微型軸承振動測試技術的對比

肖琳，黃迪山

(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 201108)

1 軸承振動測試技術概況

低噪聲現已成為微型軸承的基本質量要求。隨著軸承產品質量的提高，軸承運轉的聲壓級越來越小，對噪聲測量設備的要求也越來越高。微型軸承的噪聲測量需要在消音室進行，不能滿足生產現場的批量檢測，而振動是產生噪聲的主要根源，因此一般通過振動測量間接評價軸承的振動噪聲水平。

軸承振動按評價單位可分為2類：振動加速度有效值或振動速度值(安德魯或μm/s)。最初，我國軸承振動測試技術研究重點以加速度為基礎，廠家一般配備S0910加速度型軸承振動測量儀。2009年我國首次發布了GB/T 24610.1—2009《滾動軸承振動測量方法》，等同采用新版國際標準ISO 15242-2：2004，選擇以速度作為表征軸承振動的物理量。美國的B1010安德魯儀是一款權威的、滿足國際標準的速度型振動測量儀，其以振動速度為評價手段，通過外部傳感器對振動信號進行采集、分析后也可以得到軸承振動加速度的有效值。

壓電式加速度傳感器又稱壓電加速度計，具有頻率特性好，頻帶較寬、自發電、精確度高、靈敏度好等特點，被認為是振動絕對測量的最佳傳感器。壓電加速度計利用壓電效應，在加速度計受振時，質量塊施加在壓電元件上的力也隨之變化，當被測振動頻率遠低于加速度計的固有頻率時，力的變化與被測加速度成正比，屬于慣性式傳感器，其原理如圖1所示。

圖1 壓電式加速度計結構

丹麥B&K公司現有最小的加速度傳感器與內徑1.5 mm的微型軸承如圖2所示，可見對于微型軸承，用壓電加速度計進行接觸式振動測試時傳感器安裝困難，測量中引入附加質量可能會改變測量對象的振動特性，測量數據不能準確反映軸承工況。因此需要一種分辨率高、非接觸式的測量技術來彌補接觸式測量的缺陷。

圖2 B&K最小的加速度傳感器和激光多普勒測振儀

激光多普勒測振是典型的非接觸測試技術。將激光束打在微型軸承上測量振動速度，經譜分析后得到相應的頻譜，作為信號分析、故障診斷的依據，通過微分處理可以估計加速度。

通常，壓電式加速度計或激光多普勒測振儀作為信號分析、故障診斷的手段存在于軸承行業的實驗室內，而S0910加速度型振動測量儀則廣泛應用于生產現場軸承成品的大批量檢驗。在此，通過測振試驗和數據處理，以振動加速度級為最終評價手段，將非接觸式激光多普勒測振、接觸式壓電加速度計與S0910加速度型振動測量儀進行對比，以驗證微型軸承不同場合、不同測試技術的區別和聯系。

2 接觸式與非接觸式振動測量的對比

在實驗室，分別采用B&K 4517壓電式加速度計與德國Ometron VQ-500-D-V型非接觸式激光多普勒測振儀在安德魯軸承振動檢測儀上對某微型軸承的同一點進行測試，并對比測量結果。

2.1 測試儀器

(1)B&K 4517微型集成電路式壓電加速度計(圖2)。特點：自身質量小，低阻抗輸出，蜂蠟粘貼安裝,頻響可達63.4 kHz，共振頻率80 kHz，低噪聲電纜，敏感元件為石英，線性度高，底座應變和溫度波動的影響小。

(2)B&K 3560型PULSE多分析系統(圖3)。頻率范圍0～25.6 kHz，A/D轉換精度24 bit。可與多種傳感器相連，用于FFT、包絡分析、模態分析等軸承聲振分析。配置激光單點振動測量單元后，可進行微振動的測量和分析。

圖3 B&K 3560型PULSE多分析系統

(3)Ometron VQ-500-D-V型激光多普勒測振儀(圖2)。具有無附加質量、遠程測量、動態測量、高低溫測量、拾取被測表面單點速度等特點。使用先進的非接觸動態干涉技術，用于精確測量物體的振動速度和頻率。頻率范圍0.5～22 kHz，A/D轉換精度24 bit，每個諧波頻率成分的分辨率小于0.02 μm/s，適用于有限空間處，可對微細結構進行振動測量。

(4)B&K 4291型加速度計校準儀。振動精度±2%，加速度10.0 m/s2，速度20.0 mm/s，位移40.0 μm，內部諧波振動發生器標準頻率為79.6 Hz。

(5)安德魯軸承振動測量儀，如圖4所示。以振動速度為評價手段，轉速1 800 r/min，在主軸回轉精度、基礎振動性能方面高于國內同類產品，采用分頻段多參數判別控制軸承的振動質量，還可顯示軸承的峰值個數和波峰因數，但是不能滿足國內在微型軸承大批量生產過程100%檢驗振動加速度級的要求。

圖4 安德魯軸承振動測量儀

2.2 測定方法

(1)試驗對象：6001-2Z/HV/P5型深溝球軸承，外徑28 mm，內徑12 mm，球徑4.763 mm，球數8。

(2)采用B&K 4291型加速度計校準儀分別對激光測振儀和B&K 4517型加速度計進行校準，軸承安置在安德魯試驗臺上，軸承外圈固定，內圈轉動(1 800 r/min), 軸向加載68.1 N[1]。

(3)試驗原理如圖5所示， B&K加速度計、激光測振儀的VELO OUT接口分別與B&K Pulse數據采集面板連接，2個傳感器同時對試驗軸承上的同一點進行測試，B&K Pulse 3560分析儀分別采集并分析振動信號，得到振動加速度級。

圖5 加速度測量原理示意圖

2.3 結果分析

2.3.1 頻域分貝值

從B&K 3560型PULSE分析系統得到的軸承振動頻域功率譜如圖6所示，對所有譜分量進行累加，除以9.81 mm/s2后計算得軸承振動分貝值為46.2 dB。

圖6 B&K壓電式加速度傳感器測量結果

激光測振儀測得的頻域功率譜(速度信號在頻域上進行微分) 如圖7所示。經過微分處理后得到的軸承振動分貝值同樣為46.2 dB。

圖7 激光測振儀測量結果(數值微分)

2.3.2 時域分貝值運算

軸承振動加速度分貝值定義為

L=20lg(a/a0)，

(1)

式中:a為有效值;參考值a0=9.81×10-3m/s2；振動測量數據點數N=30 000 。

在MATLAB環境下對時域信號測試數據(.uff文件)進行編程，實現數值微分處理，估計激光傳感器所測軸承的加速度分貝值。軸承振動信號的時域歷程如圖8所示,根據振動波形進行時域運算的結果見表1。

圖8 軸承振動信號時域歷程

表1 1#軸承在安德魯儀上的測量分貝值 dB

經數據對比可知，在同一測量環境、同一測點的情況下，速度型激光多普勒非接觸式測振儀與B&K壓電式加速度計測試結果基本一致。

3 加速度計與S0910的對比

在生產現場，用B&K 4517型加速度計和S0910軸承振動測量儀對某軸承的同一位置進行測試，并分析對比測試結果。

3.1 測試設備

(1)B&K 4517微型集成電路式壓電加速度計。

(2)B&K 3560型PULSE多分析系統。

(3)B&K 4291型加速度計校準儀。

(4)S0910加速度型軸承振動測量儀(圖9)。S0910采用模擬電路對軸承振動信號進行處理，分頻段顯示軸承振動加速度有效值，但沒有相應的振動信號分析功能。

(a)傳感器和推力器 (b)測量示意圖

3.2 測定方法

(1)試驗對象：2套6001-2Z/HV/P5深溝球軸承(正、反面測量)，外徑28 mm，內徑12 mm，球徑4.763 mm，球數8。

(2)調零并采用電壓校準法進行校準后，將軸承安裝在S0910型軸承振動測量儀上，軸承外圈固定，內圈轉動(1 500 r/min), 軸向加載40 N[2]。通過S0910軸承振動測量儀表讀出振動加速度分貝值。

(3)采用B&K 4291型加速度計校準儀對B&K加速度計進行校準后，將壓電式傳感器與B&K Pulse數據采集面板連接，對試驗軸承同一測點進行測試，B&K Pulse 3560分析儀采集并分析振動信號得到振動加速度分貝值。

3.3 結果與分析

在裝配車間對1#和2#軸承正、反面施加軸向載荷，由B&K傳感器測得的頻域功率譜如圖10、圖11所示。與S0910軸承振動測量儀的結果對比見表2。

圖10 1#軸承正、反面頻域功率譜

圖11 2#軸承正、反面頻域功率譜

由表2可知，在同一測量環境、同一測點的情況下，S0910振動測量儀測量結果比B&K壓電式加速度計測量結果小10 dB以上。這是由于S0910采用電動式傳感器，接觸力在一定程度上過大(尤其對于微型軸承),從而對軸承外圈的自由振動產生約束。而速度型非接觸式傳感器和B&K加速度型壓電式傳感器不會發生接觸力過大的情況，也不存在傳感器接觸頻響跟不上較高頻率振動而導致觸頭與軸承外圈脫離的現象。

表2 S0910振動測量儀測量結果 dB

軸承所受載荷的方向、大小和特性的變化均會改變鋼球間的載荷分布、鋼球與溝道間的接觸變形，從而改變軸承的振動狀態。理論上，向軸承外圈施加載荷的加載機構應使軸承外圈在所有方向(徑向、軸向、周向)的振動本質上處于自由振動狀態。新國標未規定傳感器的類型，而不同的測試方法會產生不同的數值，用戶和軸承制造商應根據測試目的和使用條件進行選擇。

比較表1和表2可知，在使用相同傳感器和分析儀的情況下，1#軸承由 S0910裝置驅動比安裝在安德魯儀上的振動分貝值要小。這主要是因為軸承在S0910上比在安德魯儀上的轉速低。當軸承運轉時才會產生振動，而且影響軸承振動的多種因素(如結構設計、表面質量、外載荷等)都隨軸承的轉動進行周期性變化，因此轉速是影響軸承振動狀態的重要因素。經理論分析和試驗數據表明，軸承振動速度與內圈的旋轉速度成正比。

4 結束語

激光非接觸式振動測試技術可以不受軸承尺寸的限制，彌補了接觸式測量的缺陷。經過信號采集器拾取并進行軟件分析或編程運算，得到的加速度級均能與主流接觸式壓電加速度計測量結果相符合。但由于轉速、載荷、精度等因素的區別，數值上與國內廣泛采用的S0910振動測試儀差距較大。

激光非接觸式振動測量時，軸承外圈本質上處于自由振動狀態，理論上更能表征軸承噪聲，測試條件也非常理想，但對于軸承現場故障診斷或產品質量評定，S0910振動測試儀更為合適。