基于振动值和旋转力矩的圆锥滚子轴承缺陷识别

陈金地

（龙溪集团 福建省永安轴承有限责任公司，福建 永安 366000）

1 引言

在高精度圆锥滚子轴承自动化连线磨削加工中发现：精磨内圈的滚道和挡边时，因无心电磁夹具的磁力偏小，导致极个别工件停转，造成加工面磨削缺口。该类缺口十分细微，超精后在日光灯下很难分辨，只能在特定角度、光线下看到（图1），截面如图2所示。

图1 挡边缺口与内滚道缺口缺陷件照片Fig.1 Defective photos of gaps on rib and inner raceway

图2 挡边缺口与内滚道缺口截面图Fig.2 Cross－section diagram of gaps on rib and inner raceway

因缺陷产品数量较少且混入正常产品中，装配前的人工终检很难发现，常规检验方法下漏检率达30%以上。而一旦缺陷件装机使用，轻则造成早期损坏、异响，重则造成轴承抱死、车轴起火等重大安全事故。

针对上述异常件现象，尝试利用速度型振动检测机和旋转力矩检测机数据进行分析，以在自动化生产线上有效剔除异常件。

2 测量原理

2.1 振动

滚动轴承的振动是指轴承零件几何中心瞬时位置偏离理想位置的运动，轴承零件随时间变化的弹性变形以及其他轴承旋转所必要的一切运动，通称为轴承的振动。

振动值是轴承的综合性质量指标，主要反映轴承各工作表面的微观质量水平。对于单个轴承振动值的检测，目前采用2种计量单位，一种为加速度型，计量单位为dB，组别代号为Z1，Z2，Z3，Z4；另一种为速度型，计量单位为μm／s，组别代号为V0，V1，V2，V3。

速度型振动值测量装置如图3所示，速度传感器置于外径面上。测量时，向外圈施加轴向载荷，外圈静止，仪器带动轴承内圈以890 r／min的转速旋转。分析对象为内滚道缺口和挡边缺口，可看作内圈滚道与内孔间的厚度变动量Ki和内圈挡边平行差Sif严重超差的产品。影响圆锥滚子轴承振动值的因素比较复杂，不同参数对轴承振动的影响见表1，由表可知：内圈滚道缺陷对中低频值有一定影响，而在实际工况下，内圈滚道缺口会造成滚子运动不平稳，对高频值也将产生一定影响；内圈挡边缺陷对振动值的影响相对较小。

图3 振动测量图Fig.3 Diagram ofmeasurement for vibration

表1 影响圆锥滚子轴承振动值的套圈参数Tab.1 Ring parameters influencing vibration value of tapered roller bearing

2.2 旋转力矩

由于启动力矩在实际测量中取值难度很大，且在装配线的实际应用中价值有限，因此采用旋转力矩进行分析。

圆锥滚子轴承承受轴向载荷时，其旋转力矩主要包括：1）滚子与内、外圈滚道面的滚动阻力（摩擦）与弹性滞后和EHL黏性滚动阻力之差；2）内圈挡边与滚子端面之间的滑动摩擦阻力。考虑在装配线旋转力矩测量中温度影响较小，油黏度变化对旋转力矩的影响可以忽略不计。

不同轴向载荷下轴承转速与旋转力矩的关系如图4所示。从图中可以看出：相同转速下，轴向载荷越大旋转力矩越大；在相同轴向载荷下，转速低于一定值时（图中A点），转速越低旋转力矩越大。

图4 转速与旋转力矩的关系Fig.4 Relationship between rotational speed and running torque

3 试验分析

3.1 振动试验

转速300 r／min，轴向载荷1 100 N时，对同一套33217型轴承，分别装入带有滚道缺口、挡边缺口的内圈以及正常内圈，各测量5次得到3种状态振动均值数据见表2。由表可知：内圈挡边缺口轴承振动值比正常轴承振动值有所增加，但差别不大；内圈滚道缺口轴承振动值则比正常轴承振动值增大明显。符合理论分析。

表2 三种状态振动均值数据Tab.2 Data of average values of vibration under three kinds of states

因此，考虑批次产品的振动值差异，利用振动检测识别内圈挡边缺口轴承不可行，但可用于识别内圈滚道缺口轴承。

3.2 旋转力矩试验

轴向载荷2 750 N下，转速分别为20，120 r／min时，缺陷轴承与正常轴承的旋转力矩对比如图5所示，该数据从设备内部导出，每秒采集1次，共取52个数据。从图中可以看出：120 r／min时，缺陷轴承与正常轴承的旋转力矩曲线基本重合，两者难以区分；而20 r／min时，缺陷轴承与正常轴承的旋转力矩曲线有所分离，两者间存在一定的差别。

图5 缺陷轴承与正常轴承的旋转力矩对比Fig.5 Comparison of running torque between defective bearing and normal bearing

为分析旋转力矩检测的可行性，列出不同转速下3种缺陷状态轴承的旋转力矩均值，见表3。由表可知：120 r／min时，缺陷轴承与正常轴承的旋转力矩差别不大，甚至因仪器分辨率等因素，内圈滚道缺口轴承的旋转力矩小于正常轴承，无法检出缺陷轴承；载荷保持不变，主轴转速由120 r／min变化到20 r／min时，缺陷轴承和正常轴承的旋转力矩值均有所增加，符合之前的理论分析，但正常轴承的旋转力矩增加量较小，缺陷轴承的旋转力矩均有较大的增幅，其中内圈挡边缺口轴承旋转力矩增幅更大；进一步分析，内圈挡边缺口轴承与正常轴承之间的旋转力矩差值由120 r／min时的0.078 N·m变化为20 r／min时的0.211 N·m，增加近3倍。综上可知，可采用低转速下的旋转力矩均值检测内圈挡边缺口轴承。

表3 不同缺陷状态轴承的旋转力矩均值Tab.3 Average values of running torque of bearing under different defective states

4 振动与旋转力矩在装配线中的应用

如果客户没有明确要求，实际应用中一般参照国家标准测定产品振动值，并通过适当提高要求作为工序控制指标；旋转力矩控制则一般采用主轴转速120 r／min时固定载荷下的测量值。针对33217型轴承，依据上述标准设置的企业内控指标见表4。而对于同批次轴承，检测20件正常轴承的振动均值以及20 r／min时的旋转力矩制定新内控指标，其与旧指标的对比见表4。

表4 33217轴承新旧企业内控指标Tab.2 New and old internal control indexes of enterprise for bearing 33217

对于内圈滚道缺口和内圈挡边缺口轴承，各取5套进行检测，结果见表5。

表5 缺陷轴承振动值及旋转力矩检测结果Tab.5 Testing results on vibration value and running torque of defective bearing

由表4、表5可知：如果仍采用旧内控指标，缺陷轴承均无法检出，漏检率100%。而采用新指标，振动检测检出全部内圈滚道缺口轴承，但有2套内圈挡边缺口轴承未检出；旋转力矩检测则检出全部内圈挡边缺口轴承，有1套内圈滚道缺口轴承未检出。

分别使用振动和旋转力矩检测对内圈滚道缺口和内圈挡边缺口轴承进行批次跟踪试验，得出如下结果：1）仅使用振动检测，内圈滚道缺口漏检率为0，误检率约3%，内圈挡边缺口漏检率约47%；2）仅使用旋转力矩检测，内圈挡边缺口漏检率为0，误检率约1.5%，内圈滚道缺口漏检率约15%；3）振动与旋转力矩检测串联使用，2种缺陷的漏检率为0，误检率约4.5%。

综上分析，最终确定的圆锥滚子轴承装配线流程为：超声波清洗→人工终检→内外径检测→装滚子→铆合→清洗→合套→振动检查→旋转力矩检测→清洗→涂油→包装。

5 结束语

利用振动与旋转力矩检测的特点，在全自动装配线中采用串联方式，并设定符合产品批次质量的控制值，能有效识别出圆锥滚子轴承内圈滚道缺口和挡边缺口的轴承。该方法虽然没有漏检，但仍存在误检的问题，说明采用旋转力矩均值识别产品缺陷时识别能力仍有不足。

在上述研究基础上，尝试采用2种以上的压力和转速来测量旋转力矩，通过计算变化量来分析轴承零件的制造缺陷，并利用数据采集建立相关缺陷的各种检测值数据库，采用人工智能加以分析剔除出各类异常件是轴承智能制造中在线检测的发展方向。