陳彥 ，付麗霞 ，王家亮 ，趙俊宏

(1.上海天安軸承有限公司，上海 201108；2.上海市軸承技術(shù)研究所，上海 200031；3.洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039)

隨著低噪聲軸承需求的不斷增長，軸承振動(dòng)測量儀的需求量也越來越大，對(duì)其性能要求也越來越高。而由于測振儀制造商對(duì)軸承動(dòng)態(tài)性能的研究有限，致使測振儀之間的測值差異(以下簡稱為“臺(tái)差”)較大，日常檢測中臺(tái)差2 dB左右較為常見(有的甚至超過5 dB)，已嚴(yán)重影響了對(duì)軸承振動(dòng)水平的評(píng)判，現(xiàn)對(duì)S0910測振儀臺(tái)差產(chǎn)生的原因進(jìn)行探討。

1 S0910測振儀結(jié)構(gòu)簡介

S0910測振儀主要由機(jī)械驅(qū)動(dòng)裝置、拾振裝置及測量電箱構(gòu)成，如圖1所示。

1—主機(jī)座；2—推力器；3—被測軸承；4—轉(zhuǎn)動(dòng)主軸；5—拾振裝置支架；6—拾振裝置；7—測試電箱

1.1 機(jī)械驅(qū)動(dòng)裝置

機(jī)械驅(qū)動(dòng)裝置主要由推力器和轉(zhuǎn)動(dòng)主軸(驅(qū)動(dòng)器)構(gòu)成。推力器上3個(gè)橡皮圓柱通過軸承外圈端面對(duì)被測軸承施加一定的軸向載荷；轉(zhuǎn)動(dòng)主軸(驅(qū)動(dòng)器)用于支承被測軸承并使其按一定轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)。

1.2 拾振裝置

拾振裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由加速度傳感器、施力彈簧和傳振桿構(gòu)成，用于拾取軸承徑向振動(dòng)信號(hào)。傳感器是此部分的核心，用于拾取振動(dòng)信號(hào)；傳振桿主要作用是將軸承振動(dòng)信號(hào)不失真地傳到傳感器；彈簧主要作用是使傳振桿與被測軸承外圈外徑面良好接觸，同時(shí)又給被測軸承施加一定的徑向力。

1—套筒；2—傳感器電纜；3—施力彈簧；4—加速度傳感器；5—螺栓；6—傳振桿

1.3 測量電箱

測量電箱主要用于將拾振器測出的軸承振動(dòng)信號(hào)放大、濾波、轉(zhuǎn)換并顯示振動(dòng)加速度級(jí)值(即dB值)，其原理如圖3所示。

圖3 測量電箱原理框圖

2 試驗(yàn)測試

2.1 試驗(yàn)條件

選用某公司生產(chǎn)的3臺(tái)S0910型測振儀作為對(duì)比試驗(yàn)儀器，按JJG 676—2000《工作測振儀檢定規(guī)程》校準(zhǔn)合格。選用6201和6309軸承作為試驗(yàn)用軸承，進(jìn)行對(duì)比測試試驗(yàn)。

2.2 試驗(yàn)方法

采用隔離分析方法，分4個(gè)步驟進(jìn)行試驗(yàn)。

試驗(yàn)1：用同一臺(tái)測振儀的機(jī)械驅(qū)動(dòng)裝置分別配3臺(tái)測量電箱及其拾振裝置，反映拾振裝置的影響。

試驗(yàn)2：用同一臺(tái)測振儀的測量電箱和拾振裝置，分別配3臺(tái)機(jī)械驅(qū)動(dòng)裝置，反映機(jī)械驅(qū)動(dòng)裝置的影響。

試驗(yàn)3：用同一套測振儀的機(jī)械驅(qū)動(dòng)裝置和拾振裝置，分別配3臺(tái)測量電箱，反映測量電箱的影響(此種情況下，傳感器與3臺(tái)電箱也要再次校準(zhǔn)合格)。

試驗(yàn)4： 3臺(tái)整套的原裝測振儀。

2.3 測試數(shù)據(jù)

軸承外圈每隔60°為一個(gè)測試點(diǎn)，取6點(diǎn)數(shù)據(jù)平均值作為此套軸承的測試數(shù)據(jù)。

在3臺(tái)S0910型測振儀上按上述4個(gè)試驗(yàn)步驟對(duì)同一套6309軸承進(jìn)行測試，測量數(shù)據(jù)見表1。測量數(shù)據(jù)表明，電箱性能差異對(duì)測振儀臺(tái)差的影響甚小，拾振裝置次之，機(jī)械驅(qū)動(dòng)裝置對(duì)臺(tái)差的影響最大。

表1 6309軸承測量數(shù)據(jù) dB

3 原因分析

3.1 拾振裝置的影響

3.1.1 頻響特性

拾振裝置頻響特性差異是影響軸承測振儀測值臺(tái)差的因素之一，能影響測值差異1～2 dB[1]。

3.1.2 傳振桿質(zhì)量

為驗(yàn)證傳振桿質(zhì)量對(duì)測值的影響，首先用天平測定S0910測振儀傳振桿質(zhì)量，然后選用一套6201軸承按試驗(yàn)1方法進(jìn)行測試， 測試結(jié)果見表2，最大臺(tái)差為3.5 dB，與表1中試驗(yàn)1數(shù)據(jù)對(duì)比說明：

表2 6201軸承測試數(shù)據(jù)

(1)測值受傳振桿質(zhì)量大小影響，傳振桿質(zhì)量愈大則測值愈??；

(2)軸承尺寸越小，測值的分散性越大，即臺(tái)差越大；

(3)傳振桿質(zhì)量m1與軸承質(zhì)量m2的值有關(guān)聯(lián)影響，m2/m1越小對(duì)測值影響越大，反之則影響越小。

3.2 機(jī)械驅(qū)動(dòng)與拾振裝置的影響

目前，國內(nèi)與拾振機(jī)械驅(qū)動(dòng)裝置的工作質(zhì)量僅能通過限制機(jī)械驅(qū)動(dòng)裝置振動(dòng)和主軸的靜態(tài)徑向跳動(dòng)來控制。軸承測振儀的自身振動(dòng)即其基礎(chǔ)振動(dòng)的影響因素主要有：(1)電動(dòng)機(jī)工作的平穩(wěn)性；(2)主軸的動(dòng)態(tài)徑向跳動(dòng)；(3)主機(jī)自身質(zhì)量；(4)減振、隔振效果；(5)拾振裝置中彈簧彈性系數(shù)的大小。

測振儀示值實(shí)際上是被測軸承振動(dòng)值、基礎(chǔ)振動(dòng)值和電氣噪聲“振動(dòng)值”的疊加。用分貝疊加公式表示

L表=10lg(100.1L軸+100.1L基+100.1L電)，

(1)

式中：L表為測量儀表指示值；L軸為實(shí)際被測軸承振動(dòng)值；L基為機(jī)械驅(qū)動(dòng)裝置主軸旋轉(zhuǎn)時(shí)的基礎(chǔ)振動(dòng)值；L電為電氣噪聲的“振動(dòng)值”。

機(jī)械驅(qū)動(dòng)裝置在主軸旋轉(zhuǎn)時(shí)的基礎(chǔ)振動(dòng)應(yīng)低于實(shí)際被測軸承振動(dòng)值10 dB以上，這樣才能忽略驅(qū)動(dòng)裝置的基礎(chǔ)振動(dòng)對(duì)軸承振動(dòng)值的影響[2]。

3.3 測量電箱的影響

3.3.1 本底噪聲

振動(dòng)儀顯示的振動(dòng)是測量電箱的本底噪聲信號(hào)與振動(dòng)信號(hào)的有效值疊加，測量電箱本底噪聲小于0 dB滿足測試要求[2]。

3.3.2 整機(jī)動(dòng)態(tài)范圍

為正確測量軸承振動(dòng)值，確定測量電箱整機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍至關(guān)重要。對(duì)于測量隨機(jī)信號(hào)的儀器，由于被測隨機(jī)信號(hào)的波峰因數(shù)是隨機(jī)的，因此，理論上要求測量這類信號(hào)的放大器動(dòng)態(tài)范圍為無窮大。但實(shí)際放大器的動(dòng)態(tài)范圍是有限的，因此引起的測量誤差可用統(tǒng)計(jì)的辦法進(jìn)行估算。測量隨機(jī)信號(hào)的儀器動(dòng)態(tài)范圍只要3倍于測量信號(hào)的有效值，儀器的精度就可達(dá)0.5%以上。但由于軸承振動(dòng)信號(hào)不是嚴(yán)格的Gauss分布隨機(jī)信號(hào)，其測量動(dòng)態(tài)范圍應(yīng)適當(dāng)放寬[3]。

如果測振儀除了顯示有效值外還要顯示峰值，那么還需要放寬放大器的動(dòng)態(tài)范圍，否則會(huì)引起削波，使顯示的峰值明顯偏小。

3.3.3 量程切換

大多數(shù)情況下采用電阻分壓方法進(jìn)行量程切換，只要分壓電阻值精度誤差小于1%即可。但由于軸承振動(dòng)測量儀顯示范圍較大(0～80 dB，甚至100 dB)，輸入的最小信號(hào)與最大信號(hào)之間相差達(dá)10 000或100 000倍。如果只采用一級(jí)電阻分壓(圖4)，分壓后的信號(hào)很微小，易受干擾，造成測值臺(tái)差增大，通常采用二級(jí)電阻分壓(圖5)以提高信噪比，或通過改變電荷放大器反饋電容的大小來實(shí)現(xiàn)量程切換。

圖4 一級(jí)電阻分壓器

圖5 二級(jí)電阻分壓器

因電容匹配較差，早期的S0910型測振儀用電容方式實(shí)現(xiàn)量程切換造成測試誤差超過1 dB?，F(xiàn)在采用精密電阻方式，測試誤差均小于1 dB。

4 結(jié)束語

綜合上述分析可知，只要測量電箱設(shè)計(jì)正確、元器件選擇合理、校準(zhǔn)方法及工具統(tǒng)一，其造成的測振儀臺(tái)差可忽略不計(jì)；軸承質(zhì)量m2與傳振桿質(zhì)量m1的比值(m2/m1)越小影響越大，反之則影響越小，故傳振桿質(zhì)量對(duì)微型軸承的測量影響較大。

另外，引起臺(tái)差的原因還有軸向加載器、隔振橡膠等，然而造成測振儀臺(tái)差的最大因素仍然是驅(qū)動(dòng)裝置主軸旋轉(zhuǎn)時(shí)的基礎(chǔ)振動(dòng)，基礎(chǔ)振動(dòng)目前還沒有方法直接測量，僅靠控制主軸的靜態(tài)徑向跳動(dòng)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。為消除軸承振動(dòng)測量儀之間的臺(tái)差，應(yīng)在軸承行業(yè)建立一套行之有效的測量方法和測量工具，使振動(dòng)量值準(zhǔn)確統(tǒng)一。