传感器安装方式对轴承振动测量特性的影响

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［)］ ［/］
传感器系统运动零件的等效质
量 万方数据 传感器系统阻尼率 !
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《轴承》 !$$" 0 D 0 $&
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 ! 所示的固定式安装， 加速度 计的安装谐振频率为出厂时给出的安装固有频 率。
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［!， #］ 采用探针式测量方式 ， 加速度计探针式测量原
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传振杆和引导面的粘性阻尼系数 ’ 试验用 4+5)+ 型轴承振动测量仪的传振杆端 部为半径 . 66 的球面， 材料的弹性模 & 0 .# * # 7， 量和泊松比分别为 ! * +/ 8 )+)) ,96! 和 + * #。传振 杆与轴承外圆柱表面形成点接触。本文试验球轴 承 (#+: - !;< 的外径为 5+ 66， 材料特性与传振 杆相同。测力载荷 ! 0 . , 时计算传感器与轴承 接触副的接触谐振频率得到 $ 0 ) * !:# : 8 )+/ ,9 由 （)） 式给出的无阻尼 （ 接触谐振频率为 6， ! 0 +） ! ’/+ %&。 根据文献 ［)］ 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 ’ *))+ 8 )+)) ,96! 和 + * !:。与轴承外圆柱表面间 的有效线接触长度为 ( 66， & 0 #: * ( 7。计算得 : 到 $% 0 ) * :#5 : 8 )+ ,96， 由 （ )） 式给出的无阻尼 接触谐振频率为)+ 5::%&。 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。 )*! 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 ! 所示。加速度计通过钢制 =. 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。
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特制的试验轴承与普通轴承相比， 有以下不 同： （)） 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。 （!） 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 (#+: - !;< 轴承 )+ 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
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。 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。
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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
万方数据 究生， 本刊编委。
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
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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 ! " # ［’ " (］ 。 $%& )*) 探针式测量 轴承振动测量中， 由于测量条件的限制一般
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 ［!］ 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
收稿日期： "%%" , %T , !作者简介： 赵联春， 男， 浙江大学工程摩擦学专业博士研
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 和使用最广泛的 U%V!% 型轴承振动测量仪，
轴承振动加速度均方根值
方案 & !"#& .$ 0 ? .& 0 ? "% 0 ? .! 0 $ .! 0 $ .& 0 & !"&& ." 0 $ ." 0 $ .! 0 ? .. 0 $ ." 0 ? ." 0 ! 方案 ! !"#! .& 0 $ .& 0 ? .$ 0 $ .& 0 ? .! 0 $ .& 0 ! !"&! ." 0 ? ." 0 ? .! 0 ? .. 0 $ .. 0 $ ." 0 ?
理如图 ) 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 ) * + " )+ * + , 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。
) - 输出电缆； ! - 测力弹簧； # ’ - 钢螺栓； .-传 - 加速度计； 振杆； ( - 被测轴承
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 !"#! 和 !"&! 。 （"） 用 #$%&$ 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 ［!］ 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 !$ 。 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。 表 & 给出了 ?$ 对 ? 套试验轴承进行了测量， @ &$ $$$ 89 频率范围内不同方案下得到的振动值 测量结果和平均值。
同一测量方案下 ? 套轴承的频谱图非常相 似， 图 . 给出了其中一套轴承在三种测量方案下 的振动频谱图。
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测量与结果
为比较安装方式对轴承振动测量特性的影 响， 用特制的 1"$’ - !B, 试验轴承， 设计了以下三 个测量方案： （&） 按文献 ［!］ 规 #$%&$ 型轴承振动测量仪上， 定的安装方式 （图 & 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 !"#& 和 !"&& 。 （!） 用与 （&） 相同的方法， 但将测量得到的信 号接入 <=> 前置放大器， 经放大和归一化处理后 万方数据 由微机振动测量分析系统， 经 ()* 变换后进行实
图)
探针式测量原理
) - 输出电缆； ! - 加速度计； # - 钢螺栓； ’ - 被测轴承
图 ) 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
图!
固定式测量原理
! "# 0 式中 $%
$ ) ! （) - ! ） % （)） ! ! & ! 接触刚度，当接触载荷、接触副的
表&
轴承编号 & ! " . ? 平均值
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轴承振动测量和分析系统
由图 " 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 传感器可选， 既可以是 #$%&$ 型轴承振动测量仪， 图 & 所示的包含加速度计的探针， 也可以是图 ! 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 的基础上作了升级和 改进。
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： ’()"* 文献标识码： + 文章编号： （"%%$） !%%% , $&-" %! , %%"- , %$
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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 ()* 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： 电 荷 灵 敏 度 / 0 1’ 加速 度 计： +, - &$!.&" 型， -! 质量 !1 6， 安装固有频率 "$ 789。 23)45 ， ()* 板： :;3 - ’&’; 型， &1 或 ’ 个差分通道， 最高采样频率 .$ 789， 五档输入电压范围， &! 位， 三种数据读取方式。 电荷放大器： 频率范围 $ 0 & 89 @ <=>!1"? 型， 九档输出电压， 测量误差!&A 。 &$$ 789，
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轴承 +=3D24A
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!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! ， 马家驹! ， 曹志飞" ， 刘雪峰" ， 刘朝晖"
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