激光扫描技术测量微型轴承保持架摆振

刘品，黄迪山，傅慧燕，莫远珍

(1.上海大学 机电工程与自动化学院 上海 200072；2.上海天安轴承有限公司，上海 200230)

1 概述

保持架振动是衡量轴承保持架运动稳定性的参数之一[1]，其大小直接影响轴承整体的振动与噪声水平。保持架摆振是保持架振动的一种，指保持架径向A，B两点绕y轴摆动或C，D两点绕x轴摆动(图1)。为了测量保持架摆振，首先用传感器拾取保持架直径两端点的轴向振动位移zA，zB或zC，zD，然后采用信号处理方法分离出摆振信号。但在检测微型轴承的振动时，若用激光进行点位移测量，需要2个激光传感器，体积相对较大，不可能同时安装在轴承上方进行检测。而采用激光扫描测量可以解决上述问题，一个激光传感器就可以扫描到保持架直径方向两端z轴方向的振动，从采集到的位移信号提取轴承保持架的摆振。

图1 实体保持架示意图

2 测量仪器

选用KEYENCE的2D激光位移传感器(LJ-G030)拾取保持架轴向位移。该传感器精度为±0.1%F.S,在x，z轴方向的分辨率分别为5 μm，1 μm, 激光扫描点尺寸为45 μm×25 mm, 并可提供单点测量值的数字输出。如图2所示，传感器在z轴方向距测点40 mm时，激光在长轴的光斑长为25 mm，大于保持架的直径宽度23 mm，激光扫描范围覆盖保持架径向两端。

图2 激光扫描器LJ-G030的光束特性

在同一直线上，通过激光扫描，一次可采集保持架、内圈的高度位置共800个点的信息；激光扫描具有单点测量值的输出特性，只读取和存储保持架上的光点值，检测保持架直径两端在z轴的振动位移。

3 测量方法

微型轴承摆振测量装置如图3所示，由试验台、激光检测及计算机控制系统组成，试验台转速可控。测量轴承型号为7002/P4 (参数d=15 mm，D=32 mm，Dw=4.763 mm，Z=11)安装在YZC-Ⅱ轴承测试仪上，内圈固定，外圈旋转，轴向加载1 N，驱动转速为600 r/min。调整激光传感器的位置，使激光光斑能同时扫描到保持架径向的两端，设扫描采样频率为60 Hz，同时拾取保持架两端轴向振动位移，并保存采样数据。

(a)测量示意图 (b)测量装置图片

4 信号数据处理

当驱动转速为600 r/min时，保持架两测点A，B的振动位移时间历程如图4所示。观测其信号可以发现，当直径方向两点在轴向振动一端为最大值时另一端为最小值，故保持架在作摆动振动。对振动位移数据进行8次滑动平均谱分析，得到如图5所示的谱图。 根据轴承几何基本尺寸和转速计算得到其外圈转速频率fe=10 Hz、保持架特征频率fc=6 Hz。结合频谱图可知，保持架振动位移的主要成分为特征频率。

图4 保持架直径方向A，B两测点轴向振动位移信号

图5 保持架上两测点A，B信号频谱

从检测到的保持架径向上两端点的振动，可得到保持架质心轴向振动信号zC

zC=(zA+zB)/2,

(1)

保持架绕y轴摆振信号wy

wy=180×60(zA-zB)/Dcpπ，

(2)

式中：wy为摆振，(′)；zA，zB为A，B两测点的振动信号；Dcp为保持架的兜孔中心直径(23 mm)。

同理, 保持架绕x轴摆振信号wx

wx=180×60(zC-zD)/Dcpπ，

(3)

式中：zC，zD为C，D两测点的振动信号。

根据(1)和(2)式，分离实测信号得到如图6a所示的轴承保持架质心轴向振动位移的2 s时间历程；图6b为轴承保持架摆振时间历程。图7则是对应的振动频谱。

图6 保持架质心轴向振动和摆动的2 s时间历程

图7 保持架质心轴向振动和摆振频谱

5 摆振的特点

由于微型轴承保持架受碰撞、流体润滑的随机作用及轴承沟道几何形状误差的影响，保持架的摆振轴随时间漂移。当摆动轴与观测点zA，zB的连线垂直时，观测到的摆振为最大；当摆动轴与观测点zA，zB的连线重合时，观测到的摆振的幅值为零。因此，测到的摆振振幅时大时小，呈现葫芦状。如图8所示，在实测中，当观测时间较长时，摆振时间历程呈明显葫芦状。在信号提取过程中，为了消除高频成分对摆振观测的干扰，采用滤波处理。图中所示信号是以6 Hz为中心频率，2 Hz为边带宽的对摆振信号约7 s时间历程的滤波结果。

图8 保持架摆振的7 s时间历程

试验结果表明：保持架摆振时间历程观测与测点位置有关，但是，摆振的最大振幅和频率在不同点观测结果是类同的；虽然摆振呈现葫芦状，但保持架摆振的频率成分相对比较单一。然而，对保持架的摆振轴随时间漂移问题，目前尚无规律可循，这一现象有待于进一步观测和研究。

6 结束语

激光扫描技术能有效地检测微型轴承实体保持架的轴向运动，从保持架直径两端测得的位移信号中分离出保持架摆动和轴向振动。保持架摆振是衡量保持架运动稳定性的参数之一，其存在会引起保持架的锥运动[1]，因此，摆振的检测研究对保持架动态特性的全面评价，以及对轴承加工质量的相关性研究有着现实的工程意义。由于所采用的激光扫描技术最小采样间隔是3.8 ms，现有的技术水平限制了微型轴承保持架摆振的频率测量范围，目前这种技术仅适合于低转速工况的测量。