滾動軸承振動測量物理量和測量條件的探討

楊曉蔚

(洛陽軸承研究所有限公司，河南 洛陽 471039)

滾動軸承的振動水平是其動態性能中最受關注的一個質量指標。在軸承振動測量中，選用何種測量物理量常常會引起爭論，對于測量條件中的轉速和載荷等的選擇，也常常存在較大差異。了解這些問題的背景信息，厘清本源，對于更加客觀、正確和深入地研究軸承振動是十分必要和重要的。

1 振動測量物理量

描述機械振動大小的物理量有位移、速度和加速度。一般而言，位移主要適用于低頻范圍；速度主要適用于中頻范圍；加速度主要適用于高頻范圍。由于3個物理量之間存在著微分或積分的關系，因此可以測量出其中任一物理量，然后通過數學微分或積分處理就可得到另外2個物理量，如加速度1次積分為速度，2次積分為位移。

測量物理量的選擇主要取決于研究對象的特性。在工程應用中，常用位移來研究結構的強度和變形(位移與應力、應變直接相關)、機器設備的運行穩定性(如旋轉機械的不平衡量)等；常用速度來反映振動系統的能量(如機械零件的疲勞進程與振動速度成正比，而振動能量與振動速度的平方成正比)和所輻射的噪聲(噪聲與速度大小有直接關系)等；常用加速度來描述機械受沖擊力的程度、振動對人的影響等，人體振動對加速度比較敏感，如當加速度值超過0.02g(重力加速度，下同)時，振動就會對人產生影響，超過0.032g時，人就會產生不適感[1]。

由于軸承為精密機械產品，又多在中、高速下運轉(機械中一般將低于100 r/min歸為低速運轉)，因此其振動一般多屬于低位移幅值的中、高頻振動，選擇的測量物理量主要是速度和加速度。

關于軸承振動測量物理量是選擇速度還是加速度的問題，曾存在比較激烈的爭論。實際上“非此即彼”的結論都是不正確的，應對其適用性作客觀研究。

對于速度，在等同采用國際標準的我國國家標準GB/T 24610.1—2009/ISO 15242-1∶2004《滾動軸承 振動測量方法 第1部分：基礎》中，給出了采用其作為軸承振動測量物理量的理由：軸承振動的“位移幅值一般會隨著頻率的增高而減小，在幾千赫茲時，能減小到納米級，這樣就使得某些位移測量系統在高頻范圍內很難給出可靠的測量結果；而另一方面，一個非常適合于高頻測量的加速度傳感器，卻需要極高的動態性能才能分辨出較低的頻譜，一個比較好的處理方法是采用速度傳感器，顯示的信號與速度成比例”。此段描述說明了位移和加速度在軸承振動測量中的局限性，而速度卻對包括低、高頻在內的全頻段都具有較好的兼容性。

對于速度，另外還有一個非常重要的理由就是與噪聲顯著相關，對軸承噪聲分析十分有利。因為測量和控制軸承振動的目的，主要是控制軸承噪聲。

但是，采用加速度也具有以下十分突出的優點：

(1)加速度計的系統誤差一般遠小于速度計和位移計，而且加速度可通過數學積分獲得較小誤差速度和位移參數，而位移微分則誤差很大；

(2)對于高頻振動，通常位移量很小，而加速度幅值卻很大，易于準確測量；

(3)對于機械結構而言，引起破壞的力與加速度的關系比與速度或位移的關系更為密切，即加速度特別適合于具有沖擊載荷的場合；

(4)加速度采用壓電式傳感器，具有動態范圍大、頻率范圍寬、可靠性高、尺寸較小和質量較輕的特點。

由于上述加速度的優點，故其在機械振動測量中應用最為廣泛。在軸承振動測量中，加速度對異常聲比較敏感；在軸承故障診斷中，加速度也多占主要地位；在電動機振動測量評定中，也由原主要考核速度增加為同時考核位移和加速度。

由于技術傳統的不同，歐洲、美國和日本的軸承振動測量基本上都采用速度，但也有采用加速度的，如德國國家標準DIN 5426-1∶1995《滾動軸承-滾動軸承運轉噪聲-第1部分：固體聲測量方法》中，就規定測量物理量是速度或加速度，還有一些著名軸承公司也采用加速度。前蘇聯(俄羅斯)和中國的軸承振動測量早期多采用加速度，后來也逐漸開始推廣采用速度。

2 振動測量轉速

2.1 測量轉速的確定

振動是動態性能，因此測量時應使軸承處于一定的運動狀態。根據軸承大小不同，測量軸承振動速度的轉速一般以1 800 r/min為基礎(1 800 r/min或900 r/min)，測量軸承振動加速度的轉速一般以1 500 r/min為基礎(1 500 r/min或1 000 r/min)。前者是由于美國和日本的工業供用交流電的頻率(工頻)為60 Hz，后者是由于前蘇聯(俄羅斯)以及我國沿用其技術系統的電力工頻為50 Hz，直接采用同步電動機作為振動測量的驅動電動機即可(60 Hz和50 Hz對應的2極對同步電動機的額定轉速即為1 800 r/min和1 500 r/min，采用2∶1和3∶2傳動比的皮帶輪即可得到900 r/min和1 000 r/min)。歐洲的電力工頻為50 Hz，但由于與美國技術系統趨于一體化的緣故，多采用速度來測量振動，因此轉速以1 800 r/min為基礎。

采用1 800 r/min或1 500 r/min為基礎的測量轉速，還與過去主要要求電動機軸承為低噪聲軸承有直接關系，因為此轉速與電動機的運轉條件一致，相當于模擬測量。

在實際應用中，測量轉速并非只能按照1 800 r/min或1 500 r/min為基礎來確定，而是可以根據軸承類型、大小和用途的不同等進行選定，如我國國家標準GB/T 24610.2～4—2009/ISO 15242-2～4∶2004中規定，向心球軸承的設定轉速為1 800 r/min，對于小尺寸段的軸承也可采用2 400～3 600 r/min之間的轉速；圓錐滾子軸承和調心滾子軸承設定轉速為900 r/min，對于小尺寸段的軸承也可采用1 200～1 800 r/min的轉速；圓柱滾子軸承，外徑D≤100 mm，設定轉速為1 800 r/min，外徑D>100～200 mm，設定轉速為900 r/min。

德國標準DIN 5426-1∶1995中規定，對于向心球軸承(主要是深溝球軸承)，內徑d=1～20 mm時轉速為3 000 r/min，d=8～50 mm時轉速為1 800 r/min(其中，對于d=8～20 mm，允許采用2種轉速)。

美國標準ANSI/ABMA Std.13-1987《滾動軸承 振動和噪聲(測量方法)》中規定，對于精密球軸承，轉速為1 800 r/min，對于精密儀器球軸承，轉速限定為300～3 600 r/min。

SKF對于深溝球軸承，當內徑d≤100 mm時采用1 800 r/min的轉速，當內徑d>100 mm時采用700 r/min的轉速。

GMN對于普通軸承采用3 000 r/min的轉速，對于小型精密軸承采用5 000 r/min的轉速。

大尺寸軸承采用低轉速，是為了防止滾動體與滾道接觸處打滑損傷，但此時應注意將測振儀的濾波器特性作相應調整。

2.2 測量轉速與對應的頻率范圍

測量轉速確定后，不同振動諧波分量所對應的頻率范圍也是確定的，如測量轉速為1 800 r/min時，對應的低、中、高3頻段如下：50～300 Hz為1.67～10次/轉的振動頻響范圍；300～1 800 Hz為10～60次/轉的振動頻響范圍；1 800～10 000 Hz為60～333次/轉的振動頻響范圍。

同理，1 500 r/min時，對應3頻段分別為2～12，12～72和72～400次/轉的振動頻響范圍。

由上可以看出，僅從軸承相關零件加工質量的圓度、波紋度和表面粗糙度簡單區分，低頻段振動主要由圓度(2～15波/周)影響；中頻段主要由低次波紋度(內滾道、滾動體15～150波/周，外滾道15～250波/周)影響；高頻段主要由高次波紋度和表面粗糙度影響。

當測量轉速改變時，諧波振動的頻響范圍顯然也隨之改變，如當測量轉速為5 000 r/min時，2次諧波(橢圓)就可激勵出166.6 Hz 的振動，5次諧波(5棱圓)所激勵的振動頻率為416.5 Hz。

以測量轉速1 800 r/min 或1 500 r/min為公稱轉速，采用其他測量轉速時濾波器特性的調整即頻率范圍的設定是按等比例原則。以測量振動速度規定的1 800 r/min和900 r/min為例，其頻率范圍設定見表1。

表1 頻率范圍設定

3 振動測量載荷

施加振動測量的載荷應足夠大，其目的主要有2個：一是防止滾動體相對于滾道打滑；二是不致引起過大接觸變形而影響測量結果。

我國國家標準GB/T 24610.1—2009/ISO 15242-1∶2004規定的對應于某一尺寸段的測量載荷的最小值與最大值的范圍為：向心球軸承(18～22)～(1 620～1 980)N；調心滾子軸承和圓錐滾子軸承(45～55)～(1 800～2 200)N；圓柱滾子軸承(135～165)～(720～880)N。

我國機械行業標準JB/T 5314—2002《滾動軸承 振動(加速度)測量方法》規定的測量載荷為：深溝球軸承20～225 N；角接觸球軸承60～440 N；圓錐滾子軸承49～88 N；圓柱滾子軸承150～600 N。

美國標準ANSI/ABMA Std.13-1987規定的測量載荷為22.2～444.8 N。

德國標準DIN 5426-1∶1995規定的測量載荷為10～220 N。

根據在軸承振動測量中的實踐看，載荷適度增大對測值沒有太大影響，因此可以取ISO標準給出的測量載荷。但是，必須對現有測振儀的加載機構特別是主軸剛度進行改造加強。

對于測量載荷的性質，以深溝球軸承為例，通常規定為軸向中心載荷，但有些國際著名軸承公司除采用軸向中心載荷外，還采用軸向力矩載荷進行測量。

4 結束語

由于軸承的特性，關于振動測量物理量的選擇，除了位移外，速度和加速度都是比較適用的。由于速度對低、中、高頻的兼顧性，尤其是與噪聲的相關性較好，而在大多數情況下，控制軸承振動的目的主要是控制軸承噪聲，因應優先采用速度。但是，加速度除了具有測量簡便可靠等突出優點外，還對軸承異常聲比較敏感，因此對加速度也不應簡單地予以排斥偏廢。

關于振動測量速度和載荷，應首先遵從標準規定，以保證測值之間具有可比性。但對于不同類型和尺寸，尤其是不同用途的軸承，還應盡量根據實際工況選擇測量條件，實現模擬測量。

軸承振動測量ISO標準的發布，對于在國際范圍內規范統一有關軸承振動測量中的許多問題具有十分重要的作用。我國軸承行業在貫徹執行等同采用ISO標準的國家標準的過程中，還應充分注重驗證分析工作，以使對軸承振動的基礎和應用研究更加深入。