軸承保持架質心運動軌跡測量

劉 品，黃迪山，傅慧燕，莫遠珍，張 婕

(1.上海大學 機電工程與自動化學院，上海 200072；2.上海天安軸承有限公司，上海 200230)

在滾動軸承中，保持架與滾動體和套圈之間存在著摩擦、磨損和碰撞，產生的摩擦力和碰撞力對保持架的運動和穩定性有很大的影響，當保持架結構參數設計不合理、制造精度不高及運行狀況不良時，會造成保持架質心運動軌跡不穩定，所以測量保持架質心軌跡在分析軸承動態特性中顯得非常重要。

目前國外對軸承保持架動態特性已做了很多研究工作，主要關注的是保持架的運動與不穩定性問題。文獻[1]研究了角接觸球軸承的保持架質心運動軌跡，提出了角接觸球軸承渦動模型，并測量和識別了不同類型的保持架渦動，將其分為穩定和不穩定兩類。還有研究者用3個渦流式傳感器檢測角接觸球軸承保持架x，y，z方向的振動位移，測定各種運轉條件下(轉速、載荷、潤滑及間隙)的保持架渦動，把運動軌跡分為質心近似保持不動、質心為圓周運動及過渡狀態[2]。但采用渦流式傳感器檢測保持架質心運動軌跡有一定局限，由于兩個相互垂直的渦流傳感器體積相對較大，受微型軸承的幾何空間限制，不可能安裝在微型軸承上。而且渦流傳感器感應面積大，拾取的保持架側梁運動信號中將包含球體通過時的干擾，檢測到的信號品質不夠理想；另外渦流傳感器對非金屬保持架檢測不敏感，對保持架材料有限制。

因此，在微型角接觸球軸承外圈上垂直加工兩個槽，安裝兩個相互垂直且在同一徑向平面上的激光傳感器，由于激光光束斑點的數量級只有幾十微米，激光光束可透過兩槽進行測量，能克服渦流式傳感器體積大和材料敏感性的弱點。

1 試驗裝置

選擇微型軸承實體保持架為試驗對象，保持架材料為酚醛夾布，用激光進行質心位移測量。由于保持架的幾何位置比較特殊，處于軸承外圈和內圈之間，通過特殊方法加工軸承外圈，使激光光束導入并直接照到保持架上，測量保持架的徑向振動。應用中，采用電火花鉬絲切割技術在軸承外圈邊框上加工出4個互成90°，寬2.2 mm，深2 mm的槽，該槽深度不侵入溝道，槽的加工不影響軸承的工作狀態。激光光束透過槽可照到連續的保持架圓周邊框,激光斑點在保持架位置示意圖如圖1a所示，保持架渦動在激光測量方向投影為振動位移。保持架質心軌跡測量原理圖如圖1b所示。

圖1 保持架質心運動軌跡激光測量原理圖

試驗裝置由安德魯軸承試驗臺、激光傳感器、計算機控制系統組成。試驗軸承型號為7002，外徑為32 mm,內徑為15 mm，球徑為4.763 mm，球數Z=11。軸承安置在試驗臺的驅動軸上，軸向加載22.23 N。外圈固定，驅動內圈，試驗在轉速為1 800 r/min下進行。采用兩個光束斑點只有20 μm,分辨率為0.05 μm高精度的KYENCE非接觸激光傳感器(LK-G30)垂直拾取軸承保持架徑向振動位移。

在檢測時，為了克服保持架表面油膜的存在所產生的隨機干擾以及表面粗糙度對激光檢測信號的影響，選擇激光濾波器為低通濾波，截止頻率設置為300 Hz,在采樣前進行初次濾波。設置信號的采樣頻率為10 kHz，采樣點數為65 536，對振動信號同時進行x，y方向采集。

2 振動位移

對采集到的數據按文獻[2]設計組合小波函數濾波器進行低通濾波處理，截止頻率fcut=50 Hz。組合小波函數設計濾波器的特點：(1)無相移濾波保證處理后的信號沒有附加的相移，保持原波形諧波的形狀；(2)濾波衰減分貝數高(大于40 dB以上)，確保處理后信號無噪聲干擾。

圖2是處理后兩個方向的振動位移信號，其中的直流分量與激光測量的初始距離有關。由分析得到：內圈轉速頻率n=30 Hz,保持架特征頻率fc=11.96 Hz,鋼球特征頻率fb=141.9 Hz,內溝道特征頻率fi=198.4 Hz,外溝道特征頻率fe=131.5 Hz。對于檢測到的保持架徑向平面x,y方向信號，經低通濾波處理后進行譜分析，得到分辨率為0.2 Hz的頻譜(圖3)，把圖中的頻率和上述各特征頻率對比，可知保持架特征頻率呈現1～4階的諧波，并且幅度較大。

圖2 保持架兩方向位移信號1 s時間歷程

圖3 保持架兩方向信號頻譜圖

3 質心運動軌跡圖

在保持架徑向平面上相差90°的位置上，采集x,y振動信號。設保持架質心運動軌跡為復矢量z,數據為50 000組，表示為：

z=x+jy。

根據該方法可以得到保持架質心運動軌跡。合成的質心運動軌跡如圖4所示，該軌跡呈現一個外“8”字形。根據質心運動軌跡特征以及旋轉體的基本物理現象分析，可以識別很多保持架的狀態信息。從旋轉機械故障機理分析得知[3],此軌跡形狀為保持架不對中與不平衡的綜合原因所致，表明保持架處于異常運行狀態下。

圖4 保持架質心軌跡圖

對兩個信號再次進行低通濾波[2]，頻率大于15 Hz的信號被濾掉，即只剩下保持架一階諧波頻率，濾波后時域信號見圖5，質心運動軌跡如圖6所示，此時的軌跡為一個橢圓。從單一諧波所組成的橢圓質心運動軌跡知，保持架在空間位置呈不平衡狀態。

圖5 經濾波處理后的兩方向信號1 s時間歷程

圖6 保持架質心運動軌跡圖(橢圓特征)

質心運動軌跡圖是在保持架同一截面的兩個相互垂直的方向上測得的一組振動位移信號，保持架單一諧波信號和多諧波信號組成的質心運動軌跡，都可以反映保持架運動狀態。考慮保持架的剛性渦動和彈性體振動的物理現象，對質心運動軌跡進一步信號處理，可識別與保持架幾何參數、制造質量對應的運動特征。因此，進一步對質心運動軌跡進行分析,優化設計參數，提高制造質量，從而提升軸承保持架質心軌跡的運動平穩性。

4 結束語

在不需對保持架做特殊設計并確保滾動軸承正常運行下，對軸承外圈挖槽，利用激光光束斑點的微小性，可檢測金屬或非金屬材料制微型軸承保持架的徑向振動位移，通過相應的信號處理得到保持架的質心運動軌跡圖。文中的檢測結果驗證了激光對微型軸承實體保持架質心運動軌跡進行精密測量的有效性。

如果更換高速驅動系統，可以觀測到保持架更多的質心運動狀態信息，如非穩定質心運動。考慮保持架的剛性渦動和彈性體振動的物理現象，對質心運動軌跡進行信號模式識別和全息技術分析，判別保持架運動特征。其可用于軸承保持架故障狀態診斷，同時為微型軸承保持架運動穩定性影響因素研究提供依據。