楊曉蔚,李紅濤

(1.洛陽軸承研究所有限公司，河南 洛陽 471039；2.空軍駐洛陽地區(qū)代表室，河南 洛陽 471003)

滾動軸承的振動與噪聲，已從過去主要針對電動機(jī)軸承的特殊性能要求之一，成為現(xiàn)在許多類型軸承的基本性能要求之一。有關(guān)軸承振動與噪聲的研究，長期以來備受關(guān)注，從理論分析到試驗(yàn)研究，成果紛呈。但迄今為止，關(guān)于軸承振動與噪聲的理論，仍公認(rèn)是不成熟的；關(guān)于軸承振動與噪聲的試驗(yàn)，仍存在許多問題需要探究。在具體的研究和分析中，有時(shí)常將軸承振動與噪聲統(tǒng)歸于1個(gè)問題，有時(shí)又將其看作為1個(gè)問題的2個(gè)方面，有時(shí)又將其完全分為2個(gè)獨(dú)立的問題。其中，通過控制軸承振動能否控制軸承噪聲，就形成了1個(gè)曾經(jīng)長期爭論、莫衷一是的思辨性問題。

1 振動與噪聲的本質(zhì)關(guān)系

振動即物體的往復(fù)運(yùn)動，也即物體的運(yùn)動狀態(tài)隨時(shí)間在極大值和極小值之間交替變化的過程。聲音是由物體振動產(chǎn)生的，一切發(fā)聲的物體都在振動，但不是所有的物體振動都產(chǎn)生聲音，只有當(dāng)振動頻率在一定范圍內(nèi)，且通過介質(zhì)被人的聽覺器官感知時(shí)，才稱為可聽聲，簡稱為聲音。其中，一切無規(guī)律的或隨機(jī)的、從人的主觀和心理感覺上不希望存在的干擾聲則叫噪聲。所以概括而言，振動與噪聲的因果邏輯關(guān)系就是：一定條件的物體運(yùn)動稱為振動，一定條件的振動產(chǎn)生聲音，一定條件的聲音才屬于噪聲。

除了特定用途，振動與噪聲是有害的，所以必須加以控制。如振動對設(shè)備儀器的危害——會影響功能實(shí)現(xiàn)，降低工作精度，加劇零件磨損，甚至引起結(jié)構(gòu)疲勞破壞；對人身的危害——過量的振動會使人不舒適、疲勞，甚至導(dǎo)致人體病理性損傷。而由振動形成的噪聲，則主要是會造成環(huán)境污染，危害人體健康。由于振動與噪聲的因果關(guān)系，所以，對于控制振動而言，通常就是直接控制振動本身；對于控制噪聲而言，一般則必須溯本求源，控制其成因——振動(當(dāng)然也可采用吸音、隔音或消音等另一途徑的措施)。由于音頻范圍為20～20 000 Hz，低于20 Hz的次聲波和高于20 000 Hz的超聲波作用到人的聽覺器官時(shí)不引起聲音的感覺，即人耳聽不到，所以控制噪聲僅需控制音頻范圍內(nèi)的振動即可，尤其是控制人耳特別敏感的300～6 000 Hz左右的頻率(最敏感的頻率是3 000～4 000 Hz，其中，最有害的是1 000～4 000 Hz)部分，效果最為明顯。

2 軸承振動與噪聲的特性

軸承振動與噪聲，既有一般機(jī)械振動與噪聲的共性，又有其特性。除了潤滑、安裝和使用過程中引起的振動與噪聲之外，軸承本身具有以下振動與噪聲特性。

2.1 軸承的振動特性

(1)軸承振動的原因非常復(fù)雜，振動形式有徑向振動、軸向振動以及許多耦合振動。

(2)由于軸承結(jié)構(gòu)所致，其本身具有無法避免的固有振動：①滾動體通過承載區(qū)振動；②套圈受載彎曲變形振動。

(3)在現(xiàn)有制造水平下，軸承振動主要與套圈滾道和滾動體的波紋度有關(guān)，而與圓度和表面粗糙度非顯著相關(guān)。

(4)軸承振動包含從低頻到高頻的各種頻率成分的振動，即其振動頻率是處處密實(shí)的。

(5)測量軸承振動的全頻段范圍為50～10 000 Hz。為了便于分析，還將該全頻段分為3個(gè)頻段：50～300 Hz；300～1 800 Hz；1 800～10 000 Hz。

2.2 軸承的噪聲特性

(1)軸承噪聲由產(chǎn)生軸承振動的許多因素引起，其中影響較大的主要是套圈滾道和滾動體的表面粗糙度和波紋度。

(2)軸承噪聲的重要聲源還包括滾動體與保持架的撞擊聲、保持架由于渦動而產(chǎn)生的嘯叫聲、滾動體與滾道的接觸摩擦聲(潤滑狀態(tài)不好時(shí))等。

(3)軸承聲音頻率的本底噪聲具有白噪聲特點(diǎn)，但異常噪聲主要頻率成分都集中在1 000～10 000 Hz，即軸承噪聲一般表現(xiàn)為中、高頻噪聲。

(4)測量軸承噪聲的全頻段范圍為100～15 000 Hz(也有按125～16 000 Hz的)。

根據(jù)以上振動與噪聲的頻率成分特性，通常還可以按振動頻率范圍的高低來區(qū)分是作為軸承振動或是噪聲問題來研究。如日本的作法是：當(dāng)頻率在l 000 Hz以下時(shí)歸于振動問題，在1 000 Hz以上時(shí)歸于噪聲問題。

3 控制軸承振動的目的是控制軸承噪聲

軸承只要運(yùn)轉(zhuǎn)，就肯定會產(chǎn)生振動與噪聲。由于軸承的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和精密程度，其本身產(chǎn)生的振動非常小，由于軸承振動而引起危害的可能性也非常小。控制軸承振動，實(shí)際上從一開始，或者說一直以來，其主要目的都不是控制振動，而是控制噪聲。如日本從1933年起就開始進(jìn)行電動機(jī)軸承的降振研究，是因?yàn)楫?dāng)時(shí)電動機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲太大；美國在二戰(zhàn)時(shí)期開始潛心研究降低潛艇軸承的振動，也是因?yàn)榈聡穆暭{能捕捉到潛艇發(fā)動機(jī)工作時(shí)的噪聲。因此說，為了控制軸承噪聲，才一直在間接地控制軸承振動?，F(xiàn)在，對軸承振動或噪聲的控制，已從過去的主要用于電動機(jī)的深溝球軸承，發(fā)展到角接觸球軸承、圓柱滾子軸承、圓錐滾子軸承、甚至調(diào)心滾子軸承等許多類型。振動與噪聲已成為這些軸承在一些應(yīng)用場合的最重要的動態(tài)性能之一。尤其是對于家用電器、辦公機(jī)具等用軸承，要求更為嚴(yán)格，需要采用“靜音軸承”，其中空調(diào)器軸承甚至需要采用“超靜音軸承”。為此，在此類用途的軸承生產(chǎn)過程的終檢中，都要進(jìn)行振動或噪聲的100%的全數(shù)測量控制。

當(dāng)然，在監(jiān)測和診斷軸承故障方面，運(yùn)用振動遠(yuǎn)比噪聲要容易實(shí)現(xiàn)和可靠得多，因此，振動無疑是主要研究方向。但是，這已經(jīng)不屬于軸承本身的問題，而屬于軸承應(yīng)用的問題，應(yīng)另當(dāng)別論。

由于軸承振動與噪聲這種直接相關(guān)性，在一定條件下可以說是同義語，所以在生產(chǎn)和使用中，總是將“減振降噪”連在一起， “低振動軸承”也往往習(xí)慣性地稱之為“低噪聲軸承”，緣由即此。

通過控制軸承振動來控制軸承噪聲，不僅直接抓住了噪聲的源頭和成因，還由于實(shí)現(xiàn)起來比較簡單，如測量振動受環(huán)境條件影響較小、基礎(chǔ)振動易于分離、便于在生產(chǎn)實(shí)際中應(yīng)用等。而測量噪聲則對環(huán)境條件要求較高，需要具有很低的背景噪聲，因此一般必須在建造成本較高的消聲室內(nèi)進(jìn)行。

4 測量軸承振動不能完全替代測量軸承噪聲

盡管振動是因，噪聲是果，通過控制振動可以控制噪聲，但現(xiàn)行的控制軸承振動的方法卻不能完全替代控制軸承噪聲。

現(xiàn)行的測量軸承振動的常規(guī)方法是：內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)，測量靜止外圈上的徑向振動?；诖藴y量結(jié)果而評價(jià)的軸承振動，盡管也可以評價(jià)軸承噪聲，但顯然只是與徑向振動相關(guān)的噪聲。然而，軸承振動不僅只有套圈的徑向振動，而且還有套圈的軸向振動；滾動體和保持架的自由竄動、滾動體與滾道間的摩擦聲等，除去已影響套圈徑向振動的分量外，其他部分都會引起軸承噪聲，卻沒有計(jì)入。另外，軸承噪聲還有一些不是由于軸承振動引起的，比如軸承中運(yùn)動零件與周圍空氣形成的“空運(yùn)聲”等，也必須全部納入。因此，僅用現(xiàn)行的測量軸承振動的方法是不能完全替代測量軸承噪聲的。有研究結(jié)果表明，軸承振動與噪聲的相關(guān)性為0.7，盡管這一結(jié)論說明了用控制軸承振動來替代控制軸承噪聲是可行和有效的，但同時(shí)也反證了其他30%的影響并沒有包含進(jìn)去。因此說，要在完全意義上控制軸承噪聲，顯然只有直接控制其本身，這才是最有效的解決途徑。

5 測量軸承振動與噪聲的方法

5.1 測量軸承振動的方法

測量振動的方法較多，有電測法、機(jī)械法和光學(xué)法等，其中最常用的是電測法。

按測量振動的物理量不同，可分為位移、速度和加速度。其中，位移適用于測量低頻振動；速度適用于測量中頻振動；加速度則適用于測量高頻振動。位移、速度和加速度3個(gè)參數(shù)之間，可以通過數(shù)學(xué)微分或積分相互得出，但加速度通過積分獲得速度和位移的誤差較小，而將位移或速度進(jìn)行微分則誤差較大。

由于軸承振動通常表現(xiàn)為中、高頻振動，因此測量軸承振動適用于采用的物理量是速度和加速度。其中，測量加速度時(shí)，一般采用全頻段，即50～10 000 Hz，也可采用3頻段；測量速度時(shí)，一般采用3頻段，也可采用全頻段。3頻段對應(yīng)的產(chǎn)生軸承振動的制造精度方面的因素主要是：

50～300 Hz：套圈滾道的圓度；

300～1 800 Hz：套圈滾道的波紋度，滾動體的圓度；

1 800～10 000 Hz：套圈滾道和滾動體的表面粗糙度。

測量軸承振動加速度，盡管有許多優(yōu)點(diǎn)，如常用的壓電式加速度計(jì)頻帶寬、靈敏度高、系統(tǒng)誤差小、可靠性好、體積較小和質(zhì)量較輕、應(yīng)用最為廣泛等，但所測振動基本上由中、高頻成分決定，在低頻段內(nèi)即使振動值變化很大也不易反映出來。

測量軸承振動速度，盡管有一些不足，如常用的電動式速度計(jì)一般幅值和頻率有限、易受強(qiáng)電流和強(qiáng)磁場的干擾、體積較大且較重等，但所測振動值比較穩(wěn)定，在總振動水平中可以反映任何頻段內(nèi)振動水平的變化，因此能夠比較客觀地評價(jià)振動質(zhì)量，采用3頻段則更能提高測量振動的信息量。

鑒于上述測量振動速度與加速度之間的優(yōu)劣比較，測量軸承振動已越來越傾向于采用速度，尤其是國際標(biāo)準(zhǔn)化組織第4技術(shù)委員會(滾動軸承技術(shù)委員會)ISO/TC4于2004年發(fā)布了ISO 15424《滾動軸承 振動測量方法》，其中明確規(guī)定了測量軸承振動采用速度后，更奠定了其應(yīng)被優(yōu)先選擇的地位。

5.2 測量軸承噪聲的方法

測量噪聲比測量振動以及其他許多物理量都困難一些，也不易測準(zhǔn)，即測量誤差較大。

測量噪聲的理想聲場是自由聲場。自由聲場是指在均勻各向同性的介質(zhì)中，邊界影響可以不計(jì)的聲場。在自由聲場中，聲波可以將聲源的輻射特性向各個(gè)方向不受阻礙或干擾地傳播。但自由聲場很難實(shí)現(xiàn)，一般只能獲得滿足一定測量誤差要求的近似的自由聲場，如消聲室中的聲場。消聲室能有效地吸收入射聲波，反射聲波對聲場的影響基本上可以忽略不計(jì)，所以在一定的頻率范圍內(nèi)，消聲室中的聲場基本上可以認(rèn)為是自由聲場。

測量軸承噪聲的方法是在消聲室內(nèi)，采用A計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)聲壓級(A計(jì)權(quán)聲級適用于模擬人耳對55 dB以下低強(qiáng)度噪聲的頻率特性，并對低頻成分的衰減程度很大)，背景噪聲要求一般應(yīng)低于15 dB(A)甚至12 dB(A)。測量時(shí)，軸承噪聲與背景噪聲的差值最好應(yīng)在10 dB(A)以上，最低必須保證在4 dB(A)以上，否則就很難準(zhǔn)確測出軸承噪聲。對于微、小型軸承，由于其噪聲水平較低，一般難以滿足與背景噪聲的差值在10 dB(A)以上的要求，當(dāng)其差值低于規(guī)定要求時(shí)，應(yīng)按表1所列值進(jìn)行修正。

表1 軸承噪聲修正值 dB(A)

軸承噪聲頻率范圍較寬，但當(dāng)頻率超過8 000 Hz時(shí)，測量噪聲強(qiáng)度的難度較大，而且超過8 000 Hz的噪聲，實(shí)際上對軸承噪聲強(qiáng)度已影響不大。因此只要測量500～8 000 Hz的聲壓級，就基本上可以評價(jià)出軸承的噪聲質(zhì)量水平。換言之，對于軸承噪聲，不在全頻段范圍進(jìn)行測量也是可行的。

在消聲室測量軸承噪聲屬于非接觸式測量，還有1種在工廠現(xiàn)場常用的接觸式測量，其方法是將軸承的振動信號轉(zhuǎn)化為聲音信號，通過揚(yáng)聲器進(jìn)行放大，再由人耳聽聲音，憑經(jīng)驗(yàn)對軸承進(jìn)行噪聲質(zhì)量檢查。這種方法盡管對測量環(huán)境無特殊要求，但實(shí)質(zhì)上不屬于噪聲測量，而仍是振動測量。

6 軸承噪聲壽命的定義和估算

軸承噪聲壽命的定義是：軸承以一定噪聲限值水平運(yùn)轉(zhuǎn)的總時(shí)間。經(jīng)噪聲檢測合格的軸承，運(yùn)轉(zhuǎn)一段時(shí)間后，由于會產(chǎn)生滾道面磨損、潤滑脂劣化等原因，致使噪聲增大，當(dāng)超過噪聲容許范圍時(shí)，即認(rèn)為軸承噪聲壽命終結(jié)，不能繼續(xù)使用。

根據(jù)以上軸承噪聲壽命的定義，對于低噪聲軸承而言，實(shí)際上包含2個(gè)要求，即不僅要求噪聲低，而且要求噪聲水平的保持性要好，即應(yīng)具有一定的噪聲壽命。

試驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)證明，軸承噪聲壽命的估算，可以與一些工況條件或因素相關(guān)聯(lián)。下面以對噪聲要求嚴(yán)格的家電軸承為例。

6.1 軸承噪聲壽命和滾動體與滾道間的接觸應(yīng)力相關(guān)

滾動體與滾道間的接觸應(yīng)力大小，將直接影響軸承的摩擦磨損，進(jìn)而影響軸承的噪聲壽命。

以深溝球軸承為例，噪聲壽命要求超過10 000 h時(shí)(長噪聲壽命場合)，接觸應(yīng)力不應(yīng)大于800 MPa； 5 000～10 000 h時(shí)(普通用途)，接觸應(yīng)力不應(yīng)大于1 000 MPa；低于5 000 h時(shí)(剛性要求較嚴(yán))，接觸應(yīng)力不應(yīng)大于1 500 MPa。

6.2 軸承噪聲壽命與預(yù)載荷相關(guān)

軸承承受徑向載荷時(shí)，由于徑向游隙的存在，僅有承載區(qū)內(nèi)的部分滾動體承受載荷。當(dāng)滾動體從非承載區(qū)運(yùn)動到承載區(qū)的過程中，滾動體自重與離心力的合力的大小及方向不斷發(fā)生變化，滾動體將交替與套圈滾道發(fā)生碰撞，從而產(chǎn)生噪聲。這種噪聲可以通過對軸承施加預(yù)緊予以消除。

以深溝球軸承為例，噪聲壽命要求超過10 000 h時(shí)，預(yù)載荷取定值為(0.005～0.01)Cr(Cr為軸承徑向額定動載荷)；5 000～10 000 h時(shí)，預(yù)載荷取定值為(0.01～0.015)Cr；低于5 000 h時(shí)，預(yù)載荷取定值為(0.015～0.02)Cr。對于常用型號深溝球軸承，預(yù)載荷推薦為：608為30 N；6200～6202為40 N。

6.3 軸承噪聲壽命與潤滑脂壽命相關(guān)

潤滑脂對于軸承振動而言，具有阻尼作用，因此對于軸承噪聲來說，就具有消聲作用。潤滑脂質(zhì)量的不斷劣化，將會嚴(yán)重影響軸承的噪聲。根據(jù)軸承的尺寸大小和工作條件，噪聲壽命大約為潤滑脂壽命的1/3～1/2。

7 結(jié)束語

振動與噪聲從本質(zhì)上說，是1個(gè)事情的2個(gè)方面，具有高度相關(guān)性；但從表現(xiàn)形式來看，由于是2種物理現(xiàn)象，又各有其顯著相異性。軸承的振動與噪聲也不例外，但同時(shí)還有其特殊性。

對于軸承振動的控制，其目的主要是控制噪聲。隨著軸承產(chǎn)品質(zhì)量的不斷提高，軸承運(yùn)轉(zhuǎn)的聲音也越來越小，測量軸承噪聲所需要的環(huán)境條件和儀器就要求更加嚴(yán)格復(fù)雜，不僅費(fèi)用高，而且技術(shù)上也難以達(dá)到。而測量振動比測量噪聲更加簡便，同時(shí)也證明非常有效，因此ISO/TC4已于2007年決定取消有關(guān)軸承噪聲測量方法的國際標(biāo)準(zhǔn)工作項(xiàng)目，而在這之前的2004年，有關(guān)軸承振動測量方法已發(fā)布了系列標(biāo)準(zhǔn)。從這一動向可以看出，在軸承振動與噪聲的控制上，振動將成為主要控制對象，振動速度將成為主要測量與評定指標(biāo)，這實(shí)際上也明確了今后有關(guān)軸承振動與噪聲的主流技術(shù)發(fā)展方向。