微型靜音軸承聲壓級(jí)測(cè)試技術(shù)

顧志鑫，黃迪山，肖琳，張聞，王雯琳

（上海大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，上海 200072）

噪聲是靜音滾動(dòng)軸承一個(gè)重要的質(zhì)量和性能指標(biāo)。由于靜音軸承噪聲的測(cè)試條件極為嚴(yán)苛且缺乏相應(yīng)的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，國(guó)內(nèi)通常采用測(cè)量振動(dòng)加速度和速度間接評(píng)價(jià)軸承噪聲。這種替代方法并不能全面真實(shí)地反映軸承的噪聲特性[1]。發(fā)達(dá)國(guó)家在軸承的噪聲控制方面起步較早[2]，并制定了相應(yīng)的軸承噪聲測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，如日本國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)JIS B 1548、美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)ANSI/AFBMA Std.13和德國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)DIN5426-1等，但并未發(fā)表具有價(jià)值的噪音測(cè)試實(shí)施方案。在國(guó)內(nèi)，宋麗等[3]報(bào)道相關(guān)消聲室中軸承噪聲測(cè)試技術(shù)，對(duì)30 dB(A)深溝球軸承噪聲進(jìn)行聲壓級(jí)測(cè)試，得出了一些有益的經(jīng)驗(yàn)，但并未具體提及測(cè)試方法或測(cè)量裝置。

將介紹一種微型靜聲軸承適用的驅(qū)動(dòng)技術(shù)及加載裝置，其背景噪聲低于20 dB(A)，并簡(jiǎn)要介紹靜音軸承聲壓測(cè)試實(shí)例，為微型靜音軸承噪聲的測(cè)試方法提供一個(gè)參考。

1 微型靜音軸承驅(qū)動(dòng)及加載裝置

1.1 國(guó)外軸承聲壓級(jí)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)

日本標(biāo)準(zhǔn)JIS B 1548-1995《滾動(dòng)軸承聲壓級(jí)測(cè)試方法》[4]中詳細(xì)規(guī)定了測(cè)量不同規(guī)格的軸承時(shí)傳感器的布置、測(cè)定轉(zhuǎn)速和外載荷等實(shí)驗(yàn)條件，標(biāo)準(zhǔn)方法如圖1和表1所示。本文在參照上述標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，制定實(shí)驗(yàn)方案。

其中D：軸承外徑（mm）；

n：內(nèi)圈轉(zhuǎn)速（r/min）；

圖1 滾動(dòng)軸承聲壓級(jí)測(cè)量的傳感器布置

表1 滾動(dòng)軸承聲壓級(jí)測(cè)量的具體參數(shù)

L：軸端中心與傳感器振動(dòng)膜的距離；

F：測(cè)定時(shí)軸承外圈的軸向負(fù)載。

1.2 軸承驅(qū)動(dòng)電機(jī)特點(diǎn)

為了建立靜音軸承的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，驅(qū)動(dòng)電機(jī)應(yīng)具有低的噪音特性。實(shí)驗(yàn)中采用微型無(wú)刷直流永磁電機(jī)作為軸承驅(qū)動(dòng)。無(wú)刷直流電機(jī)利用電子換向器取代了直流電機(jī)中的機(jī)械式電刷換向機(jī)構(gòu)，消除了摩擦產(chǎn)生的噪聲問題，但保留了直流電機(jī)良好的調(diào)節(jié)性能和啟動(dòng)性能[5]。圖2為實(shí)驗(yàn)中采用的兩相微型無(wú)刷直流電機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)原理圖。該電機(jī)采用外轉(zhuǎn)子式結(jié)構(gòu)，即帶永磁體的轉(zhuǎn)子位于定子電樞的外面，這樣轉(zhuǎn)子尺寸得以增大，有利于轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)平衡的調(diào)節(jié)。然后，在外轉(zhuǎn)子上聯(lián)接不同尺寸芯軸，從而滿足驅(qū)動(dòng)不同型號(hào)軸承的需求。

圖2 兩相式微型無(wú)刷直流電機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)子的支承方式也會(huì)對(duì)電機(jī)的噪聲產(chǎn)生很大的影響，測(cè)試實(shí)驗(yàn)中的微型電機(jī)因其低功率特性和特殊的負(fù)載要求采用了含油滑動(dòng)軸承作為支承，結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。由于轉(zhuǎn)子與機(jī)架并沒有直接接觸，從而能夠避免由于摩擦帶來的噪聲問題。

圖3 無(wú)刷直流電機(jī)液態(tài)軸承結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 隔振阻尼材料的原理及特點(diǎn)

電機(jī)轉(zhuǎn)子難以避免的不平衡偏心量和加載會(huì)引起整個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)微振動(dòng)，產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)噪聲影響測(cè)試環(huán)境。為了降低結(jié)構(gòu)噪聲水平，必須控制驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的微振動(dòng)。比較有效的減振方法是在機(jī)械部件間放置彈性阻尼材料。實(shí)驗(yàn)中采用了建筑工業(yè)上使用的隔音氈作為隔振和減振材料。隔音氈成份上包含基材、填料和助劑三個(gè)組成部分，其面密度很大，自身不容易振動(dòng)，也能阻止其附著物產(chǎn)生振動(dòng)，能夠有效地降低機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)噪聲[6]。

1.4 軸承加載技術(shù)

參照日本的軸承噪聲測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)量噪聲時(shí)需要在外圈施加一定的軸向載荷。為了準(zhǔn)確計(jì)量軸向載荷的大小，實(shí)驗(yàn)中利用了可以精準(zhǔn)控制其行程的光機(jī)直動(dòng)平臺(tái)，并在其上安裝剛度經(jīng)過嚴(yán)格標(biāo)定的標(biāo)準(zhǔn)彈簧，利用直動(dòng)平臺(tái)的行程準(zhǔn)確控制施加在軸承外圈上的軸向載荷。

另外，考慮到加工和安裝誤差的影響，為了保證軸向載荷的對(duì)中，把永磁電機(jī)安裝在可以兩個(gè)方向游動(dòng)的二向直動(dòng)平臺(tái)上，可以彌補(bǔ)難以避免的加工和安裝誤差。最后，在整個(gè)裝置下部及可能產(chǎn)生間隙振動(dòng)的部位加裝隔聲阻尼材料，其整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

2 聲壓級(jí)信號(hào)采集與分析系統(tǒng)

將軸承驅(qū)動(dòng)及加載裝置放置于消聲室（圖8）自由聲場(chǎng)的中心位置，按照J(rèn)IS B 1548-1995軸承噪聲測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)布置聲傳感器的位置，實(shí)驗(yàn)中采用了丹麥G.R.A.S公司的40 HL型精密聲傳感器，可以在20 Hz到20 kHz范圍內(nèi)測(cè)量低至6.5 dB(A)/20 uPa（1/3倍頻程）。該傳感器通過控制器電纜與B&K PULSE 3560型振動(dòng)噪聲數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)連接，并將該系統(tǒng)放置于消聲室外的測(cè)控室內(nèi)，該測(cè)試系統(tǒng)的示意圖如圖5所示，測(cè)試實(shí)物圖如圖6和圖7所示。

圖4 軸承驅(qū)動(dòng)及加載裝置示意圖

圖5 聲壓級(jí)信號(hào)采集及處理系統(tǒng)示意圖

圖6 軸承驅(qū)動(dòng)裝置及傳感器布置實(shí)物圖

圖7 B&KPULSE3560型振動(dòng)噪聲數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)實(shí)物圖

圖8 消聲室測(cè)試環(huán)境

3 測(cè)試數(shù)據(jù)及分析

3.1 消聲聲室及驅(qū)動(dòng)裝置背景噪聲測(cè)試

在噪聲測(cè)試之前，首先需要評(píng)估在消聲室內(nèi)聲壓水平，外界聲源對(duì)消聲室有干擾，即消聲室的背景噪聲。其次，驅(qū)動(dòng)裝置的背景噪聲對(duì)測(cè)試結(jié)果起著決定性的作用，根據(jù)聲壓級(jí)疊加原理和JISB 1548-1995標(biāo)準(zhǔn)提供的相關(guān)參考，當(dāng)測(cè)試數(shù)據(jù)與背景噪聲的差值大于10 dB時(shí)，不需對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行修正；如果差值在3～9 dB之間，需要對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行修正，修正方法見表2；如果差值小于3 dB，則需采取措施降低背景噪聲。

設(shè)定采樣頻率為51.2 kHz，采樣時(shí)間10 s，分析頻寬20 Hz～20 kHz。首先關(guān)閉驅(qū)動(dòng)電機(jī)，測(cè)得消聲室自身背景噪聲的聲壓級(jí)為7.01 dB(A)。同樣測(cè)試條件下，將驅(qū)動(dòng)電機(jī)置工況轉(zhuǎn)速（3 600 r/min），測(cè)得其聲壓級(jí)為19.2 dB(A)。由于它們差值超過10 dB，測(cè)量值無(wú)需修正。圖9和圖10分別是1 s時(shí)間歷程內(nèi)消聲室背景噪聲和驅(qū)動(dòng)裝置噪聲的1/3倍頻程帶譜均值圖。

表2 聲壓級(jí)測(cè)量結(jié)果修正表：（單位dB（A））

圖9 消聲室背景噪聲1/3倍頻程帶譜

圖10 軸承驅(qū)動(dòng)裝置噪聲1/3倍頻程帶譜

3.2 微型靜音軸承噪音聲壓級(jí)測(cè)試實(shí)例

對(duì)同一批次的45套不同游隙的618/1.5微型靜音軸承進(jìn)行實(shí)測(cè)。對(duì)軸承分為三組，分別添加不同的潤(rùn)滑油（脂）。其中第一組添加潤(rùn)滑油，第二組和第三組分別添加1#和2#潤(rùn)滑脂。按照測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，采用相同的測(cè)試轉(zhuǎn)速和軸向載荷。設(shè)定采樣頻率（51.2 kHz）和分析頻寬（20 Hz～20 kHz），對(duì)10 s內(nèi)的采樣數(shù)據(jù)平均后，得到其A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)總量，對(duì)測(cè)試結(jié)果比對(duì)表2進(jìn)行修正后記錄每個(gè)軸承噪聲實(shí)際的A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)。

驅(qū)動(dòng)裝置背景噪聲對(duì)軸承噪聲有影響。選取其中一個(gè)軸承樣品在1 s時(shí)間歷程內(nèi)的1/3倍頻程均值圖如圖11所示，其聲壓級(jí)總量為23.2 dB(A)，與驅(qū)動(dòng)裝置背景噪聲相差4 dB(A)，按表2修正后，可得軸承樣品合理的噪聲聲壓級(jí)均值為21.2 dB(A)。

對(duì)比圖10和圖11可以發(fā)現(xiàn)，軸承噪聲與驅(qū)動(dòng)裝置背景噪聲在63 Hz、1 kHz及4 kHz附近頻段的幅值較為接近。因此，難以分辨圖11中該頻段噪聲的真正成分。要獲得更為精確的結(jié)果，需要進(jìn)一步采取措施，降低驅(qū)動(dòng)裝置背景噪聲在上述頻段范圍內(nèi)的幅值。

圖11 軸承樣品噪聲1/3倍頻程帶譜

三組不同潤(rùn)滑條件下618/1.5微型軸承噪聲的聲壓級(jí)隨徑向游隙的變化曲線如圖12所示，圖中數(shù)據(jù)可以得出以下結(jié)論：

(1)采用1#脂潤(rùn)滑，軸承噪聲聲壓級(jí)隨徑向游隙變化不呈現(xiàn)明顯變化規(guī)律；

(2)采用油潤(rùn)滑及2#脂潤(rùn)滑，軸承徑向游隙在[8.5，9.5]區(qū)間范圍內(nèi)時(shí)，噪聲聲壓級(jí)明顯較低。

圖12 不同潤(rùn)滑條件及徑向游隙下618/1.5微型軸承聲壓級(jí)對(duì)比

4 結(jié)語(yǔ)

采用含油滑動(dòng)軸承結(jié)構(gòu)、阻尼材料、無(wú)刷直流電機(jī)技術(shù)，微型軸承芯軸結(jié)構(gòu)，軸向加載技術(shù)，參考標(biāo)準(zhǔn)JIS B 1548-1995，建立了微型靜音軸承驅(qū)動(dòng)和噪聲測(cè)試系統(tǒng)，研制的軸承驅(qū)動(dòng)裝置的背景噪聲僅為19.2 dB(A)，因此，通過對(duì)測(cè)試結(jié)果的修正，可以滿足自身實(shí)際噪聲最低至22 dB(A)的微型軸承的噪聲測(cè)試要求。文中提出的微型軸承噪聲測(cè)試技術(shù)具有一定的普遍性，可以為各類微型靜音軸承的噪聲測(cè)試提供有益的借鑒。

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[3]宋麗，孫立明，馬美玲.深溝球軸承噪聲測(cè)試分析[J].軸承，2003（3）：34-36.

[4]日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)調(diào)查會(huì).JIS B1548-1995 Rolling bearingsmeasuring methods of A-weighted sound pressure levels[S].1995.

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