轴承异常声检测错判和漏判原因分析与对策

王冰，赵联春，王东，晏丽明

(1. 中山市盈科轴承制造有限公司，广东 中山 528437；2. 上海斐赛轴承科技有限公司，上海 201100)

轴承振动具有敏感、随机、复杂等多重属性[1]，现实轴承振动测量中，振动异常声的错判和漏判存在多种原因。下文仅分析说明采用轴承振动技术条件行业标准中规定的有效值限值和峰值限值检测判定轴承异常声，存在理论上的错判和漏判。在对比分析的基础上指出，采用波峰因数或峰值与有效值之差可以规避理论上的错判和漏判。

1 振动特征参量

1.1 有效值

有效值(Root mean square)反映了振动信号总体能量的大小，是对时间(即全部采样点)的平均值，因此对轴承振动脉冲不敏感，对轴承异常声基本没有检测能力。

1.2 峰值

峰值(Peak)反映波形中冲击最大的振动幅值，与时间的历程无关。出现异常声时，轴承峰值必然较大，但反之并不成立，只有对振动有效值比较低的低噪声轴承，较大峰值才预示着轴承异常声。所以，峰值对低噪声轴承的异常声才具有检测能力。

峰值为有量纲量，影响轴承振动有效值的所有参数和工况均会影响振动峰值。

1.3 波峰因数

波峰因数(Crest factor)是峰值同有效值之比，同时受到峰值和有效值的影响。

波峰因数同时反映了轴承振动信号的峰值这一局部信息和有效值这一整体信息，因而，不论轴承是否为低噪声轴承，波峰因数对其异常声均具有检测能力。

波峰因数为无量纲量，与轴承尺寸、结构参数、测量载荷、测量速度、润滑状态及传感器灵敏度等无关，无异常声和有异常声的判定可以非常单纯地进行，使用非常方便[1-2]。

需要特别说明的是，波峰因数是峰值同有效值之比这一关系具有先决条件，那就是，必须是同一个信号在相同频带上的峰值和有效值之比，得出的波峰因数也是该信号在该频带上的波峰因数，不能拿某一采样时间所得信号的峰值去同另一个采样时间所得信号的有效值去比，也不能拿同一采样时间所得信号某一个频带的峰值去同该信号另一个频带的有效值去比，否则就会得出波峰因数小于1等不合理结论。

2 错判和漏判原因分析

尽管波峰因数对轴承振动异常声具有特别的检出能力，但波峰因数是一个无量纲量，传统的模拟电箱表头指针无法给予指示。因此，制定低噪声轴承的异常声控制技术条件时，采用了峰值参量。其峰值限值的具体确定办法是，采用数字化振动仪器，显示轴承振动信号的有效值、波峰因数，并将轴承振动信号输出给功放，对轴承振动异常声进行监听，确定对应不同耳感异常声的波峰因数，将对应频带的波峰因数乘以有效值限值就得到峰值限值，这就是JB/T 10187—2000 《滚动轴承 深沟球轴承振动(速度)技术条件》[3]中的VP3，VP4和JB/T 7047—2006 《滚动轴承 深沟球轴承振动(加速度)技术条件》[4]中的ZP3，ZP4。顺应标准要求，几乎所有振动仪都通过检测轴承振动有效值和峰值监控轴承异常声，对其静音水平进行判级。以空调电动机常用608轴承为例，表1是JB/T 10187—2000给定的VF3，VF4静音等级振动速度有效值限值V3，V4及峰值限值VP3，VP4；表2是JB/T 7047—2006给定的ZF3，ZF4静音等级振动加速度有效值限值Z3，Z4及峰值限值ZP3，ZP4，其相关导出量见表1～表2。

表1 608轴承振动异常声控制参量(速度)

表2 608轴承振动异常声控制参量(加速度)

表1给出了制定轴承振动峰值限值时采用的波峰因数，其由对应频带上的峰值限值与有效值限值之比求得。对VF3静音等级，低、中、高3个频带的波峰因数限值分别是3.30，4.11和3.96，可以看出，当轴承振动达到V3组，实际振动波峰因数没有超过这些波峰因数限值时，轴承振动就达到了VF3静音等级。

但如果采用峰值判定轴承异常声，情况则大不相同，仍以VF3静音等级进行说明。表1将轴承振动速度V3组有效值允许值和VP3组峰值允许值列于其中，可以看出其范围相当宽，V3组有效值允许值是：低频为38-～44 μm/s，中频为12-～28 μm/s，高频为12-～24 μm/s；VP3组峰值允许值是：低频为120-～145 μm/s，中频为55-～115 μm/s，高频为55-～95 μm/s，也就是说，只要轴承振动有效值和峰值分别在这些允许值范围之内，轴承就将被判为VF3组静音轴承。但实际轴承的异常声或静音等级并非如此。为便于说明问题，由标准规定的V3组有效值允许值范围和VP3组峰值允许值范围导出其对应的波峰因数允许值范围，即低频带：2.73-～3.82+；中频带：1.96-～9.58+；高频带：2.79-～7.92+。

显然，波峰因数在这样的数值范围内，与标准制定时采用的波峰因数(低频带≤ 3.30，中频带≤ 4.11，高频带≤ 3.96)相去甚远，轴承有异常声甚至是有显著异常声的概率很高，而按照标准要求的有效值和峰值判定，这些轴承则全部是VF3级静音轴承。即按照JB/T 10187—2000判定轴承异常声，错判和漏判在理论上不可避免。

表2同时列出了以Z，ZP(单位dB)和以a，aF(单位m/s2)表示的轴承振动加速度有效值和峰值，它们满足如下关系：

表2列出了制定轴承振动加速度峰值限值时采用的波峰因数，其由峰值限值与有效值限值之比求得。对ZF3静音等级，波峰因数限值是6.31，可以看出，当轴承振动达到Z3组，波峰因数没有超过6.31时，轴承振动就达到了ZF3静音等级。

但如果采用峰值判定轴承异常声，情况同样大不相同。以ZF3静音等级为例，为便于说明问题，由标准规定的Z3有效值允许值范围和ZP3峰值允许值范围导出其对应的波峰因数允许值范围，即通频带：3.90-～10.00+。

显然，波峰因数在这样的数值范围内，与标准制定时采用的波峰因数6.31相去甚远，轴承有异常声甚至是有显著异常声的概率很高，而按照标准要求的有效值和峰值判定，这些轴承则全部是ZF3级静音轴承。即按照JB/T 7047—2006判定轴承异常声，错判和漏判在理论上不可避免。错判和漏判的根本原因是，标准虽然给出了某一等级的有效值允许值范围和该等级的峰值允许值范围，但却没有顾及一个具体信号其峰值超出有效值的程度，而该超出程度表现的正是振动异常声，超出越多，异常声越重，超出越少，静音性能越好。

3 用波峰因数或峰值与有效值之差检测和判断轴承异常声

实际测量过程中，波峰因数实时反映一个信号峰值超出其有效值的程度，标准制定者在制定VP3，VP4和ZP3，ZP4峰值限制时，采用的波峰因数是基本合适的，因此，采用波峰因数控制轴承振动异常声，就不会产生错判和漏判。

但是，波峰因数是一个无量纲量，对数字化轴承振动测量仪采用该量没有问题，而对于传统的模拟电箱指针式显示则难以实现，在此情况下，可以采用峰值与有效值之差Δ这一有量纲量对轴承异常声进行检测。若用RMS表示有效值，PK表示峰值，CF表示波峰因数，则有

依据此式，表3和表4分别给出了608轴承VF3和ZF3静音等级峰值与有效值之差及相关参量。

表3 608轴承VF3静音等级峰值与有效值之差

表4 608轴承ZF3静音等级峰值与有效值之差

实际测量时，波峰因数和峰值与有效值之差都是实时动态量，两者都将同一个信号的有效值和峰值动态关联起来，反映峰值对有效值的超出程度，正是这种动态关联性，使得用它们评价轴承振动异常声理论上不会产生错判和漏判。

如表3所示，当608轴承振动有效值为V3组，波峰因数低频不超3.30、中频不超4.11、高频不超3.96或峰值与有效值之差低频不超101 μm/s、中频不超87 μm/s、高频不超71 μm/s时，该轴承就是VF3组静音轴承。

如表4所示，当608轴承振动有效值为Z3组，波峰因数不超6.31或峰值与有效值之差不超45.5 dB时，该轴承就是ZF3组静音轴承。

以轴承振动速度异常声控制中频带VF3等级为例，表5给出了轴承公称内径3 ～60 mm设计VF3量值时采用的波峰因数CF3、按照峰值VP3控制异常声时实际控制的波峰因数CFR3以及峰值与有效值之差VP3-V3。表5中的相关数据分别以曲线形式显示(图1～图3)。

表5 轴承振动速度异常声控制参量(中频带)

图1所示为标准给定的V3组振动有效值和VP3组振动峰值的范围变化情况。图2所示为设计波峰因数CF3和实际测量时标准所允许的波峰因数最小值CFR3-和最大值CFR3+，可以看出，尽管CF3完全落在CFR3-和CFR3+之间，但CFR3-和CFR3+之间的范围很宽，在此范围内，轴承实际异常声可能远比期望的VF3好，也可能远比期望的VF3差，但都被判定为VF3静音等级。图3所示为轴承振动峰值与有效值之差与峰值的变化趋势，由于其几乎完全一致，这从另一个方面说明，将峰值与有效值之差作为轴承振动异常声的判定参量是可行的。

图1 轴承振动速度分布

图2 设计波峰因数CF3与实际波峰因数CFR3

图3 峰值、峰值与有效值之差趋势图

4 结论

(1)根据JB/T 10187—2000《滚动轴承 深沟球轴承振动(速度)技术条件》和JB/T 7047—2006《滚动轴承 深沟球轴承振动(加速度)技术条件》中给定的有效值限值和峰值限值判定轴承静音等级时，存在理论上的错判和漏判。其原因是，标准中要求的有效值和峰值各有一个范围，在其都不超过范围的情况下，组合出来的波峰因数却会远小于或远大于设计峰值限值时使用的被认为与某个静音等级相对应的波峰因数。

(2)轴承振动特征量波峰因数因实时地将振动信号的峰值与有效值以二者之比的方式相关联，因此，采用其对轴承异常声进行检测和判级，不存在理论上的错判和漏判。

(3)轴承振动特征量峰值与有效值之差因实时地将振动信号的峰值与有效值以二者之差的方式相关联，因此，也能够有效地反映轴承振动异常声，对难以显示波峰因数的非数字化轴承振动仪，可考虑将其作为波峰因数的代用参量检测控制轴承振动和异常声。