滾針軸承振動(dòng)與噪聲分析及試驗(yàn)

康獻(xiàn)民，杜春英，康華洲

(1.五邑大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，廣東 江門 529020；2.中北大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，太原 030051)

滾針軸承檢測(cè)分為低速軸向竄動(dòng)量的檢測(cè)和高速下振動(dòng)與噪聲的綜合檢測(cè)。在對(duì)無(wú)外圈滾針軸承生產(chǎn)廠家以及用戶的調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，大多采用手動(dòng)慣性輪的方式檢查滾針軸承的軸向竄動(dòng)以及振動(dòng)與噪聲，以檢測(cè)人員的感覺(jué)來(lái)判斷軸承的性能，缺乏統(tǒng)一的檢測(cè)指標(biāo)及方法。下文通過(guò)設(shè)定幾種典型的故障形式，測(cè)試、分析振動(dòng)與噪聲的關(guān)系，為開(kāi)發(fā)滾針軸承全自動(dòng)檢測(cè)裝置提供數(shù)據(jù)支持。

1 振動(dòng)與噪聲分析

當(dāng)滾針軸承有一定徑向游隙時(shí)，在徑向載荷下運(yùn)轉(zhuǎn)，滾道內(nèi)存在承載區(qū)與非承載區(qū)，只有承載區(qū)若干個(gè)滾針承受載荷，構(gòu)成彈簧支承使?jié)L針產(chǎn)生周期性振動(dòng)，轉(zhuǎn)軸中心會(huì)上下垂直移動(dòng)引發(fā)振動(dòng)與噪聲，尤其是在低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)表現(xiàn)更為明顯。

1.1 保持架的旋轉(zhuǎn)頻率

假設(shè)滾針與滾道之間沒(méi)有相對(duì)滑動(dòng)且無(wú)變形，軸承工作時(shí)保持架的旋轉(zhuǎn)頻率fc為

cosα)fe]，

(1)

式中:Dw為滾針直徑；Dpw為滾針組節(jié)圓直徑；α為接觸角；fi為內(nèi)圈回轉(zhuǎn)頻率；fe為外圈回轉(zhuǎn)頻率。

由于檢測(cè)時(shí)采用內(nèi)圈固定、外圈轉(zhuǎn)動(dòng)的方式進(jìn)行，即有fi=0，則滾針在內(nèi)滾道上的通過(guò)頻率fni為

(2)

式中：Z為滾針個(gè)數(shù)。

按照下文中所檢測(cè)的滾針軸承參數(shù)，Dw=4 mm，Dpw=38 mm，Z=17,α=0,即有

fc=1.117fe，fni=9.945fe。

(3)

1.2 保持架接觸面傾斜對(duì)振動(dòng)的影響

滾針直徑小更易于發(fā)生偏斜運(yùn)動(dòng)，但由于受內(nèi)、外滾道的約束，滾針的傾斜有限。在非承載區(qū)時(shí)，由于接觸間隙的存在滾針的傾斜對(duì)滾道的作用力比較小；當(dāng)進(jìn)入承載區(qū)后，徑向力、軸向力還有回復(fù)力矩作用在滾針上，滾道對(duì)滾針的約束作用力使得滾針回復(fù)到與軸線平行的正常運(yùn)行姿態(tài)。

據(jù)文獻(xiàn)[1]介紹，在滾針進(jìn)入承載區(qū)的過(guò)程中，滾針后端與外滾道接觸將產(chǎn)生輕微的摩擦。根據(jù)力矩平衡原理，摩擦力的作用使?jié)L針向著減小歪斜的方向轉(zhuǎn)動(dòng)(圖1)。由于滾針前端受內(nèi)、外滾道的作用，滾針以該接觸點(diǎn)為回轉(zhuǎn)中心，在后端回復(fù)力的作用下，使?jié)L針在脫離保持架的推力作用后向減小歪斜方向轉(zhuǎn)動(dòng)。由圖可得回復(fù)扭轉(zhuǎn)力矩Mnf及其最大值Mnfmax分別為

圖1 滾針進(jìn)入承載區(qū)的回復(fù)受力分析

Mnf(t)=μKμQψeb(t)l(t)，

(4)

Mnfmax=Febrn=μKμQψeblw，

(5)

式中：Feb為外圈對(duì)滾針后端的摩擦力；rn為從滾針中心到內(nèi)、外圈接觸面上點(diǎn)的半徑；Kμ為接觸變形系數(shù)；Qψ為承載區(qū)內(nèi)滾針承受的徑向載荷；lw為滾針長(zhǎng)度;μ為滑動(dòng)摩擦因數(shù)；l(t)為滾針的接觸回復(fù)扭轉(zhuǎn)半徑隨時(shí)間變化的函數(shù)。

由于滾針進(jìn)入承載區(qū)時(shí)的回轉(zhuǎn)半徑最大，使回復(fù)扭轉(zhuǎn)力矩為最大，其中l(wèi)(t)隨滾針進(jìn)入承載區(qū)的過(guò)程持續(xù)減小，直至到零，滾針在回復(fù)力矩的作用下回復(fù)到平行于軸線的位置。

滾針進(jìn)入承載區(qū)的過(guò)程中，由于偏斜將發(fā)生歸正運(yùn)動(dòng)。在歸正過(guò)程中，滾針進(jìn)入承載區(qū)的頭部與保持架發(fā)生接觸，當(dāng)滾針歸正時(shí)，滾針與保持架發(fā)生碰撞，該碰撞力的大小與滾針的受力相關(guān)，也與其速度有關(guān)[2-3]。

當(dāng)滾針離開(kāi)承載區(qū)后，由于不存在推動(dòng)保持架的驅(qū)動(dòng)作用，滾針的運(yùn)動(dòng)因摩擦力的作用將減速，滾針與保持架將再次發(fā)生碰撞，也就是說(shuō)在進(jìn)出承載區(qū)的過(guò)程中保持架與滾針前后發(fā)生的兩次碰撞，引起軸承的振動(dòng)與噪聲[4-5]。

軸承噪聲是指滾動(dòng)體相對(duì)于接觸面回轉(zhuǎn)或滑動(dòng)、摩擦及撞擊時(shí)產(chǎn)生的噪聲，主要發(fā)生在滾動(dòng)體進(jìn)入和退出承載區(qū)的時(shí)刻。由于存在較大的徑向游隙且檢測(cè)時(shí)滾針軸承只承受徑向載荷,故在此狀態(tài)下滾針的運(yùn)動(dòng)最容易產(chǎn)生滾動(dòng)噪聲，而噪聲是用來(lái)判斷軸承性能好壞的一個(gè)重要參數(shù)[6-7]。

1.3 滾針卡死對(duì)振動(dòng)的影響

滾針正常的受力如圖2所示。滾針進(jìn)入承載區(qū)時(shí)，受保持架的推動(dòng)作用，當(dāng)進(jìn)入承載區(qū)后，其相對(duì)于保持架成為受力主體，并與保持架的前接觸面接觸推動(dòng)保持架運(yùn)動(dòng)，并在此過(guò)程中與保持架發(fā)生碰撞。

圖2 滾針進(jìn)入承載區(qū)時(shí)的受力情況

卡死滾針的受力狀態(tài)如圖3所示。由于滾針被卡死，其與內(nèi)、外滾道之間沒(méi)有滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)，接觸面之間均為滑動(dòng)摩擦。因保持架受到滑動(dòng)摩擦力的作用，其回轉(zhuǎn)速度受到極大影響，大大低于正常狀態(tài)下的速度，進(jìn)而導(dǎo)致滾針與保持架發(fā)生撞擊，產(chǎn)生較大的振動(dòng)與噪聲。

圖3 卡死滾針進(jìn)入承載區(qū)的受力情況

1.4 兜孔間隙過(guò)大的影響

當(dāng)保持架兜孔間隙較大時(shí)，由于受滾針與保持架之間的間隙影響，碰撞作用明顯，其振幅遠(yuǎn)大于兜孔間隙較小的保持架。

2 檢測(cè)方法

為了探討滾針卡死或傾斜對(duì)軸承振動(dòng)與噪聲的影響，按照慣例人為制造了2種不同的故障形式：一是將其中1個(gè)滾針用502膠固定;二是在保持架與滾針的接觸面上粘貼一個(gè)薄銅片，使?jié)L針與保持架之間產(chǎn)生一定的傾斜，以檢測(cè)指定轉(zhuǎn)速條件下滾針軸承的振動(dòng)與噪聲性能。

滾針軸承自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。由推入機(jī)構(gòu)將滾針軸承以及慣性輪推入到圖4所示的位置，其中檢測(cè)支架固定在工作臺(tái)上，檢測(cè)心軸為直徑30 mm的光軸，其在檢測(cè)時(shí)作為滾針軸承的內(nèi)圈，左端與檢測(cè)支架固定(不能轉(zhuǎn)動(dòng))；慣性輪為Φ38 mm×Φ62 mm×22 mm的鋼質(zhì)套，其在檢測(cè)時(shí)作為軸承外圈轉(zhuǎn)動(dòng)，測(cè)得的慣性輪的軸向竄動(dòng)量即為滾針軸承的軸向竄動(dòng)量。

圖4 滾針軸承自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)圖

被測(cè)對(duì)象為摩托車C125發(fā)動(dòng)機(jī)用K30×38×17型滾針軸承(測(cè)試時(shí)加少量潤(rùn)滑油)。檢測(cè)時(shí)由接近氣缸將驅(qū)動(dòng)輪移動(dòng)臺(tái)向前推動(dòng)，使驅(qū)動(dòng)輪與慣性輪接觸；由驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)慣性輪轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)達(dá)到設(shè)定的轉(zhuǎn)速后驅(qū)動(dòng)輪與慣性輪脫離接觸，檢測(cè)系統(tǒng)僅有慣性輪的自由慣性轉(zhuǎn)動(dòng)；滾針軸承處于內(nèi)圈固定、外圈轉(zhuǎn)動(dòng)的工作狀態(tài)(除慣性輪的重力外沒(méi)有徑向力作用)，慣性輪可沿心軸軸向自由竄動(dòng)，此時(shí)系統(tǒng)不得有其他的運(yùn)動(dòng)激勵(lì)，以免影響測(cè)試結(jié)果。測(cè)試系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)、同步數(shù)據(jù)采集卡PCI4472、加速度傳感器LC0102T、噪聲傳感器、光電轉(zhuǎn)速傳感器、光電軸向竄動(dòng)傳感器等組成，數(shù)據(jù)分析采用LabVIEW應(yīng)用軟件，以振動(dòng)量、噪聲以及竄動(dòng)量的大小為軸承質(zhì)量好壞的判斷依據(jù)。檢測(cè)系統(tǒng)整體安裝在大理石平臺(tái)上，以減少各構(gòu)件之間的振動(dòng)。

3 測(cè)試分析

3.1 完好狀態(tài)下的振動(dòng)測(cè)試

圖5和圖6所示為完好狀態(tài)下滾針軸承外圈轉(zhuǎn)動(dòng)2圈時(shí)的振動(dòng)加速度與噪聲級(jí)。根據(jù)(3)式可得外圈轉(zhuǎn)動(dòng)1圈，保持架轉(zhuǎn)動(dòng)1.117圈，滾針通過(guò)數(shù)為9.945個(gè)；在外圈轉(zhuǎn)動(dòng)2圈下滾針的通過(guò)數(shù)為19.89個(gè)。圖5和圖6中滾針的通過(guò)振動(dòng)脈沖數(shù)為14～17個(gè)，可見(jiàn)在滾針的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中存在較大的滑動(dòng)，這與滾針的實(shí)際運(yùn)動(dòng)有一定的誤差，可以理解為因軸承游隙過(guò)大，接觸區(qū)滾針較少并引起過(guò)大的滑動(dòng)所致。

圖5 完好狀態(tài)下軸承的振動(dòng)加速度信號(hào)

圖6 完好狀態(tài)下軸承的噪聲信號(hào)

3.2 保持架偏斜下的測(cè)試分析

假設(shè)保持架傾斜，且內(nèi)、外圈之間存在間隙，那么滾針在進(jìn)入承載區(qū)前將處于偏斜狀態(tài)。由于承載區(qū)的糾偏作用，滾針在進(jìn)入滾道后必然產(chǎn)生歸正碰撞，對(duì)比圖5和圖7可見(jiàn)，滾針偏斜狀態(tài)的振動(dòng)加速度信號(hào)并沒(méi)有明顯大于正常接觸的情況。但因假設(shè)的完好狀態(tài)并非沒(méi)有缺陷，故兩者的振動(dòng)加速度信號(hào)沒(méi)有明顯的區(qū)別，相同轉(zhuǎn)速下其振動(dòng)峰值大10%以上。對(duì)比圖6和圖8可知，滾針偏斜狀態(tài)的噪聲明顯大于正常接觸狀態(tài)的噪聲，根據(jù)噪聲的圖形曲線可以明確地辨別滾針的沖擊狀態(tài)，可見(jiàn)用噪聲來(lái)辨別偏斜狀態(tài)下發(fā)生的沖擊是可行的。

圖7 保持架面傾斜的振動(dòng)加速度信號(hào)

圖8 保持架面傾斜的噪聲信號(hào)

由圖7可見(jiàn)，隨著轉(zhuǎn)速?gòu)?8 r/min減小至39r/min，滾針的通過(guò)沖擊由13個(gè)增加為16.5個(gè)，可見(jiàn)隨著轉(zhuǎn)速的下降，滾針與滾道間的相對(duì)滑動(dòng)減小，由于滾針偏斜在歸正中的沖擊力有限，因而，利用振動(dòng)加速度信號(hào)對(duì)滾針偏斜進(jìn)行判斷有一定的困難。

3.3 一針卡死下的測(cè)試分析

由圖9和圖10可見(jiàn)，滾針卡死時(shí)振動(dòng)沖擊明顯。在外圈運(yùn)行2圈的過(guò)程中，卡死滾針必有一次通過(guò)承載區(qū)，其通過(guò)承載區(qū)時(shí)振動(dòng)以及噪聲均比較明顯。高速時(shí)其他干擾相對(duì)較多，但轉(zhuǎn)速減至35 r/min時(shí)，其振動(dòng)沖擊明顯。另外由于滾針卡死使得摩擦力增大，在同樣的初始轉(zhuǎn)速下，外圈轉(zhuǎn)速迅速降低。

圖9 一針卡死時(shí)的振動(dòng)加速度信號(hào)

圖10 一針卡死時(shí)的噪聲信號(hào)

綜上所述，軸承振動(dòng)加速度和噪聲與軸承振動(dòng)的大小有密切的關(guān)系，使用這2個(gè)參數(shù)可以對(duì)滾針軸承的振動(dòng)和噪聲水平進(jìn)行定性和一定程度的定量評(píng)估和分檔，由于這2個(gè)參數(shù)之間關(guān)系的同步性并不明顯，因而使用振動(dòng)加速度級(jí)峰值與噪聲級(jí)來(lái)綜合判斷軸承的振動(dòng)和噪聲比較合理。

4 結(jié)論

(1)因保持架與滾針之間存在間隙，滾針在進(jìn)出承載區(qū)時(shí)均與保持架碰撞，其碰撞的頻率保持穩(wěn)定，碰撞加速度相對(duì)均勻，沒(méi)有明顯的碰撞噪聲。

(2)當(dāng)滾針因保持架的加工質(zhì)量設(shè)定為偏斜時(shí)，其進(jìn)入承載區(qū)后將發(fā)生歸正碰撞，引起振動(dòng)或噪聲。滾針歸正碰撞在實(shí)際測(cè)試中難以辨別，說(shuō)明保持架接觸面偏斜對(duì)滾針的振動(dòng)加速度影響有限，而接觸面傾斜導(dǎo)致的噪聲比較明顯，故以噪聲來(lái)辨別偏斜狀態(tài)下發(fā)生的沖擊是可行的。

(3)當(dāng)有個(gè)別滾針卡死時(shí)，碰撞的振動(dòng)加速度明顯增大，同時(shí)噪聲變化明顯；如果有2個(gè)滾針卡死，慣性輪將難以轉(zhuǎn)動(dòng)。