陶瓷電主軸空載噪聲的分析與研究*

張峰銘，吳玉厚，閆海鵬，張麗秀

(沈陽(yáng)建筑大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110168)

0 引言

隨著電主軸行業(yè)的迅速發(fā)展，與主軸噪聲相關(guān)的問題也日益突出。電主軸在起制動(dòng)以及急加、減速情況下會(huì)產(chǎn)生噪聲現(xiàn)象，甚至在正常工況運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，也會(huì)存在噪聲超標(biāo)的問題。電主軸噪聲已成為高速數(shù)控機(jī)床陶瓷電主軸單元速度進(jìn)一步提升的“瓶頸”，嚴(yán)重制約著電主軸技術(shù)的向前跨越。因此，研究陶瓷電主軸空載時(shí)噪聲與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，探索其運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲隨主軸轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律，并分析不同轉(zhuǎn)速下噪聲中所包含的頻率成分就顯得十分必要，相關(guān)研究結(jié)果可以為陶瓷電主軸噪聲的近一步研究打下一定的理論基礎(chǔ)。

近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者就電主軸噪聲問題的研究做出了很多努力。E Abele等在其綜述性文章中指出電主軸運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲會(huì)隨轉(zhuǎn)速上升而呈遞增趨勢(shì)[1]。李良采用頻譜分析法對(duì)不同轉(zhuǎn)速下磁懸浮電主軸噪聲起主要貢獻(xiàn)的頻率段進(jìn)行分析，為其結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了聲學(xué)理論參考[2]。鮑萌從改變主軸結(jié)構(gòu)參數(shù)的角度出發(fā)，分別研究了永磁體大小磁極個(gè)數(shù)、定子齒形狀和氣隙長(zhǎng)度對(duì)永磁同步電主軸電磁噪聲的影響[3]。張麗秀等利用光譜分析技術(shù)對(duì)陶瓷電主軸的振動(dòng)和噪聲進(jìn)行監(jiān)測(cè)，分析了潤(rùn)滑條件對(duì)陶瓷電主軸振動(dòng)和噪聲的影響[4]。

現(xiàn)階段關(guān)于電主軸噪聲的研究大多集中于鋼制主軸，而對(duì)陶瓷主軸噪聲的研究還比較少見。本文以陶瓷電主軸為研究對(duì)象，利用DASP軟件聲學(xué)測(cè)試平臺(tái)，對(duì)主軸起制動(dòng)以及穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)工況下的噪聲進(jìn)行測(cè)試，通過對(duì)噪聲聲壓級(jí)及頻譜的研究和分析，得出轉(zhuǎn)速對(duì)主軸噪聲的影響，為未來陶瓷電主軸突破轉(zhuǎn)速瓶頸，實(shí)現(xiàn)低噪聲的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 陶瓷電主軸

陶瓷電主軸是將電主軸的轉(zhuǎn)軸部位和軸承部位采用陶瓷材料的一種電主軸，其結(jié)構(gòu)與普通鋼制主軸一致[5]，如圖1所示。本文的陶瓷電主軸由陶瓷球軸承做主軸支撐組裝而成。

由于陶瓷材料導(dǎo)熱、導(dǎo)磁、導(dǎo)電和機(jī)械性能與金屬材料差別較大，因此陶瓷電主軸較傳統(tǒng)的鋼制電主軸具有極限轉(zhuǎn)速高、溫升小等特性，其固有頻率、剛度和壽命都有不同程度的提高[6]，其噪聲值也與鋼制主軸有所差異。以工程陶瓷為材料用于電主軸的旋轉(zhuǎn)件是以后的高速電主軸的發(fā)展趨勢(shì)[7]。

圖1 陶瓷電主軸結(jié)構(gòu)

2 噪聲測(cè)量的聲學(xué)基礎(chǔ)

2.1 背景噪聲

在噪聲測(cè)量時(shí)，通常會(huì)受到外界其它噪聲的干擾，此類噪聲稱為背景噪聲或本底噪聲。實(shí)驗(yàn)室測(cè)量噪聲時(shí)，所測(cè)得的總噪聲級(jí)是被測(cè)主軸的噪聲和本底噪聲的合成。本底噪聲應(yīng)低于所測(cè)主軸噪聲10dB以上，否則將對(duì)所測(cè)量的總噪聲中扣除背景噪聲進(jìn)行修正，修正值見表1。

表1 背景噪聲修正值

2.2 噪聲測(cè)量的主要參數(shù)

測(cè)量噪聲時(shí)，常測(cè)的有聲壓級(jí)、聲強(qiáng)級(jí)和聲功率級(jí)三個(gè)聲學(xué)量。聲壓是一個(gè)反映測(cè)量點(diǎn)聲音強(qiáng)弱的標(biāo)量。聲強(qiáng)是在傳播方向上單位時(shí)間內(nèi)通過單位面積的聲能流，它的幅值反映了所承載的聲能量的大小。

2.3 頻譜的分析

在陶瓷電主軸的噪聲測(cè)量中，不僅要測(cè)量其噪聲強(qiáng)度，而且還要弄清其噪聲中所包含的頻率成分，即要對(duì)噪聲作頻譜分析。對(duì)于噪聲信號(hào)，很難對(duì)頻率成分逐個(gè)進(jìn)行分析，而是將頻率劃分成若干個(gè)頻帶，再測(cè)量這些頻帶上的聲壓級(jí)。由于人耳對(duì)聲音頻率的敏感性是非線性的，因而噪聲一般采用倍頻程譜進(jìn)行譜分析。在電主軸的噪聲測(cè)量中，1/3倍頻程是最常用的劃分[8]。

2.4 計(jì)權(quán)方式

國(guó)際電工委員會(huì)規(guī)定的計(jì)權(quán)方式有A、B、C、D共4種。由于A聲級(jí)(用A計(jì)權(quán)測(cè)量的聲級(jí)來代表噪聲大小)是單一數(shù)值，易直接測(cè)量，同時(shí)又能較好地模仿人耳對(duì)低頻段(500Hz以下)不敏感的特點(diǎn)，故A計(jì)權(quán)方式在目前的噪聲測(cè)量中得到廣泛的應(yīng)用[9]。D計(jì)權(quán)主要用于航空噪聲測(cè)量。

3 陶瓷電主軸噪聲實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)儀器

(1)INV9206型高精度ICP式聲壓傳感器

INV9206型聲壓傳感器是專門用于聲學(xué)信號(hào)測(cè)量的高性能駐極電容式測(cè)試傳感器，主要由駐極體極頭和ICP前置放大器組合而成，可以精確測(cè)量20Hz～20kHz的頻率范圍。

(2)INV9212型聲強(qiáng)傳感器(ICP/LEMO)

INV9212是用于聲強(qiáng)測(cè)量的手持式雙傳聲器的傳感器套件，1/3倍頻程中心頻率測(cè)量范圍為50Hz～6.3kHz，適用于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境聲強(qiáng)和聲功率測(cè)量以及具有穩(wěn)態(tài)噪聲的機(jī)械設(shè)備的噪聲源定位。

圖2 INV9206傳感器

圖3 INV9212傳感器

(3)DASP虛擬儀器庫(kù)與INV306多功能系統(tǒng)(聲學(xué)平臺(tái))

COINV DASP聲學(xué)測(cè)量分析是一套在Windows平臺(tái)上運(yùn)行的多通道聲學(xué)測(cè)量分析的專業(yè)軟件，主要功能包括：聲壓測(cè)量和分析、聲強(qiáng)測(cè)量和分析、大容量聲波形采集、聲功率測(cè)量分析和頻響曲線測(cè)量分析等，基本包含了聲學(xué)測(cè)量的各項(xiàng)功能[10]。

圖4 DASP軟件聲學(xué)平臺(tái)界面

3.2 實(shí)驗(yàn)原理

陶瓷電主軸噪聲測(cè)量實(shí)驗(yàn)原理及實(shí)驗(yàn)裝置照片見圖5、圖6。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中采用V/F變頻器為電主軸調(diào)速，電主軸采用油氣潤(rùn)滑以及循環(huán)水內(nèi)冷卻制冷方式[11]。利用聲壓和聲強(qiáng)傳感器分別測(cè)量陶瓷電主軸噪聲的聲壓值和聲強(qiáng)值，再用新型高精度多功能測(cè)量?jī)x—INV306DF智能信號(hào)采集分析儀采集噪聲信號(hào)后，將數(shù)據(jù)傳入計(jì)算機(jī)中進(jìn)行分析和處理。

圖5 實(shí)驗(yàn)原理示意圖

圖6 實(shí)驗(yàn)裝置照片

4 陶瓷電主軸噪聲測(cè)試結(jié)果和分析

4.1 電主軸穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)噪聲測(cè)試

通過對(duì)組裝好的陶瓷電主軸進(jìn)行噪聲測(cè)試，得到陶瓷電主軸在不同的轉(zhuǎn)速下(隨著轉(zhuǎn)速的升高)的噪聲特性。環(huán)境條件：室溫26℃、環(huán)境噪聲57dB、背景噪聲44.4dB；測(cè)量位置：主軸前端；主軸轉(zhuǎn)速測(cè)試范圍：10000r/min～40000r/min。每一測(cè)試在某個(gè)穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn)0.5h后再進(jìn)行數(shù)據(jù)的采樣測(cè)量。

首先要弄清所測(cè)噪聲所包含的頻率成分，在不同的計(jì)權(quán)方式下測(cè)得陶瓷電主軸以某一相同的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)噪聲的聲壓級(jí)，分別得到A聲級(jí)(LA)、B聲級(jí)(LB)和C聲級(jí)(LC),再對(duì)所測(cè)A、B、C三種聲壓級(jí)噪聲的數(shù)值進(jìn)行分析，可以初步了解噪聲的頻譜特性。

圖7 不同計(jì)權(quán)方式下噪聲衰減曲線

圖7是噪聲在A、B、C三種計(jì)權(quán)方式下的衰減曲線，從圖中可知：當(dāng)LA=LB=LC時(shí)，表明噪聲中高頻成分比較突出；當(dāng)LC=LB>LA時(shí)，表明噪聲為中頻特性；當(dāng)LC>LB>LA時(shí)，表明主軸噪聲里低頻成分比較多。

圖8 10000r/min時(shí)電主軸噪聲的聲壓值

將陶瓷電主軸的轉(zhuǎn)速設(shè)置為10000r/min，并在不同計(jì)權(quán)方式下測(cè)得其噪聲的聲壓值，見圖8，此時(shí)的電源頻率為333.33Hz。從圖中可以看出陶瓷電主軸在以10000r/min的轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，在A、B、C三種計(jì)權(quán)方式下依次測(cè)得其噪聲的聲壓值為L(zhǎng)A=72.5dB、LB=73.2dB、LC=74.9dB，即LC>LB>LA，可知此轉(zhuǎn)速下的噪聲以低頻成分為主。

圖9為陶瓷電主軸在10000r/min轉(zhuǎn)速下運(yùn)行噪聲的頻譜分析圖，從頻譜中提取噪聲的5個(gè)極大值，由圖中的數(shù)據(jù)列表可得，其所對(duì)應(yīng)噪聲的中心頻率分別為100Hz、160Hz、315Hz、400Hz和630Hz，同樣也可以說明陶瓷電主軸在轉(zhuǎn)速為10000r/min時(shí)，其輻射的噪聲中低頻噪聲較為突出。

圖9 電主軸在10000r/min運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)噪聲的頻譜分析圖

圖10是陶瓷電主軸在三種計(jì)權(quán)方式下以不同轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)噪聲聲壓值的變化曲線。圖11是陶瓷電主軸在三種計(jì)權(quán)方式下以不同轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)噪聲聲強(qiáng)值的變化曲線。

圖10 不同轉(zhuǎn)速下主軸噪聲聲壓值的變化曲線

圖11 不同轉(zhuǎn)速下主軸噪聲聲強(qiáng)值的變化曲線

從圖10和圖11中時(shí)，可以看出：

①當(dāng)電主軸以10000r/min～40000r/min的轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，產(chǎn)生的噪聲始終以低頻噪聲為主。

②不論在哪種計(jì)權(quán)方式下，當(dāng)電主軸的轉(zhuǎn)速在10000r/min～27000r/min之間時(shí)，電主軸噪聲(聲壓值和聲強(qiáng)值)會(huì)隨著主軸轉(zhuǎn)速的升高而增大；當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速大于27000r/min時(shí)，其運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲(聲壓值和聲強(qiáng)值)反而會(huì)隨著轉(zhuǎn)速的增高而降低。

4.2 電主軸起制動(dòng)時(shí)噪聲測(cè)試

高速電主軸在起制動(dòng)時(shí)，電流及主軸轉(zhuǎn)速在極短的時(shí)間內(nèi)會(huì)發(fā)生急劇的變化，如主軸轉(zhuǎn)速由0升至6000r/min的起動(dòng)時(shí)間僅為300ms。此時(shí)機(jī)械振動(dòng)和電磁振動(dòng)在短時(shí)間內(nèi)急劇增大，而振動(dòng)是產(chǎn)生噪聲的主要原因，這也使得電主軸在起制動(dòng)時(shí)的噪聲更加明顯[12]。

表2為陶瓷電主軸在不同轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)噪聲的測(cè)量結(jié)果。表3 是陶瓷電主軸以不同電源頻率起制動(dòng)時(shí)測(cè)量的噪聲數(shù)據(jù)。對(duì)比兩個(gè)表格中的數(shù)據(jù)并將其繪于圖12可以驗(yàn)證：在相同轉(zhuǎn)速下，陶瓷電主軸在起制動(dòng)階段輻射的噪聲要比其在穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)輻射的噪聲更為明顯。

表2 穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)噪聲的測(cè)試結(jié)果

表3 起制動(dòng)階段噪聲的測(cè)試結(jié)果

續(xù)表

圖12 起制動(dòng)階段和穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)噪聲值變化曲線

圖13是陶瓷電主軸在A計(jì)權(quán)方式下以不同的電源頻率起制動(dòng)時(shí)噪聲(聲壓值)的變化曲線。每一個(gè)電源頻率都對(duì)應(yīng)電主軸不同的轉(zhuǎn)速，利用變頻器依次將主軸的電源頻率調(diào)節(jié)為200Hz、266.67Hz、333.33Hz、400Hz、500Hz、666.67Hz、833.33Hz、866.67Hz、900Hz、933.33Hz、966.67Hz、1000Hz、1166.67Hz、1333.33Hz和1500Hz，并依次測(cè)量不同電源頻率下噪聲的聲壓值，共計(jì)15組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，見表3。

圖13 電主軸以不同電源頻率起制動(dòng)時(shí)噪聲的變化曲線

從圖13中可以看出：陶瓷電主軸在起制動(dòng)階段的噪聲也是先隨著電源頻率的提高而不斷增大；當(dāng)電源頻率為900Hz，即電主軸轉(zhuǎn)速為27000r/min時(shí)，主軸噪聲達(dá)到峰值(80.3dB)；之后電主軸輻射的噪聲會(huì)隨著電源頻率的繼續(xù)升高而有所下降，最后漸趨于某一穩(wěn)定的噪聲值。

5 結(jié)論

本文通過實(shí)驗(yàn)的方法，研究陶瓷電主軸在起制動(dòng)階段以及穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)工況下的噪聲特性，再對(duì)所測(cè)的噪聲信號(hào)進(jìn)行頻譜分析和數(shù)據(jù)處理之后得出以下結(jié)論：

(1)陶瓷電主軸的運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲與主軸轉(zhuǎn)速有關(guān)，在測(cè)試的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，其噪聲并不是隨著主軸轉(zhuǎn)速的上升而一直遞增，而是先隨轉(zhuǎn)速的升高而增強(qiáng)，當(dāng)轉(zhuǎn)速超過27000r/min時(shí)噪聲值便開始下降，最后趨于某一較為穩(wěn)定的數(shù)值。

(2)在10000～40000r/min的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，陶瓷電主軸輻射的噪聲始終以低頻噪聲為主。

(3)陶瓷電主軸在起制動(dòng)時(shí)噪聲隨轉(zhuǎn)速的變化趨勢(shì)與其穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)噪聲隨轉(zhuǎn)速的變化趨勢(shì)基本一致，而且其在起制動(dòng)階段輻射的噪聲更加明顯。