滾動軸承三向振動測量技術的研究

黃迪山，王旭帥，李鵬，顧京君

（上海大學 機電工程與自動化學院，上海 200072）

國內現行的軸承振動測量標準［1-3］都是以單一方向振動，即徑向振動為基礎進行軸承振動評價。但是，軸承在運行時不但有徑向振動，同時還存在軸向振動，僅僅用單方向振動評定軸承振動狀態不夠全面。因此，研究和探索軸承三向（徑向Z、軸向Y、周向X）振動測量技術，全面地評價軸承振動十分必要。

1 振動測量系統

三向振動加速度傳感器的微型化和計算機技術的發展，為軸承的三向振動的精密測量提供了硬件和軟件的技術支撐。試驗采用的CA-YD-193T型三向振動加速度傳感器基于壓電陶瓷材料制作，質量為10 g，測量頻率范圍為2～10 000 Hz，X，Y，Z方向的靈敏度分別為 1.01，1.01，1.007 mV／（m·s2）。傳感器與磁性座結合，可以快速地測量軸承的三向振動加速度波形。

軸承的驅動和加載在BVT-8型軸承測振儀上完成（適用于10 mm≤d≤120 mm的軸承）。首先，依據軸承振動測量的行業規定，確定驅動轉速和軸向加載力；然后，利用微型磁性座，將CA-YD-193T安置在軸承外圈上；當軸承驅動并加載以后，振動加速度信號經YE6231型數據采集器進入計算機，通過計算機軟件對振動信號進行采集、濾波和計算，實現軸承外圈的徑向、軸向、周向振動加速度的單方向評價和綜合評價。三向振動加速度測量系統框圖如圖1所示。

圖1 軸承三向振動加速度測量系統Fig.1 Three-directional vibration acceleration measurement system for bearing

應用LabVIEW軟件編制圖形化程序，結合數據采集卡硬件信息設計多通道中斷采樣程序，實現對三向振動電壓信號的采集；然后根據傳感器靈敏度設置對應通道，對振動加速度信號進行標定；最后，對三向振動信號分別進行數字濾波，濾波范圍設為通頻帶50～10 000 Hz，符合軸承振動測試標準中的頻率范圍，并同時去除環境噪聲干擾。

對濾波后的軸承振動加速度信號分別進行有效值計算和分貝值可視化顯示，振動加速度信號處理流程如圖2所示。

圖2 振動信號處理流程圖Fig.2 Flow chart of vibration signal processing

2 三向振動加速度測量實例

以工業機器人關節精密RV減速器上的30202圓錐滾子軸承為例，由于軸承的振動特性將影響RV減速器的傳動精度，在軸承裝配前需進行振動檢測。30202圓錐滾子軸承振動試驗中［1］，驅動轉速為900 r／min，軸向加載力為110 N，軸承樣本數取16，分別進行了三向振動加速度測量、分貝值計算及可視化顯示，結果見表1。

表1 軸承三向振動加速度測量結果Tab.1 Three-directional vibration acceleration measurement result for bearing dB

由表可知，該軸承的軸向振動加速度平均值（47 dB）大于徑向振動平均值（45 dB），僅僅采用徑向振動值替代軸承振動值顯然并不合理。

3 主振動值

由于振動傳感器中陶瓷的正交構造，拾得的3個振動信號在空間上是相互正交的。將3個方向的軸承振動加速度aX，aY，aZ的有效值進行矢量疊加，則反映主振動方向上的有效值可表示為

主振動分貝值為

式中：a0為參考加速度，其值為9.81×10-3m／s2。軸承外圈主振動是運行中的軸承外圈測點上的實際振動（忽視附加質量效應），可視為軸承振動的真實狀態。

對于測試用的圓錐滾子軸承，根據（1）式和（2）式對表中數據進行計算可得：

1）軸向振動加速度值與徑向值相近時（第2組數據），軸承實際振動值比徑向振動值大約3 dB；

2）軸向振動加速度值明顯大于徑向值時（第1組數據），軸承實際振動值比徑向振動值大5 dB以上。

3）主振動方向上的平均加速度值為50 dB，比單一的徑向振動幅值大5 dB左右。

因此，僅采用徑向振動值替代軸承振動值并不合理，主振動能夠更加全面的反應軸承的振動狀態。另外，在一般情況下，深溝球軸承的軸向和周向振動較小，可忽略不計，將徑向振動視為軸承主振動。

4 結束語

應用三向振動加速度傳感器、結合計算機軟硬件技術，對軸承進行三向振動加速度測量，技術上是可行的。應用軸承外圈主振動分貝數概念，對圓錐滾子軸承進行三向振動加速度計算有助于軸承振動加速度級的客觀評價。

基于軸承三向振動加速度測量技術，結合數字濾波與積分處理［4］，三向振動測量技術還可以擴展到軸承振動速度估計。