滾動(dòng)軸承振動(dòng)與噪聲的相關(guān)性解析

楊曉蔚,李紅濤

(1.洛陽(yáng)軸承研究所有限公司，河南 洛陽(yáng) 471039；2.空軍駐洛陽(yáng)地區(qū)代表室，河南 洛陽(yáng) 471003)

滾動(dòng)軸承的振動(dòng)與噪聲，已從過(guò)去主要針對(duì)電動(dòng)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(dòng)與噪聲的研究，長(zhǎng)期以來(lái)備受關(guān)注，從理論分析到試驗(yàn)研究，成果紛呈。但迄今為止，關(guān)于軸承振動(dòng)與噪聲的理論，仍公認(rèn)是不成熟的；關(guān)于軸承振動(dòng)與噪聲的試驗(yàn)，仍存在許多問(wèn)題需要探究。在具體的研究和分析中，有時(shí)常將軸承振動(dòng)與噪聲統(tǒng)歸于1個(gè)問(wèn)題，有時(shí)又將其看作為1個(gè)問(wèn)題的2個(gè)方面，有時(shí)又將其完全分為2個(gè)獨(dú)立的問(wèn)題。其中，通過(guò)控制軸承振動(dòng)能否控制軸承噪聲，就形成了1個(gè)曾經(jīng)長(zhǎng)期爭(zhēng)論、莫衷一是的思辨性問(wèn)題。

1 振動(dòng)與噪聲的本質(zhì)關(guān)系

振動(dòng)即物體的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，也即物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)隨時(shí)間在極大值和極小值之間交替變化的過(guò)程。聲音是由物體振動(dòng)產(chǎn)生的，一切發(fā)聲的物體都在振動(dòng)，但不是所有的物體振動(dòng)都產(chǎn)生聲音，只有當(dāng)振動(dòng)頻率在一定范圍內(nèi)，且通過(guò)介質(zhì)被人的聽(tīng)覺(jué)器官感知時(shí)，才稱為可聽(tīng)聲，簡(jiǎn)稱為聲音。其中，一切無(wú)規(guī)律的或隨機(jī)的、從人的主觀和心理感覺(jué)上不希望存在的干擾聲則叫噪聲。所以概括而言，振動(dòng)與噪聲的因果邏輯關(guān)系就是：一定條件的物體運(yùn)動(dòng)稱為振動(dòng)，一定條件的振動(dòng)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(dòng)與噪聲是有害的，所以必須加以控制。如振動(dòng)對(duì)設(shè)備儀器的危害——會(huì)影響功能實(shí)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(duì)人身的危害——過(guò)量的振動(dòng)會(huì)使人不舒適、疲勞，甚至導(dǎo)致人體病理性損傷。而由振動(dòng)形成的噪聲，則主要是會(huì)造成環(huán)境污染，危害人體健康。由于振動(dòng)與噪聲的因果關(guān)系，所以，對(duì)于控制振動(dòng)而言，通常就是直接控制振動(dòng)本身；對(duì)于控制噪聲而言，一般則必須溯本求源，控制其成因——振動(dòng)(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20～20 000 Hz，低于20 Hz的次聲波和高于20 000 Hz的超聲波作用到人的聽(tīng)覺(jué)器官時(shí)不引起聲音的感覺(jué)，即人耳聽(tīng)不到，所以控制噪聲僅需控制音頻范圍內(nèi)的振動(dòng)即可，尤其是控制人耳特別敏感的300～6 000 Hz左右的頻率(最敏感的頻率是3 000～4 000 Hz，其中，最有害的是1 000～4 000 Hz)部分，效果最為明顯。

2 軸承振動(dòng)與噪聲的特性

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

2.1 軸承的振動(dòng)特性

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

(2)由于軸承結(jié)構(gòu)所致，其本身具有無(wú)法避免的固有振動(dòng)：①滾動(dòng)體通過(guò)承載區(qū)振動(dòng)；②套圈受載彎曲變形振動(dòng)。

(3)在現(xiàn)有制造水平下，軸承振動(dòng)主要與套圈滾道和滾動(dòng)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(dòng)包含從低頻到高頻的各種頻率成分的振動(dòng)，即其振動(dòng)頻率是處處密實(shí)的。

(5)測(cè)量軸承振動(dòng)的全頻段范圍為50～10 000 Hz。為了便于分析，還將該全頻段分為3個(gè)頻段：50～300 Hz；300～1 800 Hz；1 800～10 000 Hz。

2.2 軸承的噪聲特性

(1)軸承噪聲由產(chǎn)生軸承振動(dòng)的許多因素引起，其中影響較大的主要是套圈滾道和滾動(dòng)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(dòng)體與保持架的撞擊聲、保持架由于渦動(dòng)而產(chǎn)生的嘯叫聲、滾動(dòng)體與滾道的接觸摩擦聲(潤(rùn)滑狀態(tài)不好時(shí))等。

(3)軸承聲音頻率的本底噪聲具有白噪聲特點(diǎn)，但異常噪聲主要頻率成分都集中在1 000～10 000 Hz，即軸承噪聲一般表現(xiàn)為中、高頻噪聲。

(4)測(cè)量軸承噪聲的全頻段范圍為100～15 000 Hz(也有按125～16 000 Hz的)。

根據(jù)以上振動(dòng)與噪聲的頻率成分特性，通常還可以按振動(dòng)頻率范圍的高低來(lái)區(qū)分是作為軸承振動(dòng)或是噪聲問(wèn)題來(lái)研究。如日本的作法是：當(dāng)頻率在l 000 Hz以下時(shí)歸于振動(dòng)問(wèn)題，在1 000 Hz以上時(shí)歸于噪聲問(wèn)題。

3 控制軸承振動(dòng)的目的是控制軸承噪聲

軸承只要運(yùn)轉(zhuǎn)，就肯定會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)與噪聲。由于軸承的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和精密程度，其本身產(chǎn)生的振動(dòng)非常小，由于軸承振動(dòng)而引起危害的可能性也非常小。控制軸承振動(dòng)，實(shí)際上從一開(kāi)始，或者說(shuō)一直以來(lái)，其主要目的都不是控制振動(dòng)，而是控制噪聲。如日本從1933年起就開(kāi)始進(jìn)行電動(dòng)機(jī)軸承的降振研究，是因?yàn)楫?dāng)時(shí)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲太大；美國(guó)在二戰(zhàn)時(shí)期開(kāi)始潛心研究降低潛艇軸承的振動(dòng)，也是因?yàn)榈聡?guó)的聲納能捕捉到潛艇發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)的噪聲。因此說(shuō)，為了控制軸承噪聲，才一直在間接地控制軸承振動(dòng)?，F(xiàn)在，對(duì)軸承振動(dòng)或噪聲的控制，已從過(guò)去的主要用于電動(dòng)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(dòng)與噪聲已成為這些軸承在一些應(yīng)用場(chǎng)合的最重要的動(dòng)態(tài)性能之一。尤其是對(duì)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“超靜音軸承”。為此，在此類用途的軸承生產(chǎn)過(guò)程的終檢中，都要進(jìn)行振動(dòng)或噪聲的100%的全數(shù)測(cè)量控制。

當(dāng)然，在監(jiān)測(cè)和診斷軸承故障方面，運(yùn)用振動(dòng)遠(yuǎn)比噪聲要容易實(shí)現(xiàn)和可靠得多，因此，振動(dòng)無(wú)疑是主要研究方向。但是，這已經(jīng)不屬于軸承本身的問(wèn)題，而屬于軸承應(yīng)用的問(wèn)題，應(yīng)另當(dāng)別論。

由于軸承振動(dòng)與噪聲這種直接相關(guān)性，在一定條件下可以說(shuō)是同義語(yǔ)，所以在生產(chǎn)和使用中，總是將“減振降噪”連在一起， “低振動(dòng)軸承”也往往習(xí)慣性地稱之為“低噪聲軸承”，緣由即此。

通過(guò)控制軸承振動(dòng)來(lái)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(shí)現(xiàn)起來(lái)比較簡(jiǎn)單，如測(cè)量振動(dòng)受環(huán)境條件影響較小、基礎(chǔ)振動(dòng)易于分離、便于在生產(chǎn)實(shí)際中應(yīng)用等。而測(cè)量噪聲則對(duì)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(cè)量軸承振動(dòng)不能完全替代測(cè)量軸承噪聲

盡管振動(dòng)是因，噪聲是果，通過(guò)控制振動(dòng)可以控制噪聲，但現(xiàn)行的控制軸承振動(dòng)的方法卻不能完全替代控制軸承噪聲。

現(xiàn)行的測(cè)量軸承振動(dòng)的常規(guī)方法是：內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)，測(cè)量靜止外圈上的徑向振動(dòng)?；诖藴y(cè)量結(jié)果而評(píng)價(jià)的軸承振動(dòng)，盡管也可以評(píng)價(jià)軸承噪聲，但顯然只是與徑向振動(dòng)相關(guān)的噪聲。然而，軸承振動(dòng)不僅只有套圈的徑向振動(dòng)，而且還有套圈的軸向振動(dòng)；滾動(dòng)體和保持架的自由竄動(dòng)、滾動(dòng)體與滾道間的摩擦聲等，除去已影響套圈徑向振動(dòng)的分量外，其他部分都會(huì)引起軸承噪聲，卻沒(méi)有計(jì)入。另外，軸承噪聲還有一些不是由于軸承振動(dòng)引起的，比如軸承中運(yùn)動(dòng)零件與周?chē)諝庑纬傻摹翱者\(yùn)聲”等，也必須全部納入。因此，僅用現(xiàn)行的測(cè)量軸承振動(dòng)的方法是不能完全替代測(cè)量軸承噪聲的。有研究結(jié)果表明，軸承振動(dòng)與噪聲的相關(guān)性為0.7，盡管這一結(jié)論說(shuō)明了用控制軸承振動(dòng)來(lái)替代控制軸承噪聲是可行和有效的，但同時(shí)也反證了其他30%的影響并沒(méi)有包含進(jìn)去。因此說(shuō)，要在完全意義上控制軸承噪聲，顯然只有直接控制其本身，這才是最有效的解決途徑。

5 測(cè)量軸承振動(dòng)與噪聲的方法

5.1 測(cè)量軸承振動(dòng)的方法

測(cè)量振動(dòng)的方法較多，有電測(cè)法、機(jī)械法和光學(xué)法等，其中最常用的是電測(cè)法。

按測(cè)量振動(dòng)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(cè)量低頻振動(dòng)；速度適用于測(cè)量中頻振動(dòng)；加速度則適用于測(cè)量高頻振動(dòng)。位移、速度和加速度3個(gè)參數(shù)之間，可以通過(guò)數(shù)學(xué)微分或積分相互得出，但加速度通過(guò)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(dòng)通常表現(xiàn)為中、高頻振動(dòng)，因此測(cè)量軸承振動(dòng)適用于采用的物理量是速度和加速度。其中，測(cè)量加速度時(shí)，一般采用全頻段，即50～10 000 Hz，也可采用3頻段；測(cè)量速度時(shí)，一般采用3頻段，也可采用全頻段。3頻段對(duì)應(yīng)的產(chǎn)生軸承振動(dòng)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(dòng)體的圓度；

1 800～10 000 Hz：套圈滾道和滾動(dòng)體的表面粗糙度。

測(cè)量軸承振動(dòng)加速度，盡管有許多優(yōu)點(diǎn)，如常用的壓電式加速度計(jì)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(cè)振動(dòng)基本上由中、高頻成分決定，在低頻段內(nèi)即使振動(dòng)值變化很大也不易反映出來(lái)。

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

鑒于上述測(cè)量振動(dòng)速度與加速度之間的優(yōu)劣比較，測(cè)量軸承振動(dòng)已越來(lái)越傾向于采用速度，尤其是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織第4技術(shù)委員會(huì)(滾動(dòng)軸承技術(shù)委員會(huì))ISO/TC4于2004年發(fā)布了ISO 15424《滾動(dòng)軸承 振動(dòng)測(cè)量方法》，其中明確規(guī)定了測(cè)量軸承振動(dòng)采用速度后，更奠定了其應(yīng)被優(yōu)先選擇的地位。

5.2 測(cè)量軸承噪聲的方法

測(cè)量噪聲比測(cè)量振動(dòng)以及其他許多物理量都困難一些，也不易測(cè)準(zhǔn)，即測(cè)量誤差較大。

測(cè)量噪聲的理想聲場(chǎng)是自由聲場(chǎng)。自由聲場(chǎng)是指在均勻各向同性的介質(zhì)中，邊界影響可以不計(jì)的聲場(chǎng)。在自由聲場(chǎng)中，聲波可以將聲源的輻射特性向各個(gè)方向不受阻礙或干擾地傳播。但自由聲場(chǎng)很難實(shí)現(xiàn)，一般只能獲得滿足一定測(cè)量誤差要求的近似的自由聲場(chǎng)，如消聲室中的聲場(chǎng)。消聲室能有效地吸收入射聲波，反射聲波對(duì)聲場(chǎng)的影響基本上可以忽略不計(jì)，所以在一定的頻率范圍內(nèi)，消聲室中的聲場(chǎng)基本上可以認(rèn)為是自由聲場(chǎng)。

測(cè)量軸承噪聲的方法是在消聲室內(nèi)，采用A計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)聲壓級(jí)(A計(jì)權(quán)聲級(jí)適用于模擬人耳對(duì)55 dB以下低強(qiáng)度噪聲的頻率特性，并對(duì)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(cè)量時(shí)，軸承噪聲與背景噪聲的差值最好應(yīng)在10 dB(A)以上，最低必須保證在4 dB(A)以上，否則就很難準(zhǔn)確測(cè)出軸承噪聲。對(duì)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10 dB(A)以上的要求，當(dāng)其差值低于規(guī)定要求時(shí)，應(yīng)按表1所列值進(jìn)行修正。

表1 軸承噪聲修正值 dB(A)

軸承噪聲頻率范圍較寬，但當(dāng)頻率超過(guò)8 000 Hz時(shí)，測(cè)量噪聲強(qiáng)度的難度較大，而且超過(guò)8 000 Hz的噪聲，實(shí)際上對(duì)軸承噪聲強(qiáng)度已影響不大。因此只要測(cè)量500～8 000 Hz的聲壓級(jí)，就基本上可以評(píng)價(jià)出軸承的噪聲質(zhì)量水平。換言之，對(duì)于軸承噪聲，不在全頻段范圍進(jìn)行測(cè)量也是可行的。

在消聲室測(cè)量軸承噪聲屬于非接觸式測(cè)量，還有1種在工廠現(xiàn)場(chǎng)常用的接觸式測(cè)量，其方法是將軸承的振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為聲音信號(hào)，通過(guò)揚(yáng)聲器進(jìn)行放大，再由人耳聽(tīng)聲音，憑經(jīng)驗(yàn)對(duì)軸承進(jìn)行噪聲質(zhì)量檢查。這種方法盡管對(duì)測(cè)量環(huán)境無(wú)特殊要求，但實(shí)質(zhì)上不屬于噪聲測(cè)量，而仍是振動(dòng)測(cè)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(shí)間。經(jīng)噪聲檢測(cè)合格的軸承，運(yùn)轉(zhuǎn)一段時(shí)間后，由于會(huì)產(chǎn)生滾道面磨損、潤(rùn)滑脂劣化等原因，致使噪聲增大，當(dāng)超過(guò)噪聲容許范圍時(shí)，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(duì)于低噪聲軸承而言，實(shí)際上包含2個(gè)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(yàn)和經(jīng)驗(yàn)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(duì)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(dòng)體與滾道間的接觸應(yīng)力相關(guān)

滾動(dòng)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(guò)10 000 h時(shí)(長(zhǎng)噪聲壽命場(chǎng)合)，接觸應(yīng)力不應(yīng)大于800 MPa； 5 000～10 000 h時(shí)(普通用途)，接觸應(yīng)力不應(yīng)大于1 000 MPa；低于5 000 h時(shí)(剛性要求較嚴(yán))，接觸應(yīng)力不應(yīng)大于1 500 MPa。

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(shí)，由于徑向游隙的存在，僅有承載區(qū)內(nèi)的部分滾動(dòng)體承受載荷。當(dāng)滾動(dòng)體從非承載區(qū)運(yùn)動(dòng)到承載區(qū)的過(guò)程中，滾動(dòng)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(dòng)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(guò)對(duì)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(guò)10 000 h時(shí)，預(yù)載荷取定值為(0.005～0.01)Cr(Cr為軸承徑向額定動(dòng)載荷)；5 000～10 000 h時(shí)，預(yù)載荷取定值為(0.01～0.015)Cr；低于5 000 h時(shí)，預(yù)載荷取定值為(0.015～0.02)Cr。對(duì)于常用型號(hào)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(rùn)滑脂壽命相關(guān)

潤(rùn)滑脂對(duì)于軸承振動(dòng)而言，具有阻尼作用，因此對(duì)于軸承噪聲來(lái)說(shuō)，就具有消聲作用。潤(rùn)滑脂質(zhì)量的不斷劣化，將會(huì)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(rùn)滑脂壽命的1/3～1/2。

7 結(jié)束語(yǔ)

振動(dòng)與噪聲從本質(zhì)上說(shuō)，是1個(gè)事情的2個(gè)方面，具有高度相關(guān)性；但從表現(xiàn)形式來(lái)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(dòng)與噪聲也不例外，但同時(shí)還有其特殊性。

對(duì)于軸承振動(dòng)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(lái)越小，測(cè)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(fèi)用高，而且技術(shù)上也難以達(dá)到。而測(cè)量振動(dòng)比測(cè)量噪聲更加簡(jiǎn)便，同時(shí)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(cè)量方法的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)工作項(xiàng)目，而在這之前的2004年，有關(guān)軸承振動(dòng)測(cè)量方法已發(fā)布了系列標(biāo)準(zhǔn)。從這一動(dòng)向可以看出，在軸承振動(dòng)與噪聲的控制上，振動(dòng)將成為主要控制對(duì)象，振動(dòng)速度將成為主要測(cè)量與評(píng)定指標(biāo)，這實(shí)際上也明確了今后有關(guān)軸承振動(dòng)與噪聲的主流技術(shù)發(fā)展方向。