滾動(dòng)軸承三向振動(dòng)測(cè)量技術(shù)的研究

黃迪山，王旭帥，李鵬，顧京君

（上海大學(xué) 機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，上海 200072）

國內(nèi)現(xiàn)行的軸承振動(dòng)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)［1-3］都是以單一方向振動(dòng)，即徑向振動(dòng)為基礎(chǔ)進(jìn)行軸承振動(dòng)評(píng)價(jià)。但是，軸承在運(yùn)行時(shí)不但有徑向振動(dòng)，同時(shí)還存在軸向振動(dòng)，僅僅用單方向振動(dòng)評(píng)定軸承振動(dòng)狀態(tài)不夠全面。因此，研究和探索軸承三向（徑向Z、軸向Y、周向X）振動(dòng)測(cè)量技術(shù)，全面地評(píng)價(jià)軸承振動(dòng)十分必要。

1 振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)

三向振動(dòng)加速度傳感器的微型化和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，為軸承的三向振動(dòng)的精密測(cè)量提供了硬件和軟件的技術(shù)支撐。試驗(yàn)采用的CA-YD-193T型三向振動(dòng)加速度傳感器基于壓電陶瓷材料制作，質(zhì)量為10 g，測(cè)量頻率范圍為2～10 000 Hz，X，Y，Z方向的靈敏度分別為 1.01，1.01，1.007 mV／（m·s2）。傳感器與磁性座結(jié)合，可以快速地測(cè)量軸承的三向振動(dòng)加速度波形。

軸承的驅(qū)動(dòng)和加載在BVT-8型軸承測(cè)振儀上完成（適用于10 mm≤d≤120 mm的軸承）。首先，依據(jù)軸承振動(dòng)測(cè)量的行業(yè)規(guī)定，確定驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速和軸向加載力；然后，利用微型磁性座，將CA-YD-193T安置在軸承外圈上；當(dāng)軸承驅(qū)動(dòng)并加載以后，振動(dòng)加速度信號(hào)經(jīng)YE6231型數(shù)據(jù)采集器進(jìn)入計(jì)算機(jī)，通過計(jì)算機(jī)軟件對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采集、濾波和計(jì)算，實(shí)現(xiàn)軸承外圈的徑向、軸向、周向振動(dòng)加速度的單方向評(píng)價(jià)和綜合評(píng)價(jià)。三向振動(dòng)加速度測(cè)量系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 軸承三向振動(dòng)加速度測(cè)量系統(tǒng)Fig.1 Three-directional vibration acceleration measurement system for bearing

應(yīng)用LabVIEW軟件編制圖形化程序，結(jié)合數(shù)據(jù)采集卡硬件信息設(shè)計(jì)多通道中斷采樣程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)三向振動(dòng)電壓信號(hào)的采集；然后根據(jù)傳感器靈敏度設(shè)置對(duì)應(yīng)通道，對(duì)振動(dòng)加速度信號(hào)進(jìn)行標(biāo)定；最后，對(duì)三向振動(dòng)信號(hào)分別進(jìn)行數(shù)字濾波，濾波范圍設(shè)為通頻帶50～10 000 Hz，符合軸承振動(dòng)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)中的頻率范圍，并同時(shí)去除環(huán)境噪聲干擾。

對(duì)濾波后的軸承振動(dòng)加速度信號(hào)分別進(jìn)行有效值計(jì)算和分貝值可視化顯示，振動(dòng)加速度信號(hào)處理流程如圖2所示。

圖2 振動(dòng)信號(hào)處理流程圖Fig.2 Flow chart of vibration signal processing

2 三向振動(dòng)加速度測(cè)量實(shí)例

以工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)精密RV減速器上的30202圓錐滾子軸承為例，由于軸承的振動(dòng)特性將影響RV減速器的傳動(dòng)精度，在軸承裝配前需進(jìn)行振動(dòng)檢測(cè)。30202圓錐滾子軸承振動(dòng)試驗(yàn)中［1］，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速為900 r／min，軸向加載力為110 N，軸承樣本數(shù)取16，分別進(jìn)行了三向振動(dòng)加速度測(cè)量、分貝值計(jì)算及可視化顯示，結(jié)果見表1。

表1 軸承三向振動(dòng)加速度測(cè)量結(jié)果Tab.1 Three-directional vibration acceleration measurement result for bearing dB

由表可知，該軸承的軸向振動(dòng)加速度平均值（47 dB）大于徑向振動(dòng)平均值（45 dB），僅僅采用徑向振動(dòng)值替代軸承振動(dòng)值顯然并不合理。

3 主振動(dòng)值

由于振動(dòng)傳感器中陶瓷的正交構(gòu)造，拾得的3個(gè)振動(dòng)信號(hào)在空間上是相互正交的。將3個(gè)方向的軸承振動(dòng)加速度aX，aY，aZ的有效值進(jìn)行矢量疊加，則反映主振動(dòng)方向上的有效值可表示為

主振動(dòng)分貝值為

式中：a0為參考加速度，其值為9.81×10-3m／s2。軸承外圈主振動(dòng)是運(yùn)行中的軸承外圈測(cè)點(diǎn)上的實(shí)際振動(dòng)（忽視附加質(zhì)量效應(yīng)），可視為軸承振動(dòng)的真實(shí)狀態(tài)。

對(duì)于測(cè)試用的圓錐滾子軸承，根據(jù)（1）式和（2）式對(duì)表中數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算可得：

1）軸向振動(dòng)加速度值與徑向值相近時(shí)（第2組數(shù)據(jù)），軸承實(shí)際振動(dòng)值比徑向振動(dòng)值大約3 dB；

2）軸向振動(dòng)加速度值明顯大于徑向值時(shí)（第1組數(shù)據(jù)），軸承實(shí)際振動(dòng)值比徑向振動(dòng)值大5 dB以上。

3）主振動(dòng)方向上的平均加速度值為50 dB，比單一的徑向振動(dòng)幅值大5 dB左右。

因此，僅采用徑向振動(dòng)值替代軸承振動(dòng)值并不合理，主振動(dòng)能夠更加全面的反應(yīng)軸承的振動(dòng)狀態(tài)。另外，在一般情況下，深溝球軸承的軸向和周向振動(dòng)較小，可忽略不計(jì)，將徑向振動(dòng)視為軸承主振動(dòng)。

4 結(jié)束語

應(yīng)用三向振動(dòng)加速度傳感器、結(jié)合計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)，對(duì)軸承進(jìn)行三向振動(dòng)加速度測(cè)量，技術(shù)上是可行的。應(yīng)用軸承外圈主振動(dòng)分貝數(shù)概念，對(duì)圓錐滾子軸承進(jìn)行三向振動(dòng)加速度計(jì)算有助于軸承振動(dòng)加速度級(jí)的客觀評(píng)價(jià)。

基于軸承三向振動(dòng)加速度測(cè)量技術(shù)，結(jié)合數(shù)字濾波與積分處理［4］，三向振動(dòng)測(cè)量技術(shù)還可以擴(kuò)展到軸承振動(dòng)速度估計(jì)。