)［3-4］。

表3 設(shè)定的頻率范圍 Hz

注：fL，fH分別為低、高截止頻率。

2 紡錠軸承振動(dòng)技術(shù)條件確定

2.1 確定原則

軸承振動(dòng)質(zhì)量水平是軸承動(dòng)態(tài)性能質(zhì)量的綜合反映，本技術(shù)條件限值的確定未進(jìn)行紡機(jī)噪聲相關(guān)性研究，僅根據(jù)現(xiàn)有國(guó)產(chǎn)軸承大量樣本的收集、測(cè)試及振動(dòng)測(cè)值的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，以及樣品應(yīng)用領(lǐng)域的調(diào)查與跟蹤。技術(shù)條件的確定首先應(yīng)考慮到國(guó)內(nèi)目前產(chǎn)品的實(shí)際振動(dòng)質(zhì)量水平，同時(shí)還應(yīng)考慮到標(biāo)準(zhǔn)的先進(jìn)性以及先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的促進(jìn)作用。為體現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量的優(yōu)劣，促進(jìn)行業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量的進(jìn)一步提高，為軸承用戶(hù)根據(jù)不同使用要求選用不同質(zhì)量等級(jí)的產(chǎn)品提供參考依據(jù)，技術(shù)條件按振動(dòng)質(zhì)量水平分為V1，V2和V3 3個(gè)組別，其振動(dòng)質(zhì)量由低到高排列。

2.2 技術(shù)方案的確定

軸承振動(dòng)值在結(jié)構(gòu)已確定的前提下，與外形尺寸直接相關(guān)，國(guó)內(nèi)、外的軸承振動(dòng)技術(shù)條件有的以?xún)?nèi)徑尺寸為依據(jù)，有的以外徑尺寸為依據(jù)?？紤]到國(guó)內(nèi)現(xiàn)有其他結(jié)構(gòu)類(lèi)型的軸承振動(dòng)技術(shù)條件，如深溝球軸承、圓錐滾子軸承、圓柱滾子軸承等，均是以?xún)?nèi)徑尺寸為依據(jù)的，故以滾子組公稱(chēng)內(nèi)徑為依據(jù)，確認(rèn)其與振動(dòng)測(cè)值的相關(guān)性。

2.2.1 滾子組公稱(chēng)內(nèi)徑與振動(dòng)測(cè)值的相關(guān)性

對(duì)8個(gè)型號(hào)28組樣品共560個(gè)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到紡錠軸承的低、中、高頻振動(dòng)值（VL，VM，VH）與滾子組公稱(chēng)內(nèi)徑（Fw）的有關(guān)統(tǒng)計(jì)量如表4所示。

用表4中的統(tǒng)計(jì)量對(duì)560個(gè)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸（V＝β0+β1Fw），得到紡錠軸承的低、中、高頻振動(dòng)值與滾子組公稱(chēng)內(nèi)徑的線性回歸方程為：VL＝6.70Fw+27.49；VM＝13.87Fw+39.49；VH＝4.52Fw+146.98。

表4 V L，V M和V H與F w的統(tǒng)計(jì)結(jié)果

用相關(guān)系數(shù)檢驗(yàn)法對(duì)上述3個(gè)線性回歸方程進(jìn)行線性模型的顯著檢驗(yàn)。

假設(shè)紡錠軸承的VL與Fw不存在線性關(guān)系，即等價(jià)于不拒絕以下假設(shè)中的原假設(shè)：H0∶β1＝0，H1∶β1≠0，當(dāng)n＝560，α＝0.05時(shí)，相關(guān)系數(shù)臨界值r0.05（560）＝0.082 9。而紡錠軸承的VL與Fw的相關(guān)系數(shù)│r0│L＝0.547＞r0.05（560）。所以拒絕H0，接受H1，即認(rèn)為紡錠軸承的VL與Fw之間的線性關(guān)系是顯著的。

同理可得紡錠軸承的VM，VH與Fw的相關(guān)系數(shù)：│r0│M＝0.587＞r0.05（560）；│r0│H＝0.292＞r0.05（560）。

故認(rèn)為紡錠軸承的VM，VH與Fw之間的線性關(guān)系也是顯著的。紡錠軸承的低、中、高頻振動(dòng)值與滾子組公稱(chēng)內(nèi)徑之間有密切的相關(guān)性。

2.2.2 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

紡錠軸承振動(dòng)技術(shù)條件確定的技術(shù)方案除考慮滾子組公稱(chēng)內(nèi)徑Fw外，還應(yīng)考慮如滾子直徑、外圈壁厚和滾子數(shù)等產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的因素。經(jīng)對(duì)FZ／T 92025—1994標(biāo)準(zhǔn)中表2所列規(guī)格及參數(shù)分析可見(jiàn)，孳生型的軸承寬度、滾子長(zhǎng)度與常規(guī)型相同，但孳生型的滾子直徑小于常規(guī)型，外圈壁厚小于或等于常規(guī)型，故孳生型與常規(guī)型的結(jié)構(gòu)差異對(duì)振動(dòng)值影響不大。從滾子組公稱(chēng)內(nèi)徑相同的孳生型和常規(guī)型產(chǎn)品的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及上述相關(guān)性驗(yàn)證結(jié)論均證實(shí)該條結(jié)論，故振動(dòng)技術(shù)條件的確定以滾子組公稱(chēng)內(nèi)徑Fw為唯一依據(jù)。

2.2.3 技術(shù)條件草案

經(jīng)對(duì)所收集的8個(gè)型號(hào)、28個(gè)批次、560套樣品數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)，依據(jù)上述確定原則及技術(shù)方案，提出紡錠軸承振動(dòng)技術(shù)條件草案如表5所示。

表5 紡錠軸承振動(dòng)技術(shù)條件草案

2.2.4 技術(shù)條件適宜性分析

按表5技術(shù)條件考核本次試驗(yàn)所收集的28個(gè)批次樣品，使用一般檢查水平Ⅱ級(jí)，正常檢查一次抽樣方案，合格質(zhì)量水平AQL取2.5，各型號(hào)達(dá)標(biāo)率如表6所示。

表6 試驗(yàn)樣品達(dá)標(biāo)率統(tǒng)計(jì)

從表6可以看到，除DZ1型號(hào)外，其余型號(hào)合格率均達(dá)到66.7%或以上，說(shuō)明該標(biāo)準(zhǔn)適宜目前國(guó)產(chǎn)軸承企業(yè)現(xiàn)狀。因?yàn)楸敬卧囼?yàn)樣品收集的產(chǎn)品型號(hào)規(guī)格覆蓋了FZ／T 92025—1992《DZ系列紡錠軸承》標(biāo)準(zhǔn)所涵蓋產(chǎn)品型號(hào)規(guī)格的88.9%，樣品生產(chǎn)企業(yè)覆蓋率達(dá)到67%，既有較大規(guī)模企業(yè)，也有較小規(guī)模企業(yè)。樣本基本涵蓋國(guó)內(nèi)相關(guān)企業(yè)的優(yōu)、中及較差產(chǎn)品。另外V3組達(dá)標(biāo)率為0，說(shuō)明國(guó)內(nèi)高品質(zhì)軸承有待進(jìn)一步開(kāi)發(fā)，磨超工藝、滾子精度等有待進(jìn)一步優(yōu)化和提高，同時(shí)說(shuō)明該技術(shù)條件在目前具有一定的超前性。

3 結(jié)束語(yǔ)

該測(cè)量方法經(jīng)使用表明，能使軸承振動(dòng)測(cè)值處于一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，能呈現(xiàn)出軸承零件滾動(dòng)表面形狀誤差質(zhì)量的優(yōu)劣，可以在行業(yè)推廣應(yīng)用。但本次試驗(yàn)未能收集到國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品，對(duì)國(guó)外先進(jìn)產(chǎn)品實(shí)物水平缺乏比對(duì)，同時(shí)由于試驗(yàn)條件限制，未能進(jìn)行紡錠軸承振動(dòng)測(cè)值與裝機(jī)后紡機(jī)噪聲的相關(guān)性研究。故本技術(shù)條件僅供企業(yè)內(nèi)控參考，待條件成熟時(shí)，再行修訂為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。