微型軸承保持架軸向振動(dòng)檢測(cè)與分析

黃迪山，郭蘭滿，劉 品，朱利軍，傅慧燕

(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)

深溝球軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，保持架振動(dòng)除了自身的特征頻率成分外，軸承內(nèi)、外圈的幾何誤差引起的振動(dòng)通過鋼球傳遞也影響保持架的振動(dòng)。保持架振動(dòng)響應(yīng)不僅產(chǎn)生噪聲，而且影響其工作壽命。另外，鋼球與保持架兜孔之間出現(xiàn)碰撞[1]，碰撞的幅度和頻數(shù)取決于鋼球與保持架的游隙和轉(zhuǎn)速。因此，在軸承制造的質(zhì)量保證系統(tǒng)中，檢測(cè)軸承保持架振動(dòng)，分析其動(dòng)態(tài)特性，揭示其振動(dòng)規(guī)律顯得非常重要。

到目前為止，對(duì)保持架的試驗(yàn)研究主要集中在穩(wěn)定性、運(yùn)動(dòng)、滑動(dòng)、溫度檢測(cè)等方面。文獻(xiàn)[2]研究了角接觸球軸承的保持架渦動(dòng)，分析了不同布置時(shí)的保持架接觸頻率；文獻(xiàn)[3]用激光測(cè)量了圓柱滾子軸承中滾子與保持架的運(yùn)動(dòng)速度；文獻(xiàn)[4]用高頻共振技術(shù)測(cè)試了保持架與滾子的滑移；文獻(xiàn)[5]用振蕩器和無線傳遞技術(shù)測(cè)量軸承保持架的溫度及其變化；文獻(xiàn)[6]用錘擊法測(cè)試了用于列車的單個(gè)軸承保持架零件的動(dòng)態(tài)特性。但對(duì)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的微型軸承保持架，由于尺寸小，振動(dòng)傳感困難，其振動(dòng)測(cè)試尚未見報(bào)道。因此，基于保持架研究現(xiàn)狀，對(duì)保持架激光測(cè)振及其動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行研究。具體介紹在中、低轉(zhuǎn)速下，微型軸承冠形保持架軸向振動(dòng)的試驗(yàn)與檢測(cè)技術(shù)及初步的振動(dòng)信號(hào)處理。

1 試驗(yàn)裝置

微型軸承軸向振動(dòng)試驗(yàn)裝置如圖1a所示，由試驗(yàn)臺(tái)、激光測(cè)頭和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)組成，試驗(yàn)臺(tái)轉(zhuǎn)速可控。試驗(yàn)軸承型號(hào)為619/6/P4F(C1000096F)外徑為15 mm, 內(nèi)徑為6 mm，其中保持架結(jié)構(gòu)如圖1b所示。 軸承水平安置在試驗(yàn)裝置上，軸向加載1 N。在試驗(yàn)中，軸承內(nèi)圈固定，外圈轉(zhuǎn)動(dòng)，試驗(yàn)在常速(600～3 000 r/min)下進(jìn)行。采用KEYENCE激光測(cè)頭LK-G10拾取微型軸承保持架軸向振動(dòng)位移，振動(dòng)位移測(cè)量分辨率為0.01 μm。由于保持架寬度為0.5 mm，而激光光束斑點(diǎn)只有20 μm，光斑尺寸遠(yuǎn)小于保持架軸向的寬度，因此，激光方法可以有效地進(jìn)行非接觸測(cè)量, 檢測(cè)保持架的軸向振動(dòng)位移。在檢測(cè)中，信號(hào)的采樣頻率為5 kHz，采樣點(diǎn)數(shù)為65 536，對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

圖1 微型軸承保持架軸向振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)簡圖

2 試驗(yàn)與分析

2.1 特征頻率

特征頻率是軸承運(yùn)行中出現(xiàn)的一個(gè)重要?jiǎng)討B(tài)特征。當(dāng)外圈轉(zhuǎn)動(dòng)和內(nèi)圈固定時(shí)，以穩(wěn)定轉(zhuǎn)速1 800 r/min為例,根據(jù)軸承幾何基本尺寸和轉(zhuǎn)速，特征頻率計(jì)算如表1所示(N為外圈轉(zhuǎn)速，r/min；α為接觸角；Dw為鋼球直徑；Dpw為球組節(jié)圓直徑；Z為鋼球數(shù))。一般情況下，從軸承保持架拾取的軸向振動(dòng)信號(hào)不僅包含自身的特征頻率，而且會(huì)呈現(xiàn)其他部分的特征頻率。

表1 軸承特征頻率

2.2 測(cè)試分析

軸承保持架的軸向振動(dòng)檢測(cè)，按轉(zhuǎn)速600，800，1 000，…，3 000 r/min進(jìn)行，圖2a是轉(zhuǎn)速1 800 r/min時(shí)的振動(dòng)位移時(shí)間歷程;對(duì)50 000點(diǎn)振動(dòng)位移數(shù)據(jù)進(jìn)行譜分析，得到分辨率為0.1 Hz的頻譜，譜圖如圖2 b所示。從保持架軸向振動(dòng)的頻譜圖可知，保持架軸向振動(dòng)的主要諧波與軸承特征頻率吻合。其中，保持架特征頻率振動(dòng)幅度最大，并且呈現(xiàn)1階、2階和3階諧波。保持架振動(dòng)特征頻率的產(chǎn)生主要與保持架的加工誤差、流體潤滑作用及保持架與鋼球碰撞有關(guān)。軸承工作時(shí)，由于潤滑油的作用保持架懸掛在鋼球上，保持架的加工誤差將導(dǎo)致保持架徑向振動(dòng)、軸向振動(dòng)和陀螺運(yùn)動(dòng)，使保持架軸向振動(dòng)特征明顯。潤滑油的飛濺同樣促使保持架振動(dòng)。保持架與鋼球之間不合理的游隙將加大保持架與鋼球的周向碰撞和軸向碰撞，加速保持架的軸向振動(dòng)[7]。

另外，由于外圈驅(qū)動(dòng)軸偏心引起的軸承外圈振動(dòng)的特征頻率較為顯著，而軸承內(nèi)、外溝道振動(dòng)的特征頻率較小，說明內(nèi)、外溝道的波紋度影響較小。

由于保持架特征頻率的第1階振動(dòng)諧波幅度與外圈振動(dòng)特征頻率諧波幅度相當(dāng)，頻率接近，所以在振動(dòng)時(shí)間歷程中信號(hào)呈現(xiàn)拍狀現(xiàn)象。

但是在保持架軸向振動(dòng)的倒譜中有175 ms的明顯倒譜線(圖2c)，這表明在振動(dòng)中存在5.7 Hz的諧波族。由于保持架動(dòng)力學(xué)機(jī)理復(fù)雜，對(duì)此諧波族的信號(hào)識(shí)別有待于進(jìn)一步研究。

圖2 保持架軸向振動(dòng)位移時(shí)間歷程、頻譜和倒譜(1 800 r/min)

集合在各個(gè)轉(zhuǎn)速下(600～3 000 r/min，間隔200 r/min)的保持架軸向振動(dòng)頻譜，構(gòu)成三維的瀑布圖(圖3)，從中可觀測(cè)振動(dòng)諧波成分隨轉(zhuǎn)速的變化情況。試驗(yàn)數(shù)據(jù)中，幾乎所有的振動(dòng)各階諧波頻率隨著轉(zhuǎn)速線性增大，這表明：在中、低轉(zhuǎn)速下，特征頻率諧波為保持架振動(dòng)的主要成分，且分布在中、低段頻率范圍。由于軸承振動(dòng)特征頻率諧波與軸承外圈驅(qū)動(dòng)的偏心、溝道的加工波紋度、保持架誤差、流體潤滑作用及保持架與鋼球碰撞相關(guān)，因此，微型軸承加工誤差、保持架誤差、保持架與鋼球不合理游隙是保持架軸向振動(dòng)的主要根源。

圖3 保持架軸向振動(dòng)頻譜瀑布圖(600～3 000 r/min)

2.3 振動(dòng)速度譜估計(jì)

軸承保持架噪聲的聲壓級(jí)正比于保持架振動(dòng)速度，工程中常用振動(dòng)速度評(píng)定軸承振動(dòng)工況。因此，有必要在測(cè)量保持架軸向振動(dòng)位移基礎(chǔ)上估計(jì)軸向振動(dòng)速度，對(duì)微型軸承保持架軸向振動(dòng)速度有一個(gè)數(shù)量上的認(rèn)識(shí)。

在軸承轉(zhuǎn)速為1 800 r/min時(shí)，用50 kHz的采樣率拾取振動(dòng)位移，然后進(jìn)行數(shù)值微分處理，得到如圖4a所示的振動(dòng)速度時(shí)間歷程估計(jì)，振動(dòng)速度的最大值為20～30 mm/s。對(duì)振動(dòng)速度作進(jìn)一步處理后得頻譜估計(jì)，如圖4b所示。在保持架軸向振動(dòng)速度譜中，能量集中在中、低頻段,所以保持架振動(dòng)對(duì)低頻噪聲貢獻(xiàn)大。圖4c則顯示1～500 Hz的保持架軸向振動(dòng)速度頻譜。

圖4 振動(dòng)位移時(shí)間歷程和頻譜估計(jì)(1 800 r/min)

3 結(jié)束語

應(yīng)用激光技術(shù)能有效地對(duì)微型軸承冠形保持架軸向振動(dòng)位移進(jìn)行非接觸測(cè)量以及相應(yīng)信號(hào)的分析與估計(jì)。從振動(dòng)測(cè)試分析可知：微型軸承在中、低速工況下，保持架軸向振動(dòng)的主要成分是軸承的特征頻率諧波，它們對(duì)應(yīng)于軸承溝道加工誤差、保持架誤差及保持架與鋼球不合理的游隙，并且分布在中、低段頻率范圍。由于保持架動(dòng)力學(xué)機(jī)理復(fù)雜，對(duì)保持架軸向振動(dòng)信號(hào)的研究有待于進(jìn)一步深入。