1《滚动轴承 振动(加速度)技术条件及测量方法》研究报告

《滚动轴承振动（加速度）技术条件及测量方法》标准研究报告
1 研究目的和意义
结合2009年发布的国家标准《滚动轴承振动测量方法》GB/T24610.1-2009、GB/T24610.2-2009 、GB/T24610.3-2009和GB/T24610.4-2009的相关要求，根据我国轴承行业振动测量方面的应用和发展现状，为了规范和统一行业现行的滚动轴承振动（加速度）测量方法，积极与国际标准和国外先进标准接轨，全面满足用户要求，进一步提高质量，收集了国内几家主要轴承生产企业和日本NSK公司的轴承样品，与行业仪器生产企业和轴承生产企业进行深入沟通，对轴承振动（加速度）测量仪器进行了全面改造，经过对各型号轴承的反复测量和试验验证，并广泛征求了相关部门和行业用户的意见，已经于2011年完成了JB/T5314《滚动轴承振动（加速度）测量方法》的修订工作。

JB/T7047-2006《滚动轴承深沟球轴承振动（加速度）技术条件》标准自2006年颁布实施以来，对规范深沟球轴承振动的测试，提高国内深沟球轴承的动态性能、满足用户产品验收以及促进行业技术进步等起到很大的作用。

由于JB/T5314《滚动轴承振动（加速度）测量方法》修订之后测量方法的内容发生了很大变化，所以有必要对与之配套使用的JB/T7047《滚动轴承深沟球轴承振动（加速度）技术条件》标准尽快进行修订。

本项目通过对国内外轴承产品的振动加速度测试，制订出与振动加速度测量方法相匹配的并与国际先进水平接轨的振动加速度限值，以满足用户对轴承振动性能判定的需要。

2 国内外研究概况及国内存在的问题
滚动轴承的振动可使用很多方式中的任一种来评定，目前国际上主要形成了以两种物理量（速度和加速度）为基础的轴承振动测量系统。

美国和西欧的轴承公司多以轴承振动速度作为被测物理量，而俄罗斯和东欧则多以振动加速度作为被测物理量。

我国最初轴承振动测试技术研究重点是以加速度为基础的，各轴承企业配备的测试手段大都是以加速度为物理量的仪器。

近年来，由于机电产品，特别是家电和自动化办公机具的发展，对滚动轴承的动态性能提出了更为严格的要求，不仅要求轴承的振动低、音质好，而且要求
轴承具有一定的振动寿命和噪声寿命。

国内一些厂家生产的低噪声深沟球轴承，其动态性能已接近或达到国外实物先进水平，尤其是轴承的振动值有较大幅度的下降。

但实测样品的振动值离散性较大，有异常声的轴承也占到一定的比例。

滚动轴承振动加速度测量已在国内机械振动测量中广泛应用，由于加速度对异常声比较敏感，在轴承振动测量和故障诊断中振动加速度测量占主要地位。

3 研究内容
JB/T5314《滚动轴承振动（加速度）测量方法》标准在2011年进行了修订，新修订的JB/T5314-2011标准对滚动轴承的测试条件发生了很大变化，从而导致了测量值的很大变化。

因此JB/T7047《滚动轴承深沟球轴承振动（加速度）技术条件》标准的修订应以新的测试方法重新取得数据，并考虑国内外深沟球轴承的生产现状，工艺技术水平及用户的要求。

本标准的修订是根据国内目前实际生产和使用状况，以实用性为基础，同时使其具有先进性，促进行业产品振动水平的进一步提高。

3.1 JB/T5314 标准修订主要内容
原标准JB/T7047依据轴承的内径变化为依据进行实验得到实验数据，进行标准编制，新的标准是依据轴承公称外径的变化制定的。

此次标准修订增加了轴承振动（加速度）和振动（加速度）峰值测量时设定的物理量。

对轴承轴向载荷和径向载荷的设定值进行了修改，将原标准中按轴承公称内径尺寸来设定载荷改为按轴承公称外径尺寸来设定载荷，同时将载荷值跟国标相统一。

参考国标，增加了不同结构类型轴承的具体测试方法和测点位置要求，使测试方法和程序更加完善。

对读取轴承振动值时的测量持续时间作了补充说明，增加测量持续时间不低于1s的要求，以保证测量过程数据采集的数量有效性。

原标准是取各点测值的算术平均值为振动评价值，而国标是取各面各点测值中的最大值为振动评价值。

为了与国标相统一，故修改为取各点测值中的最大值作为轴承的振动加速度级。

（1）按修订标准要求对仪器的基础振动加速度级进行了试验验证。

测量外径在10mm＜D≤100mm范围内轴承振动时，其驱动装置的基础振动加速度级为2~4dB；测量外径在100mm＜D≤200mm范围内轴承振动时，其驱动装置的基础振动加速度级为6~9dB，均能够满足标准修订后的要求。

（2）按修订标准对轴向和径向载荷对中精度测量的要求，在两台测振仪上分别利用两块千分表分别对轴向载荷和径向载荷的对中精度偏差进行了测量，其中轴向加载机构的径向偏差和角度偏差为0.13mm和0.11°，径向加载机构的轴向偏差和角度偏差为0.1mm和0.15°，分别符合标准中表5与表7规定的极限偏差值。

（3）利用标准振台输出的固定振幅信号（对应40 dB和70dB）检验电子测量仪器的换挡误差为±0.1dB，满足修订标准规定的不大于±0.3dB要求。

（4）验证测量仪器的轴向和径向载荷加载情况，确认加载大小可以满足要求。

表1和表2分别为轴向和径向加载机构中汽缸气压与载荷的对应表格。

同时考核了载荷大小对振动（加速度）测量结果的影响，抽样同一厂家型号为6004的轴承5套，正反面各测试6点，由图1可以看出，转速相同，载荷增加，轴承的振动测量值减小。

表1 SN轴向加载实验（气压-公斤）对应表格（汽缸为32缸径双杆汽缸）
图1
（5）通过转速监控系统对仪器测量过程中的转速变化情况进行监控，在不使用变频器的情况下，加载测试过程会产生掉速，使用变频器进行转速控制后，加载测试过程转速稳定。

仪器的主轴转速能够满足修订标准的要求。

同时考核了转速大小对振动（加速度）测量结果的影响，抽样同一厂家型号为6202的轴承5套，正反面各测试6点，如图2所示，载荷相同，转速提高，轴承的振动测量值增大。

（6）分别按原标准和修订标准中的转速和载荷大小要求，对轴承振动加速度级进行对比测量，抽样同一厂家型号为6205的轴承5套，正反面各测试6点，二者的对比图如图3所示，新旧仪器测得的数据有一定的差值，但变化规律相同。

图3
（7）验证不同种类和尺寸段轴承在新仪器上的测量稳定性。

选取国内几个主要轴承生产厂家生产的0、2、3系列，内径分别为5，7，10，15，20，25，30，35，40，45，50，55，60mm的深沟球轴承样品进行了测量，共29个型号，135套。

同时也对国外NSK公司的深沟球轴承、圆锥滚子轴承和圆柱滚子轴承样品（共110套）进行了测量，通过试验验证，改变测量转速和载荷等技术指标的新仪器测试过程稳定，测得的轴承振动加速度级数据能够有效的反映轴承的质量特性。

3.2 JB/T7047标准修订主要内容
3.2.1样品的选取及尺寸段的划分
对国内外轴承样品进行测试分析的目的，是为了了解当前国内外轴承的实际振动质量水平、试验数据的分布状况，为标准的修订提供可靠的依据。

为此，在收集轴承测试样品时，为了在生产厂家、尺寸系列、尺寸规格、振
动水平档次等方面尽可能全面，以充分反映国内外深沟球轴承的实际振动水平。

标准在修订过程中对国内不同质量档次的5家轴承生产厂家以及国外1家轴承厂家提供的直径系列分别为0、2、3，内径尺寸d=4～75mm，共40个型号总数1500余套微型和中小型深沟球轴承样品。

国内部分厂家还将样品分为低振动（低噪声）、普通品和有异常声三个档次，均为随机从产品库中的抽样产品。

按新修订完成JB/T5314-2011《滚动轴承振动（加速度）测量方法》标准的有关内容，JB/T7047《滚动轴承深沟球轴承振动（加速度）技术条件》标准的修订拟以轴承外径尺寸进行分段。

JB/T5314-2011中对深沟球轴承振动测量施加轴向载荷时，对外径尺寸的分段为：>10~25(mm)、>25~50(mm)、>50~100(mm)、>100~140(mm)、>140~170(mm)、>170~200(mm)。

考虑到深沟球轴承外径30（mm）以下多数型号集中，所以对轴承外径尺寸范围30（mm）以下拟以5（mm）左右为一个分段，外径尺寸范围30（mm）到200（mm）拟以10（mm）为一个分段。

测量样品型号分布以及尺寸段划分结果见表1。

表3 测量样品型号分布以及尺寸段划分
3.2.2 测试方法
1．测试目的：通过对样品轴承的振动测试和评定分析，为标准修订提供依据。

2．测试内容：轴承振动最大值、振动峰值。

3．测试仪器：大连博峰轴承仪器有限公司生产的S0910-3振动测量仪。

4．测量方法：按JB/T5314-2011的规定，每套样品轴承正反二面各测三点，记录各测点的测量值，最后取被测轴承两面共六点测值中的最大值该套轴承的振动加速度级，各测点峰值的最大值作为该套轴承振动加速度级峰值。

3.2.3 轴承样本的统计计算
表4 选取实验样本的轴承型号分布
其中一个国内厂家所提供的试样中同一型号的产品提供了三种试样，故最多一共有七种试样，为了方便，定义七种产品分别为A、B、C、D、E、F、G，其中A 为国外厂家，B、C、D为某厂家为同一型号提供的三种不同产品，E、F、G为剩下的三家国内厂家。

实验时每一型号的轴承样品进行5-20组实验，得到振动加速度实验值，计算结果的平均值(Y)及标准差(S)，以平均值加上两倍标准差作为每一型号轴承的振动加速度标准值(Y+2S)，对同一系列不同型号的轴承，将轴承的公称外径与振动加速度标准值进行线性回归分析，拟合一次曲线。

首先给出实验结果及计算得到的标准值：
表5 0系列产品实验结果表
是特别大，在这里取同一型号的实验最优值作为Z3等级的制定标准，取其最差值作为Z2等级的制定标准。

为了统一，将所有实验值均四舍五入到小数点后两位数字。

将需要纳入统计的标准值列表。

表8 Z3等级选用轴承型号及其标准值
了得到外径与振动加速度标准值的关系，对每一系列的统计数据进行线性拟合。

为了方便，在这里我们先给出每一系列数据线性拟合的结果，后面的附录部分给出了计算过程及数学原理，具体的计算采用matlab软件给出结果。

图3 Z3 0系列拟合图形
直线方程：y=0.2057x+22.8987
直线方程：y=0.2043x+23.4589
直线方程：y=0.1535x+25.6523
直线方程：y=0.1877x+25.8955
直线方程：y=0.2172x+25.0582
图8 Z2 3系列拟合图形
直线方程：y=0.1365x+29.0376
根据计算结果，将每一系列所采用轴承的标准值与拟合计算值进行对比。

表10 Z3 0系列拟合结果
准，为了保证同一外径范围内外径较大的轴承的等级不会出现偏差，我们以计算出的上限取整，并取较大的整数。

得到这两个等级的标准，再以这两个标准为基准得到Z1级Z4级以及Z级的标准。

对于每一系列轴承，其拟合结果与实际取值并不相同，实际取值是在计算结果的上限基础上取整值，实际取值与计算结果的对比图示如下。

图9 0系列计算直线与实际取值对比
图10 2系列计算直线与实际取值对比
图11 3系列计算直线与实际取值对比
可以看到，拟合出的直线同一系列的轴承其斜率并不相同，但是在实际取值的时候根据实际情况进行调整，使得最终的取值结果大致平行，斜率相等，因此可以在以Z2和Z3等级为基础计算Z、Z1、Z4等级的时候，取同一系列的斜率平均值作为其斜率，而截距可以取等差数列来计算。

Z3等级0系列轴承拟合方程为：y=0.2057x+22.8987，Z2等级0系列轴承拟合方程为：y=0.1877x+25.8955。

为了得到Z1等级和Z4等级的计算方程，采用Z2和Z3等级轴承拟合方程的斜率取平均值作为Z1和Z4等级方程的斜率，而截距则以Z2和Z3等级的截距为等差数列递推得到，这种方法得出的Z1等级轴承的计算方程为：y=0.1967x+28.8923，Z4等级轴承的计算方程为：y=0.1967x+19.9019，Z等级的计算方程为y=0.1967x+31.8891。

同样的方法计算可以得到2系列的轴承不同等级的方程和3系列轴承的不同等级方程，将最终的计算结果给出如下：
表16 Z、Z1、Z4等级方程
最后得到的标准值如下表。

表17 振动加速度限值
峰值ZP3标准的制定，采用与Z3标准相同方法，首先给出统计用到的实验
结果值。

表18 ZP3 等级选用轴承型号及其标准值
ZP3 0系列：y=0.1909x+38.6007
ZP3 2系列：y=0.2693x+36.1404
ZP3 3系列：y=0.2228x+38.1654
由于振动峰值可以按公式L max=L+20lg C计算求得，L为有效值，C是振动波峰因数，对于无异常噪声的轴承，可以取C=6，由此公式可知峰值与有效值之间是一个等差的关系，因此对于ZP4等级而言，可以采用Z3与Z4等级之间的差作为其与ZP3等级之差，因此可得ZP4等级的方程为：
ZP4 0系列：y=0.1909x+35.6039
ZP4 2系列：y=0.2693x+34.5411
ZP4 3系列：y=0.2228x+34.7801
从拟合方程计算上下限最后可以得到ZP3等级和ZP4等级的标准值。

表19 ZP3和ZP4等级标准
最后得到本次修订的振动加速度级限值和加速度峰值限值
表20 振动加速度级限值和峰值限值
根据以上标准对本次数据提供的A、B、C、D、E、F、G七个厂家的产品型号进行合格率验证，结果如下。

表22 各个厂家达标情况表
内的达标情况比国外的轴承稍差，但达标情况也较为良好，Z3与Z4等级的轴承国内产品与国外的差距就比较大了，这说明目前国内轴承产品与国外仍然存在差距，需要提高生产水平。

附录 关于线性拟合的计算过程
这里我们以Z3等级0系列轴承为例来说明线性拟合的计算过程，这一系列我们需要拟合的数据为：
表23 Z3等级0系列轴承实验结果
小二乘法中a 和b 的计算公式为：
()()()1
111222111111n n n n i i i i i i i i i i n n n i i i i i i n n
i i i i n x y x y x x y y a x x n x x a b y x y ax n n =========⎧⎛⎫⎛⎫
---⎪
⎪⎪⎝⎭⎝⎭⎪==⎪⎛⎫--⎨ ⎪⎝⎭⎪
⎪=-=-⎪
⎩
∑∑∑∑∑∑∑∑∑
引入记号()()()()22
211122211111
11111n n n xx i i i i i i n n n
yy i i i i i i n n n n xy i i i i i i i i i i S x x x x n S y y y y n S x x y y x y x y n ==========⎧⎛⎫=-=-⎪
⎪⎝⎭⎪
⎪⎛⎫⎪
=-=-⎨ ⎪⎝⎭⎪
⎪⎛⎫⎛⎫
⎪=--=- ⎪⎪
⎪⎝⎭⎝⎭⎩
∑∑∑∑∑∑∑∑∑∑
则关于a 、b 的公式可以简写为
1111xy xx n n
i i i i S a S b y x a n n ==⎧
=⎪
⎪
⎨⎛⎫⎪=- ⎪⎪⎝⎭⎩
∑∑ 线性回归分析中，进行线性拟合后，还要对线性回归的回归效果是否显著进行讨论，以确定自变量与因变量之间的线性相关性是否显著，这是线性假设的显著性检验。

进行显著性检验时要先求出我们所取样本与拟合直线之间的偏差Q ，其计算方法为：
()2
1
n
i i i Q y ax b ==--∑
依据数理统计中的理论，变量
()2t n -
其中：σ=。

这样，假如我们给定一个置信区间，那么就可以根据t 分布的特点来检验我们要拟合的系数a 的显著性水平。

由于实验数据较多，需要的计算量很大，人工计算耗时，我们使用matlab 软件进行数据处理，matlab 软件计算能力强使用方便，在数学应用时能够起到十分巨大的作用。

在计算时我们只需要输入x 和y 的初始矩阵，然后利用polyfit 函数进行拟合就可以得到我们想要得到的结果了，计算时只需要执行一个[a b]=polyfit(x,y,1)命令即可，我们以上的计算结果均是通过matlab 软件得到。