滚动轴承振动测量物理量和测量条件的探讨

！兰　＝　！　轴承２０１１年９期　ＣＮ４１一ｌ１４８／ＴＨ　Ｂｅａｒｉｎｇ　２０１１，Ｎｏ．９　．．Ｉ专题综述　滚动轴承振动测量物理量和测量条件的探讨　杨晓蔚　（洛阳轴承研究所有限公司，河南　洛阳４７１０３９）　摘要：针对滚动轴承振动测量物理量和测量条件中的主要问题，介绍了国内、外标准以及国际著名轴承企业实　际应用中的背景信息，并得出结论：根据轴承特点，应优先采用振动速度，但加速度不应偏废；对于测量转速和　载荷，应首先遵从标准规定，但也应依据实际工况选用。　关键词：滚动轴承；振动；测量物理量；测量条件　中图分类号：ＴＨ１３３．３３　文献标志码：Ａ　文章编号：１０００—３７６２（２０１１）０９—００５４—０３　Ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎ　ｏｎ　Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ　Ｐｈｙｓｉｃａｌ　Ｑｕａｎｔｉｔｉｅｓ　ａｎｄ　Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ　Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ　ｆｏｒ　Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｒｏｌｌｉｎｇ　Ｂｅａｒｉｎｇｓ　ＹＡＮＧ　Ｘｉａｏ—ｗｅｉ　（Ｌｕｏｙａｎｇ　Ｂｅａｒｉｎｇ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｌｕｏｙａｎｇ　４７１０３９，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｉｍｅｄ　ａｔ　ｔｈｅ　ｍａｉｎ　ｉｓｓｕｅｓ　ｉｎ　ｍｅａｓｕｒｉｎｇ　ｐｈｙｓｉｃａｌ　ｑｕａｎｔｉｔｉｅｓ　ａｎｄ　ｍｅａｓｕｒｉｎｇ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ　ｆｏｒ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｒｏｉｌｉｎｇ　ｂｅａｒｉｎｇｓ，ｔｈｅ　ｆｏｒｅｉｇｎ　ａｎｄ　ｄｏｍｅｓｔｉｃ　ｓｔａｎｄａｒｄｓ　ａｎｄ　ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｉｎ　ａｃｔｕａｌ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　ｆａｍｏｕｓ　ｂｅａｒｉｎｇ　ｅｎｔｅｒｐｒｉｓｅｓ　ａｒｅ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎ　ｉｓ　ｔｈａｔ　ｉｎ　ｔｅｒｍ　ｏｆ　ｂｅａｒｉｎｇ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ，ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｓｐｅｅｄ　ｓｈｏｕｌｄ　ｂｅ　ｕｓｅｄ　ｐｒｅｆｅｒｅｎｔｉｌｌｙ，ｂｕｔａ　ｔｈｅ　ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ　ｓｈｏｕｌｄ　ｎｏｔ　ｂｅ　ｎｅｇｌｅｃｔｅｄ．Ｔｈｅ　ｍｅａｓｕｒｉｎｇ　ｒｏｔａｔｉｎｇ　ｓｐｅｅｄ　ａｎｄ　ｌｏａｄ　ｓｈｏｕｌｄ　ｂｅ　ｓｅｌｅｃｔｅｄ　ｆｏｌｌｏｗｉｎｇ　ｔｈｅ　ｒｕｌｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｔｎｄａａｒｄｓ　ａｎｄ　ａｃｔｕａｌ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ　ｏｆ　ｂｅａｒｉｎｇｓ　ｍｅａｓｕｒｅｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｒｏｌｌｉｎｇ　ｂｅａｒｉｎｇ；ｖｉｂｒａｔｉｏｎ；ｍｅａｓｕｒｉｎｇ　ｐｈｙｓｉｃａｌ　ｑｕａｎｔｉｔｙ；ｍｅａｓｕｒｉｎｇ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ　滚动轴承的振动水平是其动态性能中最受关　注的一个质量指标。在轴承振动测量中，选用何　种测量物理量常常会引起争论，对于测量条件中　的转速和载荷等的选择，也常常存在较大差异。　测量物理量的选择主要取决于研究对象的特　性。在工程应用中，常用位移来研究结构的强度　和变形（位移与应力、应变直接相关）、机器设备的　运行稳定性（如旋转机械的不平衡量）等；常用速　度来反映振动系统的能量（如机械零件的疲劳进　程与振动速度成正比，而振动能量与振动速度的　了解这些问题的背景信息，厘清本源，对于更加客　观、正确和深入地研究轴承振动是十分必要和重　要的　平方成正比）和所辐射的噪声（噪声与速度大小有　直接关系）等；常用加速度来描述机械受冲击力的　１振动测量物理量　描述机械振动大小的物理量有位移、速度和　程度、振动对人的影响等，人体振动对加速度比较　敏感，如当加速度值超过０．０２ｇ（重力加速度，下　同）时，振动就会对人产生影响，超过０．０３２ｇ时，　人就会产生不适感　。　由于轴承为精密机械产品，又多在中、高速下　加速度。一般而言，位移主要适用于低频范围；速　度主要适用于中频范围；加速度主要适用于高频　范围。由于３个物理量之间存在着微分或积分的　关系，因此可以测量出其中任一物理量，然后通过　数学微分或积分处理就可得到另外２个物理量，　如加速度１次积分为速度，２次积分为位移。　收稿日期：２０１ｌ一０２—１８　运转（机械中一般将低于１００　ｒ／ｍｉｎ归为低速运　转），因此其振动一般多属于低位移幅值的中、高　频振动，选择的测量物理量主要是速度和加速度。　关于轴承振动测量物理量是选择速度还是加　速度的问题，曾存在比较激烈的争论。实际上“非　杨晓蔚：滚动轴承振动测量物理量和测量条件的探讨　此即彼”的结论都是不正确的，应对其适用性作客　观研究。　对于速度，在等同采用国际标准的我国国家　标准ＧＢ／Ｔ　２４６１０．１－－２００９／ＩＳ０　１５２４２—１：２００４　《滚动轴承振动测量方法第１部分：基础》中，给　出了采用其作为轴承振动测量物理量的理由：轴　承振动的“位移幅值一般会随着频率的增高而减　小，在几千赫兹时，能减小到纳米级，这样就使得　某些位移测量系统在高频范围内很难给出可靠的　测量结果；而另一方面，一个非常适合于高频测量　的加速度传感器，却需要极高的动态性能才能分　辨出较低的频谱，一个比较好的处理方法是采用　速度传感器，显示的信号与速度成比例”。此段描　述说明了位移和加速度在轴承振动测量中的局限　性，而速度却对包括低、高频在内的全频段都具有　较好的兼容性。　对于速度，另外还有一个非常重要的理由就　是与噪声显著相关，对轴承噪声分析十分有利。　因为测量和控制轴承振动的目的，主要是控制轴　承噪声。　但是，采用加速度也具有以下十分突出的　优点：　（１）加速度计的系统误差一般远小于速度计　和位移计，而且加速度可通过数学积分获得较小　误差速度和位移参数，而位移微分则误差很大；　（２）对于高频振动，通常位移量很小，而加速　度幅值却很大，易于准确测量；　（３）对于机械结构而言，引起破坏的力与加速　度的关系比与速度或位移的关系更为密切，即加　速度特别适合于具有冲击载荷的场合；　（４）加速度采用压电式传感器，具有动态范围　大、频率范围宽、可靠性高、尺寸较小和质量较轻　的特点。　由于上述加速度的优点，故其在机械振动测　量中应用最为广泛。在轴承振动测量中，加速度　对异常声比较敏感；在轴承故障诊断中，加速度也　多占主要地位；在电动机振动测量评定中，也由原　主要考核速度增加为同时考核位移和加速度。　由于技术传统的不同，欧洲、美国和Ｅｔ本的轴　承振动测量基本上都采用速度，但也有采用加速　度的，如德国国家标准ＤＩＮ　５４２６—１：１９９５（滚动轴　承一滚动轴承运转噪声一第１部分：固体声测量　方法》中，就规定测量物理量是速度或加速度，还　有一些著名轴承公司也采用加速度。前苏联（俄　・５５・　罗斯）和中国的轴承振动测量早期多采用加速度，　后来也逐渐开始推广采用速度。　２振动测量转速　２．１测量转速的确定　振动是动态性能，因此测量时应使轴承处于　一定的运动状态。根据轴承大小不同，测量轴承　振动速度的转速一般以１　８００　ｒ／ｍｉｎ为基础（１　８００　ｒ／ｍｉｎ或９００　ｒ／ｒａｉｎ），测量轴承振动加速度的转速　一般以１　５００　ｒ／ｒａｉｎ为基础（１　５００　ｒ／ｍｉｎ或１　０００　ｒ／ｒａｉｎ）。前者是由于美国和日本的工业供用交流　电的频率（工频）为６０　Ｈｚ，后者是由于前苏联（俄　罗斯）以及我国沿用其技术系统的电力工频为５０　Ｈｚ，直接采用同步电动机作为振动测量的驱动电　动机即可（６０　Ｈｚ和５０　Ｈｚ对应的２极对同步电动　机的额定转速即为１　８００　ｒ／ｍｉｎ和１　５００　ｒ／ｍｉｎ，采　用２：１和３：２传动比的皮带轮即可得到９００　ｒ／ｍｉｎ　和１　０００　ｒ／ｍｉｎ）。欧洲的电力工频为５０　Ｈｚ，但由　于与美国技术系统趋于一体化的缘故，多采用速　度来测量振动，因此转速以１　８００　ｒ／ｍｉｎ为基础。　采用１　８００　ｒ／ｒａｉｎ或ｌ　５００　ｒ／ｒａｉｎ为基础的测　量转速，还与过去主要要求电动机轴承为低噪声　轴承有直接关系，因为此转速与电动机的运转条　件一致，相当于模拟测量。　在实际应用中，测量转速并非只能按照１　８００　ｒ／ｍｉｎ或１　５００　ｒ／ｒａｉｎ为基础来确定，而是可以根据　轴承类型、大小和用途的不同等进行选定，如我国　国家标准ＧＢ／Ｔ　２４６１０．２—４－－２００９／ＩＳ０　１５２４２—２～　４：２００４中规定，向心球轴承的设定转速为１　８００　ｒ／ｍｉｎ，对于小尺寸段的轴承也可采用２　４００～　３　６００　ｒ／ｍｉｎ之间的转速；圆锥滚子轴承和调心滚　子轴承设定转速为９００　ｒ／ｍｉｎ，对于小尺寸段的轴承　也可采用１　２００—１　８００　ｒ／ｍｉｎ的转速；圆柱滚子轴　承，外径Ｄ≤１００　１１１１／１，设定转速为１　８００　ｒ／ｍｉｎ，外径　Ｄ＞１００—２００　ｌ／ｌｎｌ，设定转速为９００　ｒ／ｍｉｎ。　德国标准ＤＩＮ　５４２６—１：１９９５中规定，对于向　心球轴承（主要是深沟球轴承），内径ｄ＝１～２０　ｍｍ时转速为３　０００　ｒ／ｍｉｎ，ｄ＝８—５０　ｍｍ时转速为　１　８００　ｒ／ｍｉｎ（其中，对于ｄ＝８—２０　ｍｍ，允许采用２　种转速）。　美国标准ＡＮＳＩ／ＡＢＭＡ　Ｓｔｄ．１３—１９８７（滚动轴　承振动和噪声（测量方法）》中规定，对于精密球　轴承，转速为１　８００　ｒ／ｍｉｎ，对于精密仪器球轴承，　转速限定为３００—３　６００　ｒ／ｍｉｎ。　・５６・　ＳＫＦ对于深沟球轴承，当内径ｄ≤１００　ｍｍ时　采用１　８００　ｒ／ｍｉｎ的转速，当内径ｄ＞１００　ｎｌｍ时采　用７００　ｒ／ｍｉｎ的转速。　ＧＭＮ对于普通轴承采用３　０００　ｒ／ｍｉｎ的转速，　对于小型精密轴承采用５　０００　ｒ／ｍｉｎ的转速。　大尺寸轴承采用低转速，是为了防止滚动体　与滚道接触处打滑损伤，但此时应注意将测振仪　的滤波器特性作相应调整。　２．２测量转速与对应的频率范围　测量转速确定后，不同振动谐波分量所对应　的频率范围也是确定的，如测量转速为１　８００　ｒ／ｍｉｎ时，对应的低、中、高３频段如下：５０—３００　Ｈｚ　为１．６７～１０次／转的振动频响范围；３００～１　８００　Ｈｚ为ｌ０～６０次／转的振动频响范围；１　８００～　１０　０００　Ｈｚ为６０～３３３次／转的振动频响范围。　同理，１　５００　ｒ／ｍｉｎ时，对应３频段分别为２～　１２，１２—７２和７２～４００　转的振动频响范围。　由上可以看出，仅从轴承相关零件加工质量　的圆度、波纹度和表面粗糙度简单区分，低频段振　动主要由圆度（２～１５波／周）影响；中频段主要由　低次波纹度（内滚道、滚动体１５～１５０波／周，外滚　道１５—２５０波／周）影响；高频段主要由高次波纹　度和表面粗糙度影响。　当测量转速改变时，谐波振动的频响范围显　然也随之改变，如当测量转速为５　０００　ｒ／ｍｉｎ时，２　次谐波（椭圆）就可激励出１６６．６　Ｈｚ的振动，５次　谐波（５棱圆）所激励的振动频率为４１６．５　Ｈｚ。　以测量转速１　８００　ｒ／ｍｉｎ或１　５００　ｒ／ｍｉｎ为公　称转速，采用其他测量转速时滤波器特性的调整　即频率范围的设定是按等比例原则。以测量振动　速度规定的１　８００　ｒ／ｍｉｎ和９００　ｒ／ｒａｉｎ为例，其频　率范围设定见表１。　表１频率范围设定　３振动测量载荷　施加振动测量的载荷应足够大，其目的主要　有２个：一是防止滚动体相对于滚道打滑；二是不　致引起过大接触变形而影响测量结果。　我国国家标准ＧＢ／Ｔ　２４６１０．１－－２００９／ＩＳ０　１５２４２—１：２００４规定的对应于某一尺寸段的钡０量　《轴承）２Ｏｌ１．Ｎｏ．９　载荷的最小值与最大值的范围为：向心球轴承　（１８—２２）一（１　６２０～１　９８０）Ｎ；调心滚子轴承和圆　锥滚子轴承（４５—５５）一（１　８００—２　２００）Ｎ；圆柱滚　子轴承（１３５～１６５）～（７２０—８８０）Ｎ。　我国机械行业标准ＪＢ／Ｔ　５３１４－－２００２（（滚动轴　承振动（加速度）测量方法》规定的测量载荷为：深　沟球轴承２０～２２５　Ｎ；角接触球轴承６０～４４０　Ｎ；圆　锥滚子轴承４９～８８　Ｎ；圆柱滚子轴承１５０～６００　Ｎ。　美国标准ＡＮＳＩ／ＡＢＭＡ　Ｓｔｄ．１３—１９８７规定的　测量载荷为２２．２—４４４．８　Ｎ。　德国标准ＤＩＮ　５４２６—１：１９９５规定的测量载荷　为１０～２２０　Ｎ。　根据在轴承振动测量中的实践看，载荷适度　增大对测值没有太大影响，因此可以取ＩＳＯ标准　给出的测量载荷。但是，必须对现有测振仪的加　载机构特别是主轴刚度进行改造加强。　对于测量载荷的性质，以深沟球轴承为例，通　常规定为轴向中心载荷，但有些国际著名轴承公　司除采用轴向中心载荷外，还采用轴向力矩载荷　进行测量。　４　结束语　由于轴承的特性，关于振动测量物理量的选　择，除了位移外，速度和加速度都是比较适用的。　由于速度对低、中、高频的兼顾性，尤其是与噪声　的相关性较好，而在大多数情况下，控制轴承振动　的目的主要是控制轴承噪声，因应优先采用速度。　但是，加速度除了具有ｉ贝０量简便可靠等突出优点　外，还对轴承异常声比较敏感，因此对加速度也不　应简单地予以排斥偏废。　关于振动测量速度和载荷，应首先遵从标准　规定，以保证测值之问具有可比性。但对于不同　类型和尺寸，尤其是不同用途的轴承，还应尽量根　据实际工况选择测量条件，实现模拟测量。　轴承振动测量ＩＳＯ标准的发布，对于在国际　范围内规范统一有关轴承振动测量中的许多问题　具有十分重要的作用。我国轴承行业在贯彻执行　等同采用ＩＳＯ标准的国家标准的过程中，还应充　分注重验证分析工作，以使对轴承振动的基础和　应用研究更加深入。　参考文献：　［１］ＧＢ／Ｔ　１３４４１．１－２００７／ＩＳ０　２６３１～１：１９９７，机械振动　与冲击人体暴露于全身振动的评价第１部分：一般　要求［Ｓ］．　（编辑：杨柳）