軸承基礎(chǔ)知識:高品質(zhì)低噪音滾動軸承

摘要：提出高品質(zhì)低噪音滾動軸承的新概念，綜述了低噪音軸承研究中的非線性振動與快速傅立葉變換、異音與頻率以及噪聲與振動的關(guān)系，指出高品質(zhì)低噪音的噪聲研究發(fā)展方向。
關(guān)鍵詞：滾動軸承；低噪聲；振動；高品質(zhì)軸承
《中圖法》分類號：TH133.33-101　　　文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A
文章編號：1000-5080(2000)01-0029-03
The Rolling Bearing with High Properties and Low Noise
DENG Si-Er　XIA Xin-Tao　XIE Tan-Cheng　WANG Lian-Sheng
（Dep. of Mech. & Electr. Eng.,Luoyang Inst. of Technol.,Luoyang 471039,China）
ZHANG Liang
（ Zhongzhou Aluminium Factory,Jiaozuo 471000,China)
Abstract：The authors advanced the new concept of rolling bearing with high properties and low noise, and analysed the relations between the nonlinear vibration and the fast Fourier transform method, between the strange sound and the frequency and between the noise and the vibration in the research of rolling bearing with low niose. Finally, the authors pointed out the future development of rolling bearing with high properies and low noise.
Key Words:Antifriction bearing; Low noise; Vibration;Bearing with high properties
0　前言
高品質(zhì)低噪音滾動軸承是低噪音軸承理論和應(yīng)用領(lǐng)域的最新概念。國內(nèi)現(xiàn)行的低噪音軸承實(shí)際上屬于低振動軸承，其主要技術(shù)指標(biāo)為軸承在一定軸向負(fù)荷下內(nèi)圈以一定轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動時外圈的純徑向振動加速度或振動速度的有效值，用加速度或速度傳感器提取軸承的時域信號。
高品質(zhì)低噪音軸承是真正意義上的低噪音軸承，其主要技術(shù)指標(biāo)為軸承以一定轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動時所產(chǎn)生聲音的強(qiáng)度和頻率（統(tǒng)稱噪聲）以及強(qiáng)度和頻率保持的時間（稱為噪聲壽命）。在測量噪聲時，使用高質(zhì)量的麥克風(fēng)在規(guī)定的背景噪聲環(huán)境下以一定的距離和方向提取軸承的時域信號。
1　基本概念
噪聲壽命是低噪音軸承研究中的一個全新課題。它是指在一定的可靠性下，軸承聲音的強(qiáng)度和頻率正常保持的時間。聲音的強(qiáng)度即人耳主觀感覺到的聲音的大小，可以用聲強(qiáng)、聲壓或聲壓級表示。
聲強(qiáng)是聲音在單位時間內(nèi)通過垂直于給定傳播方向的單位面積上的能量。對于無反射聲存在的自由聲場，點(diǎn)聲源聲強(qiáng)的大小一般和聲源功率成正比，和離開聲源的距離的平方成反比。聲強(qiáng)一般用聲壓表示。聲壓是指被測量的聲波在傳播過程中引起的空氣壓強(qiáng)的變化量。
分貝（dB）可以作為聲壓級的單位。聲壓級是某一聲壓與基準(zhǔn)聲壓之比的常用對數(shù)乘以20。基準(zhǔn)聲壓為1000 Hz時聽閾聲壓，可取為2×105 N/m2 。與聲壓級類似，還可以用聲強(qiáng)級來描述聲強(qiáng)。
聲音的頻率（Hz）一般是指單位時間內(nèi)聲源振動的次數(shù)?？捎糜诿枋鋈硕饔^感覺到的音調(diào)的高低。人類可聽聲的頻率范圍一般在20 Hz～20000 Hz，也是噪聲研究應(yīng)包含的頻率范圍。研究表明［1］：聲音的強(qiáng)度依賴于它的聲強(qiáng)級和頻率；聲音的音調(diào)則主要取決于它的頻率，與聲強(qiáng)也有一定的關(guān)系。
2　軸承噪聲研究中的問題
2.1　非線性振動與快速傅立葉變換（FFT）
具有單一頻率的聲音叫純音。軸承噪聲中的純音是罕見的。傳統(tǒng)的觀點(diǎn)認(rèn)為軸承噪聲可以看作是由不同強(qiáng)度和不同頻率的純音復(fù)合而成的復(fù)音，因而可以用FFT方法研究軸承噪聲的頻譜圖。但是，即使是一個簡單的矩形或δ時域脈沖，在FFT頻譜圖中就可表現(xiàn)為豐富的諧波成分，而具有豐富諧波成分的FFT頻譜圖，卻不能唯一判斷出時域信號是否是矩形或δ脈沖。尤其是，由于FFT屬于一種拘泥于線性的頻率變換方法，所以僅能真實(shí)反映線性振動的幅頻關(guān)系，而歪曲非線性振動的幅頻關(guān)系。然而，非線性接觸變形［2］可以導(dǎo)致軸承振動是非線性振動，因而不宜采用FFT方法分析噪聲頻率的構(gòu)成。
除了鋼球和套圈溝道的非線性接觸變形以外，鋼球和保持架的相互摩擦與碰撞、軸承游隙的變化、軸承套圈的柔性以及油脂動態(tài)特性等因素都具有非線性特征，同時，軸承中每一個零件相對其理想運(yùn)動都有多個運(yùn)動自由度，因此，滾動軸承在工作中的運(yùn)動必然屬于n維非線性動力學(xué)范疇。而目前國際軸承工程界對軸承動態(tài)性能的研究［3］，基本上仍處于早期的線性理論范疇，于是出現(xiàn)了許多問題。例如，理論模型解的周期性和實(shí)驗(yàn)信號的不確定性有較大差異、理論上的激勵頻率和實(shí)驗(yàn)中的亞諧振頻率相差甚遠(yuǎn)、振動和噪聲時域信號的不確定性等問題很難用線性理論解釋。有人將上述問題稱之為動態(tài)性能的隨機(jī)行為，由隨機(jī)誤差引起，這是不恰當(dāng)?shù)摹Ｒ驗(yàn)殡S機(jī)誤差可以表現(xiàn)為不確定性，但不確定性并非僅僅來源于隨機(jī)誤差。現(xiàn)代非線性動力學(xué)理論指出：確定的動力學(xué)方程也會產(chǎn)生不可預(yù)見性，即所謂的混沌現(xiàn)象。尤其在高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械中，時有分岔、混沌［4］、振幅跳躍和亞共振現(xiàn)象發(fā)生［5,6］。這樣，在FFT頻譜圖上的某些呈現(xiàn)出某種規(guī)律的諧波、低頻諧波和不確定諧波（看起來象隨機(jī)諧波）等，實(shí)際上來自非線性振動。因此，完全可以用非線性動力學(xué)理論解釋上述問題。
多次測量一套軸承時，其噪聲時域信號的不重復(fù)性，是非線性的重要表現(xiàn)之一。對于確定的非線性系統(tǒng)而言，初始條件不同，系統(tǒng)的輸出具有不同的特征。對于同一套軸承，某次測量噪聲時，至少是整個軸承的初始位置狀態(tài)以及內(nèi)部零件的相對位置狀態(tài)和另一次測量時不完全相同，這就形成了不同的初始輸入條件。如果用隨機(jī)現(xiàn)象解釋軸承噪聲時域信號的不重復(fù)性，則無法說明為什么每次測量的噪聲分貝值也有較大的差異，因?yàn)樵肼暦重愔凳且粋€統(tǒng)計(jì)量，而一定的隨機(jī)系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)量基本上是一個常量，變化很小。
2.2　異音與頻率
和低振動軸承相類似，高品質(zhì)低噪音軸承也存在異音問題。異音可認(rèn)為是一種人耳主觀感覺不舒服的聲音。它是噪聲的組成部分之一，屬于音調(diào)異常問題。影響異音的主要因素是噪聲頻率。
軸承的固有噪聲頻率一般和軸承的m階固有頻率有關(guān)，并且也可能構(gòu)成異音因素。因?yàn)檩S承內(nèi)部相互獨(dú)立的、相互耦合的、線性的、非線性的質(zhì)點(diǎn)與連續(xù)體的并非單自由度的振動，和固有摩擦、碰撞等相互影響，會產(chǎn)生復(fù)雜頻率和振幅的阻尼振動、拍頻振動和不可預(yù)見性振動等。這些振動使軸承產(chǎn)生接近m階固有頻率的聲源，而固有摩擦和碰撞本身也是聲源。這就是說，即使一個無制造誤差的軸承也會產(chǎn)生異音。當(dāng)外部條件固定時，改變軸承內(nèi)部結(jié)構(gòu)尺寸和材料可以減輕或消除異音。
對具有制造誤差的軸承而言，異音問題遠(yuǎn)比無制造誤差的軸承復(fù)雜。僅從徑向振動來看，軸承各零件的制造質(zhì)量對振動加速度的影響是難分主次的，而徑向振動是一種噪聲源。因此，不能過分強(qiáng)調(diào)某一個零件的重要性，應(yīng)當(dāng)全面考慮每一個零件的質(zhì)量，并注意各零件制造質(zhì)量的相互協(xié)調(diào)和依賴關(guān)系。另一方面，對一個零件而言，現(xiàn)行的制造質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中，一般僅包含誤差的大小，而忽略了誤差的其它構(gòu)成要素，應(yīng)當(dāng)引起注意。一個誤差至少由三個要素構(gòu)成：幅值（大?。⒎较蚝妥兓l率，這三個要素直接影響聲音的強(qiáng)度，其中，誤差的變化頻率是影響聲音音調(diào)的主要因素。例如，在同樣的強(qiáng)度下，一個沖擊聲音要比一個純周期聲音難聽很多。單一頻率的誤差變化頻率是指在單位周期內(nèi)誤差往復(fù)變化（取最大或最小值）的次數(shù)。例如，對溝道截形的圓度誤差要素來說，純粹的橢圓形和三棱形可以具有同樣的幅值和方向，但頻率構(gòu)成卻不同，粗糙度誤差要素、表面跳動誤差要素等，都有頻率成分。
另外，產(chǎn)品的退磁與清洗質(zhì)量、油脂的內(nèi)在質(zhì)量及動態(tài)特性也是影響軸承噪聲的重要因素。隨機(jī)分布的片狀、線狀和點(diǎn)狀等內(nèi)在微?；虼执蟮漠愇飳⒃趶?qiáng)度尤其在頻率方面對噪聲有大的貢獻(xiàn)。
2.3　噪聲與振動
從定義來看，噪聲與振動是有區(qū)別的。一般而言，影響振動的因素幾乎都影響噪聲，反之影響噪聲的因素并非都影響振動。例如，套圈的純軸向跳動，不能反映為軸承振動儀顯示的振動，但能反映為軸承噪聲儀顯示的噪聲；線性振動被認(rèn)為是可以線性疊加的，而噪聲不可以；振動儀喇叭發(fā)出的聲音實(shí)質(zhì)上仍屬于軸承徑向振動的時域信號，并非軸承的真正噪聲等。這些表明高品質(zhì)低噪音軸承的噪聲機(jī)理和低振動軸承的振動機(jī)理的明顯差異。
在工作中，對于超靜音機(jī)械（如家用空調(diào)等）而言，一般將聲音的dB值作為性能指標(biāo)要素，這是低振動軸承難以勝任的，應(yīng)當(dāng)代之以高品質(zhì)低噪音軸承。在當(dāng)前社會環(huán)境下，如果仍一味注重振動儀喇叭所發(fā)出的聲音問題，則很難生產(chǎn)出真正意義上的低噪音軸承，更不可能與國外知名公司競爭。
3　噪聲研究的發(fā)展方向
3．1　噪聲的測量和測量標(biāo)準(zhǔn)
主要是研制便攜式噪聲測量儀，實(shí)現(xiàn)噪聲的現(xiàn)場測量和分析，這是批量生產(chǎn)高品質(zhì)低噪音軸承的基本條件。日本已經(jīng)報(bào)道了有關(guān)軸承噪聲的測量標(biāo)準(zhǔn)。俄羅斯雖然研制出了便攜式噪聲測量儀，但除了使用不方便外，最重要的問題還是沒有攻克研制這種噪聲測量儀的兩個主要難點(diǎn)：背景噪聲的隔離效果和噪聲時域信號的拾取誤差。聲音傳感器相對測量軸承的角度和距離是測量標(biāo)準(zhǔn)必須考慮的，這可能涉及到將噪聲源是否作為點(diǎn)聲源看待。
3．2　噪聲機(jī)理和噪聲診斷理論的研究
必須突破軸承振動研究的現(xiàn)狀，引入摩擦振動與聲學(xué)、沖擊振動與聲學(xué)以及非線性動力學(xué)等理論，注重研究不確定信息的有序性和隨機(jī)性問題。FFT頻譜圖上那些看似隨機(jī)誤差的諧波構(gòu)成，不能不懷疑是非線性因素的表現(xiàn)。鋼球的質(zhì)量（重量）是噪聲機(jī)理和噪聲診斷理論研究不能回避的因素。鋼球和套圈溝道的非線性接觸變形必然引起鋼球的非線性振動。保持架的運(yùn)動、兜孔間隙以及鋼球運(yùn)動等之間的相互作用（碰撞、摩擦等）是噪聲機(jī)理和噪聲診斷理論研究的難點(diǎn)。許多非量化和模糊性因素（例如，清洗、潤滑脂等）對噪聲貢獻(xiàn)的定量描述仍然是噪聲理論和噪聲實(shí)踐相統(tǒng)一的屏障。必須指出，尤其應(yīng)當(dāng)研究噪聲的傳播與能量問題，該問題的研究成果可以實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)低噪音軸承噪聲的實(shí)用設(shè)計(jì)和工藝控制。
3．3　噪聲標(biāo)準(zhǔn)的制訂
噪聲標(biāo)準(zhǔn)是亟待解決的問題，目前，可以參照國際知名公司（例如，SKF、NTN等）的產(chǎn)品和用戶的要求尋求相對標(biāo)準(zhǔn)。噪聲標(biāo)準(zhǔn)的制訂不能不考慮國內(nèi)軸承行業(yè)的普遍狀態(tài)，但是，也必須立足于高的起點(diǎn)，努力接近國際先進(jìn)水平。
3．4　噪聲壽命設(shè)計(jì)
噪聲壽命設(shè)計(jì)在目前條件下只能靠試驗(yàn)完成，理論上的解決仍然需要一個漫長的過程。噪聲壽命可靠性研究不僅對滾動軸承設(shè)計(jì)，而且對可靠性理論也是新穎的，這顯然是一個不同于傳統(tǒng)的軸承壽命可靠性的問題。
項(xiàng)目基金：機(jī)械工業(yè)部技術(shù)發(fā)展基金資助項(xiàng)目（97JA0803）
作者簡介：鄧四二(1963-)，男，講師
鄧四二（洛陽工學(xué)院 機(jī)電工程系,河南 洛陽 471039）
夏新濤（洛陽工學(xué)院 機(jī)電工程系,河南 洛陽 471039）
頡譚成（洛陽工學(xué)院 機(jī)電工程系,河南 洛陽 471039）
王連生（洛陽工學(xué)院 機(jī)電工程系,河南 洛陽 471039）
張亮（中州鋁廠，河南 焦作 454100）
參考文獻(xiàn)：
［1］Morse P M. Vibration and Sound［M］. McGraw-Hill, 1948．
［2］Harris T A. Rolling Bearing Analysis［M］. New York: John Wiley & Sons INC,1991．
［3］Oswald B. Noise and Vibration Behavior of Rolling Bearing［J］. Ball and Roller Engineering. 1989,28:4～11．
［4］Adams M L. Exploratory Research on Chaos Concepts as Diagnosis Tools for Assessing Rotating Machinery Vibration Signatures［A］. Proceedings of the Fourth International Conference on Rotor Dynamics［C］， Chicago, USA, 1994．
［5］David Logan, Joseph Mathew. Using the Correlation Dimension for Vibration Fault Diagnosis of Rolling Element Bearing-1［J］. Basic Concepts Mechanical Systems and Signal Processing,1996,10(3):241～250．
［6］Hsieh S R. The Dynamic Stability and Nonlinear Resonance of a Flexible Connecting Rod: Continuous Parameter Model［J］. Nonlinear Dynamics，1993,（4）:573～603

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