關(guān)于電機(jī)周期性聲響的探討

黃鋼

(浙江多川電機(jī)技術(shù)有限公司，浙江 桐廬 311500）

1 前言

電動(dòng)機(jī)作為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)部件，它的運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性直接影響了設(shè)備的最終性能與精度以及壽命。隨著工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展，人們對(duì)于加工設(shè)備運(yùn)行速度的要求越來越高，如加工母機(jī)數(shù)控車床和加工中心，想要得到光潔度優(yōu)良的產(chǎn)品，以及更高的生產(chǎn)效率，其對(duì)于驅(qū)動(dòng)主軸的電機(jī)要求非常高，驅(qū)動(dòng)電機(jī)必須能達(dá)到較高的轉(zhuǎn)速，且擁有較小的振動(dòng)和噪音。而電機(jī)的振動(dòng)和噪音除了電機(jī)電磁設(shè)計(jì)方面造成的以外，整體機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)配合不當(dāng)也會(huì)造成不同程度的振動(dòng)噪音。公司一款電機(jī)用于數(shù)控車床主軸，其在4000轉(zhuǎn)附近運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)候出現(xiàn)周期性的嗡嗡聲異響，本文針對(duì)此噪音展開一系列的原因查找。

2 問題查找與原因分析

2.1 問題的排查

電機(jī)在廠里做空載測(cè)試，用不同品牌驅(qū)動(dòng)器控制電機(jī)將電機(jī)提速到4000轉(zhuǎn)左右，電機(jī)在4000轉(zhuǎn)左右存在嗡嗡聲響并且伴隨著振動(dòng)，低于或高于這個(gè)轉(zhuǎn)速段聲響消失。將電機(jī)繼續(xù)提速至5000轉(zhuǎn)，電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，聲響消失，振動(dòng)也正常。此時(shí)直接斷開驅(qū)動(dòng)器的進(jìn)線電源。驅(qū)動(dòng)器失電后失去對(duì)電機(jī)的控制，電機(jī)從5000轉(zhuǎn)做緩慢自由停機(jī)，同時(shí)用外置測(cè)速儀檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速，此過程中測(cè)試儀速度顯示在3800轉(zhuǎn)到4100轉(zhuǎn)區(qū)間內(nèi)電機(jī)仍有嗡嗡聲響。通過此試驗(yàn)可知更高速五千轉(zhuǎn)時(shí)電機(jī)振動(dòng)良好，則說明電機(jī)的轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡沒有問題，自由停機(jī)時(shí)仍存在聲響，則說明此聲音與驅(qū)動(dòng)器控制以及電機(jī)本身設(shè)計(jì)的電磁方案無直接關(guān)系。接下來重點(diǎn)排查機(jī)械結(jié)構(gòu)對(duì)此聲音的影響。

2.2 原因分析

2.2.1 端蓋剛性的影響

電機(jī)聲音的來源分為整體結(jié)構(gòu)的共振噪音和轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的風(fēng)阻噪音以及軸承的噪音異響。

結(jié)構(gòu)共振主要是整體的結(jié)構(gòu)剛性的影響?？紤]是否為電機(jī)兩端軸承座支撐剛性對(duì)電機(jī)噪音的影響，原設(shè)計(jì)是平板式的鑄鐵端蓋，為此特意做了1個(gè)加厚的鋼板后端蓋，加大了軸承座的支撐強(qiáng)度以及軸承軸向預(yù)壓力承載面的強(qiáng)度。如圖1、圖2所示。

圖1 鑄鐵端蓋

圖2 加厚鋼板端蓋

安裝后對(duì)電機(jī)進(jìn)行同樣的空載測(cè)試，發(fā)現(xiàn)電機(jī)無明顯改善，異響區(qū)間仍存在，為3850轉(zhuǎn)到4100轉(zhuǎn)較為明顯。排除端蓋材質(zhì)與剛性對(duì)周期性的影響。

以上端蓋為直板端蓋，根據(jù)不同的應(yīng)用要求，可將端蓋設(shè)計(jì)成盤式端蓋（圖3），盤式端蓋內(nèi)軸向呈凸臺(tái)形，這有利于加大端蓋的軸向剛度，對(duì)于抑制電機(jī)軸向振動(dòng)有一定的作用。

圖3 盤式端蓋

2.2.2 氣息的影響

由于電機(jī)氣息小，當(dāng)氣體經(jīng)過狹小空間時(shí)，會(huì)因摩擦振動(dòng)產(chǎn)生一定的聲響。如果電機(jī)氣息不均勻，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，相當(dāng)于一個(gè)泵，在不斷地壓縮與釋放氣息內(nèi)部的空氣，被壓縮與釋放的空氣，使其速度忽快忽慢，影響其頻率，最終影響其聲響，可能產(chǎn)生嗡嗡的周期性聲響。為此將電機(jī)拆解，檢查其轉(zhuǎn)子的外圓徑向跳動(dòng)，徑向跳動(dòng)為0.015mm，為正常設(shè)計(jì)范圍。電機(jī)定子兩端安裝止口為以定子內(nèi)孔工裝脹緊定位來一次性加工兩端定位止口和端面，端蓋止口與軸承室為一次性裝夾加工，理論上同心度沒有問題，為了進(jìn)一步驗(yàn)證止口和軸承室的同心度，用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x測(cè)量端蓋的軸承室和安裝止口的同心度，結(jié)果顯示0.006mm，此數(shù)值也在正常設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。固定轉(zhuǎn)子的安裝同心度理論上沒有問題，排除氣息不均勻所造成周期性聲響的原因。

將同一臺(tái)電機(jī)轉(zhuǎn)子外圓不斷縮小，氣息由0.4變?yōu)?.45和0.5，在其他配件及尺寸都不改變的情況下，裝機(jī)后測(cè)試得到以下數(shù)據(jù)，見表1。

表1

根據(jù)表格數(shù)據(jù)，異響依然存在，但隨著氣息的增大，異響的轉(zhuǎn)速區(qū)間呈遞增趨勢(shì)，從主觀觀察，各區(qū)間周期性異響聲音稍有減弱。

2.2.3 軸承的影響

軸承的影響主要是不同品牌批次，以及與機(jī)械件內(nèi)外徑的配合公差，以及游隙的選用和軸向預(yù)壓的調(diào)整等的影響為主。用同一組端蓋和定子以及轉(zhuǎn)子配件，裝上不同品牌的軸承，分別為進(jìn)口NSK軸承、TPI軸承、國(guó)產(chǎn)人本軸承，在其他配件和尺寸鏈不變的情況下，測(cè)試數(shù)據(jù)，見表2。

表2

測(cè)試數(shù)據(jù)顯示周期性異響問題沒有明顯改善。

在傳統(tǒng)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中，安裝軸承時(shí)均有工作游隙，工作游隙過大，軸承內(nèi)載荷不穩(wěn)定，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)，軌跡漂移，精度和疲勞強(qiáng)度差，壽命縮短；工作游隙過小，將造成運(yùn)轉(zhuǎn)溫度過高，易產(chǎn)生抱死現(xiàn)象。軸承游隙又分為徑向游隙和軸向游隙，徑向游隙主要跟軸承內(nèi)孔與主軸的過盈量大小以及與軸承座孔配合的尺寸相關(guān)。

電機(jī)安裝的同心度非常重要，但是沒有絕對(duì)同心的加工與裝配能力，軸承的徑向與軸向游隙都有限，如果軸承憋著或著內(nèi)外圈配合的過緊將使得軸承運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)不在最佳的位置狀態(tài)，不能輕微的調(diào)整其角度，將影響到軸承在整個(gè)系統(tǒng)中的運(yùn)轉(zhuǎn)的平衡。為驗(yàn)證軸承外圈與軸承室的配合間隙對(duì)電機(jī)周期性影響的大小，特準(zhǔn)備三套端蓋，保證軸承室底部端面到安裝止口端面距離一致，軸承室大小尺寸分別加工到不同尺寸，在使用其他同一套配件的基礎(chǔ)上，3套端蓋分別裝配后，運(yùn)轉(zhuǎn)電機(jī)得到以下數(shù)據(jù)，見表3。

表3

由數(shù)據(jù)看出，在其他不變的情況下，軸承室的配合間隙大小對(duì)電機(jī)的周期性異響產(chǎn)生一定的影響，但仍存在，只是轉(zhuǎn)移了異響的轉(zhuǎn)速區(qū)間。配合間隙越大，周期性異響區(qū)間越往后移。配合間隙的大小決定了軸承運(yùn)轉(zhuǎn)的順暢性，也影響軸承的發(fā)熱和壽命，太小了不利于裝配，且軸承發(fā)熱后膨脹會(huì)吃掉一部分游隙，且增大軸承外圈與軸承室的摩擦阻力，影響軸承的阻尼竄動(dòng)，不能調(diào)整到最佳運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。配合間隙太大，在電機(jī)加減速過程中外圈容易相對(duì)滑動(dòng)，且影響電機(jī)的同心度。

由于生產(chǎn)工藝與加工的影響，一般電機(jī)運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生軸向竄動(dòng)，從而會(huì)產(chǎn)生一定的噪音和振動(dòng)。設(shè)計(jì)時(shí)一般會(huì)在電機(jī)的其中一端用波形彈簧來給軸承外圈施加一定的預(yù)壓力，使得軸承滾珠與溝道的一邊貼合，從而對(duì)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)軸向竄動(dòng)的轉(zhuǎn)子起到一個(gè)阻尼作用，預(yù)壓力過大或者過小對(duì)軸承噪音和振動(dòng)都有很大的影響。當(dāng)預(yù)壓力過大，則軸承滾珠和溝道貼的太緊，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，摩擦阻力增大，軸承溫度升高，軸承易發(fā)出高頻的尖叫聲。當(dāng)軸承預(yù)壓力過小，則波彈起不了作用，軸承滾珠在溝道里跳動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)，產(chǎn)生很大的咕嚕運(yùn)轉(zhuǎn)聲,并且預(yù)壓力無法抵消轉(zhuǎn)子竄動(dòng)的軸向力，起不到阻尼作用而產(chǎn)生低頻的周期性嗡嗡聲。為了驗(yàn)證這一結(jié)論，先將調(diào)整波形彈簧的工作高度來調(diào)整其預(yù)壓力，觀察其對(duì)電機(jī)噪音的影響。電機(jī)使用時(shí)會(huì)軸頭朝下，此電機(jī)的軸承配置為前軸承大，后軸承小，預(yù)緊波形彈簧置于后軸承。理論波形彈簧設(shè)計(jì)工作高度2mm，為驗(yàn)證波彈預(yù)緊力對(duì)電機(jī)周期性異響的影響，現(xiàn)對(duì)同一臺(tái)電機(jī)采用調(diào)整墊片來調(diào)整波形彈簧的工作高度，使得波形彈簧分別工作在不同的工作高度。由于各廠家或批次的波形彈簧彈力有差別，現(xiàn)采用DS2-1000N數(shù)顯推拉力計(jì)測(cè)量波彈不同壓縮狀態(tài)下的壓力，得到如下彈力-位移數(shù)據(jù)，調(diào)整波彈工作高度后的電機(jī)測(cè)試數(shù)據(jù)，如表4所示。

表4

由上述數(shù)據(jù)可得軸承預(yù)緊力增加，則電機(jī)周期性異響區(qū)間往高轉(zhuǎn)速移動(dòng)，但當(dāng)波彈工作高度處于1.6mm的時(shí)候，電機(jī)高速時(shí)軸承發(fā)熱嚴(yán)重，說明此轉(zhuǎn)速下軸承預(yù)壓過大，不可采用。當(dāng)波彈工作高度低于2.2mm，電機(jī)出現(xiàn)咕嚕咕嚕的滾珠聲響，說明電機(jī)預(yù)壓過小，滾珠不足以與溝道貼合。

3 結(jié)語

綜上所述,通過以上不同條件的測(cè)試，電機(jī)周期性異響類似電機(jī)結(jié)構(gòu)共振，屬于電機(jī)固有的特性，雖然無法徹底消除，但可通過合適的公差配合、軸承預(yù)壓等削弱此噪音，或者將此噪音轉(zhuǎn)移至實(shí)際用不到的轉(zhuǎn)速區(qū)間。