菅原SUGAWARA--滾動軸承振動與噪聲的相關(guān)性解析

滾動軸承的振動與噪聲,已從過去主要針對 電動機(jī)軸承的特殊性能要求之一,成為現(xiàn)在許多 類型軸承的基本性能要求之一。有關(guān)軸承振動與 噪聲的研究,長期以來備受關(guān)注,從理論分析到試 驗研究,成果紛呈。但迄今為止,關(guān)于軸承振動與 噪聲的理論,仍認(rèn)是不成熟的;關(guān)于軸承振動與 噪聲的試驗,仍存在許多問題需要探究。在具體 的研究和分析中,有時常將軸承振動與噪聲統(tǒng)歸 于1個問題,有時又將其看作為1個問題的2個 方面,有時又將其全分為2個獨立的問題。其中,通過控制軸承振動能否控制軸承噪聲,就形成了1個曾經(jīng)長期爭論、莫衷一是的思辨性問題。

1　振動與噪聲的本質(zhì)關(guān)系

振動即物體的往復(fù)運(yùn)動,也即物體的運(yùn)動狀 態(tài)隨時間在極大值和極小值之間交替變化的過程。聲音是由物體振動產(chǎn)生的,一切發(fā)聲的物體 都在振動,但不是所有的物體振動都產(chǎn)生聲音,只 有當(dāng)振動頻率在一定范圍內(nèi),且通過介質(zhì)被人的聽覺器官感知時,才稱為可聽聲,簡稱為聲音。其中, 一切無規(guī)律的或隨機(jī)的、從人的主觀和心理感覺上不希望存在的干擾聲則叫噪聲。所以概括而言, 振動與噪聲的因果邏輯關(guān)系就是:一定條件的 物體運(yùn)動稱為振動,一定條件的振動產(chǎn)生聲音,一 定條件的聲音才屬于噪聲。 除了特定用途,振動與噪聲是有害的,所以必 須加以控制。如振動對設(shè)備儀器的危害;會影響功能實現(xiàn),降低工作精度,加劇零件磨損,甚至 引起結(jié)構(gòu)疲勞破壞;對人身的危害;過量的振 動會使人不舒適、疲勞, 甚至導(dǎo)致人體病理性損傷。而由振動形成的噪聲,則主要是會造成環(huán)境污染,危害人體健康。由于振動與噪聲的因果關(guān)系, 所以,對于控制振動而言,通常就是直接控制振動本身;對于控制噪聲而言,一般則必須溯本求源,控制其成因;振動(當(dāng)然也可采用吸音、隔 音或消音等另一途徑的措施) 。由于音頻范圍為 20～ 20000 Hz, 低于 20 Hz 的次聲波和高于 20000 Hz 的超聲波作用到人的聽覺器官時不引 起聲音的感覺,即人耳聽不到,所以控制噪聲僅需 控制音頻范圍內(nèi)的振動即可,尤其是控制人耳特 別敏感的300～6000Hz左右的頻率(最敏感的頻 率是3000～4 000 Hz,其中,最有害的是1000～ 4000 Hz)部分, 效果最為明顯。

2　軸承振動與噪聲的特性

軸承振動與噪聲,既有一般機(jī)械振動與噪聲的共性,又有其特性。除了潤滑、安裝和使用過程中引起的振動與噪聲之外,軸承本身具有以下振動與噪聲特性。

2.1　軸承的振動特性

( 1) 軸承振動的原因非常復(fù)雜,振動形式有徑 向振動、軸向振動以及許多耦合振動。

( 2) 由于軸承結(jié)構(gòu)所致,其本身具有無法避免的固有振動:

①滾動體通過承載區(qū)振動;

②套圈受 載彎曲變形振動。

( 3) 在現(xiàn)有制造水平下,軸承振動主要與套圈 滾道和滾動體的波紋度有關(guān),而與圓度和表面粗 糙度非顯著相關(guān)。

( 4) 軸承振動包含從低頻到高頻的各種頻率 成分的振動,即其振動頻率是處處密實的。

( 5) 測量軸承振動的全頻段范圍為 50～ 10000 Hz。為了便于分析, 還將該全頻段分為 3個 頻段:50～ 300 Hz;300 ～ 1800 Hz;1800 ～ 10000 Hz。

2.2　軸承的噪聲特性

( 1) 軸承噪聲由產(chǎn)生軸承振動的許多因素引起,其中影響較大的主要是套圈滾道和滾動體的表面粗糙度和波紋度。

( 2) 軸承噪聲的重要聲源還包括滾動體與保 持架的撞擊聲、保持架由于渦動而產(chǎn)生的嘯叫聲、 滾動體與滾道的接觸摩擦聲(潤滑狀態(tài)不好時) 等。

( 3) 軸承聲音頻率的本底噪聲具有白噪聲特點,但異常噪聲主要頻率成分都集中在1000～ 10000 Hz,即軸承噪聲一般表現(xiàn)為中、高頻噪聲。

( 4) 測量軸承噪聲的全頻段范圍為 100～ 15000 Hz(也有按125～ 16 000 Hz 的) 。 根據(jù)以上振動與噪聲的頻率成分特性,通常 還可以按振動頻率范圍的高低來區(qū)分是作為軸承振動或是噪聲問題來研究。如日本的作法是:當(dāng)頻率在l000 Hz 以下時歸于振動問題,在1000 Hz 以上時歸于噪聲問題。

3　控制軸承振動的目的是控制軸承噪聲

軸承只要運(yùn)轉(zhuǎn),就肯定會產(chǎn)生振動與噪聲。由于軸承的結(jié)構(gòu)特點和精密程度,其本身產(chǎn)生的振動非常小,由于軸承振動而引起危害的可能性 也非常小。控制軸承振動,實際上從一開始,或者 說一直以來,其主要目的都不是控制振動,而是控制噪聲。如日本從1933 年起就開始進(jìn)行電動機(jī) 軸承的降振研究,是因為當(dāng)時電動機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲 太大;美國在二戰(zhàn)時期開始潛心研究降低潛艇軸 承的振動,也是因為德國的聲納能捕捉到潛艇發(fā) 動機(jī)工作時的噪聲。因此說,為了控制軸承噪聲, 才一直在間接地控制軸承振動。現(xiàn)在,對軸承振 動或噪聲的控制,已從過去的主要用于電動機(jī)的 深溝球軸承, 發(fā)展到角接觸球軸承、圓柱滾子軸 承、圓錐滾子軸承、甚至調(diào)心滾子軸承等許多類 型。振動與噪聲已成為這些軸承在一些應(yīng)用場合 的最重要的動態(tài)性能之一。尤其是對于家用電器、辦公機(jī)具等用軸承,要求更為嚴(yán)格,需要采用靜音軸承, 其中空調(diào)器軸承甚至需要采用靜音軸承。為此,在此類用途的軸承生產(chǎn)過程的終 檢中,都要進(jìn)行振動或噪聲的100%的全數(shù)測量控制。 當(dāng)然, 在監(jiān)測和診斷軸承故障方面, 運(yùn)用振 動遠(yuǎn)比噪聲要容易實現(xiàn)和可靠得多,因此,振動 無疑是主要研究方向。但是,這已經(jīng)不屬于軸承 本身的問題,而屬于軸承應(yīng)用的問題,應(yīng)另當(dāng)別 論。 由于軸承振動與噪聲這種直接相關(guān)性,在一 定條件下可以說是同義語,所以在生產(chǎn)和使用中, 總是將減振降噪連在一起, 低振動軸承也往 往習(xí)慣性地稱之為低噪聲軸承,緣由即此。 通過控制軸承振動來控制軸承噪聲, 不僅直接抓住了噪聲的源頭和成因,還由于實現(xiàn)起來比 較簡單, 如測量振動受環(huán)境條件影響較小、基礎(chǔ)振 動易于分離、便于在生產(chǎn)實際中應(yīng)用等。而測量噪聲則對環(huán)境條件要求較高,需要具有很低的背 景噪聲, 因此一般必須在建造成本較高的消聲室內(nèi)進(jìn)行。

4　測量軸承振動不能全替代測量軸承噪聲

盡管振動是因,噪聲是果,通過控制振動可以控噪聲,但現(xiàn)行的控制軸承振動的方法卻不能全替代控制軸承噪聲。現(xiàn)行的測量軸承振動的常規(guī)方法是:內(nèi)圈旋轉(zhuǎn),測量靜止外圈上的徑向振動。基于此測量結(jié)果而評價的軸承振動,盡管也可以評價軸承噪聲,但顯然只是與徑向振動相關(guān)的噪聲。然而,軸承振動不僅只有套圈的徑向振動,而且還有套圈的軸向振動;滾動體和保持架的自由竄動、滾動體與滾道間的摩擦聲等,除去已影響套圈徑向振動的分量外, 其他部分都會引起軸承噪聲,卻沒有計入。另外,軸承噪聲還有一些不是由于軸承振動引起的,比如軸承中運(yùn)動零件與周圍空氣形成的“空運(yùn)聲"等,也必須全部納入。因此,僅用現(xiàn)行的測量軸承振動的方法是不能全替代測量軸承噪聲的。有研究結(jié)果表明,軸承振動與噪聲的相關(guān)性為0.7,盡管這一結(jié)論說明了用控制軸承振動來替代控制軸承噪聲是可行和有效的,但同時也反證了其他30%的影響并沒有包含進(jìn)去。因此說,要在全意義上控制軸承噪聲,顯然只有直接控制其本身,這才是

有效的解決途徑。

5　測量軸承振動與噪聲的方法

5.1　測量軸承振動的方法

測量振動的方法較多,有電測法、機(jī)械法和光學(xué)法等,其中常用的是電測法。按測量振動的物理量不同,可分為位移、速度和加速度。其中,位移適用于測量低頻振動;速度適用于測量中頻振動;加速度則適用于測量高頻振動。位移、速度和加速度3個參數(shù)之間,可以通過數(shù)學(xué)微分或積分相互得出,但加速度通過積分獲得速度和位移的誤差較小,而將位移或速度進(jìn)行微分則誤差較大。

由于軸承振動通常表現(xiàn)為中、高頻振動,因此測量軸承振動適用于采用的物理量是速度和加速度。其中,測量加速度時, 一般采用全頻段,即50～ 10 000 Hz,也可采用 3頻段;測量速度時,一般采用3頻段,也可采用全頻段。3頻段對應(yīng)的產(chǎn)生軸承振動的制造精度方面的因素主要是:

• 50～ 300 Hz:套圈滾道的圓度;

• 300～ 1 800 Hz:套圈滾道的波紋度, 滾動體的圓度;

• 1 800～ 10 000 Hz:套圈滾道和滾動體的表面粗糙度。

測量軸承振動加速度,盡管有許多優(yōu)點,如常用的壓電式加速度計頻帶寬、靈敏度高、系統(tǒng)誤差小、可靠性好、體積較小和質(zhì)量較輕、應(yīng)用最為廣泛等,但所測振動基本上由中、高頻成分決定,在低頻段內(nèi)即使振動值變化很大也不易反映出來。

測量軸承振動速度,盡管有一些不足,如常用的電動式速度計一般幅值和頻率有限、易受強(qiáng)電流和強(qiáng)磁場的干擾、體積較大且較重等,但所測振動值比較穩(wěn)定,在總振動水平中可以反映任何頻段內(nèi)振動水平的變化,因此能夠比較客觀地評價振動質(zhì)量,采用3頻段則更能提高測量振動的信息量。

鑒于上述測量振動速度與加速度之間的優(yōu)劣比較,測量軸承振動已越來越傾向于采用速度,尤

其是國際標(biāo)準(zhǔn)化組織第4技術(shù)委員會(滾動軸承技術(shù)委員會) ISO/TC4 于 2004 年發(fā)布了 ISO 15424《滾動軸承 振動測量方法》,其中明確規(guī)定了測量軸承振動采用速度后,更奠定了其應(yīng)被優(yōu)先選擇的地位。

5.2　測量軸承噪聲的方法

測量噪聲比測量振動以及其他許多物理量都困難一些,也不易測準(zhǔn),即測量誤差較大。測量噪聲的理想聲場是自由聲場。自由聲場是指在均勻各向同性的介質(zhì)中,邊界影響可以不計的聲場。在自由聲場中,聲波可以將聲源的輻射特性向各個方向不受阻礙或干擾地傳播。但自由聲場很難實現(xiàn),一般只能獲得滿足一定測量誤差要求的近似的自由聲場,如消聲室中的聲場。消聲室能有效地吸收入射聲波,反射聲波對聲場的影響基本上可以忽略不計,所以在一定的頻率范圍內(nèi),消聲室中的聲場基本上可以認(rèn)為是自由聲場。

測量軸承噪聲的方法是在消聲室內(nèi),采用A計權(quán)網(wǎng)絡(luò)聲壓級(A 計權(quán)聲級適用于模擬人耳對55 dB 以下低強(qiáng)度噪聲的頻率特性,并對低頻成分的衰減程度很大),背景噪聲要求一般應(yīng)低于15 dB( A)甚至12 dB(A) 。測量時, 軸承噪聲與背景噪聲的差值最好應(yīng)在10dB(A)以上,min必須保證在4dB(A) 以上,否則就很難準(zhǔn)確測出軸承噪聲。對于微、小型軸承,由于其噪聲水平較低,一般難以滿足與背景噪聲的差值在10dB(A)以上的要求, 當(dāng)其差值低于規(guī)定要求時,應(yīng)按表1所列值進(jìn)行修正。

軸承噪聲頻率范圍較寬,但當(dāng)頻率超過8000Hz 時,測量噪聲強(qiáng)度的難度較大,而且超過8000Hz 的噪聲,實際上對軸承噪聲強(qiáng)度已影響不大。因此只要測量500～8000Hz的聲壓級,就基本上 可以評價出軸承的噪聲質(zhì)量水平。換言之,對于軸承噪聲,不在全頻段范圍進(jìn)行測量也是可行的。

在消聲室測量軸承噪聲屬于非接觸式測量,還有1種在工廠現(xiàn)場常用的接觸式測量,其方法是將軸承的振動信號轉(zhuǎn)化為聲音信號,通過揚(yáng)聲器進(jìn)行放大,再由人耳聽聲音,憑經(jīng)驗對軸承進(jìn)行噪聲質(zhì)量檢查這種方法盡管對測量環(huán)境無特殊要求,但實質(zhì)上不屬于噪聲測量,而仍是振動測量。

6　軸承噪聲壽命的定義和估算

軸承噪聲壽命的定義是:軸承以一定噪聲限值水平運(yùn)轉(zhuǎn)的總時間。經(jīng)噪聲檢測合格的軸承,運(yùn)轉(zhuǎn)一段時間后,由于會產(chǎn)生滾道面磨損、潤滑脂劣化等原因,致使噪聲增大,當(dāng)超過噪聲容許范圍時,即認(rèn)為軸承噪聲壽命終結(jié),不能繼續(xù)使用。

根據(jù)以上軸承噪聲壽命的定義,對于低噪聲軸承而言,實際上包含2個要求,即不僅要求噪聲低,而且要求噪聲水平的保持性要好,即應(yīng)具有一定的噪聲壽命。 試驗和經(jīng)驗證明,軸承噪聲壽命的估算,可以與一些工況條件或因素相關(guān)聯(lián)。下面以對噪聲要求嚴(yán)格的家電軸承為例。

6.1　軸承噪聲壽命和滾動體與滾道間的接觸應(yīng)力相關(guān)

滾動體與滾道間的接觸應(yīng)力大小,將直接影響軸承的摩擦磨損,進(jìn)而影響軸承的噪聲壽命。以深溝球軸承為例, 噪聲壽命要求超過10 000 h時(長噪聲壽命場合) ,接觸應(yīng)力不應(yīng)大于800 MPa;5 000～ 10 000 h 時(普通用途), 接觸應(yīng)力不應(yīng)大于1000MPa;低于5000h時(剛性要求較嚴(yán)),接觸應(yīng)力不應(yīng)大于1 500MPa。

6.2　軸承噪聲壽命與預(yù)載荷相關(guān)

軸承承受徑向載荷時,由于徑向游隙的存在,僅有承載區(qū)內(nèi)的部分滾動體承受載荷。當(dāng)滾動體從非承載區(qū)運(yùn)動到承載區(qū)的過程中,滾動體自重與離心力的合力的大小及方向不斷發(fā)生變化,滾動體將交替與套圈滾道發(fā)生碰撞,從而產(chǎn)生噪聲。 這種噪聲可以通過對軸承施加預(yù)緊予以消除。

以深溝球軸承為例,噪聲壽命要求超過10 000 h時, 預(yù)載荷取定值為(0.005～ 0.01)Cr(Cr為軸承徑向額定動載荷) ;5000～ 10 000 h 時, 預(yù)載荷取定值為(0.01～0.015)Cr ;低于 5 000 h 時,預(yù)載荷取定值為(0.015～ 0.02) Cr 。對于常用型號深溝球軸承, 預(yù)載荷推薦為:608 為 30 N;6200～ 6202 為40 N 。

6.3　軸承噪聲壽命與潤滑脂壽命相關(guān)

潤滑脂對于軸承振動而言,具有阻尼作用,因此對于軸承噪聲來說,就具有消聲作用。潤滑脂質(zhì)量的不斷劣化,將會嚴(yán)重影響軸承的噪聲。根據(jù)軸承的尺寸大小和工作條件,噪聲壽命大約為潤滑脂壽命的1/3～ 1/2。

7　結(jié)束語

振動與噪聲從本質(zhì)上說,是1個事情的2個方面,具有高度相關(guān)性;但從表現(xiàn)形式來看,由于是2種物理現(xiàn)象,又各有其顯著相異性。軸承的振動與噪聲也不例外,但同時還有其特殊性。 對于軸承振動的控制,其目的主要是控制噪聲。隨著軸承產(chǎn)品質(zhì)量的不斷提高,軸承運(yùn)轉(zhuǎn)的聲音也越來越小,測量軸承噪聲所需要的環(huán)境條件和儀器就要求更加嚴(yán)格復(fù)雜,不僅費用高,而且技術(shù)上也難以達(dá)到。而測量振動比測量噪聲更加簡便,同時也證明非常有效,因此ISO/TC4 已于2007年決定取消有關(guān)軸承噪聲測量方法的國際標(biāo)準(zhǔn)工作項目,而在這之前的2004年,有關(guān)軸承振動測量方法已發(fā)布了系列標(biāo)準(zhǔn)。從這一動向可以看出,在軸承振動與噪聲的控制上,振動將成為主要控制對象,振動速度將成為主要測量與評定指標(biāo), 這實際上也明確了今后有關(guān)軸承振動與噪聲的主流技術(shù)發(fā)展方向。