轴承异常声检测控制方法以及轴承振动测量仪

技术领域

本发明涉及到滚动轴承振动测量技术领域，具体涉及一种轴承异常声检测控制方法以及能够实现该功能的轴承振动测量仪。

背景技术

轴承振动是产生噪声的主要根源，异常声是耳感比平均背景噪声还要不舒服的噪声或称异音，可由振动信号中峰值超过有效值的程度来反映，显然，超出越少，耳感异常声就越小；超出越多，耳感异常声就越大。一般情况下，轴承的振动特征可以表征轴承噪声特征，轴承振动信号是一种随机振动信号，而异常声实际上是振动波形上的一些尖峰脉冲。

轴承的振动噪声综合反映轴承的动态性能及质量水平，因此采用专用的轴承振动测量仪器进行检测和控制。现行轴承振动测量仪器通过测量显示轴承振动的有效值即均方根值（RMS）控制轴承振动的平均水平，通过测量显示轴承振动的峰值（PK）控制轴承振动的异常声即异音，国家或行业标准对不同尺寸、不同静音等级的轴承给出了有效值限值和峰值限值。这样，实测有效值和峰值同标准规定的有效值和峰值对比后就可以判定轴承的振动等级和静音等级。

但实际测量中，根据仪器显示的有效值和峰值对照标准给出的峰值和有效值对轴承静音等级进行判定，存在严重的错判和漏判，具体表现是，按照测量显示结果，对应较高的静音等级时，通过人耳监听到的轴承异常声却非常大；而按照测量显示结果，对应较低的静音等级时，通过人耳监听到的轴承异常声却并不大。漏判和错判严重影响着人们对轴承振动噪声质量的真实评判和轴承成品质量分档，困扰着轴承制造企业和轴承用户。

究其原因，峰值是一个绝对量，其大小难以反映轴承异常声的轻重或轴承静音等级的高低。比如，两套不同的轴承，其振动峰值相同，但其振动有效值一套大另一套小但都在同一个振动等级上，按照振动仪器的显示值和国家及行业标准，该两套轴承的振动有效值和静音等级都在同一个等级上，但显然，实际上，振动有效值小的那套轴承异常声肯定比振动有效值大的那套轴承异常声要大，两套轴承的异常声可能根本不在同一个等级上。所以说，采用峰值检测控制异常声时，将不可避免地产生错判和漏判。

实际上，轴承振动异常声与轴承振动峰值超出其有效值的程度有关，如何描述该超出程度，有效避免轴承振动异常声检测中的错判和漏判的问题，成为当务之急。

发明内容

本发明的第一目的是提供一种轴承异常声检测控制方法，以解决现行轴承振动测量仪器采用峰值检测控制轴承异常声存在错判和漏判的技术问题。

本发明的第二目的在于提供一种能够实现上述功能的轴承振动测量仪。

本发明提供一种轴承异常声检测控制方法，包括以下步骤：

(1)确定异常声检测参数F=f(PK_i, RMS_i)，并设定不同程度异常声对应的F标准值，其中f(PK_i, RMS_i)表示以PK_i，RMS_i作为变量的函数，PK_i为轴承振动特征参量峰值，RMS_i为轴承振动特征参量有效值；

(2)实测轴承的当前振动，从中获得当前轴承振动特征参量峰值PK_i和当前轴承振动特征参量有效值RMS_i；

(3)根据当前轴承振动特征参量峰值PK_i和当前轴承振动特征参量有效值RMS_i，计算出当前异常声检测参数F_i；

(4)通过当前异常声检测参数F_i与F标准值的比对，确认当前轴承是否处于异常状态或声音异常程度。

较佳地，步骤(1)中异常声检测参数F为轴承振动特征参量波峰因数CF，其中CF_i= PK_i/RMS_i。

较佳地，步骤(1)中异常声检测参数F为差值DF，其中，DF= PK_i-RMS_i。

轴承振动特征参量为以下至少其中一种：振动位移、振动速度、振动加速度。

本发明提供一种数字化或半数字化的轴承振动测量仪，包括：

检测器，用于检测轴承的当前振动，包括传感器、信号放大调理器和A/D转换器；

处理器，连接检测器并进一步包括：

存储单元：用于存储不同程度异常声对应的F标准值;

确定单元：接收检测器的数据，并计算或确定当前轴承振动特征参量峰值PK_i和当前轴承振动特征参量有效值RMS_i;

计算单元：用于计算当前轴承异常声检测参数F=f(PK_i, RMS_i);

判断单元：用于通过当前异常声检测参数F与F标准值的比对，确认当前轴承是否处于异常状态;

显示单元：连接处理器，用于将轴承声音所处的状态进行显示。

其中，所述存储单元设置处理器内，或单独为存储器的一存储单元。

其中，确定单元、计算单元、判断单元为软件功能实现，或者通过多个微处理器来实现的。

由于采用了以上的技术特征，使得本发明相比于现有技术具有以下的优点和积极效果：

本发明提供的一种轴承异常声检测控制方法，采用被检测的轴承振动特征参量峰值同有效值之比和/或峰值同有效值之差来检测判定轴承的异常声，即将现有轴承振动仪测量显示峰值改为测量显示峰值同有效值之比或峰值同有效值之差，将按照峰值进行轴承静音等级判定改为按照峰值同有效值之比或峰值同有效值之差进行判定，克服了现行轴承振动测量仪采用峰值检测控制轴承异常声存在错判和漏判的缺点，在轴承振动异常声检测控制领域具有十分重要的意义。

附图说明

图1为本发明的轴承异常声检测控制方法的流程图;

图2为轴承振动速度排布图;

图3为设计波峰因数CF3与实际波峰因数CFR3的对比图（3表示以振动等级第3组为例进行说明）；

图4为峰值、峰值与有效值之差超势图；

图5为峰值与有效值对比的5中组合的示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行详细描述。

为了更好地说明本发明，本发明先解释一下本行业的名词。

1、振动特征参量有效值、峰值与波峰因数

（1）有效值RMS（Root mean square）

 有效值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。

（2）峰值PK（Peak）

 峰值反映波形中冲击最大的振动幅值，与时间的历程无关。异常声发生时，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，峰值对异常声有否检出能力单凭自身还不行，还要看此时的振动有效值。

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。 

（3）波峰因数CF（Crest factor） 

波峰因数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、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。 

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等错误结论。

2、现有轴承异常声检测存在错判和漏判的问题 

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，但是这种方式存在错判和漏判的问题。

第一实施例

请参阅图1，其为本发明的一种轴承异常声检测控制方法的流程图。它包括以下步骤：

S110:确定异常声检测参数F=f(PK_i, RMS_i)，并设定不同程度异常声对应的F标准值，其中f(PK_i, RMS_i)表示以PK_i，RMS_i作为变量的函数，PK_i为轴承振动特征参量峰值，RMS_i为轴承振动特征参量有效值。

申请人发现仅考虑峰值来判断轴承的声音状态，是非常不准确的。为此，申请人经过发现可知，在判断轴承声当前处于的状态时，如果能同时考虑当前轴承振动特征参量峰值和轴承振动特征参量有效值，再去判断轴承声音当前处于状态时，准确率就大大提升。

为此，申请人可以将当前轴承振动特征参量峰值、轴承振动特征参量有效值同时做为一个函数的两个变量，即设定异常声检测参数F=f(PK_i, RMS_i)。比如，步骤S110中异常声检测参数F可以为轴承振动特征参量波峰因数CF，其中CF_i= PK_i/RMS_i。再比如，步骤S110中异常声检测参数F为峰值与有效值的差值DF，其中，DF= PK_i-RMS_i。

确定好检测参数F的计算公式后，再设定不同程度异常声对应的F标准值。如果F为轴承振动特征参量波峰因数CF时，不同程度异常声对应的轴承振动特征参量波峰因数CF的大小是已经被经验确定的，国家或行业标准中的峰值限值，也是根据CF进行确定的。

如果F为其它计算公式，则可以先设定F标准值。比如，对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对应的F标准值，并将其记录保存。一般来说，可以保存成表格形式。比如：

表中，异常声越低，对应的静音等级就越高，F标准值就越小。

即，如果后续计算出来的当前异常声检测参数F位于（F_2标，F_1标）之间，则表明当前轴承静音等级位于第二级。

S120：实测轴承的当前轴承振动特征参量，从中获得当前轴承振动特征参量峰值PK和当前轴承振动特征参量有效值RMS。

检测轴承的当前振动特征参量，并从中获得当前轴承振动特征参量峰值PK和当前轴承振动特征参量有效值RMS。这个步骤是现有步骤，定时或事件触发式检测轴承当前振动特征参量，找到其中峰值，以及计算出当前轴承振动特征参量有效值RMS，这有很多种实现方式，但由于都是现有技术，另外也非本申请的主要发明点，为此就不再叙述。

S130：根据当前轴承振动特征参量峰值PK和当前轴承振动特征参量有效值RMS，计算出当前异常声检测参数F。

如果该轴承振动测量仪是数字或半数字化的，则可以通过微处理器根据预先设定的f(PK_i, RMS_i)计算公式计算出当前F。

S140：通过当前异常声检测参数F与F标准值的比对，确认当前轴承是否处于异常状态或声音异常程度。

F与预先保存的该一或该些F标准值相比，即可获知轴承声音当前处于的状态。

应用例1

在本应用例中，其峰值限值的确定办法具体是，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/T10187‐2010《滚动轴承 深沟球轴承振动（速度）技术条件》中的VP3、 VP4和JB/T7047‐2006《滚动轴承 深沟球轴承振动（加速度）技术条件》中的ZP3、ZP4。顺应标准要求，几乎所有振动仪都通过分别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。以空调电机常用 608 轴承为例，表1是 JB/T10187‐2010给定的 VF3、VF4 静音等级振动速度有效值限值及峰值限值，表2是JB/T7047‐2006给定的ZF3、ZF4 静音等级振动加速度有效值限值及峰值限值，其相关导出量一同列于表中。

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列出了制定轴承振动峰值限值时采用的波峰因数，它们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、高三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，可以看出它们都是相当宽的一个范围，V3组有效值允许值是：低频为38至44 um/s，中频为12至28 um/s，高频为12至24 um/s；VP3组峰值允许值是：低频为120至145 um/s，中频为55至115 um/s，高频为55至95 um/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，由标准规定的有效值V3允许值范围和峰值 VP3允许值范围导出其对应的波峰因数允许值范围，结果如下：

低频：2.73^-~3.82⁺

中频：1.96^-~9.58⁺

高频：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/T10187‐2010会对轴承异常声进行很大概率的错判和漏判。

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，

有效值关系，

峰值关系，

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，它们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等级为例，为便于说明问题，由标准规定的有效值Z3允许值范围和峰值ZP3允许值范围导出其对应的波峰因数允许值范围，结果如下：

通频：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/T7047‐2006也会对轴承异常声进行很大概率的错判和漏判。

按照标准却对轴承振动异常声等级产生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，而这个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。

第二实施例

应用例2

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DF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，

CF=PK/RMS

DF=PK-RMS=RMS×(CF-1)

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才不会产生错判和漏判。

如表3，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 um/s、中频不超87 um/s、高频不超71 um/s时，该轴承就是VF3组静音轴承。 

如表4，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自3 mm到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中相关数据分别以曲线形式显示如图2、图3和图4。

表5 轴承振动速度异常声控制参量（中频带）

轴承振动速度排布图图2清楚地显示了标准给定的V3组振动有效值和 VP3组振动峰值的范围变化情况。图3给出了设计波峰因数CF3和实际测量时被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，在这个范围内，实际轴承异常声可以远比期望的VF3糟糕，也可以远比期望的VF3安静，但都被判定成了VF3等级。图4示轴承振动峰值与有效值之差与峰值的变化趋势完全一致，从另一个方面说明了峰值与有效值之差作为轴承振动异常声判定参量的现实可行性。

从上可知，本发明具有以下优点：

（1）根据JB/T 10187-2010和JB/T 7047-2006中给定的有效值限值和峰值限制判定轴承静音等级时，存在较大概率的错判和漏判。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）轴承振动特征参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、判级，不会产生错判和漏判。

（3）轴承振动特征参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，采用其对轴承异常声进行检测、判级，也不会产生错判和漏判。

（4）数字化轴承振动测量分析仪器具有采样频率高、可以显示无量纲量波峰因数和超限峰数等特点，在轴承异常声检测和判级中，不会产生错判和漏判，具有传统模拟仪器所无法比拟的优势。

以下结合附图具体以一实施例进行说明

以空调电机轴承608在中频带上的振动速度为例，JB/T 10187-2010《滚动轴承 深沟球轴承振动（速度）技术条件》规定，只要轴承振动速度有效值在12 um/s到28 um/s之间，振动等级就是V3组，对V3组轴承，当振动峰值在55 um/s至115 um/s之间时，静音等级就是VF3。而实际测量中，峰值和有效值之间会出现各种组合，请参考图5，给出了其中5种组合，显然，自左至右，第2种组合，峰值最大有效值最小，两者的差距最大，轴承的耳感异常声肯定较大，绝对不可能是VF3级静音轴承，现行仪器根据现行标准将其判为VF3，纯属误判；而第4种组合，峰值最小有效值最大，两者的差距最小，轴承异常声也最小，静音等级要高于VF3级。

而如果采用本发明峰值与有效值之比或之差来检测判定轴承的异常声情况就完全不同。假定轴承振动等级仍为V3组，即振动有效值RMS仍在12 um/s到28 um/s之间，这时，将标准给定的峰值115 um/s与标准给定的有效值28 um/s之比4.11或之差RMS×(4.11-1) um/s作为VF3级静音轴承限值，实际上就有效地限制了振动信号峰值和有效值之间的差异，这时，不管有效值在12 um/s至28 um/s之间如何变化，只要峰值与有效值之比不超过4.11或峰值与有效值之差不超过 RMS×(4.11-1) um/s，轴承异常声就不可能大，静音等级就能稳定地达到VF3级；反之，轴承异常声就会较大，静音等级就达不到VF3级。

以上的方法不仅可应用于模拟轴承振动测量仪，还可以应用于数字轴承振动仪、半数字振动仪等中。而且可以适用于包括通频带、低频带、中频带和高频带中。不仅适合单机离线式轴承振动测量仪器，也适用在线轴承振动测量仪器中。

本发明还公开一种轴承振动测量仪（主要是指数字化的测量仪），包括：

检测器，用于检测轴承的当前振动，包括传感器、信号放大调理器和A/D转换器；

处理器，连接检测器并进一步包括：

存储单元：用于存储不同程度异常声对应的F标准值;

确定单元：接收检测器的数据，并计算或确定当前轴承振动特征参量峰值PK_i和当前轴承振动特征参量有效值RMS_i;

计算单元：用于计算当前轴承异常声检测参数F=f(PK_i, RMS_i);

判断单元：用于通过当前异常声检测参数F与F标准值的比对，确认当前轴承是否处于异常状态;

显示单元：连接处理器，用于将轴承声音所处的状态进行显示。

所述存储单元设置处理器内，或单独为存储器的一存储单元。

确定单元、计算单元、判断单元可以为软件功能实现。并且，确定单元、计算单元、判断单元可以为多个微处理器来实现。

在现有的全数字化轴承振动测量仪，仅通过对其编程即可实现。在半数字化轴承振动测量仪中，可以增加一微处理器也可以实现。另外，如果是模拟轴承振动测量仪，可在其中增设一减法运算器也可以实现。

以上公开的仅为本申请的几个具体实施例，但本申请并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化，都应落在本申请的保护范围内。