高速陶瓷球電主軸噪聲特性的研究與分析*

吳玉厚，張峰銘，2，于海濤，王 賀

(1.沈陽建筑大學(xué) 機械工程學(xué)院,沈陽 110168；2.中國能源建設(shè)集團(tuán)東北電力第一工程有限公司 機械化分公司，遼寧 鐵嶺 112000)

0 引言

在我國提出的《中國制造2025》制造強國戰(zhàn)略中，把“高檔數(shù)控機床研究”作為一項重點產(chǎn)業(yè)，將大力推動數(shù)控機床朝著高速、精密的方向發(fā)展[1]。然而作為高檔數(shù)控機床核心部件的高速電主軸，卻因其噪聲問題對機床的使用壽命、加工精度等產(chǎn)生了嚴(yán)重影響[2]。雖然應(yīng)用陶瓷材料可以降低主軸運轉(zhuǎn)過程中的振動與噪聲，但在高速運行過程中仍然會產(chǎn)生噪聲現(xiàn)象[3]。因此為了提升高檔數(shù)控機床的加工性能，而對陶瓷主軸噪聲特性進(jìn)行研究便具有重要的現(xiàn)實意義。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者就主軸的噪聲問題進(jìn)行了深入的研究。E Abele等在其綜述性文章中指出電主軸運轉(zhuǎn)噪聲會隨轉(zhuǎn)速上升而呈遞增趨勢[4]。Ishibashi等分析了感應(yīng)電機內(nèi)部產(chǎn)生的諧波電磁力，指出電磁振動是中小型電機振動噪聲的主要來源[5]。王興旺等對電機噪聲產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析，提出了判定電機噪聲和降低噪聲的方法，為抑制電機噪聲的產(chǎn)生提供了有效依據(jù)[6]。

現(xiàn)階段針對電主軸噪聲的研究還是以鋼制主軸為主，對陶瓷主軸噪聲特性的研究還較為少見。本文以150MD24Z7.5型號的陶瓷球電主軸為研究對象，通過對不同測點的噪聲信號進(jìn)行采集、處理，經(jīng)噪聲頻譜分析和研究后，找出了主軸主要的噪聲源，并對混合噪聲的成分加以辨別，同時也驗證了主軸噪聲與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系。相關(guān)研究成果可為下一步找出主軸噪聲的產(chǎn)生原因進(jìn)而有效地抑制噪聲作出必要鋪墊，也為未來陶瓷電主軸的優(yōu)化設(shè)計提供理論參考。

1 主軸模態(tài)實驗

在對電主軸進(jìn)行噪聲測試之前要先對其臨界轉(zhuǎn)速進(jìn)行分析。因為當(dāng)軸以臨界轉(zhuǎn)速運行時，其撓度會達(dá)到最大值，進(jìn)而發(fā)生劇烈的振動、產(chǎn)生較大的噪聲；而當(dāng)軸在臨界轉(zhuǎn)速一定范圍之外工作時，便趨于平穩(wěn)運轉(zhuǎn)[7]。

表1 主要的實驗儀器

表1中為模態(tài)實驗時使用的主要儀器。其中，DASP軟件不僅可以進(jìn)行模態(tài)與動力學(xué)分析，還能實現(xiàn)聲學(xué)測量的各項功能[8]。

實驗時用力錘對主軸進(jìn)行敲擊，通過INV306智能信號采集儀采集布置在主軸X、Y、Z軸方向的3個加速度傳感器所接收的振動信號，再進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析和處理。

圖1 主軸模態(tài)實驗平臺

由錘擊實驗可以測得主軸的固有頻率，并根據(jù)臨界轉(zhuǎn)速與頻率的關(guān)系式n= 60f，將主軸的固有頻率轉(zhuǎn)化為臨界轉(zhuǎn)速[9]，如表2所示。由此可知，主軸在設(shè)計范圍內(nèi)振動平穩(wěn)，不會產(chǎn)生共振。

表2 主軸固有頻率與臨界轉(zhuǎn)速

2 主軸噪聲實驗

主軸噪聲性能測試的實驗原理見圖 2，測試系統(tǒng)采用V/F變頻器為電主軸調(diào)速，電主軸采用油霧潤滑和循環(huán)水內(nèi)冷卻制冷方式，利用聲壓傳感器測量陶瓷電主軸的噪聲信號，經(jīng)由信號采集分析儀采集此信號后，將實驗數(shù)據(jù)傳送給計算機進(jìn)行噪聲特性的相關(guān)分析。

圖2 實驗原理圖

圖3為噪聲實驗裝置照片。實驗以裝配陶瓷球軸承的電主軸為測試對象，利用平行布置在主軸上平面的6個聲壓傳感器進(jìn)行噪聲信號的同步測量，測點分布如圖4所示。

圖3 主軸噪聲實驗裝置照片

圖4 測點分布圖

其中測點1和測點6分別檢測陶瓷電主軸前后兩端軸承位置的噪聲；而電動機由于其軸向尺寸相對較小，通常安裝在主軸前后軸承之間，可由測點3檢測其位置的噪聲。

實驗的環(huán)境條件：室溫28°C、環(huán)境噪聲62dB、背景噪聲55.4dB；測量位置：測點1～測點6；主軸轉(zhuǎn)速測試范圍：1500r/min～24000r/min。每一測試在某個穩(wěn)定轉(zhuǎn)速下運轉(zhuǎn)0.5h后再進(jìn)行采樣測量，測試的轉(zhuǎn)速范圍及其對應(yīng)頻率見表3。

表3 測試的轉(zhuǎn)速范圍及其對應(yīng)頻率

為了提高噪聲實驗的相對準(zhǔn)確性，減小數(shù)據(jù)誤差對實驗結(jié)果的影響，對每一穩(wěn)定轉(zhuǎn)速下的噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行多次采集，并將這些數(shù)據(jù)求取平均來代表此轉(zhuǎn)速下各測點的噪聲值，然后把數(shù)據(jù)導(dǎo)入Origin軟件中，得到各測點的噪聲值隨主軸轉(zhuǎn)速變化的曲線圖，見圖5。

由圖5可知，當(dāng)主軸在1500r/min～15000r/min的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)穩(wěn)定運轉(zhuǎn)時，其噪聲聲壓值會隨主軸轉(zhuǎn)速的不斷上升呈遞增趨勢；而當(dāng)主軸的轉(zhuǎn)速在15000r/min～24000r/min的工況下高速運行時，其噪聲聲壓值將會在某一噪聲區(qū)間(80dB～90dB)內(nèi)波動，不會隨著主軸轉(zhuǎn)速的繼續(xù)升高而持續(xù)增大。同時，從圖5還可看出各測點的噪聲隨主軸轉(zhuǎn)速的變化趨勢基本一致，可以說明主軸的噪聲與其轉(zhuǎn)速有關(guān)。

圖5 主軸噪聲與轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線

為了對所測的實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步研究，分別選取主軸以5000r/min、10000r/min、15000r/min、20000r/min和24000r/min轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運轉(zhuǎn)時各測點噪聲的聲壓值，生成不同轉(zhuǎn)速下各測點噪聲聲壓級的變化曲線，如圖6所示。

圖6 不同轉(zhuǎn)速下各測點噪聲聲壓值的變化曲線

由圖6可以發(fā)現(xiàn)：同一轉(zhuǎn)速下，測點1、測點3和測點6測得噪聲值較其它幾個測量點所測的噪聲值要大。通過對電主軸結(jié)構(gòu)和設(shè)計及聲源定位相關(guān)原理的研究，可知電主軸的噪聲源主要包括主軸前后兩端的軸承位置以及電主軸中間的電機位置。

通常，噪聲是由不同頻率、不同強度的純音混合而成，其中噪聲中的低頻成分主要由電主軸系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)振動產(chǎn)生，中高頻噪聲主要源自電機產(chǎn)生的電磁噪聲。因此，研究噪聲還要對噪聲的頻譜(以聲壓級為縱坐標(biāo)，頻率為橫坐標(biāo)繪制而成的噪聲特性曲線)進(jìn)行分析。

(a) 測點1的噪聲頻譜圖

(b) 測點6的噪聲頻譜圖

(c) 測點3的噪聲頻譜圖 圖7 各測點的噪聲頻譜圖

為了對混合噪聲的種類加以辨別，對測點1、3、6所測的噪聲值進(jìn)行集成，得到主軸以10000r/min、15000r/min、20000r/min和24000r/min高速運行時噪聲的頻譜圖，如圖7所示。

從圖7a和圖7b可以看出電主軸前后軸承噪聲的峰值隨頻率變化的趨勢比較接近，且峰值在低頻位置最為突出，噪聲以機械噪聲為主；由圖7c可以發(fā)現(xiàn)測點3測得噪聲在頻率為14000Hz附近時還有較大峰值，可知主軸電機位置產(chǎn)生了大量的電磁噪聲。

3 結(jié)論

本文以實驗的方法，研究陶瓷球電主軸的噪聲特性，在采集處理主軸的振動信號及噪聲信號并對噪聲頻譜進(jìn)行分析后，得出如下結(jié)論：

(1)在設(shè)計范圍內(nèi)，主軸運行平穩(wěn)，不會因共振而產(chǎn)生較大的噪聲；

(2)電主軸主要的噪聲源位于前后兩端的軸承部位和主軸中間的電機部分。前后軸承部位的噪聲以機械噪聲為主，電機位置則會產(chǎn)生較大的電磁噪聲；

(3)電主軸的運行噪聲與主軸轉(zhuǎn)速有關(guān)，主軸噪聲會隨其轉(zhuǎn)速的增高呈上升趨勢，但并不會隨其轉(zhuǎn)速的不斷增高而一直增大。