滚动轴承振动检测装置及分析方法
【专利摘要】本发明涉及一种滚动轴承振动检测装置，其包括：一轴承振动测量单元、一心轴回转误差测量单元以及一底座，所述轴承振动测量单元和所述心轴回转误差测量单元分别固定安装在所述底座，并位于待测滚动轴承心轴的两侧。所述轴承振动测量单元包括接触式振动传感器和三维微位移平台，所述接触式振动传感器固定在所述三维微位移平台，该三维微位移平台固定在所述底座，所述接触式振动传感器可以沿待测滚动轴承的径向、轴向和竖直方向平移运动。所述心轴回转误差测量单元包括位移传感器和二维微位移平台，该位移传感器固定在所述二维微位移平台，该二维微位移平台固定在所述底座，所述位移传感器可以沿待测滚动轴承的径向和竖直方向平移运动。另外，本发明还涉及一种滚动轴承振动分析方法。
【专利说明】滚动轴承振动检测装置及分析方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种滚动轴承振动检测装置及分析方法，尤其涉及一种能够排除心轴 回转误差影响的滚动轴承振动检测装置及分析方法。
【背景技术】
[0002] 滚动轴承作为高速精密数控机床主轴的回转支撑零件，其自身的运动平稳性直接 影响到机床的加工精度。随着现代数控机床加工精度的不断提高，对滚动轴承动态性能的 要求也越来越高，轴承振动成为必须考核的项目之一。轴承振动是指轴承在运转过程中，除 功能所必须的运动外，其内部零件出现的偏离理想位置的运动。在实际应用中，当轴承外圈 固定，内圈旋转时，轴承振动主要表现为内圈偏离理想位置的运动；当轴承内圈固定，外圈 旋转时，轴承振动主要表现为外圈偏离理想位置的运动。轴承振动产生的原因主要包括： (1)时变的径向刚度；（2)加 工误差，例如套圈滚道和滚动体表面的波纹度、粗糙度和 直径偏差等；（3)保持架与滚动体和套圈之间的碰撞；（4)表面缺陷，例如点蚀和剥落等； (5)外圈的柔性变形；（6)润滑剂中的杂质。
[0003] 对于轴承振动的测量，通常的方法是将轴承内圈安装在一个随主轴旋转的心轴 上，外圈不转并承受一定的轴向或径向载荷，在外圈圆柱面宽度二分之一处沿圆周方向取 三个测量点，依次测量外圈的径向振动，然后取平均值。根据JB/T 51112 - 2001《滚动轴 承振动(速度）测量方法》的规定，外圈径向振动的速度量采用动圈式速度型传感器测量； 根据JB/T 51114 - 2002《滚动轴承振动(加 速度)测量方法》的规定，外圈径向振动的加速 度量采用加速度型传感器测量。由于速度型传感器对低频振动反应比较敏感，所以在转速 较低时适合采用速度量测试；而由于加速度型传感器对高频振动反应比较敏感，所以在转 速较高时适合采用加速度量测试。采用速度量测试轴承时，分别在低频（50?300Hz)、中频 (300?1800Hz)和高频（1800?10000Hz)三个频段内评定其振动值；而采用加速度量测试 时，通常在通频段（50?10000Hz)内评定振动值。
[0004] 实际中，心轴的回转误差会对轴承振动的测量产生影响。由于心轴固定安装在电 机主轴上，电机主轴具有一定的回转误差，而且心轴本身存在形位误差，导致心轴也具有回 转误差。心轴的回转误差会使轴承内圈的旋转轴线发生偏移和摆动，即在通过旋转轴线的 一个或两个相互垂直平面内发生径向平移、轴向平移的和角向运动。这些运动误差将会通 过滚动体传递到轴承外圈上，从而引入系统测量误差。尽管目前普遍采用液体静压主轴，但 是仍不能消除心轴回转误差的存在。因此，有必要提出一种测量分析方法来评定及分离心 轴回转误差对轴承振动的影响，以提高测量结果的准确性。
[0005] 回转误差的测量一般采用单向法或双向法，其中单向测量法是在主轴回转面的一 个方向上放置传感器测量主轴的径向跳动值，而双向测量法是在相互垂直的X和y两个方 向上同时测量主轴的径向跳动值。常用的振动传感器有电涡流式、电容式和激光位移传感 器，主要性能指标包括测量范围、分辨率、响应特性、线性度和稳定性。电涡流位移传感器 的主要特点是测量范围宽，响应速度较快；电容位移传感器的特点是分辨率高，可实现低于 lnm的分辨率，但是响应速度较低；激光位移传感器的特点是响应速度快，线性度高。因为 JB/T 51112 - 2001和JB/T 51114 - 2002中规定的主轴的径向和端面跳动误差在微米量 级，所以此处主轴的振动采用电涡流式或激光位移传感器进行测量较为合适。
[0006] 因为在测量过程中心轴的回转误差是轴承振动的一个激励源，两者之间的关系取 决于轴承本身复杂的动力学特性。如果把待测轴承看作为一个系统，轴承振动看作为系统 的输出，那么系统的输入就包括心轴的回转误差和轴承内部的各种激励(例如套圈滚道和 滚动体表面的波纹度、粗糙度、局部缺陷、保持架与滚珠和套圈的碰撞等)。对于轴承振动和 各种激励之间因果关系的研究，通常的方法是基于周期信号的假设，通过比较实际测量的 振动频谱和理论计算的激励频谱来辨别某个激励对振动的影响。然而这种方法在低频范围 内具有一定的可行性，但是在中、高频范围内，由于轴承振动信号的频率成份非常复杂，而 且不同的激励可能产生相同的频率分量，导致很难分辨出某个激励产生的振动频率分量， 也就很难分离这个激励对轴承振动的影响。因此，如何分离主轴振动的影响是轴承振动测 量的一个难点。
【发明内容】
[0007] 有鉴于此，确有必要提供一种能够分离心轴回转误差影响的滚动轴承振动检测装 置及分析方法。
[0008] -种滚动轴承振动检测装置，其包括：一轴承振动测量单元、一心轴回转误差测量 单元以及一底座，所述轴承振动测量单元和所述心轴回转误差测量单元分别固定安装在所 述底座，并位于待测滚动轴承心轴的两侧。所述轴承振动测量单元包括接触式振动传感器 和三维微位移平台，所述接触式振动传感器固定在所述三维微位移平台，该三维微位移平 台固定在所述底座，所述接触式振动传感器可以沿待测滚动轴承的径向、轴向和坚直方向 平移运动。所述心轴回转误差测量单元包括位移传感器和二维微位移平台，该位移传感器 固定在所述二维微位移平台，该二维微位移平台固定在所述底座，所述位移传感器可以沿 待测滚动轴承的径向和坚直方向平移运动。
[0009] -种滚动轴承振动分析方法，其包括以下步骤：采集待测滚动轴承的振动信号； 采集待测滚动轴承的心轴回转误差信号；将所述振动信号和心轴回转误差信号进行相干性 分析，得出心轴回转误差对待测滚动轴承的振动影响；去除心轴回转误差对待测滚动轴承 的振动影响，得到由待测滚动轴承自身因素产生的振动值。
[0010] 一种滚动轴承振动分析方法，其包括以下步骤：提供一如前所述的滚动轴承振动 检测装置；利用轴承振动测量单元测得待测滚动轴承的振动信号；利用心轴回转误差测量 单元测得待测滚动轴承的心轴回转误差信号；将所述振动信号和心轴回转误差信号进行相 干性分析，得出心轴回转误差对待测滚动轴承的振动影响；去除心轴回转误差对待测滚动 轴承的振动影响，得到由待测滚动轴承自身因素产生的振动值。
[0011] 与现有技术相比较，本发明提供的滚动轴承振动检测装置以及分析方法可以去除 待测滚动轴承心轴回转误差对该轴承振动的影响，使测量结果更准确地反应待测滚动轴承 本身的振动水平。
【专利附图】
【附图说明】
[0012] 图1是本发明实施例提供的滚动轴承振动检测装置的立体结构示意图。
[0013] 图2是本发明实施例提供的滚动轴承振动检测装置的俯视结构示意图。
[0014] 图3是本发明实施例提供的滚动轴承振动检测装置中底座的立体结构示意图。 [0015] 图4是本发明实施例提供的滚动轴承振动检测装置中轴承振动测量单元的立体 结构示意图。
[0016] 图5是图4中轴承振动测量单元的连接板的立体结构示意图。
[0017] 图6是本发明实施例提供的滚动轴承振动检测装置中心轴回转误差测量单元的 立体结构示意图。
[0018] 主要元件符号说明
【权利要求】
1. 一种滚动轴承振动检测装置，其包括： 一轴承振动测量单元、一心轴回转误差测量单元以及一底座，所述轴承振动测量单元 和所述心轴回转误差测量单元分别固定安装在所述底座，并位于待测滚动轴承心轴的两 侦牝 所述轴承振动测量单元包括接触式振动传感器和三维微位移平台，所述接触式振动传 感器固定在所述三维微位移平台，该三维微位移平台固定在所述底座，所述接触式振动传 感器可以沿待测滚动轴承的径向、轴向和坚直方向平移运动； 所述心轴回转误差测量单元包括位移传感器，该位移传感器可以沿待测滚动轴承的径 向和坚直方向平移运动。
2. 如权利要求1所述的滚动轴承振动检测装置，其特征在于，所述心轴回转误差测量 单元中位移传感器的测量点和待测滚动轴承外圈振动的测量点处在同一径向平面内。
3. 如权利要求1所述的滚动轴承振动检测装置，其特征在于，所述轴承振动测量单元 进一步包括一直角连接板，所述接触式振动传感器通过该直角连接板固定在所述三维微位 移平台。
4. 如权利要求1所述的滚动轴承振动检测装置，其特征在于，所述三维微位移平台包 括X向位移台、z向位移台和y向位移台，所述X向位移台和z向位移台通过连接板连接，z 向位移台和y向位移台采用直角架连接。
5. 如权利要求1所述的滚动轴承振动检测装置，其特征在于，所述心轴回转误差测量 单元进一步包括二维微位移平台，所述位移传感器固定在所述二维微位移平台，该二维微 位移平台固定在所述底座。
6. 如权利要求5所述的滚动轴承振动检测装置，其特征在于，所述心轴回转误差测量 单元进一步包括槽型传感器支架，所述位移传感器通过槽形传感器支架固定在所述二维微 位移平台。
7. 如权利要求5所述的滚动轴承振动检测装置，其特征在于，进一步包括一连接板，所 述二维微位移平台通过该连接板固定在所述底座，该二维微位移平台包括X向位移台和y 向位移台，该X向位移台和y向位移台通过直角架连接。
8. 如权利要求1所述的滚动轴承振动检测装置，其特征在于，所述底座包括弓形梁和 磁力底座，该弓形梁和磁力底座连接，该弓形梁的底面高于所述磁力底座的底面。
9. 一种滚动轴承振动分析方法，其包括以下步骤： 提供一如权利要求1至8任意一项所述的滚动轴承振动检测装置； 利用轴承振动测量单元测得待测滚动轴承的振动信号； 利用心轴回转误差测量单元测得待测滚动轴承的心轴回转误差信号； 将所述振动信号和心轴回转误差信号进行相干性分析，得出心轴回转误差 对待测滚动轴承的振动影响； 去除心轴回转误差对待测滚动轴承的振动影响，得到由待测滚动轴承自身 因素产生的振动值。
10. -种滚动轴承振动分析方法，其包括以下步骤： 采集待测滚动轴承的振动信号； 采集待测滚动轴承的心轴回转误差信号； 将所述振动信号和心轴回转误差信号进行相干性分析，得出心轴回转 误差对待测滚动轴承的振动影响； 去除心轴回转误差对待测滚动轴承的振动影响，得到由待测滚动轴承自身 因素产生的振动值。
【文档编号】G01M13/04GK104251764SQ201410519880
【公开日】2014年12月31日 申请日期:2014年9月30日 优先权日:2014年9月30日
【发明者】刘文涛, 张云, 冯之敬, 王于岳 申请人:清华大学