传感器安装方式对轴承振动测量特性的影响_赵联春
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摘要 :为真实测量球轴承的振动 , 特制外圈带螺孔的深沟球 轴承 , 加 速度计固 定式安装在 轴承上 , 基于微机 的 振动测量和分析系统 , 通过与探针式测量的比较 , 发现后者使轴承振动信号失真 , 探针与点接触时的失真程度 比线接触时大 。 试验表明 , 探针或测量信号用于分析轴承 振动特性不能获得正确的结论 。 关键词 :传感器 ;安装 ;振动 ;测量 ;试验 中图分类号 :TH825 文献标识码 :B 文章编号 :1000 -3762(2003)01-0026 -03
1 2 3 4 5 平均值来自方案 1Lsp1
40 .5 41 .5 39 .5 42 .0 42 .0 41 .1
Ls11
43.0 43.0 42.5 44.0 43.5 43.2
方案 2 方案 3
Lsp2
41 .0 41 .5 40 .0 41 .5 42 .0 41 .2
L s12
43 .5 43 .5 42 .5 44 .0 44 .0 43 .5
(2)用与(1)相同的方法 , 但将测量得到的信 号接入 B&K 前置放大器 , 经放大和归一化处理后 由微机振动测量分析系统 , 经 A D 变换后进行实
时处理 , 得到振动均方根值和频谱 , 球头传振杆和 平头传振杆得到的测值分别记 Lsp2 和 Ls12 。
(3)用 S0910 型测量仪的驱动 、加载装置 , 采 用固定式加速度计安装方式 , 按文献[ 2] 规定的方 法测量 , 测量信号由微机测量分析系统进行处理 , 得到轴承振动频谱和均方根值 , 记为 La 。
(1)
式中 Kr 接触刚度 , 当接触载荷 、 接触副的
材料和几何特性 已知时可根据
Hertz 理论求得[ 7]
M 传感器系统运动零件的等效质 量[ 1]
ζ 传感器系统阻尼率
1 -输出电缆 ;2 -加 速度计 ;3 -钢螺栓 ; 4 -被测轴承
图 2 固定式测量原理
特制的试验轴承与普通轴承相比 , 有以下不 同 :(1)外圈表面沿轴向有宽度略大于加速度计安 装端面直径的光滑平面 。(2)平面中心处 , 沿径向 有一螺纹孔 。 测量时 , 加速度计可以用钢螺栓与 外圈刚性联接 , 紧贴光滑安装平面 。
试验中 , 专门制造了 6308 -2RZ 轴承 10 套 , 除外圈带一平面和螺孔外 , 其他参数 、质量特性和 正常轴 承完全相同 。 由于采用了专 门的制造工
· 28 ·
《 轴承》 2003.№ .01
艺 , 平面和螺孔的加工没有影响轴承的其他性能 。 由于采用了图 2 所示的固定式安装 , 加速度
(1.Zhejiang University , Hangzhou 310027, China ;2 .C &U Group Co .Ltd ., Hangzhou 310022 , China)
Abstract :For revealing the phy sical nature of ball beairng vibration , a special method has been designed to pick up the signal of radial vibraiton without distortion by an accelerometer rigidly screwed with steel stud onto a flat outer surface of a ball bearing , and vibration value and spectrum of the bearing are obtained from a new measurement system based on micro computer .By comparison with the present measuring method, it is found that the vibration signal picked up through a probe was distorted , the vibration value is lower and the singnal is not suitable for the research of bearing vibration . Key words:transducer ;mount ;vibration;measure ;test
计的安装谐振频率为 出厂时给出的 安装固有频 率。
2 轴承振动测量和分析系统
由图 3 所示 , 轴承振动测量分析系统由驱动 装置 、加载装置 、传感器 、前置放大器 、数据采样板 和微 型 计 算 机 组 成 , 其 中 驱 动 和 加 载 装 置 用 S0910 型轴承振动测量仪 , 传感器可选 , 既可以是 图 1 所示的包含加速度计的探针 , 也可以是图 2 所示的直接安装的加速度计 。 轴承振动信号实时 处理和分析系统在梁文梅[ 8] 的基础上作了升级和 改进 。
1 -输出 电缆 ;2 -测力弹 簧 ;3 -加速度计 ;4-钢螺栓 ;5 -传 振杆 ;6 -被测轴承
图 1 探针式测量原理
图 1 中 , 传振杆和轴承外圆柱表面之间形成
弹性接触 , 系统的安装谐振频率实际上决定于这 一接触副的接触谐振频率[ 1, 7]
f sn =21π
(1
-2
ζ2)Kr M
本文建立的轴承振动信号测量和实时分析系
统为进一步研究球轴承振动的机理和特性创造了 试验条件 。
1 加速度计安装方式及安装谐振 频率
众所周知 , 振动测量中 , 加速度计的选用和安 装方式对测量信号的真实性有重要的影响 。 通常
赵联春等 :传感器安装 方式对轴承振动测量特性的影响
要求加速度计的质量远小于被测对象的质量 , 并 刚性地固定在测量对象清洁平整的表面上成为一 体 , 这时加速度计的特性才能达到出厂时给出的 技术指标 。 如果加速度计采用其他方法安装 , 如 探针式 、粘接式 、磁性吸贴式等 , 安装谐振频率将 显著降低 , 探 针式测量 的谐振 频率一 般为 2 ～ 3 kHz[ 4 ～ 6] 。 1 .1 探针式测量
通过振动检测来综合评定轴承的产品质量 , 实践中已经取得良好的效果 。 但是 , 关于轴承振 动机理和特性的研究迄今进展迟缓 , 对实践中一 些常见的现象还不能做出令人信服的解释 。 振动 机理和特性的研究必须依据对真实信号的分析 , 因此如何测取轴承振动的真实信号一直是人们关 心的问题 。
文献[ 1] 对轴承振动(加速度 , 下同)测量传感 器系统的频响特性作了较全面的研究 , 指出振动 测量中 , 传感器系统的特性是保证测量精确度的 重要因素之一 , 其线性频率范围不符合测量要求 将引起测量误差 , 并提出了提高这一频率范围和 降低测量误差的一些措施 。但对传感器系统引起 的信 号 失 真 、测 量 误 差 的 程 序 和 规 律 等 未 能
轴承振动测量中 , 由于测量条件的限制一般 采用探针式测量方式[ 2, 3] , 加速度计探针式测量原 理如图 1 所示 。 加速度计借助钢螺栓与传振杆刚 性联接 , 测力弹簧施加 1 .0 ～ 10 .0 N 的测力使传 振杆与被测轴承外圆柱表面保持接触 。测量时 , 轴承内圈以一定的转速旋转 , 外圈在轴向力作用 下保持静止 , 外圈表面一点的径向振动经传振杆 被加速度计拾取 , 转换为电信号后由电缆输出 。
为比较安 装方式对轴承振 动测量特 性的影 响 , 用特制的 6308 -2RZ 试验轴承 , 设计了以下三 个测量方案 :
(1)S0910 型轴承振动测量仪上 , 按文献[ 2] 规 定的安装方式(图 1 所示的探针式)和测量方法 , 分别用球头和平头传振杆测量轴承振动的均方根 值 , 测值分别记为 Lsp1 和 Ls11 。
· 27 ·
ζ= c 2 MK r
c 传振杆和引导面的粘性阻尼系数 试验用 S0910 型轴承振动测量仪的传振杆端 部为半径 5 mm 的球面 , M =53 .3 g , 材料的弹性模 量和泊松比分别为 2 .07 ×1011 N m2 和 0 .3 。 传振 杆与轴承外圆柱表面形成点接触 。 本文试验球轴 承 6308 -2RZ 的外径为 90 mm , 材料特性与传振 杆相同 。测力载荷 Q =5 N 时计算传感器与轴承 接触副的接触谐振频率得到 K =1 .283 8 ×107 N m , 由(1)式给出的无阻尼(ζ=0)接触谐振频率为 2 470 Hz 。 根据文献[ 1] 制作了平端面传振杆 , 端部材料 为硬质合金(钨钢), 其弹性模量和泊松比分别为 4 .110 ×1011 N m2 和 0 .28 。 与轴承外圆柱表面间 的有效线接触长度为 6 mm , M =38 .6 g 。 计算得 到 K r =1 .839 8 ×108 N m , 由(1)式给出的无阻尼 接触谐振频率为10 988Hz 。 显然 , 提高传感器与轴承之间的接触刚度能 显著地提高传感器的安装谐振频率 。 1 .2 固定式测量 加速度计以钢螺栓固定式安装的测量原理如 图 2 所示 。 加速度计通过钢制 M5 小螺栓刚性固 定在特制被测轴承的外圈表面 , 轴承振动信号由 加速度计直接拾取 , 转换为电信号后由电缆输出 。
The Influence of Installation Manner of Transducer on Vibration Measure Characteristic of Bearings
ZHAO Lian -chun1 , MA Jia -ju1 , CAO Zhi -fei2 , LIU Xue -feng2 , LIU Chao -hui2
A D 板 :PLC -818L 型 , 16 或 8 个差分通道 , 最高采样频率 40 kHz , 12 位 , 五档输入电压范围 , 三种数据读取方式 。
电荷放大器 :B&K2635 型 , 频率范围 0 .1 Hz ～ 100 kHz , 九档输出电压 , 测量误差 ≤1 %。
3 测量与结果
收稿日期 :2002-04 -16 作者简 介 :赵联春 , 男 , 浙 江大 学工程 摩擦 学专业 博士 研 究生 , 本刊编委 。
进行必要的研究 。 为尽可能获得真实信号 , 特制了外圈带螺孔
和光滑安装平面的球轴承 , 使加速度计能够与试 验轴承刚性联结 , 并建立了基于微机的数字式实 时振动测量分析系统 。依据国内外现行的测量规 范[ 2 ,3] 和使用最广泛的 S0910 型轴承振动测量仪 , 测量对比了加速度计不同安装方式的振动信号 , 通过对轴承振动均方根值和频谱的比较 , 证实了 探针式测量引起信号失真 , 用于分析轴承振动特 性不能获得正确结果的结论 。
用前两种方案测量时 , 测点选在轴承外圈加 速度计安装平面的两侧 , 以两次测量的算术平均 值作为轴承的振动值 。
对 5 套试验轴承进行了测量 , 表 1 给出了 50 ～ 10 000 Hz 频率范围内不同方案下得到的振动值 测量结果和平均值 。
表 1 轴承振动加速度均方根值 dB
轴承编号
图 3 振动测量系统的组成
测量时 , 轴承外圈的径向振动由加速度计拾 取 , 经前置放大器放大和归一化处理后 , 再经 A D 变换进入计算机进行实时处理 。编制的振动信号 分析和处理程序完成信号的读取 、存取 、分析和显 示功能 。 系统主要组件的技术参数为 :
加速 度计 :JZ -102413 型 , 电 荷灵 敏度 7 .68 pC ms-2 , 质量 26 g , 安装固有频率 30 kHz 。
ICSSNN411-00101-4837T6H2 B轴ea承ring 2020030年3,第No1.1期 26-28
测量与仪器
传感器安装方式对轴承振动测量特性的影响
赵联春1 , 马家驹1 , 曹志飞2 , 刘雪峰2 , 刘朝晖2
(1.浙江大学 , 浙江 杭州 310027;2.人本集团有限公司 , 浙江 杭州 310022)
1 2 3 4 5 平均值来自方案 1Lsp1
40 .5 41 .5 39 .5 42 .0 42 .0 41 .1
Ls11
43.0 43.0 42.5 44.0 43.5 43.2
方案 2 方案 3
Lsp2
41 .0 41 .5 40 .0 41 .5 42 .0 41 .2
L s12
43 .5 43 .5 42 .5 44 .0 44 .0 43 .5
(2)用与(1)相同的方法 , 但将测量得到的信 号接入 B&K 前置放大器 , 经放大和归一化处理后 由微机振动测量分析系统 , 经 A D 变换后进行实
时处理 , 得到振动均方根值和频谱 , 球头传振杆和 平头传振杆得到的测值分别记 Lsp2 和 Ls12 。
(3)用 S0910 型测量仪的驱动 、加载装置 , 采 用固定式加速度计安装方式 , 按文献[ 2] 规定的方 法测量 , 测量信号由微机测量分析系统进行处理 , 得到轴承振动频谱和均方根值 , 记为 La 。
(1)
式中 Kr 接触刚度 , 当接触载荷 、 接触副的
材料和几何特性 已知时可根据
Hertz 理论求得[ 7]
M 传感器系统运动零件的等效质 量[ 1]
ζ 传感器系统阻尼率
1 -输出电缆 ;2 -加 速度计 ;3 -钢螺栓 ; 4 -被测轴承
图 2 固定式测量原理
特制的试验轴承与普通轴承相比 , 有以下不 同 :(1)外圈表面沿轴向有宽度略大于加速度计安 装端面直径的光滑平面 。(2)平面中心处 , 沿径向 有一螺纹孔 。 测量时 , 加速度计可以用钢螺栓与 外圈刚性联接 , 紧贴光滑安装平面 。
试验中 , 专门制造了 6308 -2RZ 轴承 10 套 , 除外圈带一平面和螺孔外 , 其他参数 、质量特性和 正常轴 承完全相同 。 由于采用了专 门的制造工
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《 轴承》 2003.№ .01
艺 , 平面和螺孔的加工没有影响轴承的其他性能 。 由于采用了图 2 所示的固定式安装 , 加速度
(1.Zhejiang University , Hangzhou 310027, China ;2 .C &U Group Co .Ltd ., Hangzhou 310022 , China)
Abstract :For revealing the phy sical nature of ball beairng vibration , a special method has been designed to pick up the signal of radial vibraiton without distortion by an accelerometer rigidly screwed with steel stud onto a flat outer surface of a ball bearing , and vibration value and spectrum of the bearing are obtained from a new measurement system based on micro computer .By comparison with the present measuring method, it is found that the vibration signal picked up through a probe was distorted , the vibration value is lower and the singnal is not suitable for the research of bearing vibration . Key words:transducer ;mount ;vibration;measure ;test
计的安装谐振频率为 出厂时给出的 安装固有频 率。
2 轴承振动测量和分析系统
由图 3 所示 , 轴承振动测量分析系统由驱动 装置 、加载装置 、传感器 、前置放大器 、数据采样板 和微 型 计 算 机 组 成 , 其 中 驱 动 和 加 载 装 置 用 S0910 型轴承振动测量仪 , 传感器可选 , 既可以是 图 1 所示的包含加速度计的探针 , 也可以是图 2 所示的直接安装的加速度计 。 轴承振动信号实时 处理和分析系统在梁文梅[ 8] 的基础上作了升级和 改进 。
1 -输出 电缆 ;2 -测力弹 簧 ;3 -加速度计 ;4-钢螺栓 ;5 -传 振杆 ;6 -被测轴承
图 1 探针式测量原理
图 1 中 , 传振杆和轴承外圆柱表面之间形成
弹性接触 , 系统的安装谐振频率实际上决定于这 一接触副的接触谐振频率[ 1, 7]
f sn =21π
(1
-2
ζ2)Kr M
本文建立的轴承振动信号测量和实时分析系
统为进一步研究球轴承振动的机理和特性创造了 试验条件 。
1 加速度计安装方式及安装谐振 频率
众所周知 , 振动测量中 , 加速度计的选用和安 装方式对测量信号的真实性有重要的影响 。 通常
赵联春等 :传感器安装 方式对轴承振动测量特性的影响
要求加速度计的质量远小于被测对象的质量 , 并 刚性地固定在测量对象清洁平整的表面上成为一 体 , 这时加速度计的特性才能达到出厂时给出的 技术指标 。 如果加速度计采用其他方法安装 , 如 探针式 、粘接式 、磁性吸贴式等 , 安装谐振频率将 显著降低 , 探 针式测量 的谐振 频率一 般为 2 ～ 3 kHz[ 4 ～ 6] 。 1 .1 探针式测量
通过振动检测来综合评定轴承的产品质量 , 实践中已经取得良好的效果 。 但是 , 关于轴承振 动机理和特性的研究迄今进展迟缓 , 对实践中一 些常见的现象还不能做出令人信服的解释 。 振动 机理和特性的研究必须依据对真实信号的分析 , 因此如何测取轴承振动的真实信号一直是人们关 心的问题 。
文献[ 1] 对轴承振动(加速度 , 下同)测量传感 器系统的频响特性作了较全面的研究 , 指出振动 测量中 , 传感器系统的特性是保证测量精确度的 重要因素之一 , 其线性频率范围不符合测量要求 将引起测量误差 , 并提出了提高这一频率范围和 降低测量误差的一些措施 。但对传感器系统引起 的信 号 失 真 、测 量 误 差 的 程 序 和 规 律 等 未 能
轴承振动测量中 , 由于测量条件的限制一般 采用探针式测量方式[ 2, 3] , 加速度计探针式测量原 理如图 1 所示 。 加速度计借助钢螺栓与传振杆刚 性联接 , 测力弹簧施加 1 .0 ～ 10 .0 N 的测力使传 振杆与被测轴承外圆柱表面保持接触 。测量时 , 轴承内圈以一定的转速旋转 , 外圈在轴向力作用 下保持静止 , 外圈表面一点的径向振动经传振杆 被加速度计拾取 , 转换为电信号后由电缆输出 。
为比较安 装方式对轴承振 动测量特 性的影 响 , 用特制的 6308 -2RZ 试验轴承 , 设计了以下三 个测量方案 :
(1)S0910 型轴承振动测量仪上 , 按文献[ 2] 规 定的安装方式(图 1 所示的探针式)和测量方法 , 分别用球头和平头传振杆测量轴承振动的均方根 值 , 测值分别记为 Lsp1 和 Ls11 。
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ζ= c 2 MK r
c 传振杆和引导面的粘性阻尼系数 试验用 S0910 型轴承振动测量仪的传振杆端 部为半径 5 mm 的球面 , M =53 .3 g , 材料的弹性模 量和泊松比分别为 2 .07 ×1011 N m2 和 0 .3 。 传振 杆与轴承外圆柱表面形成点接触 。 本文试验球轴 承 6308 -2RZ 的外径为 90 mm , 材料特性与传振 杆相同 。测力载荷 Q =5 N 时计算传感器与轴承 接触副的接触谐振频率得到 K =1 .283 8 ×107 N m , 由(1)式给出的无阻尼(ζ=0)接触谐振频率为 2 470 Hz 。 根据文献[ 1] 制作了平端面传振杆 , 端部材料 为硬质合金(钨钢), 其弹性模量和泊松比分别为 4 .110 ×1011 N m2 和 0 .28 。 与轴承外圆柱表面间 的有效线接触长度为 6 mm , M =38 .6 g 。 计算得 到 K r =1 .839 8 ×108 N m , 由(1)式给出的无阻尼 接触谐振频率为10 988Hz 。 显然 , 提高传感器与轴承之间的接触刚度能 显著地提高传感器的安装谐振频率 。 1 .2 固定式测量 加速度计以钢螺栓固定式安装的测量原理如 图 2 所示 。 加速度计通过钢制 M5 小螺栓刚性固 定在特制被测轴承的外圈表面 , 轴承振动信号由 加速度计直接拾取 , 转换为电信号后由电缆输出 。
The Influence of Installation Manner of Transducer on Vibration Measure Characteristic of Bearings
ZHAO Lian -chun1 , MA Jia -ju1 , CAO Zhi -fei2 , LIU Xue -feng2 , LIU Chao -hui2
A D 板 :PLC -818L 型 , 16 或 8 个差分通道 , 最高采样频率 40 kHz , 12 位 , 五档输入电压范围 , 三种数据读取方式 。
电荷放大器 :B&K2635 型 , 频率范围 0 .1 Hz ～ 100 kHz , 九档输出电压 , 测量误差 ≤1 %。
3 测量与结果
收稿日期 :2002-04 -16 作者简 介 :赵联春 , 男 , 浙 江大 学工程 摩擦 学专业 博士 研 究生 , 本刊编委 。
进行必要的研究 。 为尽可能获得真实信号 , 特制了外圈带螺孔
和光滑安装平面的球轴承 , 使加速度计能够与试 验轴承刚性联结 , 并建立了基于微机的数字式实 时振动测量分析系统 。依据国内外现行的测量规 范[ 2 ,3] 和使用最广泛的 S0910 型轴承振动测量仪 , 测量对比了加速度计不同安装方式的振动信号 , 通过对轴承振动均方根值和频谱的比较 , 证实了 探针式测量引起信号失真 , 用于分析轴承振动特 性不能获得正确结果的结论 。
用前两种方案测量时 , 测点选在轴承外圈加 速度计安装平面的两侧 , 以两次测量的算术平均 值作为轴承的振动值 。
对 5 套试验轴承进行了测量 , 表 1 给出了 50 ～ 10 000 Hz 频率范围内不同方案下得到的振动值 测量结果和平均值 。
表 1 轴承振动加速度均方根值 dB
轴承编号
图 3 振动测量系统的组成
测量时 , 轴承外圈的径向振动由加速度计拾 取 , 经前置放大器放大和归一化处理后 , 再经 A D 变换进入计算机进行实时处理 。编制的振动信号 分析和处理程序完成信号的读取 、存取 、分析和显 示功能 。 系统主要组件的技术参数为 :
加速 度计 :JZ -102413 型 , 电 荷灵 敏度 7 .68 pC ms-2 , 质量 26 g , 安装固有频率 30 kHz 。
ICSSNN411-00101-4837T6H2 B轴ea承ring 2020030年3,第No1.1期 26-28
测量与仪器
传感器安装方式对轴承振动测量特性的影响
赵联春1 , 马家驹1 , 曹志飞2 , 刘雪峰2 , 刘朝晖2
(1.浙江大学 , 浙江 杭州 310027;2.人本集团有限公司 , 浙江 杭州 310022)