轴承基础知识:高品质低噪音滚动轴承

摘要：提出高品质低噪音滚动轴承的新概念，综述了低噪音轴承研究中的非线性振动与快速傅立叶变换、异音与频率以及噪声与振动的关系，指出高品质低噪音的噪声研究发展方向。
关键词：滚动轴承；低噪声；振动；高品质轴承
《中图法》分类号：TH133.33-101　　　文献标识码：A
文章编号：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
高品质低噪音滚动轴承是低噪音轴承理论和应用领域的最新概念。国内现行的低噪音轴承实际上属于低振动轴承，其主要技术指标为轴承在一定轴向负荷下内圈以一定转速转动时外圈的纯径向振动加速度或振动速度的有效值，用加速度或速度传感器提取轴承的时域信号。
高品质低噪音轴承是真正意义上的低噪音轴承，其主要技术指标为轴承以一定转速转动时所产生声音的强度和频率（统称噪声）以及强度和频率保持的时间（称为噪声寿命）。在测量噪声时，使用高质量的麦克风在规定的背景噪声环境下以一定的距离和方向提取轴承的时域信号。
1　基本概念
噪声寿命是低噪音轴承研究中的一个全新课题。它是指在一定的可靠性下，轴承声音的强度和频率正常保持的时间。声音的强度即人耳主观感觉到的声音的大小，可以用声强、声压或声压级表示。
声强是声音在单位时间内通过垂直于给定传播方向的单位面积上的能量。对于无反射声存在的自由声场，点声源声强的大小一般和声源功率成正比，和离开声源的距离的平方成反比。声强一般用声压表示。声压是指被测量的声波在传播过程中引起的空气压强的变化量。
分贝（dB）可以作为声压级的单位。声压级是某一声压与基准声压之比的常用对数乘以20。基准声压为1000 Hz时听阈声压，可取为2×105 N/m2 。与声压级类似，还可以用声强级来描述声强。
声音的频率（Hz）一般是指单位时间内声源振动的次数。可用于描述人耳主观感觉到的音调的高低。人类可听声的频率范围一般在20 Hz～20000 Hz，也是噪声研究应包含的频率范围。研究表明［1］：声音的强度依赖于它的声强级和频率；声音的音调则主要取决于它的频率，与声强也有一定的关系。
2　轴承噪声研究中的问题
2.1　非线性振动与快速傅立叶变换（FFT）
具有单一频率的声音叫纯音。轴承噪声中的纯音是罕见的。传统的观点认为轴承噪声可以看作是由不同强度和不同频率的纯音复合而成的复音，因而可以用FFT方法研究轴承噪声的频谱图。但是，即使是一个简单的矩形或δ时域脉冲，在FFT频谱图中就可表现为丰富的谐波成分，而具有丰富谐波成分的FFT频谱图，却不能唯一判断出时域信号是否是矩形或δ脉冲。尤其是，由于FFT属于一种拘泥于线性的频率变换方法，所以仅能真实反映线性振动的幅频关系，而歪曲非线性振动的幅频关系。然而，非线性接触变形［2］可以导致轴承振动是非线性振动，因而不宜采用FFT方法分析噪声频率的构成。
除了钢球和套圈沟道的非线性接触变形以外，钢球和保持架的相互摩擦与碰撞、轴承游隙的变化、轴承套圈的柔性以及油脂动态特性等因素都具有非线性特征，同时，轴承中每一个零件相对其理想运动都有多个运动自由度，因此，滚动轴承在工作中的运动必然属于n维非线性动力学范畴。而目前国际轴承工程界对轴承动态性能的研究［3］，基本上仍处于早期的线性理论范畴，于是出现了许多问题。例如，理论模型解的周期性和实验信号的不确定性有较大差异、理论上的激励频率和实验中的亚谐振频率相差甚远、振动和噪声时域信号的不确定性等问题很难用线性理论解释。有人将上述问题称之为动态性能的随机行为，由随机误差引起，这是不恰当的。因为随机误差可以表现为不确定性，但不确定性并非仅仅来源于随机误差。现代非线性动力学理论指出：确定的动力学方程也会产生不可预见性，即所谓的混沌现象。尤其在高速旋转机械中，时有分岔、混沌［4］、振幅跳跃和亚共振现象发生［5,6］。这样，在FFT频谱图上的某些呈现出某种规律的谐波、低频谐波和不确定谐波（看起来象随机谐波）等，实际上来自非线性振动。因此，完全可以用非线性动力学理论解释上述问题。
多次测量一套轴承时，其噪声时域信号的不重复性，是非线性的重要表现之一。对于确定的非线性系统而言，初始条件不同，系统的输出具有不同的特征。对于同一套轴承，某次测量噪声时，至少是整个轴承的初始位置状态以及内部零件的相对位置状态和另一次测量时不完全相同，这就形成了不同的初始输入条件。如果用随机现象解释轴承噪声时域信号的不重复性，则无法说明为什么每次测量的噪声分贝值也有较大的差异，因为噪声分贝值是一个统计量，而一定的随机系统的统计量基本上是一个常量，变化很小。
2.2　异音与频率
和低振动轴承相类似，高品质低噪音轴承也存在异音问题。异音可认为是一种人耳主观感觉不舒服的声音。它是噪声的组成部分之一，属于音调异常问题。影响异音的主要因素是噪声频率。
轴承的固有噪声频率一般和轴承的m阶固有频率有关，并且也可能构成异音因素。因为轴承内部相互独立的、相互耦合的、线性的、非线性的质点与连续体的并非单自由度的振动，和固有摩擦、碰撞等相互影响，会产生复杂频率和振幅的阻尼振动、拍频振动和不可预见性振动等。这些振动使轴承产生接近m阶固有频率的声源，而固有摩擦和碰撞本身也是声源。这就是说，即使一个无制造误差的轴承也会产生异音。当外部条件固定时，改变轴承内部结构尺寸和材料可以减轻或消除异音。
对具有制造误差的轴承而言，异音问题远比无制造误差的轴承复杂。仅从径向振动来看，轴承各零件的制造质量对振动加速度的影响是难分主次的，而径向振动是一种噪声源。因此，不能过分强调某一个零件的重要性，应当全面考虑每一个零件的质量，并注意各零件制造质量的相互协调和依赖关系。另一方面，对一个零件而言，现行的制造质量标准中，一般仅包含误差的大小，而忽略了误差的其它构成要素，应当引起注意。一个误差至少由三个要素构成：幅值（大小）、方向和变化频率，这三个要素直接影响声音的强度，其中，误差的变化频率是影响声音音调的主要因素。例如，在同样的强度下，一个冲击声音要比一个纯周期声音难听很多。单一频率的误差变化频率是指在单位周期内误差往复变化（取最大或最小值）的次数。例如，对沟道截形的圆度误差要素来说，纯粹的椭圆形和三棱形可以具有同样的幅值和方向，但频率构成却不同，粗糙度误差要素、表面跳动误差要素等，都有频率成分。
另外，产品的退磁与清洗质量、油脂的内在质量及动态特性也是影响轴承噪声的重要因素。随机分布的片状、线状和点状等内在微粒或粗大的异物将在强度尤其在频率方面对噪声有大的贡献。
2.3　噪声与振动
从定义来看，噪声与振动是有区别的。一般而言，影响振动的因素几乎都影响噪声，反之影响噪声的因素并非都影响振动。例如，套圈的纯轴向跳动，不能反映为轴承振动仪显示的振动，但能反映为轴承噪声仪显示的噪声；线性振动被认为是可以线性叠加的，而噪声不可以；振动仪喇叭发出的声音实质上仍属于轴承径向振动的时域信号，并非轴承的真正噪声等。这些表明高品质低噪音轴承的噪声机理和低振动轴承的振动机理的明显差异。
在工作中，对于超静音机械（如家用空调等）而言，一般将声音的dB值作为性能指标要素，这是低振动轴承难以胜任的，应当代之以高品质低噪音轴承。在当前社会环境下，如果仍一味注重振动仪喇叭所发出的声音问题，则很难生产出真正意义上的低噪音轴承，更不可能与国外知名公司竞争。
3　噪声研究的发展方向
3．1　噪声的测量和测量标准
主要是研制便携式噪声测量仪，实现噪声的现场测量和分析，这是批量生产高品质低噪音轴承的基本条件。日本已经报道了有关轴承噪声的测量标准。俄罗斯虽然研制出了便携式噪声测量仪，但除了使用不方便外，最重要的问题还是没有攻克研制这种噪声测量仪的两个主要难点：背景噪声的隔离效果和噪声时域信号的拾取误差。声音传感器相对测量轴承的角度和距离是测量标准必须考虑的，这可能涉及到将噪声源是否作为点声源看待。
3．2　噪声机理和噪声诊断理论的研究
必须突破轴承振动研究的现状，引入摩擦振动与声学、冲击振动与声学以及非线性动力学等理论，注重研究不确定信息的有序性和随机性问题。FFT频谱图上那些看似随机误差的谐波构成，不能不怀疑是非线性因素的表现。钢球的质量（重量）是噪声机理和噪声诊断理论研究不能回避的因素。钢球和套圈沟道的非线性接触变形必然引起钢球的非线性振动。保持架的运动、兜孔间隙以及钢球运动等之间的相互作用（碰撞、摩擦等）是噪声机理和噪声诊断理论研究的难点。许多非量化和模糊性因素（例如，清洗、润滑脂等）对噪声贡献的定量描述仍然是噪声理论和噪声实践相统一的屏障。必须指出，尤其应当研究噪声的传播与能量问题，该问题的研究成果可以实现高品质低噪音轴承噪声的实用设计和工艺控制。
3．3　噪声标准的制订
噪声标准是亟待解决的问题，目前，可以参照国际知名公司（例如，SKF、NTN等）的产品和用户的要求寻求相对标准。噪声标准的制订不能不考虑国内轴承行业的普遍状态，但是，也必须立足于高的起点，努力接近国际先进水平。
3．4　噪声寿命设计
噪声寿命设计在目前条件下只能靠试验完成，理论上的解决仍然需要一个漫长的过程。噪声寿命可靠性研究不仅对滚动轴承设计，而且对可靠性理论也是新颖的，这显然是一个不同于传统的轴承寿命可靠性的问题。
项目基金：机械工业部技术发展基金资助项目（97JA0803）
作者简介：邓四二(1963-)，男，讲师
邓四二（洛阳工学院 机电工程系,河南 洛阳 471039）
夏新涛（洛阳工学院 机电工程系,河南 洛阳 471039）
颉谭成（洛阳工学院 机电工程系,河南 洛阳 471039）
王连生（洛阳工学院 机电工程系,河南 洛阳 471039）
张亮（中州铝厂，河南 焦作 454100）
参考文献：
［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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