張峰銘，吳玉厚，閆海鵬，張麗秀

(沈陽建筑大學(xué) 機械工程學(xué)院，沈陽 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。電主軸在起制動以及急加、減速情況下會產(chǎn)生噪聲現(xiàn)象，甚至在正常工況運轉(zhuǎn)時，也會存在噪聲超標的問題。電主軸噪聲已成為高速數(shù)控機床陶瓷電主軸單元速度進一步提升的“瓶頸”，嚴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噪聲與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，探索其運轉(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轉(zhuǎn)噪聲會隨轉(zhuǎn)速上升而呈遞增趨勢[1]。李良采用頻譜分析法對不同轉(zhuǎn)速下磁懸浮電主軸噪聲起主要貢獻的頻率段進行分析，為其結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計提供了聲學(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數(shù)、定子齒形狀和氣隙長度對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)對陶瓷電主軸的振動和噪聲進行監(jiān)測，分析了潤滑條件對陶瓷電主軸振動和噪聲的影響[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象，利用DASP軟件聲學(xué)測試平臺，對主軸起制動以及穩(wěn)定運轉(zhuǎn)工況下的噪聲進行測試，通過對噪聲聲壓級及頻譜的研究和分析，得出轉(zhuǎn)速對主軸噪聲的影響，為未來陶瓷電主軸突破轉(zhuǎn)速瓶頸，實現(xiàn)低噪聲的優(yōu)化設(shè)計提供理論依據(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[7]。

圖1 陶瓷電主軸結(jié)構(gòu)

2 噪聲測量的聲學(xué)基礎(chǔ)

2.1 背景噪聲

在噪聲測量時，通常會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。實驗室測量噪聲時，所測得的總噪聲級是被測主軸的噪聲和本底噪聲的合成。本底噪聲應(yīng)低于所測主軸噪聲10dB以上，否則將對所測量的總噪聲中扣除背景噪聲進行修正，修正值見表1。

表1 背景噪聲修正值

2.2 噪聲測量的主要參數(shù)

測量噪聲時，常測的有聲壓級、聲強級和聲功率級三個聲學(xué)量。聲壓是一個反映測量點聲音強弱的標量。聲強是在傳播方向上單位時間內(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量中，不僅要測量其噪聲強度，而且還要弄清其噪聲中所包含的頻率成分，即要對噪聲作頻譜分析。對于噪聲信號，很難對頻率成分逐個進行分析，而是將頻率劃分成若干個頻帶，再測量這些頻帶上的聲壓級。由于人耳對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行譜分析。在電主軸的噪聲測量中，1/3倍頻程是最常用的劃分[8]。

2.4 計權(quán)方式

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

3 陶瓷電主軸噪聲實驗

3.1 實驗儀器

(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)信號測量的高性能駐極電容式測試傳感器，主要由駐極體極頭和ICP前置放大器組合而成，可以精確測量20Hz～20kHz的頻率范圍。

(2)INV9212型聲強傳感器(ICP/LEMO)

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

圖2 INV9206傳感器

圖3 INV9212傳感器

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

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

圖4 DASP軟件聲學(xué)平臺界面

3.2 實驗原理

陶瓷電主軸噪聲測量實驗原理及實驗裝置照片見圖5、圖6。實驗系統(tǒng)中采用V/F變頻器為電主軸調(diào)速，電主軸采用油氣潤滑以及循環(huán)水內(nèi)冷卻制冷方式[11]。利用聲壓和聲強傳感器分別測量陶瓷電主軸噪聲的聲壓值和聲強值，再用新型高精度多功能測量儀—INV306DF智能信號采集分析儀采集噪聲信號后，將數(shù)據(jù)傳入計算機中進行分析和處理。

圖5 實驗原理示意圖

圖6 實驗裝置照片

4 陶瓷電主軸噪聲測試結(jié)果和分析

4.1 電主軸穩(wěn)定運轉(zhuǎn)時噪聲測試

通過對組裝好的陶瓷電主軸進行噪聲測試，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；測量位置：主軸前端；主軸轉(zhuǎn)速測試范圍：10000r/min～40000r/min。每一測試在某個穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速下運轉(zhuǎn)0.5h后再進行數(shù)據(jù)的采樣測量。

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

圖7 不同計權(quán)方式下噪聲衰減曲線

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

圖8 10000r/min時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，并在不同計權(quán)方式下測得其噪聲的聲壓值，見圖8，此時的電源頻率為333.33Hz。從圖中可以看出陶瓷電主軸在以10000r/min的轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)時，在A、B、C三種計權(quán)方式下依次測得其噪聲的聲壓值為LA=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)速下運行噪聲的頻譜分析圖，從頻譜中提取噪聲的5個極大值，由圖中的數(shù)據(jù)列表可得，其所對應(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，其輻射的噪聲中低頻噪聲較為突出。

圖9 電主軸在10000r/min運轉(zhuǎn)時噪聲的頻譜分析圖

圖10是陶瓷電主軸在三種計權(quán)方式下以不同轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)時噪聲聲壓值的變化曲線。圖11是陶瓷電主軸在三種計權(quán)方式下以不同轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)時噪聲聲強值的變化曲線。

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)速下主軸噪聲聲強值的變化曲線

從圖10和圖11中時，可以看出：

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

②不論在哪種計權(quán)方式下，當電主軸的轉(zhuǎn)速在10000r/min～27000r/min之間時，電主軸噪聲(聲壓值和聲強值)會隨著主軸轉(zhuǎn)速的升高而增大；當主軸轉(zhuǎn)速大于27000r/min時，其運轉(zhuǎn)噪聲(聲壓值和聲強值)反而會隨著轉(zhuǎn)速的增高而降低。

4.2 電主軸起制動時噪聲測試

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

表2為陶瓷電主軸在不同轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運轉(zhuǎn)時噪聲的測量結(jié)果。表3 是陶瓷電主軸以不同電源頻率起制動時測量的噪聲數(shù)據(jù)。對比兩個表格中的數(shù)據(jù)并將其繪于圖12可以驗證：在相同轉(zhuǎn)速下，陶瓷電主軸在起制動階段輻射的噪聲要比其在穩(wěn)定運轉(zhuǎn)時輻射的噪聲更為明顯。

表2 穩(wěn)定運行時噪聲的測試結(jié)果

表3 起制動階段噪聲的測試結(jié)果

續(xù)表

圖12 起制動階段和穩(wěn)定運轉(zhuǎn)時噪聲值變化曲線

圖13是陶瓷電主軸在A計權(quán)方式下以不同的電源頻率起制動時噪聲(聲壓值)的變化曲線。每一個電源頻率都對應(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，并依次測量不同電源頻率下噪聲的聲壓值，共計15組實驗數(shù)據(jù)，見表3。

圖13 電主軸以不同電源頻率起制動時噪聲的變化曲線

從圖13中可以看出：陶瓷電主軸在起制動階段的噪聲也是先隨著電源頻率的提高而不斷增大；當電源頻率為900Hz，即電主軸轉(zhuǎn)速為27000r/min時，主軸噪聲達到峰值(80.3dB)；之后電主軸輻射的噪聲會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

本文通過實驗的方法，研究陶瓷電主軸在起制動階段以及穩(wěn)定運轉(zhuǎn)工況下的噪聲特性，再對所測的噪聲信號進行頻譜分析和數(shù)據(jù)處理之后得出以下結(jié)論：

(1)陶瓷電主軸的運轉(zhuǎn)噪聲與主軸轉(zhuǎn)速有關(guān)，在測試的轉(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，當轉(zhuǎn)速超過27000r/min時噪聲值便開始下降，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時噪聲隨轉(zhuǎn)速的變化趨勢與其穩(wěn)定運轉(zhuǎn)時噪聲隨轉(zhuǎn)速的變化趨勢基本一致，而且其在起制動階段輻射的噪聲更加明顯。