滚动轴承检测方法及先进设备.docx

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滚动轴承检测方法及先进设备

第一章国外滚动轴承部件的检测方法

一、滚动轴承套圈沟道表面质量的检查方法1

二、轴承套圈内表面伤痕的检查方法2

三、用频谱分析法评定滚动表面的波纹度4

四、用干涉仪测量球轴承滚道表面轮廓8

五、陶瓷球超声波探伤法11

六、采用振动测量技术确定球与滚子的柔量12

七、电机轴承部件的使用故障15

第二章滚动轴承异常的检测方法

一、用电测法检查滚动轴承缺陷18

二、几种诊断滚动轴承疲劳剥落的发生位置19

三、用振动标定滚动轴承异常的方法22

四、用声发射法诊断滚动轴承的异常24

五、用声传感器监视滚动轴承的损伤27

六、用应变仪检测故障的方法28

七、用复合传感器检测轴承的异常29

八、利用振动分析检测33

九、滚动接触亚表面疲劳裂纹的AE检测技术34

十、FAG应用信号处理和频率分析技术检测轴承36

十一、用手提式润滑脂铁粉浓度计测量轴承磨损状态38

十二、借助振动和声发射诊断滚动轴承的失效40

十三、模式识别在线检测轴承局部缺陷43

十四、轴承异常的逐次模糊诊断50

十五、近几年普遍应用的检测滚动轴承异常的方法50

十六、燃气涡轮发动机转子支承轴承的诊断53

第三章滚动轴承其它方面检测方法

一、径向负荷下轴承力矩的测量方法55

二、滚动轴承非重复性旋转精度的动态测量57

三、测量轴承负荷的方法60

四、滚动轴承主轴径向旋转精度评定方法62

五、滚动轴承工业状态的振动与噪音监测技术对比65

六、超声波测试硬度的方法70

第四章国外滚动轴承检测的先进设备

一、国外几种轴承振动测量仪简介70

二、前苏联研制的几种测量装置73

三、球轴承用径向游隙测量机76

四、瑞典SKF公司研制的检测设备77

五、飞机发动机轴承钢球的检测设备78

六、表面粗糙度测量仪78

七、大型轴承测量装置78

八、其它几种轴承检测仪器及装置79

、八、-

前言

近年来，人们对各种零件性能的要求，尤其是对滚动轴承性能的要求有了很大的提高。

要使复杂的机械设备能正常工作，轴承的高度可靠性和良好的运转是先决条件。

轴承的优良性能来自于严格控制的、适当的轴承制造技术，以及适合特殊应用条件的性能试验和验收试验。

当用户对机器和设备进行最初设计和进一步改进时，所选用的轴承首先要在实验室里进行多方面的台架试验然后才提交用户，这样就可以得到最高的使用可靠性。

本文就国外轴承工作中进行的一些典型的轴承性能试验和仪器作以介绍。

第一章国外滚动轴承部件的检测方法

一、滚动轴承套圈沟道表面质量的检查方法

这种检测技术可用于轴承工业检查轴承质量。

已知的轴承套圈沟道表面质量的检查方法是基于利用测量探头，把探头的移动转换成电信号的光电转换器、电视发射管、带有几个光栅格的光栅盘一--安装在光学系统和电视管之间的执行机构轴上。

该法是用测量探头触摸沟道轮廊，将探头的运动转变成电信号，并以此来判断沟道表面的质量。

这种检查方法的缺点是实现该法的系统复杂，它需要采用光电系统、电视发射管、光栅圆盘传动执行机构和其它系统。

因此，在实现该检查法时，要采用一系列调整系统的附加操作，从而使检查过程复杂。

此外，该法的特点是检查过程的实施时间长，因此生产率低，并且在生产条件下，当大量检查轴承套圈沟道表面质量时，不可能得到广泛应用。

另外，已知的方法仅可检查套圈沟道半径与标准件轮廊的尺寸偏差，并不能检查沟道轮廊的表面质量（粗糙度、波纹度）。

此方法的目的则是提高检查效率。

为达到所提出的目的，选择轴承滚动体作为测量探头，使测量探头沿沟道轮廊作往复振荡运动，记录下测量探头运动时产生的碰撞脉冲，计算每半个振荡周期中的脉冲数和全滞振周期中的脉冲数，按每半个振荡周期中脉冲数的变化曲线和总的脉冲数来判断沟道的表面质量。

实行检测方法包括安装在刚性基座上的被检验轴承套圈，滚动体标准件（例如钢球），压电转换器，前置放大器，放大器测量部分和自动记录仪。

被检轴承套圈安放在预先固定有压电转换器的刚性基座上。

有标准表面的滚动体（钢球）放在被检轴承套圈的沟道表面上，钢球相对于垂直轴线偏斜一定角度，例如40度—45度，以使滚动体沿沟道轮廊作自由往复运动。

在钢球沿沟道作振荡运动的同时，借助按已知原理工作的仪器，记录下在每半个振荡周期T/2中标准表面的钢球与沟道表面微观不平度碰撞的脉冲数和钢球在全滞振周期中脉冲累计数。

当被检沟道表面有不均匀性时（小缺陷、波纹度、形状偏差），曲线的纵座标值突然减小，即纵座标的包络线偏离衰减振荡运动的理论曲线的平稳特征。

按照在每半个振荡周期中，脉冲衰减数曲线特征的稳定性，可判断出轴承套圈沟道表面被检部位所存在的缺陷。

当沟道表面没有均匀性时，脉冲衰减数具有平稳的特性，并且平稳性接近衰减振荡运动

的理论曲线。

钢球全滞振周期中脉冲累计数刀I反映了沟道表面粗糙度的程度，因为在分量值约

为105的脉冲累计数刀I的总和中，每半个周期中的脉冲振荡数是平稳的。

当检查沟道其它部分的表面质量时，套圈1相对于基座2转动，并进行重复试验。

一次测试的时间约10-15秒。

与已知的方法相比，其特点是，为了提高检查效率，选择轴承滚动体作为测量探头，使测量探头（钢球）沿沟道作往复振荡运动，记录下探头运动时的碰撞脉冲，计算每个振荡周期中的脉冲数和全滞振荡周期中的脉冲数，而按每半个振荡周期中的脉冲数的变化曲线和总的脉冲数来判断轴承沟道的表面质量。

二、轴承套圈内表面伤痕的检查方法轴承厂对轴承内、外圈伤痕的检查工序是靠检查员的熟练视觉功能进行的，所以检查判定标准不稳定。

由于长时间地从事检查作业，会出现检查精度降低等问题。

特别是检查轴承内、外圈内表面的伤痕，与检查轴承表面上的伤痕有所不同。

由于CCD象机

的镜头不能直接进入到轴承外圈或内圈里面，所以不可能对内表面进行直接拍照。

另外，为了缩短使用CCD像机及辅助工具拍照的内表面图像处理的时间，并不是分开拍照内表面，而是需要一次完整拍照360度。

这种方法是利用CCD像机一次将轴承的整个内表面图像清楚地输入的方法（辅助工具，照明

方法，照明形状，试样背景，照明的种类，照度）以及检测、判断输入的轴承内表面伤痕图像的分析方法。

现将结果叙述如下：

1.轴承内外圈内表面伤痕的检测方法自动检测轴承内表面伤痕的试验装置主要由轴承图像输入装置和图像处理装置构成。

试验装置是由CCD单色光像机、棱镜、照明装置及图像处理装置、专用计算机、处理图像的监测器、打字机、轴承外圈或内圈、试样台构成。

为了一次拍照成轴承内表面伤痕，在CCD像机前面安装了棱镜。

试验用的棱镜是在棱透镜表

面上蒸铝，直40毫米，高20毫米，顶角90度。

用棱镜斜面反射的照明光均匀地照射轴承整个内表面，通过棱镜用CCD像机将内表面一次拍

照下来。

为了排除外部光线的干扰，将试样台棱镜及像机放在内部涂黑的箱子里。

这样用CCD像机拍照的轴承内表面的模拟图像，在图像处理装置内的A/D变换器上变换成数

字图像（横向510像素、纵向492像素）。

A/D变换的轴承图像在各像素位置（X,Y）测量其辉度值（辉度256级）。

描绘轴承外圈内表面的圆图形（直径1mm在图像上变成椭圆，也就是说圆图形的径向长度

不变。

可见随着接近中心变成周向缩小的图像。

因此，在输入图像的径向，按计测的伤的长度，虽然可以放大一定的倍率，但必须沿周向，按计测长度，根据半径位置，放大不同的倍率，修正成实际的伤痕面积。

下面叙述用CCD像机及棱镜拍照轴承内表面的方法。

认为影响图像输入的主要原因是照明方式、照明形状、试样背景、照明的种类、照度、像机光圈。

就照明方式（反射光方式/透光方式），照明形状（环状／线状），试样背景（黑色背景／银色背景），照明的种类（青、绿、红波长区域荧光体，3度波长区域昼白色荧光体），照度

（3500,5000,7000Lx），像机的输入特性（线形特性、对数特性、反差特性）分别进行了研究。

像机各输入特性的输入辉度值和输出辉度值的关系对于输入图像来说，用对数设定输出画面

全部亮的，用反差设定输出画面都成暗的。

另外为了减少荧光体光强度的波动使用高频（24k

Hz）荧光灯。

就照明方式来说，因为使用了棱镜，所以采用了反射光方式。

照明形状为线状时，只是轴承输入图像的上下端或左右哪一端照明，所以采用了能将轴承整个内表面均匀照明、类似轴承形状的环状荧光灯（在荧光灯的前面没有光扩散板）。

关于像机的输出入特性，用各输出入特性比较变换了的轴承内表面图像，可见像机的输出入特性，使用线形设定可以得到清晰的图像。

关于试样背景研究的结果，由于银色背景（亮度N8.9）的辉度与轴承内表面辉度相似，

所以使用了可以明确判别轴承内表面图像和背景的黑色背景（亮度N2.8-3.0）。

再者，照明的种类使用绿波长区域荧光体输入的轴承内表面图像辉度不匀比较少。

对在这些照明条件下（反射光方式、环状绿波长区域高频荧光灯照明、黑色背景）与人们观察的使用CCD像机拍照的轴承内表面图像的状态相近似的照度以及像机的光圈都进行了研究。

将3种照度及像机光圈进行种种组合输入轴承内表面图像后相比较，照度采用7000L

X,光圈采用4.0可以准确地检测伤痕。

在拍照的内表面图像上包括背景部分，只留下轴承内表

面、背景部分削除了。

在上述条件下用CCD像机及棱镜对50套无伤轴承外圈的内表面进行拍照,只测定了轴承内表面部分的辉度。

结果，对无伤的整个轴承的内表面图像，测量出的辉度分布范围是187—249。

对这些辉度矩形图进行正常分布判断,内表面部分的辉度矩形图是正常分布。

因此为了检测轴承内表面的伤痕，在正常分布的辉度矩形图上，辉度范围（□土3门比正

常部分（卩-3b）辉度低的部分判定为伤痕。

该式中卩是50套轴承的辉度平均值，b是标准

偏差。

结果检测伤痕二进制的临界值是187。

2.检测的伤的判断用电脑检测出的轴承内表面伤痕,不能从计量的图像的伤面积值来判断,原因是伤里有可当作正品处理的容许范围。

另外三个检查员（有5年以上检查经验）对内表面存在的伤直径及深度不同的9种轴承（次品7种,正品2种）进行了感觉检查。

对轴承内表面上的伤分5个级进行评价（无,略微有,有一点,略大,大）。

所有检查员的判定结果都记了分数,无伤—0分,略微有伤—1分,有一点伤—2分,略大伤—3分,大伤—4分,就各种伤样品,根据全体评定人员评定的结果平均进行数值化。

对感觉检查得到的判定值（Y）和图像测量出的伤的面积（X）的关系进行回归分析，结果两者的关系可用下面的式子表示：

X

y=logio+a（x>0）

（1）

y=0（X=0）

但a=4.0。

当yw0时，判定为正品，这是根据检查员判定标准得出的。

关于轴承内表面的伤,若将图像处理、测量得到的面积值代入这个判定式中,与检查员判定时同样的判定值可以通过电脑计算出来。

然后为了确认式

（1）的有效性，重新制作了11种轴承（次品9种，正品2种），用这个试验装置进行图像测量伤痕面积的同时，检查员也进行了感觉检查。

图6表示将图像测量的伤面积值代入式

（1）的预测判定值和检查员的实测判定值的关系。

看到预测判定值和实测判定值非常一致（相关系数=0.96），确认了式

（1）的有效性。

三、用频谱分析法评定滚动表面的波纹度

加工滚动表面时，由于工艺系统的振动，会使零件表面产生波纹度，而有波纹度的零件工作时，又有使相配合的零件产生振动、降低接触刚性和加速磨损等缺点。

为了定量地描述这些现象，就要求有一定的标志来评定波纹度。

例如，假定波幅主要影响接触刚性，则表面激振性就是由所谓波纹度特性所决定，而波长对表面激振性的影响远远大于波幅的影响。

所谓滚动表面的激振性是指由于表面形状误差引起振动的能力。

表面波纹度频谱分析方法能指出Talyrond仪器记录的圆度图显示不出来的某些形状误差

（以高次谐波的形式），而刚好这些形状误差是引起振动的主要根源。

用频谱法来评定波纹度同样可以根据允许的振动值定出允许的谐波幅值。

基本要领和关系式：

旋转体横截面轮廊的波纹度（沿名义圆周上的径向测量的），可以在极座标上写成以2n为周期的函数，以Apk（©J表示。

该函数以富里衰级数展开的方法，可以表示为简单的谐波函数之和。

1=2n/入i---谐波次数，它表示在零件被测表面的一周上有多少

给定弧波距为入i的波数；aki—i次谐波的波幅；aki—相位角；$K--极角；a。

一函数Apk（©k）在一周期中的平均值。

对内圈下标K=1;对外圈K=2;对钢球K=3。

波辐aki的总和组成了横截面轮廓波纹度的“谱”.利用后面提到的电子仪器可将“谱”记录

成图1所示的图形，图中横轴表示谐波次数，而纵轴表示对应谐波次数的幅值（微米）。

图1轴承外圈沟道波纹度频谱

i—谐波次数；a—波幅

应当确定球轴承滚动表面波纹度的频谱和它引起的振动之间的相互关系，所谓轴承振动通常

指的是外圈的振动。

这里只限于研究径向振动，并把轴承的所有零件看作是绝对刚体，据此可提出

引起这种振动的机理。

当钢球沿着套圈沟道滚动时，钢球和套圈沟道上的波纹度将会引起钢球的径向相对位移，这一

位移通过钢球传给外圈。

根据振动叠加的原则，用频谱分析法来评定波纹度，可以得到下列计算外

圈合成位移S的公式［3］，其精度可达到高阶无穷小。

3

SCkiakicosikkik（K=1，I=1）

（1）

式中：

3k—球轴承零件相接触的滚动表面之间的相位差；ck—表明波纹度i次谐波的振幅ak和它

引起的外圈位移相互关系的系数,对内圈系数cki=1,对外圈cki=-1，对钢球如果i为偶数cki=2,若i为奇数Cki=O。

方程式

（2）也可以写成时间t的显函数：

3

KCkiakicoskitkik（K=1,I=1）

（2）

.dk./、

kii'ik（3）

dt

比较方程式

（1）和（3）可以看出，沟道波纹度频谱中的每一次谐波都将会使得外圈作简谐振动其振动频率（赫兹）按下式确定：

公式（4）和（5）中的Qk和nk（K=1,2,3）分别表示所研究的套圈或钢球相对于保持架的转速（转/分）

和角速度。

由公式⑶得出，频率为fki的外圈振动速度和加速度幅值以下式表示：

只要对钢球和套圈沟道等滚动面上波纹度频谱图中出现的谐波计算出fki、akiv、ak©

的值就可以预计出由这些零件装成轴承的动振频谱。

相位角aki和3ki对振动频谱没有影响，因为

轴承各零件的波纹度谐波引起的振动频率实际上不会重合。

波纹度激振性的频谱评定由公式（6）看出，在波纹度频谱图中，甚至极小的振幅aki（这在低次谐波时可忽略不计），如果是足够地高次谐波，却能引起相当大的振动速度，特别大的振动加速度•因此,如果从激振性的观点来评定波纹度的频谱成分，就应该依据乘积akixi和akixi2,而它们可称

为波纹度的速度激振特性和加速度激振特性。

在技术工作中，多半采用振动加速度来评定振动，并对振动加速度频谱提出各种要求。

现研究一个最典型的例子。

1）在给定的转速下，振动加速度的幅值，在整个频率范围内，应限制在给定的一条直线下。

在此条件下，容许的振动加速度的幅值a-max在所有的频率上都应该是相同。

与容许的振幅相对应的

波纹度特性按公式（6）计算：

波纹度各次谐波的容许幅值应为

akimax=—,由此看出，随着谐波次数的增加，其容许幅值按

i

1/i-2的规律减小。

2）在给定的转速下，在整个频率范围内，振动加速度的幅值应限制在某一给定的直线下（有

时为斜线）,其直线方程为：

a-max=F（f）

所以波纹

在此条件下，因为振动加速度的容许幅值及与其对应的波纹度特性是由频率决定的度谐波的容许值也自然会由频率的函数决定。

为此，可将议程式（6）改写如下：

代入方程式（7）得出：

（7）

i1Ffki

akmax22

4Ckifki

式中频率fki,当转速nk给定后，只决定于谐波次数i。

根据公式（5）和（8）,取对数坐标，可以将两条曲线作在一幅图上：

第一条是谐波次数和激振频

率的关系；第二条是振动频率和极限容许幅值的关系。

这将能够很快地确定各次谐波的振动频率以及由各次谐波引起的轴承部件按相应频率的振动，甚至还可以确定其振幅是否超出容许值.

图2所示的图解可以进行钢球和套圈沟道波纹度的频谱分析，以及为装配低噪声轴承挑选零

件.直线1,2,3确定了钢球和套圈沟道波纹度的第50次谐波引起的轴承振动频率为480赫兹，内

圈沟道波纹度的同次（50赫兹）谐波引起的振动频率却为780赫兹,而钢球表面波纹度的同次谐波

引起的振动频率为2500赫兹。

图2波纹度频谱分析图解

1—钢球；2—内圈；3—外圈

在图2中,利用直线I—I可以找出振动频率与谐波的最大容许幅值之间的关系，如图中箭头

所示。

由上述例子可知，同一次谐波的容许幅值，对外圈最大，对钢球最小（对钢球只考虑它的偶次谐波）。

波纹度的谐波分析把波纹度函数展开为谐波级数

（1）实际上有许多方法。

第一类方法是

利用Talyrond圆度仪记录的图形为波纹度的原始信息。

把圆度图经过处理所获得的数据，通过某种计算方法或借助于电子计算机展成富里哀谐波级数。

这种方法的主要缺点是展开精度受圆度图放大倍数的限制，不能分辩出幅值为百分之几微米的高次谐波（i=80—100）,而这些谐波恰恰是

引起振动加速度的最危险的根源•

第二类方法是把传感器从零件表面上直接测得的信号作为波纹度的原始信息•如果工件的转

速足够大，传感器测得的信号,成为变化的电压应立即送到频谱分析仪或电子计算机中。

否则要将信号先记录在磁带上，在进行谐波分析时再相应地改变磁带的运动速度。

这里对沟道波纹度的谐波分析采用了第二类方法。

为此研究了一种装置，它是由使工件按给定的速度旋转的台架和电测系统组成。

电测系统包括有：

传感器；带有微分回路的前置放大器，并增加了积分线路；分析仪带有倍频和滤波器；谐波分析仪；自动记录仪。

台架上有一根精密主轴，固定试验套圈（内圈和外圈）的可换心棒安装在主轴上。

被测钢球固定在专用磁头上。

带有球面玛瑙测头的电感拾振器是用作波纹度频谱分析用的，带有平面测头的是用来测量轴承的振动。

波纹度的频谱分析和轴承振动的测量是在同一台台架上进行。

传感器的灵敏度为190毫伏/厘米/秒。

传感器的壳体安装在台架上的夹具中，并能调整测头相对工件的

波纹度的频谱分析结果自动地记录在纸带上。

专用机构使记录纸（的移动速度）与频谱分析

仪（的频带转换）同步。

纸带上横座标表示不同谐波次数的振动频率fi（赫兹），而纵座标为各

次谐波的幅值（微米）。

频率fi及其对应的谐波次数之间的关系由下式确定：

i=60fi/n，式中

n—台架主轴每分钟的转数。

在试验中取n==600转/分，由此i=fi/10。

从激振性的角度来评定波纹度各次谐波的幅值是利用上述图解进行的。

为了验证这一评定的正确

性，把经过波纹度频谱分析的零件，以各种不同的组合装成轴承，然后测量轴承的振动。

测振时测头与外圈外径接触。

为了验证这一假设，将轴承拆套，测出套圈沟道波纹度的频谱图，未测钢球的波纹度值。

所

进行的频谱分析（结果见表）指出,频率为220,380,1200赫兹的轴承振动是由外圈NO21的沟道波

纹度引起的，而频率为290和1850赫兹时的振动是内圈NO33沟道波纹度引起的•

应该指出，汇总表所列的内沟波纹度之i=52,59,63,69的各次谐波也会引起一定的轴承振动

但它被外圈125次谐波引起的较强的1200赫兹振动所掩盖•

轴承套圈

i

A（微米）

f

（赫兹）

理论

实验

23

0.12

219

220

外圈NO21

24

0.11

228

220

40

0.16

380

380

125

0.19

1190

1200

18

0.185

279

290

52

0.02

610

850

内圈NO33

59

0.05

915

930

63

0.03

980

1020

69

0.02

1070

1090

120

0.05

1860

1850

表中数据进一步证明，波纹度频谱中的高次谐波成分，即使其幅值很小（百分之几微米），也会引起较大的轴承振动。

然后将NO21外圈换成NO34。

该套圈沟道波纹度的频谱图看出，该套圈沟道具有较高的质量。

在新装出的轴承的振动频谱图中，可以看出原来外圈波纹度引起的轴承振动峰值消失了，但还保存了频率为290,850,930,1020,1090,1850和2800赫兹的峰值。

再将NO33内圈更换为NO40后，在轴承振动频谱图上，消除了由内圈沟道波纹度引起的其余的峰值。

频率为2800赫兹的振动，不管怎样更换套圈，总是保持不变，这说明该频率的振动不是由沟道波纹度引起的。

由此可以得到以下观点:

A.从激振性的角度出发，对机器零件表面波纹度的评定，应根据横截面波纹度频谱分析的结果

并借助于特性数ai和ai2来进行；

B.根据对振动的要求，可以定出波纹度各次谐波的极限容许幅值；

C.其余条件相同，随着波纹度谐波次数的增加，其容许幅值相应减小。

因为波纹度高次谐波，即便其幅值只有百分之几微米，也可能引起振动极危险的根源。

四、用干涉仪测量球轴承滚道表面轮廓

这种新的干涉测量技术可用于精确测量圆周轮廓，如环形表面和轴承滚道表面。

在这种干涉

测量系统中，检测表面在空气回转台上连续旋转。

线状排列的光敏二极管用来检测沿测量表面轴线方向的干涉信息。

这些干涉信息用来建立二维的干涉图谱，它可构成对应于整个滚道圆周表面的干涉图，经计算机分析就绘出了三维圆周表面的轮廓。

使用这一测量系统，可对整个表面轮廓进行扫描，比常用的触针法要容易得多。

1.测量程序

1.1圆周干涉仪系统该系统的检测装置包括一个斐索干涉仪，一个空气回转台和一个微计算机系统。

斐索干涉仪中使用一个2毫瓦的氦氖激光器。

球面透镜（ZyGof/0.75）用作基准面，衰减式滤光片用来调节滚道表面的反射光强。

每一光学部件的精度是波长的1/10。

斐索干涉仪固定在防

振工作台上面，空气回转台固定在工作台一侧。

检测面（一个球轴承内圈）放在空气回转台上且与转轴同心。

基准镜的焦点定在检测面的曲率中心。

空气回转台由一个直流伺服马达驱动，中间通过磁力联轴节，这样就可对转台进行非接触驱动。

所安装的压电转换器可使基准球面镜产生微小移动，通过干涉条纹移动方向，确定干涉条纹级次。

1.2数据的采集与显示当检测面在回转台上旋转时，用平行于转轴的线形光电传感器测量对应每一旋转角的滚道横

截面轮廓的干涉条纹信息。

测量的角度由分辩率为1/1000转的旋转编码器控制，依次对整个滚道的每一角度进行测量。

干涉条纹信息将被送至计算机，存储在视频信号存储器内，并在电视显示器上显示出干涉图来。

这些信息是用有1024个象点的