滾動軸承三向振動測量技術(shù)的研究

黃迪山，王旭帥，李鵬，顧京君

（上海大學(xué) 機(jī)電工程與自動化學(xué)院，上海 200072）

國內(nèi)現(xiàn)行的軸承振動測量標(biāo)準(zhǔn)［1-3］都是以單一方向振動，即徑向振動為基礎(chǔ)進(jìn)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(tài)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(shù)，全面地評價軸承振動十分必要。

1 振動測量系統(tǒng)

三向振動加速度傳感器的微型化和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)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(shù)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(zhì)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(jié)合，可以快速地測量軸承的三向振動加速度波形。

軸承的驅(qū)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(jù)軸承振動測量的行業(yè)規(guī)定，確定驅(qū)動轉(zhuǎn)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(dāng)軸承驅(qū)動并加載以后，振動加速度信號經(jīng)YE6231型數(shù)據(jù)采集器進(jìn)入計算機(jī)，通過計算機(jī)軟件對振動信號進(jìn)行采集、濾波和計算，實現(xiàn)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(tǒng)框圖如圖1所示。

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

應(yīng)用LabVIEW軟件編制圖形化程序，結(jié)合數(shù)據(jù)采集卡硬件信息設(shè)計多通道中斷采樣程序，實現(xiàn)對三向振動電壓信號的采集；然后根據(jù)傳感器靈敏度設(shè)置對應(yīng)通道，對振動加速度信號進(jìn)行標(biāo)定；最后，對三向振動信號分別進(jìn)行數(shù)字濾波，濾波范圍設(shè)為通頻帶50～10 000 Hz，符合軸承振動測試標(biāo)準(zhǔn)中的頻率范圍，并同時去除環(huán)境噪聲干擾。

對濾波后的軸承振動加速度信號分別進(jìn)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(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)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(jìn)行振動檢測。30202圓錐滾子軸承振動試驗中［1］，驅(qū)動轉(zhuǎn)速為900 r／min，軸向加載力為110 N，軸承樣本數(shù)取16，分別進(jìn)行了三向振動加速度測量、分貝值計算及可視化顯示，結(jié)果見表1。

表1 軸承三向振動加速度測量結(jié)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(gòu)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(jìn)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(zhì)量效應(yīng)），可視為軸承振動的真實狀態(tài)。

對于測試用的圓錐滾子軸承，根據(jù)（1）式和（2）式對表中數(shù)據(jù)進(jìn)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(shù)據(jù)），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(shù)據(jù)），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(yīng)軸承的振動狀態(tài)。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(jié)束語

應(yīng)用三向振動加速度傳感器、結(jié)合計算機(jī)軟硬件技術(shù)，對軸承進(jìn)行三向振動加速度測量，技術(shù)上是可行的。應(yīng)用軸承外圈主振動分貝數(shù)概念，對圓錐滾子軸承進(jìn)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(shù)，結(jié)合數(shù)字濾波與積分處理［4］，三向振動測量技術(shù)還可以擴(kuò)展到軸承振動速度估計。