激光掃描技術測量微型軸承保持架擺振

劉品，黃迪山，傅慧燕，莫遠珍

(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)

1 概述

保持架振動是衡量軸承保持架運動穩定性的參數之一[1]，其大小直接影響軸承整體的振動與噪聲水平。保持架擺振是保持架振動的一種，指保持架徑向A，B兩點繞y軸擺動或C，D兩點繞x軸擺動(圖1)。為了測量保持架擺振，首先用傳感器拾取保持架直徑兩端點的軸向振動位移zA，zB或zC，zD，然后采用信號處理方法分離出擺振信號。但在檢測微型軸承的振動時，若用激光進行點位移測量，需要2個激光傳感器，體積相對較大，不可能同時安裝在軸承上方進行檢測。而采用激光掃描測量可以解決上述問題，一個激光傳感器就可以掃描到保持架直徑方向兩端z軸方向的振動，從采集到的位移信號提取軸承保持架的擺振。

圖1 實體保持架示意圖

2 測量儀器

選用KEYENCE的2D激光位移傳感器(LJ-G030)拾取保持架軸向位移。該傳感器精度為±0.1%F.S,在x，z軸方向的分辨率分別為5 μm，1 μm, 激光掃描點尺寸為45 μm×25 mm, 并可提供單點測量值的數字輸出。如圖2所示，傳感器在z軸方向距測點40 mm時，激光在長軸的光斑長為25 mm，大于保持架的直徑寬度23 mm，激光掃描范圍覆蓋保持架徑向兩端。

圖2 激光掃描器LJ-G030的光束特性

在同一直線上，通過激光掃描，一次可采集保持架、內圈的高度位置共800個點的信息；激光掃描具有單點測量值的輸出特性，只讀取和存儲保持架上的光點值，檢測保持架直徑兩端在z軸的振動位移。

3 測量方法

微型軸承擺振測量裝置如圖3所示，由試驗臺、激光檢測及計算機控制系統組成，試驗臺轉速可控。測量軸承型號為7002/P4 (參數d=15 mm，D=32 mm，Dw=4.763 mm，Z=11)安裝在YZC-Ⅱ軸承測試儀上，內圈固定，外圈旋轉，軸向加載1 N，驅動轉速為600 r/min。調整激光傳感器的位置，使激光光斑能同時掃描到保持架徑向的兩端，設掃描采樣頻率為60 Hz，同時拾取保持架兩端軸向振動位移，并保存采樣數據。

(a)測量示意圖 (b)測量裝置圖片

4 信號數據處理

當驅動轉速為600 r/min時，保持架兩測點A，B的振動位移時間歷程如圖4所示。觀測其信號可以發現，當直徑方向兩點在軸向振動一端為最大值時另一端為最小值，故保持架在作擺動振動。對振動位移數據進行8次滑動平均譜分析，得到如圖5所示的譜圖。 根據軸承幾何基本尺寸和轉速計算得到其外圈轉速頻率fe=10 Hz、保持架特征頻率fc=6 Hz。結合頻譜圖可知，保持架振動位移的主要成分為特征頻率。

圖4 保持架直徑方向A，B兩測點軸向振動位移信號

圖5 保持架上兩測點A，B信號頻譜

從檢測到的保持架徑向上兩端點的振動，可得到保持架質心軸向振動信號zC

zC=(zA+zB)/2,

(1)

保持架繞y軸擺振信號wy

wy=180×60(zA-zB)/Dcpπ，

(2)

式中：wy為擺振，(′)；zA，zB為A，B兩測點的振動信號；Dcp為保持架的兜孔中心直徑(23 mm)。

同理, 保持架繞x軸擺振信號wx

wx=180×60(zC-zD)/Dcpπ，

(3)

式中：zC，zD為C，D兩測點的振動信號。

根據(1)和(2)式，分離實測信號得到如圖6a所示的軸承保持架質心軸向振動位移的2 s時間歷程；圖6b為軸承保持架擺振時間歷程。圖7則是對應的振動頻譜。

圖6 保持架質心軸向振動和擺動的2 s時間歷程

圖7 保持架質心軸向振動和擺振頻譜

5 擺振的特點

由于微型軸承保持架受碰撞、流體潤滑的隨機作用及軸承溝道幾何形狀誤差的影響，保持架的擺振軸隨時間漂移。當擺動軸與觀測點zA，zB的連線垂直時，觀測到的擺振為最大；當擺動軸與觀測點zA，zB的連線重合時，觀測到的擺振的幅值為零。因此，測到的擺振振幅時大時小，呈現葫蘆狀。如圖8所示，在實測中，當觀測時間較長時，擺振時間歷程呈明顯葫蘆狀。在信號提取過程中，為了消除高頻成分對擺振觀測的干擾，采用濾波處理。圖中所示信號是以6 Hz為中心頻率，2 Hz為邊帶寬的對擺振信號約7 s時間歷程的濾波結果。

圖8 保持架擺振的7 s時間歷程

試驗結果表明：保持架擺振時間歷程觀測與測點位置有關，但是，擺振的最大振幅和頻率在不同點觀測結果是類同的；雖然擺振呈現葫蘆狀，但保持架擺振的頻率成分相對比較單一。然而，對保持架的擺振軸隨時間漂移問題，目前尚無規律可循，這一現象有待于進一步觀測和研究。

6 結束語

激光掃描技術能有效地檢測微型軸承實體保持架的軸向運動，從保持架直徑兩端測得的位移信號中分離出保持架擺動和軸向振動。保持架擺振是衡量保持架運動穩定性的參數之一，其存在會引起保持架的錐運動[1]，因此，擺振的檢測研究對保持架動態特性的全面評價，以及對軸承加工質量的相關性研究有著現實的工程意義。由于所采用的激光掃描技術最小采樣間隔是3.8 ms，現有的技術水平限制了微型軸承保持架擺振的頻率測量范圍，目前這種技術僅適合于低轉速工況的測量。