波纹度仪表物理量的选择.pdf

测量与仪 器 波纹度仪表征物理量的 选择及波段划分 抗州轴承试验研究中心 方正全 ABS TRACT Di s p l a c e me n t t y p e wa v i n e s s t e s t e c ou l d b e us e d t o e f f e c ti v e l y c o nt r o l v i b r a t i o n o f fi n i s h e d b e a r i n g s i f b ot b a r i t h me tic a l a v e r a g e v a l ue of wa v e h c i g h t a n d a v e r a g e s l op e o f wa v e f o r m a r e a d o p t e d t o e v a l u a t e t h e wa v e f o r m c h a r a c t c r i s t i c s o f t h e wo r k i n g s u r f a c e s o f be a r i n g e l e me n t s Th c p e r f or ma n c e o f v e l o c i t y t y p e wa v i n ess t est c r i s s u p c r i o r b c c a u s e i t i s u s e d n o t o n l y f o r e v a l ua ti n g wa v e h c i g b t b u t wa v e fo m di s t o r t i o n a s we l 1 Th e d i v i s i o n o f wa v e b a nd o n wa v i n e s s t es t e r s ho u 1 d b c i n a c c o r d aa c e wi 山 t h e n u mbe r o f wav e s p e r c i r c u m r c r c n o c of wo r k i n g s u r f a c es o f b c a r i ng e l e me n t s c o r r c s p o n dl n g t o i n d i v i du a l f r e q u e n c y b a n ds o f b e a r i n g v i b r a tio n t c s t c r Th e f r c q u c n c y r a n g e s o f wa v c b a nd s a n d n u mbe r o f wa v e s p e r c i c u mf c r c n c c o f dc c D g r o o v e b a l l b e a r i n g e l e me n t s i n d i l T c r c n t wa v e b a n ds a r c r c c ommc n d c d i n t h i s pa p c r 轴承 振动表征轴承 产品的综 合质量 大 量试 验研究结果 表明 轴承 零件工作表面 波 纹是影 响轴承 振动的主要因索 国外轴 承生 产厂家在磨削 精研工序广泛采用波纹度仪 来控制套圈沟 滚 道 f 滚动体表面波纹数 位 进而达到控制轴承产品振动与精度的目 的 鉴于目前波纹度仪采用的物理岔与波段 不尽丰 H 同 本文着重通过对波纹度仪表征物 理皿 波段范围等技术参数的分析 以求台 理地选择技术参数 使波纹度仪测位与轴承 振动测量仪测缸有 良好 的对应关系 从而达 到 更有 效 地 控制 轴 承产 品振 动与精 度 的 目 的 一 表征物理量 的选择 目前 所 使用 的波纹 度仪 品种 比较多 0作者系副总工程揶兼性能研究宜主任 工程揶 编者注 归 纳起来 主要有两 种类型 一 种是位 移型 示值单位为 p i n或 p m 另一种是 速度型 示值单位为 m S 这两类仪器各 有其特 点 1 位移 型波 纹度仪 位移型波纹度仪的测量结果是由仪表显 示的位移值 若设被测波纹轮廓展开在直角坐标系中 的曲线方程为 y 其中心线为 测 定总长度为 厶 则渡纹度值可由下式定义 1 W j I x 一 y l d x 1 从 1 式可知 位移型波纹度仪的示 位实际上是所测波纹 轮廓 渡高 的算术平均 位 实践表明 用此类仪器控制轴承零件工 作表面波纹波高的算术平均值 可以在一定 程度上控制轴承成 品的振 动 但 在轴 承零件 波纹度与轴承成品振 动相关分析 中会 出现 异 常情况 例如将一组沟道波纹度值相等或相 轴承 1 9 9 1 怕 4 3l 维普资讯 近的轴承 内圈分别与工作发面几何形状误差 相近 的外 豳 钢球台套 其振 动位有时差异 很大 观 察这一 组 轴 承 内幽 道 的波形 可 知 波形畸变大的 台套后则扳动缸高 反 之则 低 如果在位穆型波纹度仪上增加一个技术 参 效 波形 乎均 斜 率 来 控制 波形 畸 变程 度 则可以弥补上述的不足 若 设设测波纹 轮廓展 开 在直角 坐标 系 中的 曲线方 程 为 厂 x 测定 总长发 为 L 则波形平均斜 率可 由下 式定 义 圳 当然 这一 般需要J 叮 微处理机 的数字 f U路系统来 讣算 2 速度 型波纹度仪 1 测量 原理 其 测 监 原理 与位 移 型波 纹度 f Z 基术 牛 H l 川 不 之处是谭 4 监结果 由仪 表显示速度的均方根 f i 旋转波形 激励的速度均方根 位与波形有 什么戈 系 为讨 沦问题简明起见 假 匮被 测 波纹轮廓 曲线展开在直角坐标系 中的波形方 程为正弦波 由 F式 表示 y A s i n l 2 J 3 式中 正弦波的幅 觎 i l E 弦波帕波长 考虑到测 试埘坎测工件 农而以恒定的角速度 旋转 忽略轮踯波形埘测点处切 阳速度的影 响 3 式可变为 A s i n 竽 I 4 式中 一测 点处 的 叼阳速度 f 一工 件旋 转时 问 对 4 式 求导 得 瞬时速度 位 箬 z 詈 c o s 2 r V 5 出 5 式求得述发均方根 仇为 2 6 从 6 f 以荇 I I 旋转 波形激 励的 速度均方根值与波形幅缸 渡高 成 正比 与波长成反 比 印波长越 长 所测得的速度 均 方 根位越小 这就反 映 了波形畸变 程度 与此同时 旋转波形激励的速度均方根伍与 测点的切向速度成 正比 即测点的旋转半径 越大或旋转频率越高 则速度均方根位越 大 对于深沟球轴 承来 说 其 内外圈沟径 的 尺寸公差一般控制在 0 0 2 ram 以内 圆挂 滚子轴承内 外 圈滚道直径的尺寸公差一般 控制在 0 0 4 ram 以内 同型号轴承套 圈沟 滚 道 直径 尺 寸变 化对 测点处 切向速度 的 影响可以忽略不计 2 试验 分 析 选 取 滚道 波 纹差 异 较 大 的 2 3 0 7轴承 内圈 2 2个 在速度 型波 纹度仪 试验装置上测试各个 内圈滚道波 纹激励 的速 度均方根值 此试验装置为两波段 疏波段 测 1 7 1 6个 渡 密 波段 测 l 6 1 2 8个 渡 然 后把这 2 2个 内圈分别 与几何 精度 相近 的 滚 子 外圈台 套 在 B VT 2型 圆柱滚子轴 承振动测量仪上测试 轴承成 品振动的速度均 方 根 值 B VT 一 2型 溅 振 仪 主 轴 转 速 为 8 0 0 r mi n 径 向加 载 三 个 频 段 示 值 低 频 段5 0 3 0 0 Hz 中 频 段3 0 0 l 8 0 0 Hz 高频 段 8 0 0 1 0 1 0 z 两 种仪器测值列入表 1 对表 数据分别作疏渡与低频段 密渡 与 中频段 的一 元线性 回归 分析 结果 如下 内圈波纹 的疏渡与轴承成 品低 频段振动测值 的相关系数 为 0 7 3 内圈波纹的密渡与轴 承 成 品 中 频 段振 动 测 值 的 相关 系 数 为 0 8 7 当相关系数大于 0 5 3 7时 相关性在 0 0 水平 上显 著 比较上述两种类型波纹度仪可知 速度型 波纹度 仪避 免了 RC积分 电路引起 的频率特 性与非线性误差 其测伍不仅反 映了被测工件 表面波形的波高 而且反 映了波形畸变的程 度 因而控 制 轴承 成 品振 动更为 有敛 S KF 轴 承 公司从 6 0年 代起就研 制 了速度 型波纹 度仪 用于磨削 精研工序的波形 控制 3 2 轴 承 1 9 91 4 维普资讯 表 l 2 J 0 7轴承内固l嫂纹对轴承撖动帕彤响 被鼓位 振动证 被纹恤 振动啦 编 号 编号 巯波 密赦 低授段 中颇段 疏波 密波 低籀段 中颠段 I 9 40 3 00 0 28 3 5 们 I 2 5 0 5 7 7 5 I 5 o 1 6 0 2 1 0 9 0 2 9 7 5 2 5 0 5 5 3 I l 1 I 5 9 3 0 5 0 0 t 3 o 3 9 7 0 2 7 9 5 2 2 7 3 7 l 4 g g O 9 2 0 3 1 0 I 3 7 4 91 0 2 5 5 0 2 5 3 4 7 7 l 8 3 5 I 9 2 0 4 3 3 I 2 7 5 2 O 1 9 35 2I 7 I 77 I 6 O 1 09 5 22 3 I 6 7 6 5 g O 2 枷 l 8 3 l 9 0 l 7 O 9 l S 3 1 4 0 7 5 7 0 8 0 0 I 93 l 4 0 l 8 3 55 43 0 l 7 8 1 0 3 8 3 4 0 6 2 20 l 4 7 l 9 9 65 9 92 4 OO t 2 7 9 6 0 6 6 0 瑚 1 6 0 2 0 l 75 5 ll 5 87 1 0 5 a5 9 25 7 O l 2 7 21 2 o0 6 35 n 5 92 I 1 405 8 2 5 l S 3 l 1 7 22 1 90 67 5 l 2 0 l 0 2 二 波段 的 划分 波纹度仪波段的划分要依据所用分频段 轴承振 功测 盈仪 频率范嘣所对盥 的轴承零件 工作表面盍 f 周渡数 为了确定它们之间的对 应关 系现分 析如下 I 旋转波形激励的频率 从 波纹度 仪谭I 原理可知 测 试轴承零 件工作表面的波纹特性是在旋转状态下进行 的 旋转波形激励的频率为 厂 一 7 式中 被测工件表而 每周波数 斤一波形 的旋 转频率 在 轴承零 件 与渡纹发仪芯轴之间无翱 t 滑 动 时 即 为波纹度 仪 主轴的旋 转频率 Hz 从 7 式 可知 当波纹度 仪 主轴 旋转 频率一定时 旋转波形激励 的频率 与被 测工 件表丽铘周渡数成正 比 2 球轴承经向振动圭频率 轴承零 件工作 而波纹同时激励轴承成 品轴向 径 向和角振动 考虑到轴承成品振 动测试 的情 况 这里只讨论轴承成品的径向 振动 为简明起觅 假设轴承l零 件为刚体 钢球沿套圈沟道运动 为纯滚动 只母虑内 外套圈和 钢球工作表面波纹激励 的轴承成 品径向振动的主频率 忽略旁瓣 频率 轴承零件工作表面波纹激 励 的轴 承成 品径 向振 动圭 频率 可 采 用文猷 l l q J 有关公式进行 近 似 t 算 1 外 圈沟道波纹激励 的轴 承成 品径向振动主频率为 D w c o z 式中七 t 母 脚沟道每周波致 内圈旋转频率 Hz 上 钢 球直径 D 球 中心 径 一接触 角 对 于深 沟球轴 承来说 由于接触 角较小 8 式可简化 为 竽 t 一 2 内圈沟道 波纹激励 的轴 承成品径 向 振 动主频率为 t D C 0 式中 七 内豳沟道每周波数 对 于揉 沟球轴 承可 简化为 竽 1 3 钢球表面波纹激励的轴承成品径向 振 功主频 率为 一 一 D 2 CO S 2 z 式中 钢球发面每周渡数 对 于深沟球轴承可简化为 一 一 箬 轴承 I 9 9 I 岫 4 3 3 维普资讯 3 波 纹度 仪波段的频率范围 根据g l 前使用的轴承振动测量仪两种主 轴转速 1 8 0 0和 1 5 0 O r rai n 低 中和 高频段的频率范围 5 O 3 0 0 3 0 0 l 8 0 0 和 1 8 0 0 1 0 x 1 0 Hz 和深沟球轴承优化 设计统 一图册所规 定的轴承结构参数 运用 9 1 1 与 1 3 式 可以分别计算出内 外 套圈沟遭 钢球表面渡绽激励上述频段的波 数范围 其计算结果列人表 2 和表 3 从表 2 表 3可 以看 出 同型号轴承 内 外套圈沟道 钢球表面波纹激励相同轴 承成 品径 向振动频率范 围的波数范围各不相 同 主轴转速不同的轴承振动测量仪各频段 所对应 的轴承零件工作表面的波数范围也是 不同的 纵观各型号深沟球轴承 波纹度仪 各波段应测波数见表 4 表 5 所示 应当指出的是 表 4 表 5 虽然 由深沟 球轴承导出 但由于所使用的计算公式均采 用滚动轴承一般 运动 学关 系 如果假设 圆柱 滚子轴承零件为刚体 滚子沿套圈滚遭运动 为纯滚动 忽略圆柱滚子轴承运转时滚子倡 离其 自转轴线的影响 经采用圆柱滚子轴承 结构参数计算 表 4 表 5 仍近似适用于圆 柱滚子轴承 表 2 轴承零件工作表面渡纹渡数0 单位 渡数 周 5 0 3 O O t l z 3 o 0 l 8 o 0 l z l 8 0 0 1 0 1 0 Hz 型 号 外圈 内圈 钒球 外圈 内瞳 钢球 外圈 内圈 钢球 2 o 0 一 26 3 l 6 l 5 2 6 1 5 6 I 6 9 7 5 2 9 l 5 6 S 6 0 54I 29 I 6 4 2 0 3 d 2 6 3 1 6 l 5 2 6 l 5 6 l 6 9 7 5 3 O 1 5 6 8 69 97 5 4t 3 O l 6 4 2 0 6 4 3 l 7 1 4 2 5 1儿 1 7 l o 0 4 2 6 l 5l S 3 S I o 0 一5 26 1 4 3 2 0 9 d 2 4 3 1 7 1 4 2 4 1 47 l 7 1 O2 2 3 1 4 7 8I 5 1 0 2 5 6 4 2 3 1 25 2l 2 4 2 4 3 1 7 l 一4 2 4 l 46 l 7 1 O2 4 2 2 l 4 6 Sl 0 1 0 2 5 6 6 2 2 1 2 2 3 0 0 5 27 3 一 1 B 1 6 2 7 l 6 4 l 6 9 4 6 3 5 1 6 4 91 4 94 525 3 5 I 9 4 3 0 3 5 2 7 S 1 6 I 6 2 7 1 6 4 I 6 9 5 6 3 5 l 6 4 9 l 2 9 5 2 5 3 5 1 9 3 3 o 6 d 26 3 l 6 l 5 26 l I 6 9 8 5 2 9 I 5 6 8 67 9S 4 2 2 9 1 6 3 3 O 9 d 2 6 3 1 6 l 5 26 1 5 7 I 6 9 7 5 3 O l 5 7 1 1 7 4 97 5 3 9 3 0 l 6 8 3 2 d 26 3 J 6 J 5 2 6 一l 57 l 6 9 7 5 3 1 1 l O 97 O 3O I 表 3 轴承零件工作表面波纹波致 单位 谈数 周 5 O 3 O Hz 3 o 0 I 8 0 0 Hz 1 s 0 0 1 0 I o Hz 型号 外嘲 内l 盔 f i 锕l 卦硝 内凰 锯球 井 皤 内圈 锕球 2 0 O 5 3 1 3 1 9 I I 6 3 I l 8 8 1 9 l 1 7 6 l 船 1 O 4 2 1 I 7 6 4 9 3 5 1 9 6 20 5 3l 3 l 9 l 1 6 3l 1 88 l 9 lI 7 6 3 5 1 88 I o4 2 1 1 7 6 49 3 5 1 9 7 2 0 6 5 3 O 3 2 O I 1 5 3 O 1 8l 2 O l 2 0 5 3 1 t 8 I I o 0 6 1 2 0 6 6 4 3 l I 7 I 2 09 5 9 3 2 O I l 5 2 9 l 76 20 l 22 5 27 1 7 6 97 8 l 2 2 6 7 7 27 l 5 O 2 l 2 5 2 9 3 2 0 1 4 2 9 5 2 0 l 22 4 26 l 75 97 3 I 2 2 6 79 2 6 1 47 3 O 5 3 3 3 9 I 7 33 l 9 7 l 9 l 3 42 1 1 0 9 6 I l 3 6 30 42 23 3 3 0 3 5 3 3 3 l 9 I 7 33 1 9 7 l 9 l 1 4 1 4 2 1 9 7 1 0 9 4 I 1 4 6 3I 42 23 2 3 06 5 31 3 2 0 l 6 3I l 8 7 2 0 ll 7 6 35 I 87 1 04 1 1 I 1 7 6 50 35 1 9 5 3 09 5 3l 3 l 9 l 6 3I l 89 l 9 1 1 6 6 36 I 89 l 04 9 l l 6 6 46 3 6 20 1 3 l 2 5 3 l 1 9 l 6 l l 8 S l 9 l 1 7 6 3 6 l 船 l 0 4 4 I l 7 6 4 8 1 9 8 对应于主I fl I 转速 l 8 o o r rai n 轴承振动测量仪备颠段 对应千主轴转速 I 5 0 r rai n 轴承振动测盈仪各频段 3 4 轴承 1 9 9 1 4 维普资讯 表 4波纹 度倥 各波 段应 封 泼数 0 巯 波 中 波 密 波 外蠲 4 2 6 2 6 I 5 S I 5 5 8 6 3 内圈 I 3 I 6 I 6 9 3 9 8 钢球 I 1 5 S 一2 9 2 9 一l 6 0 0对应千主轴转建 1 8 r m m 分额段轴承振动 盘仪 表 5 波纹度倥各波段应测 嫂数0 被 疏 渡 中波 密波 轴承零件 外 图 5 3 l 3 I 一1 8 7 I 8 7 1 0 3 6 内圈 3 2 0 2 0 一 I l 3 I l 3 6 5 3 钢球 I 一6 6 3 3 3 3 I 9 2 0对 应于 主轴 转速 I 5 o o r mi n 分 颤段 轴 承振动 测 盈仪 运用 表 4或 裘 5及 7 式可 以计算 出 波纹度仪各波段的频率范围 在实际仪器 中 疏 波 段下截止 频率 往往受到滤除主轴旋 转频率干扰信号的般制 密波段上截止频率 受到传感器谐振频率的限制 i 关铋分析 1 日本 L w Ms 一 4 A型 波纹 度仪 该 仪器为位 移型轴承套 圈波纹度仪 主 轴转速 7 2 0 r mi n 分为疏 密两波段 疏 波段 测 3 1 7个 波 密波 段测 1 7 1 0 0个 渡 对 照表 4 表 5可知 用此 仪器测量轴 承内圈沟 滚 道波纹度 其琥 密两波段 与 主轴 转 速 l 8 0 O r rai n的轴 承 振 动坝 4 量 仪低 中频段的频率对应关系很好 与 主轴 转 速 1 5 0 0 r rai n的轴 承 振 动 测 量 仪 低 中频段的频 率对应关 系较好 历此 仪器测量 轴承外圈淘 滚 道波纹度 则与上述两种 转速 的轴承 振动测量仪低 中频段的频率对 应关系 不好 2 美国 B1 0 2 0型波纹度仪 该 仪 器仍为 位移 型轴承 套翻 波纹 度仪 主轴转速为 I 8 0 0 r min 示值分为疏 密 两波段 疏波段溅 4 1 7个波 密波段测 1 7 3 3 3 个波 实测其传感器谐振频率仅为 2 k Hz 2 1 0 k Hz 为衰减信号 故其密波段 测的有效波敷仅为 6 7 个波 测试轴承内圈 沟 滚 道波纹度时 其 疏波段与上述两种 转速测振仪低频段的频率对应关系较好 密 波段与测振仪中频段只有部分频率对应 测 试外圜时 其疏 密波段与测振仪低 中频 段频率对应关系不好 3 瑞典 S K F MWK 1 5 0 A波纹度仪 该仪器为速度型轴承套圈波纹度仪 主 轴采用两 种转速 测 量内圈沟 滚 道时 转速 为 1 1 0 0 r rai n 测 量外 圈沟 滚 道 时 转速 为 7 0 0 r mi n 仪器 用于检测超 精 套圈和终检时 分 为疏波 中波和密渡三个 波段 其所测渡数列 于表 6 表 6 S KF MW K 1 5 0 A 速度 型波 纹度 仪 各波 段涮 量的波 数 0轴承戚品径向振动额率范围 对照 表 4与表 6可 知 该 仪器 波段与 主 轴转 速 I 8 0 0 r rai n轴 承 振 动测 量 仪 低 中和高频段有着良好的频率对应关系 四 结 论 1 位移 型 波 纹度 仪若 采 用 双参 数 控 制 即采用波纹波高算术平均 值与渡形 平均 斜率来控制轴承零件工作表面波形特征 则 能有效控制轴承成品振动 速度型波纹度仪 既能控制轴承零件工作表面波高 又能反映 波形畸变程度 性能 比较忧越 2 波纹度 仪应分为疏波 中波和密 渡 三 波段 备 波段 所i 时轴 承 内 外圈 沟 滚 道和滚动体表面的波数要依据有关轴承振动 j 自 承 1 9 9 1 抽 4 3 5 维普资讯 圆锥内圈大挡边 曲率半径的间接测量 阳工学皖王 中字代克 阳拖拉机厂顾 昆明陈 泰全 BSTRACT Two p a r a l l e l p l a n e s wi t h s u i t a b l e d i s t a nc e a r e us e d t o c u t i n t h e s p h e r i c a l s u r f a c e o f r i b t l t c n t wo a r c 搴wi t h r a d i u s l a n d r c 孵骨 c l i v e l y 辩4 b 口 g a i n c d Th e pr o fil o o f s u c h a r c s c a n b c me a s ur e d b y p r o fil e t e s t e r wi t hi n t wo p l a n e s a n d t h e r 2 c a n b e l ht c d by l e a s t s q u a r e me th o d I f s u bs t i t u t i n g t he di s t a n c o H b e t w e e n t h e t wo p l a n e s t h e d i s t a n c e o f p a r a l l e l d i s p l a c e me n t d u r i n g m c a su r in g in t o I h e fo llo w in g fo rm u la 击 假 r r 2 r t h e v a l u e o f r a d i u s o f c u r v a t u re o f c o n e b a c k f a c c fib R c a n b c g a i n d Th e p r i n c i p l c a n d p r o c c du r c of mea s u reme n t i s i