球軸承振動(dòng)頻譜的局部分析方法

黃迪山，章 林，傅慧燕，顧家銘，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)

在軸承制造過(guò)程中，為了降低軸承的振動(dòng)和噪聲，控制軸承零件的加工誤差是必要的手段之一。在進(jìn)行軸承質(zhì)量控制以前，首先應(yīng)該進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試和分析，了解現(xiàn)有零件加工質(zhì)量對(duì)軸承振動(dòng)的影響。以下針對(duì)深溝球軸承平穩(wěn)振動(dòng)中有關(guān)的零件加工誤差，如波紋度和保持架因素的影響，進(jìn)行信號(hào)分析，研究軸承平穩(wěn)振動(dòng)的特征提取問(wèn)題(暫不考慮軸承有異常聲和其他的非平穩(wěn)振動(dòng)情況)。在沖擊試驗(yàn)和振動(dòng)測(cè)試證實(shí)軸承振動(dòng)頻譜結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，引入軸承振動(dòng)頻譜的局部分析方法，用國(guó)內(nèi)、外軸承測(cè)試分析結(jié)果證明軸承振動(dòng)特征提取的有效性，揭示軸承零件波紋度和保持架缺陷對(duì)振動(dòng)頻譜的影響，并進(jìn)行軸承的振動(dòng)與噪聲源識(shí)別。

1 振動(dòng)頻譜結(jié)構(gòu)

1.1 振動(dòng)特點(diǎn)

在軸承試驗(yàn)機(jī)上，對(duì)深溝球軸承進(jìn)行內(nèi)圈驅(qū)動(dòng)，通過(guò)軸向加載固定的外圈，測(cè)定軸承外圈的振動(dòng)。從彈性體結(jié)構(gòu)振動(dòng)的觀點(diǎn)分析，軸承外圈近似于帶阻尼圓環(huán)，軸承振動(dòng)是由零件工作表面幾何形狀誤差等因素激勵(lì)產(chǎn)生的，以圓環(huán)固有彎曲振動(dòng)為主振型，并疊加與鋼球通過(guò)頻率有關(guān)的振動(dòng)成分，形成復(fù)合振動(dòng)[1-2]。

當(dāng)軸承內(nèi)、外溝道和鋼球同時(shí)存在加工誤差(波紋度)時(shí)，除各自的激勵(lì)特性外，由于接觸載荷的非線性，還引起波紋度的交互作用，形成新的激勵(lì)特性，軸承的振動(dòng)特征頻率呈現(xiàn)組合形式[3]；當(dāng)外溝道受激勵(lì)時(shí)，外圈激發(fā)出的共振頻率與軸承特征頻率同樣呈現(xiàn)組合形式，分布在共振頻率兩邊，形成振動(dòng)邊帶群。所以波紋度對(duì)球軸承的激勵(lì)，不僅得到穩(wěn)態(tài)的具有特征頻率的振動(dòng)諧波響應(yīng)，而且得到穩(wěn)態(tài)的具有組合特征頻率的振動(dòng)諧波響應(yīng)，形成振動(dòng)邊帶群。

由于潤(rùn)滑、流體阻尼、振動(dòng)傳遞衰減等因素，制造誤差對(duì)軸承外溝道振動(dòng)的影響是不相同的。所以在軸承振動(dòng)頻譜分析中，振動(dòng)頻譜峰值對(duì)內(nèi)、外溝道及鋼球的波紋度的敏感度是有差別的。

1.2 振動(dòng)測(cè)試

為了說(shuō)明軸承振動(dòng)的實(shí)際頻譜結(jié)構(gòu)，首先對(duì)國(guó)外某著名公司的608軸承外圈作微小的沖擊試驗(yàn)，模擬軸承在運(yùn)行過(guò)程中波紋度對(duì)外圈的沖擊響應(yīng)。用加速度傳感器B&K 4517-002 55978拾取軸承振動(dòng)信號(hào)，用PULSE分析儀3560-B-120對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，得到如圖1所示的0～12.8 kHz振動(dòng)響應(yīng)頻譜。響應(yīng)反映了帶阻尼和彈性約束的圓環(huán)振動(dòng)特性，共振峰出現(xiàn)在2 kHz和8.5 kHz附近，頻譜結(jié)構(gòu)如山丘形狀。

圖1 軸承的沖擊響應(yīng)頻譜

然后，將深溝球軸承安裝在安德魯測(cè)振儀上，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速為1 800 r/min，固定外圈并且軸向加載22 N，進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試和頻譜分析。軸承振動(dòng)信號(hào)時(shí)間歷程和相應(yīng)的頻譜如圖2所示。

圖2 軸承振動(dòng)信號(hào)時(shí)間歷程與頻譜

比較圖1和圖2b的頻譜結(jié)構(gòu)，圖2b的譜圖可以近似地看成在圖1的基礎(chǔ)上疊加了低頻部分(0～1 kHz),以及在兩個(gè)共振峰附近分布了與特征頻率有關(guān)的諧波成分，形成振動(dòng)邊帶群。

由于在信號(hào)分析時(shí)，采樣頻率fs=32 768 Hz，譜線數(shù)800條，譜平均次數(shù)300次，振動(dòng)頻譜的分辨率近似為16 Hz。處理后的頻譜暴露了一些不足，如振動(dòng)邊帶群的譜線不清晰，也不精確。若要了解邊帶群詳細(xì)的振動(dòng)情況，則需對(duì)局部邊帶進(jìn)一步作信號(hào)分析，才能剖析軸承振動(dòng)特征。

2 振動(dòng)頻譜局部分析

2.1 振動(dòng)特征頻率

被測(cè)軸承相關(guān)參數(shù)為：鋼球直徑Dw=3.969 mm，球組節(jié)圓直徑Dpw=15 mm,鋼球數(shù)目Z=7粒。在內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)，外圈固定和驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速n=1 800 r/min工況下，振動(dòng)特征頻率列于表1。

表1 球軸承振動(dòng)特征頻率 Hz

2.2 頻譜局部分析

在振動(dòng)頻譜中，共振峰附近邊帶群的譜線不清晰，不利于特征分析，所以引入頻譜局部分析。其只對(duì)振動(dòng)頻譜特定的局部頻段進(jìn)行細(xì)化處理[4]，提高局部頻段分析的分辨率，出現(xiàn)清晰梳狀譜，可精確辨認(rèn)譜中的頻差；同時(shí)作滑動(dòng)平均處理，扼制隨機(jī)噪聲對(duì)細(xì)化處理的干擾。在軸承振動(dòng)分析中，需對(duì)低頻段信號(hào)、共振峰附近的邊帶群以及對(duì)頻譜有特別影響的局部頻段作局部頻譜細(xì)化。

在細(xì)化處理的基礎(chǔ)上，作實(shí)倒譜處理，提取具有共同頻差族的倒譜特征，然后由倒譜特征識(shí)別和分析制造誤差對(duì)振動(dòng)的影響。

3 實(shí)例分析

3.1 低頻段信號(hào)分析(0～800 Hz)

軸承振動(dòng)信號(hào)的低頻段頻譜中，離散的軸承特征頻率諧波占主導(dǎo)成份。圖3是圖2b頻譜在0～800 Hz的細(xì)化譜，譜的頻率分辨率為1 Hz。從圖中可以看到，被測(cè)軸承在低頻段振動(dòng)中，特征頻率為77 Hz，其2次諧波為153 Hz，對(duì)照表1可知特征頻率是由外溝道波紋度激勵(lì)造成的。

圖3 低頻段信號(hào)頻譜

3.2 邊帶群信號(hào)分析

對(duì)共振峰附近的邊帶群進(jìn)行局部細(xì)化處理，譜的結(jié)構(gòu)從連續(xù)和離散組合的模糊狀態(tài)變成清晰狀態(tài)的頻譜。圖4a是圖2b頻譜在第1階共振峰附近邊帶群(1.6～4.8 kHz)的細(xì)化譜，梳狀譜線清晰。為了有效進(jìn)行譜分析，在細(xì)化譜基礎(chǔ)上作實(shí)倒譜分析，快速判別梳狀頻譜特征。圖4b是圖4a的倒譜，即細(xì)化分析后的倒譜。明顯的倒譜特征頻率為9.52 ms(105 Hz)和2～6次倒頻均出現(xiàn)在倒譜上，對(duì)照表1可知特征頻率是由鋼球波紋度激勵(lì)造成的。

圖4 第1階共振峰附近邊帶群譜分析

同理，對(duì)第2階共振峰附近邊帶群(5.4～8.6 kHz)進(jìn)行細(xì)化譜分析，然后作倒譜處理，得到如圖5所示的細(xì)化譜和相應(yīng)的倒譜。這里鋼球波紋度仍然是離散譜的原因。

圖5 第2階共振峰附近邊帶群譜分析

通過(guò)對(duì)軸承振動(dòng)頻譜的局部分析，可知影響被測(cè)軸承加工質(zhì)量的主要因素之一是外溝道波紋度和鋼球波紋度。如果對(duì)軸承產(chǎn)品進(jìn)一步降低振動(dòng)水平，那么需對(duì)外溝道和鋼球加工誤差(波紋度)進(jìn)行控制。

3.3 保持架缺陷

為了說(shuō)明軸承振動(dòng)頻譜的局部分析方法的有效性，以下給出國(guó)產(chǎn)608深溝球軸承中有保持架缺陷的實(shí)例。圖6和圖7是軸承振動(dòng)時(shí)間歷程和對(duì)應(yīng)的振動(dòng)頻譜；圖8是振動(dòng)信號(hào)低頻段(0～800 Hz)分析，從譜分析可知，內(nèi)圈的偏心(30 Hz)和外溝道(77 Hz)的1～3階波紋度是振動(dòng)信號(hào)低頻段的主要成因；圖9是邊帶群細(xì)化譜；圖10則是邊帶群細(xì)化分析的倒譜，可以看出保持架(11 Hz)缺陷對(duì)軸承振動(dòng)邊帶群的影響最大。因此，保持架的加工質(zhì)量在軸承振動(dòng)控制中占有重要地位。

圖6 軸承振動(dòng)的時(shí)間歷程

圖7 軸承振動(dòng)信號(hào)頻譜

圖8 低頻段信號(hào)頻譜

圖9 邊帶群細(xì)化譜

圖10 邊帶群細(xì)化分析的倒頻譜

通過(guò)對(duì)第2例軸承振動(dòng)頻譜的局部分析可知，外溝道波紋度影響振動(dòng)的低頻部分；保持架缺陷影響振動(dòng)的高頻部分。值得注意的是：如果在譜分析中沒(méi)有共振峰附近邊帶群的局部分析，則保持架缺陷的影響有可能被忽視。

4 結(jié)束語(yǔ)

細(xì)化和倒譜結(jié)合的振動(dòng)頻譜局部分析的優(yōu)點(diǎn)在于突出局部信息，克服了整體頻譜分析中分辨率低、特征易被淹沒(méi)或難以辨認(rèn)的弱點(diǎn)。特別是對(duì)共振峰附加邊帶群的局部分析，能發(fā)現(xiàn)被忽視的振動(dòng)特征頻率。通過(guò)深溝球軸承振動(dòng)加速度實(shí)測(cè)證明，局部分析方法能有效分析軸承零件加工質(zhì)量中波紋度和保持架缺陷對(duì)軸承振動(dòng)的影響，適合于具有平穩(wěn)振動(dòng)的軸承質(zhì)量分析。