轴承结构引发的振动问题

1.套圈的固有振动

套圈的固有振动主要表现在外圈上，因为轴承的外圈与轴承壳体为间隙配合，内圈随着转轴一起运动，因此轴承上受到任何冲击性的激励力，均可引起外圈产生固有频率的振动。内圈与轴为过盈配合，固有振动频率较高，振动较小。外圈的固有振动的主要形态为：角度方向振动、轴向振动、径向弯曲振动和轴向扭曲振动等四种。这四种类型的固有振动形态主要是由于滚道或滚动面的表面粗糙度和波纹度造成的，当滚动体滚动时，其接触处具有微小的弹性变形，在外圈施加强迫振动的同时，也会激起它的固有频率振动。在径向方向，当滚动体的通过频率或者缺陷产生的冲击频率及其谐波与固有频率一致时，就会产生径向共振；在轴向方向，当转速频率的谐波与固有频率一致时，就会产生轴向共振。

其中，套圈径向弯曲振动的固有频率可以通过以下公式估计：

式中，E是材料的弹性模量；I是套圈横截面的惯性矩；g是重力加速度；ρ是材料密度；A是套圈的纵向截面面积；D是套圈横截面中性轴的直径；n是振动阶数。

2.轴承弹性特征引起的振动

轴承的弹性特征除了引起套圈振动外，也会引起滚动体产生弹性变形。但是滚动体的刚性很高，并且具有非线性弹簧的特性，所以如果润滑不良就会出现非线性振动。振动频率包括轴的转速频率f，高次谐波nf和分数谐波f/n。钢球振动的固有频率为：

式中，E为材料的弹性模量；ρ为材料密度；r为滚动体半径。

轴承套圈的固有频率从数千赫兹到数十千赫兹，滚动体的固有频率可达数百千赫兹。轴承接触表面的缺陷所产生的冲击力能够激起轴承元件的固有频率振动，一般在20～60kHz范围内总有它的振动响应，因此为了回避流体动力噪声的干扰，提高诊断信号的信噪比，许多振动诊断方法是利用这一频段作为检测频段。由于轴承元件的固有频率取决于其本身的材料、外形和质量，因此轴承的振动和轴的回转频率无关。

值得注意的是，轴承元件的固有频率要受其安装状态的影响，以上提供的仅是在自由状态下的计算公式。(www.zuozong.com)

3.滚动体通过频率的故障

图3-6所示是某球轴承在径向载荷作用下旋转时的两个极限承载状态。图3-6a中有一个钢球的球心在径向载荷F_r的作用线上，径向载荷由载荷区中的钢球以奇支撑状态共同承担；图3-6b中钢球的载荷分布与图3-6a不同，呈偶支撑状态。由于两种状态下支承钢球的数量不同，会导致刚度也存在差异，在所受外力相等的情况下，旋转轴承的刚度随着轴承所处的支撑状态的不同也不断发生变化，从而导致钢球和滚道的弹性接触变形量也不断变化，进而导致轴承内圈相对于外圈的径向位置不断变化和引起轴心的起伏波动。轴承转动过程中，内圈相对于外圈的振动频率等于钢球通过外圈上一点的通过频率f_bp1，且

f_bp1=zf_c （3-5）

式中，z是滚动体个数；f_c为保持架转速频率。

图3-6 钢球承载示意图

a）奇支撑 b）偶支撑

上述振动形式是承受径向载荷的球轴承普遍存在的，并由轴承的结构所决定的。由于它与轴承结构的刚性变化有关，也称为变刚性振动，且呈现非线性特性。

频率分析证明，钢球通过频率振动不仅在基本频率f_bp1上存在，而且还在f_bp1的倍频上出现。振动的幅值大小与径向载荷的大小和钢球数目有关。通常，可以通过减少轴承间隙和增加轴承轴向载荷的方法减小径向载荷引起的轴承刚性变化，达到减小以至消除变刚性引起的振动。