振動檢測技術在軸承壽命考核中的應用

孫北奇，葛世東，買楠楠，于曉凱，張文濤

(洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039)

由于陀螺主軸承的性能直接影響到位標器的靈敏度和導引性能，而且軸承工況極為惡劣，使用壽命很短，所以主機壽命均以陀螺主軸承的壽命為依據。目前使用的陀螺主軸承是由9Cr18不銹鋼材料制成的微型薄壁軸承，軸承內、外圈溝道與內、外配合表面的最薄壁厚一般在0.3 mm左右,且軸承不能添加任何外加供油裝置。軸承高速工作在強磁場環境中，由于套圈變形、渦流、潤滑不良等因素，在使用過程中經常出現軸承卡死的現象，很難滿足新型位標器陀螺主軸承的精度和壽命要求。

1 試驗

1.1 試驗目的

振動檢測技術通過安裝在試驗裝置上的振動傳感器監測軸承振動信號，并對信號進行分析與處理來判斷軸承工況與故障。在運轉過程中，由于軸承內部和表面狀態出現早期微小故障，都會在其振動頻譜中反應出來，且信號測試處理簡單直觀，診斷結果可靠，故軸承振動在線檢測技術已成為軸承試驗技術中的主要的分析監測手段。其優點在于軸承一旦出現問題，可以在最短的時間內發現，并根據試驗情況做出相應處置。在所有試驗參數不變的情況下，加快試驗循環可以縮短試驗周期[1]。

用戶要求研制的66/9TN3/HVP4(以下簡寫66/9)和F66/9TN3/HVP4(以下簡寫F66/9)軸承按照高、低溫條件跑合150 h后，軸承本身不能出現異常磨損及振動過大。試驗的主要目的是應用振動在線檢測技術對66/9和F66/9軸承進行試驗，以檢驗軸承跑合150 h后能否滿足用戶的使用要求。

1.2 試驗設備及裝置

軸承在試驗裝置中的安裝結構如圖1所示，模擬了軸承實際使用過程中的安裝方式，2套軸承由加載鎖緊環鎖緊后，通過內圈接觸產生預緊力。外卡套端面上設有2個小孔，以方便試驗臺對外組件定位并防止轉動。

1—66/9軸承 ；2 —F66/9軸承；3 —旋轉軸；4—內卡套；5—外卡套；6—加載鎖緊環

1.3 試驗準備

(1)校準空氣主軸的轉速。在變頻電源輸出為100 Hz，電壓為30 V時，使主軸轉速穩定在6 000 r/min，并固定電源輸出電壓和頻率;(2)將66/9和F66/9軸承用汽油和石油醚清洗后，注入高低溫儀表油，然后測量并記錄軸承的摩擦力矩和旋轉精度;(3)軸承重新清洗后，進行真空浸油，并利用離心機甩去浮油;(4)將軸承成對裝入清洗干凈的試驗裝置中;(5)調整好軸向定位和徑向測振頭后，將試驗裝置放入高低溫試驗箱進行試驗。

試驗采用自制的精密空氣靜壓主軸(轉速0～90 000 r/min)，主軸和轉軸連接驅動軸承內圈旋轉。采用該主軸主要是因為其摩擦力矩和基礎振動在常溫下比較穩定，對軸承振動和摩擦力矩的影響基本恒定，更容易通過檢測軸承系統的振動和停慣時間確定軸承的動態性能，以便及時做出相應的處理。

預載荷的大小對成對安裝角接觸球軸承的性能有著極為重要的影響，預載荷過大，雖然可以獲得較高的軸向剛度及抗卸載能力，但使軸承摩擦力矩增大；預載荷過小，情況則相反[2]。綜合考慮，利用軸向加載彈簧對軸承施加5 N的軸向載荷。徑向拾振頭中設有徑向加載彈簧，采集的振動信號利用S901G智能軸承振動分析儀及分析軟件進行處理。采用高低溫試驗箱控制軸承的溫度，溫控箱可以實現-60～150 ℃的精確控溫。試驗裝置的框架如圖2所示。

圖2 試驗裝置框架示意圖

1.4 試驗過程

采用S901G智能軸承振動分析儀及分析軟件，獲取軸承振動信號得到振動標準值及振動峰值。通過分析軸承振動標準值及振動峰值的變化來反映軸承跑合150 h后的振動及磨損情況。試驗軸承(內圈旋轉)轉速為6 000 r/min，室溫下進行40個循環試驗，每次運轉3 h，合計運轉120 h；常溫試驗完成后，繼續在+65 ℃環境下進行5個循環的高溫試驗，每次運轉3 h，合計運轉15 h；最后在-60 ℃環境下進行5個循環的低溫試驗，每次運轉3 h，合計運轉15 h；總試驗時間為150 h。

隨機選擇2對共4套軸承進行試驗，試驗前后軸承的徑向游隙和精度和摩擦力矩的測試結果見表1。為了評價軸承運轉150 h后零件的磨損情況，測量了軸承的跳動值。動態力矩的測試條件為：軸向載荷10 N，轉速10 r/min。軸承徑向游隙的測量載荷為10 N。

表1 試驗前、后軸承的精度及摩擦力矩測試結果

2 結果分析

2.1 振動標準值

振動標準值是振動的加權均方根值，主要反映軸承的總體振動水平是否穩定，且振動標準值對瞬時振動信號的變化不敏感，其值一般隨著軸承內部磨損的增大而增大，可接受水平主要取決于載荷變化和軸承轉速[3]，所以一般用來衡量軸承內、外圈及鋼球的磨損情況。

試驗軸承振動標準值的變化情況如圖3所示。2#軸承對的振動標準值基本保持平穩變化，甚至還有下降的趨勢。說明2#軸承對在150 h試驗中運轉正常。14#軸承對振動標準值隨試驗的進行出現了比較明顯的上升趨勢，說明軸承的磨損隨運轉時間的增加而增加，但經過150 h試驗后，其振動標準值仍在可接受的范圍。從軸承振動標準值的變化情況來看，14#與2#軸承對雖有差異，但不明顯。試驗情況基本正常。同時，徑向游隙的變化也能間接反映出軸承的磨損情況，從測試結果看，軸承徑向游隙變化最大為2 μm，也是比較正常的。試驗150 h后分解檢查，軸承沒有出現異常磨損的情況。

圖3 軸承振動標準值變化趨勢

2.2 振動峰值

振動峰值主要記錄軸承運轉情況下的最大振動水平，該指標主要反映軸承運轉過程中是否出現異常損壞或表面剝落現象。

如圖4所示,2#軸承對在整個試驗過程中的振動峰值基本保持在一個比較穩定的數值水平，而14#軸承對振動峰值則出現了一些變化，有顯著增大趨勢。

2.3 振動分析

軸承振動的峰值因子是軸承峰值水平與軸承標準值的比值，主要反應峰值水平是否異常或出現瞬時共振情況，能有效地檢查出軸承的表面磨損和損傷。該指標可判別軸承振動峰值的水平和變化情況，其可接受水平主要取決于載荷和轉速。一般認為，軸承振動峰值因子低于7均屬于正常情況，超過10為危險狀態。當軸承有較大損傷時，振動峰值因子會超過10，有時達到幾十[4]。如圖5所示，2#軸承對振動峰值變化平穩，沒有出現瞬時共振情況；14#軸承對振動峰值波動較大，存在瞬時共振的情況。

圖4 振動峰值變化趨勢

振動標準值是對時間的平均，因此對于具有表面皺裂的無規則振動，其測值變動小，與軸承惡化程度有較好的相關性，可以對軸承作出恰當的評價。但其對于表面剝落或損傷等具有脈沖振動波形的異常是不合適的，因沖擊波峰的振幅大，持續時間短，振動標準值幾乎沒有差異。此時用峰值判別法較適合，但也存在對滾動體沖擊保持架、灰塵等原因引起的瞬時振動及突發的外部干擾比較敏感的缺點[4]。

14#軸承對振動標準值沒有出現異常波動，但其振動峰值出現了鋸齒形微小波動(圖5b)，這說明軸承已經開始出現輕微的磨損。

圖5 峰值因子變化趨勢

2.4 分解檢查

14#軸承對運轉情況較差，故試驗后對66/9軸承進行分解檢查，照片如圖6所示。從軸承分解情況可以看出，軸承保持架兜孔和陶瓷球接觸的部位有輕微的磨損，內、外圈溝道表面有1個暗灰色的跑合帶，比較均勻且沒有出現表面疲勞現象，球體外觀基本正常。

圖6 14#軸承對試驗后分解圖示

3 結束語

分析了2組軸承的振動標準值和振動峰值的變化情況，結果表明，振動在線檢測技術在薄壁陶瓷球軸承壽命試驗分析中具有一定的實用性與可靠性。

振動標準值對軸承的磨損分析不太敏感，振動峰值能更加清晰地反映軸承的磨損趨勢。分解檢查發現14#軸承對的保持架有一定的磨損。試驗測試結果表明薄壁軸承保持架的加工有一定的離散性，防止其離散性過大是今后保持架加工應重點關注的問題。