滚动轴承振动及噪声的测量与分析

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1、中国轴承论坛第四届研讨会论文集 滚动轴承振动及噪声的测量与分析 上海市轴承技术研究所王家亮 声音是指弹性物质中传播的压力、引力、质点位移及速度等的变化所引起的物理扰动，即声音可以 定义为在空气、水和其他媒质中人耳所能听到的任何压力的变化。 噪声是指除了正常声音以外引起人们不舒适、产生烦躁感的声音，它是人们所不希望、不喜欢，但 经常又难以避免的一种声音。轴承在运转过程中，由于滚道和滚动体之间相互接触、碰撞而产生振动， 由振动产生的机械波向空间辐射，引起空气的振动，从而产生声响，这种声响习惯上被称为轴承的噪 声。所以轴承振动是产生噪声的根源。既使轴承零部件滚动表面加工十分理想，清洁度和润滑或油脂

2、也无可挑剔，但轴承在运转时，由于滚道和滚动体间弹性接触构成的振动，仍会产生一种连续轻柔的声 音，这种声音称为轴承的基础噪声。基础噪声是轴承固有的，不能消除。叠加在基础噪声内的其他噪 声称为异常声。 一、噪声测量和振动测量 1 轴承的噪声测量 滚动轴承的噪声测量，须在声学性能良好的消声室内进行，声学测量中使用的消声室，是一种人为 的自由场。自由场就是在均匀各个方向同性的媒质中，边界影响可以忽略不计的声场。在自由场中， 声波在任何方向无反射，声场各点接受的声音，仅有来自声源的直达声而无反射声。消声室可用来对 声源进行较准确的测量，是理想的声学测量设备。消声室背景噪声( 干扰测量讯号的所有噪声的总和

3、) 必须小于被测轴承噪声1 0d B 以上。在进行噪声测量时，必须注意背景讯号的声压级，如被测轴承的 实测噪声声压级比背景噪声声压级大1 0d B 以上，则背景噪声可忽略不计。如被测轴承的实测噪声声 压级与背景噪声压级之差小于1 0d B ，则需进行修正。修正式 己足= L z 一L 式中：k 为较正后的轴承噪声声压级；匕为实测的轴承噪声声压级；L 为校正值( 从校正曲线查得) 。 如被测轴承的实测噪声声压级与背景噪声声压级之差小于3d B ，则此消音室就不能用于轴承噪声 测量。 轴承噪声测量虽然能够直观地反映轴承的噪声和音质，但是测量轴承噪声必须在声学性能良好的 消声室内进行。建造这类消声室

4、费用大，一般轴承制造单位不易办到。同时在消声室内不可能大批量 的进行测量，这就不满足生产现场对轴承噪声检测的需要。 2 轴承的振动测量 轴承运动时产生的振动是很复杂的随机振动，目前还不可能完全用某种具体的运动方程加以描 述，影响轴承振动的因素是很复杂的。套圈沟道波纹度、粗糙度、表面质量、滚动体尺寸相互差、轴承本 身的结构类型、组装游隙和工作条件等都会影响轴承的振动。 国内外的研究工作已经表明，轴承噪声和轴承振动是同一事物的两个不同的侧面。它们有着本质 的联系，轴承振动是产生噪声的根源。轴承噪声和振动都是轴承运转时产生的，因此其测量方法必然 有着共性，即均为：拾声器一前置放大器一测量放大器一显示

5、。所以通过控制轴承振动可以在一定范 围和一定程度内降低轴承噪声。 - - 1 2 5 - - 中国轴承论坛第四届研讨会论文集 二、从振动测量中鉴别轴承的噪声 1 形成原因及目前主要鉴别方法 滚动轴承运转过程中出现的异常声种类繁多，形成机理比较复杂，产生的因素是多方面的，而且各 种异常声常常叠加在一起，难于分辨，其主要原因有如下几种： ( 1 ) 轴承内外滚道存在磕碰伤、划伤或严重缺陷引起的周期性振动脉冲。 ( 2 ) 滚动体表面磕碰伤、划伤等缺陷引起的非周期性振动脉冲。 ( 3 ) 由于剩磁吸附铁粉末存在于滚道或滚动体上面引起的周期性或非周期性的振动脉冲。 ( 4 ) 杂质或尘埃进入轴承滚道运

6、行区域引起的非周期性的振动脉冲。 ( 5 ) 滚动体与保持架兜孔剧烈碰撞引起的非周期性振动脉冲。 ( 6 ) 润滑性能不良，滚动体与保持架兜孔之间滑动摩擦以及滚动体运转时辗压润滑剂产生的振动 脉冲。 从异常声产生的原因可知，异常声是由周期或非周期冲击振动造成的，其特点具有脉冲性质。而 目前大量使用的S 0 9 1 0 加速度型轴承振动测量仪和B 、呵速度型三频段轴承振动测量仪测值均为平均 值或有效值( 均方根) ，其定义式为 = 厄丽 式中：H ( t ) 为时间的波幅瞬时值，r 为采样周期。 从上式可以看出，该M 。值是对时间的平均值，因此对轴承振动脉冲反映不敏感。仪表显示的测 量值只能表示

7、被测轴承振动的大小，而不能判断轴承的异常声。 目前对轴承异常声的定性识别有： ( 1 ) 利用轴承振动测量仪电箱中的扬声器，操作者在测量轴承振动时可借助扬声器发出的声音来 判别轴承在运转时产生的异常声。 ( 2 ) 将轴承振动信号从振动测量仪电箱的信号输出端接入示波器输人端，观察轴承振动在时域中 波形，基波和干扰波清晰可见，但叠加在基波上的高次谐波幅值较小，再加上轴承信号是随机信号，示 波器波形不停变化，观察比较困难。 上述两种判别异常声的方法人为因素较大，不同的操作者会得到不同的检测结果。 对轴承异常声的定量判别：根据大量的试验研究表明，对于微小型滚动轴承来讲，无异常声的轴承 波峰因数( 最

8、大正峰值有效值) 在6 以下，6 8 的波峰因数有轻微的异常声，有些人能识别，有些人则 听不清，在l O 以下则基本上都能听到异常声。也就是最大振动峰值与有效值之差大于2 0d B ，异常声 就很明显了。 单独用最大峰值无法评定轴承的异常声。因为轴承的大小、结构等不同，所以峰值的大小也不一 样。因此要判断轴承的异常声，就必须将被测轴承的最大峰值与有效值相比才能评定异常声。例如有 两套轴承，A 轴承振动有效值为2 5d B ，B 轴承振动有效值为3 0d B ，它们的峰值都是4 5d B 。大多数人 往往认为A 轴承振动噪声要比B 轴承好，但恰恰相反，B 轴承波峰因数小于6 ，属于无异常声。而A

9、 轴承 的波峰因数已达1 0 ，显然异常声很明显了。另外，人耳的听觉对于声压级相差6d B 以上的声音反应才灵 敏，所以振动值相差几个d B 时，人耳感觉不太明显，而有效值与峰值如果差太多，异常声就明显了。 根据轴承制造企业和电机制造企业反馈的信息，按目前z 2 、z 3 组的标准，装机合格率只有6 0 多。 若轴承振动波峰因数小于8 ，装机合格率就上升至9 0 多。可见波峰因数对于轴承的异常声评判是非 常重要的。 2 轴承的音质鉴别与分析 所谓音质是指测振仪的扬声器中传递的声音是否“悦耳”，有的声音听起来比较清晰清脆，有的声 音沉闷、混杂，听了就会感觉烦躁。目前我国很多轴承生产企业制造的中小

10、型轴承振动值很低，有的甚 一1 2 6 中国轴承论坛第四届研讨会论文集 至比N S K 等国外大公司的轴承还低，但是音质就是不如人家。经过对国内外轴承振动测试与分析，我 们发现音质好的轴承其振动加速度级的高频分量远远高于中、低频分量。实验证明，高频振动加速度 级只要大于中、低频振动加速度级6 1 0d B 以上，音质相对就比较好。而目前很多国产轴承的中低频 振动值很高，甚至中频分量大于高频分量。所以听到的声音多沉闷而不清脆。究其原因是采用了高质 量的钢球和强化了沟道超精研工艺，却忽略了套圈的磨加工工艺。所以中低频振动没有改善，部分低 振动轴承的中频分量超过了高频分量，出现了振动值低、音质不好的

11、现象。 表征简谐振动的方程为 位移：S = A s i n ( c a t + 咖) 速度：移= 。a A s i n ( c a t + 币+ t r 2 ) 力速度：口= c a 2 A s i n ( c o t + 咖+ 叮r ) 从以上物理方程可以看出，振动速度口与振幅或角频率( 频率力成线性比例关系，振动加速度口 与振幅A 成线性比例关系，而与角频率( 频率力成平方( 指数) 关系。所以在正常情况下，振动加速度 值的高频分量大于中频分量，中频分量大于低频分量。现在有些轴承由于影响振动高频分量的钢球和 沟道表面的波纹度( 密波) 的数值大为降低，而轴承沟道的波纹度( 疏波) 却没有同

12、步降低，就造成了中 频分量大于高频分量的现象。 另外，目前大量使用的加速度轴承测量仪大多数是单一通频段的，是不分高、中、低频段的。其显示的 振动值是各频段振动值的叠加，亦最接近三个频段中振动最大的那个频段的振动值，其叠加式如下： L = 1 0 1 9 1 0 如 = l 式中：L 为通频段振动值；厶为各频段( 高、中、低) 振动值。 在现实中我们曾遇到这样两套轴承，振动值见表1 。 表1 振动情况 d B 频段低 中高 通 1 52 2 1 82 4 B 1 01 52 82 8 在通频段仪器测量时，总认为A 轴承振动值小，噪声低。但实际正好相反，A 轴承声音响，音质沉 闷，而日轴承相对声音

13、较轻，音质清脆，经过分析，我们认为A 中频振动值高，频率正好在耳听觉的敏感 区域，所以就感觉声音响，而B 轴承虽然振动值高，但由于高频声在传播的过程中衰减比中、低频快，同 时B 的中、低频振动值都比A 轴承要低，所以感觉B 轴承声音要比A 轴承低。 从上述的例子可以说明，单一通频段的轴承测振仪已不能满足低噪声无异常声轴承检测的要求， 必须采用分频段和峰值测量，才能较全面的评判轴承的振动。 三、发展与探索 目前国内绝大部分轴承生产企业都使用测振仪评定轴承的振动与噪声。行业内也制定了相应的 标准。然而，国产轴承测振仪无论是速度型的还是加速度型的都安装了扬声器以及示波器。在轴承企 业星罗棋布的江浙地

14、区，这些生产企业在检测轴承振动值时，往往不关心振动值的大小，却只关注扬声 器中的声音和示波器中的波形。导致这种状况的原因是： ( 1 ) 行业标准滞后 2 0 多年来轴承生产企业的装备与工艺不断改进，现在几乎所有的轴承生产企业，不论规模大小，都声 称能生产低振动轴承，而且比现行标准低许多，事实也是如此。因而振动值的测量几乎成了一种形式。 ( 2 ) 单独考核振动值已满足不了市场的需要 随着社会的发展，各行业对轴承噪声的要求越来越高，除了要求低噪声之外，还有对异常声，音质 等方面的要求，这些要求从单一的振动值中是无法反映的。只能通过扬声器和示波器来判断，对生产 一1 2 7 中国轴承论坛第四届研

15、讨会论文集 企业来说，满足客户的要求是第一位的。在没有先进的仪器问世之前，人工评断虽然是感性的但是真 实的，至少有了一种说法。 近年来，我们一直在探索一种能代替人工判别异常声和音质的方法，从而实现以数据说话，实现标 准化管理的目标。1 9 9 9 年研制了S 0 9 2 轴承振动测量仪，用于异常声检测，无论在轴承生产企业，电机 制造企业，还是销售商中，都取得了很好的效果，在此基础上，于2 0 0 3 年我们又开发了S 0 9 2 一i n 型轴承 振动( 异常声) 测量仪，采用加速度三频段测量，具有数据处理功能，实践下来是比较满意的。是用于 “C S B T S T C T C 9 8 8 0 2 0 0 2 滚动轴承深沟球轴承振动( 加速度) 峰值技术条件”制定的参考仪器，也是用 于最新的“J B T7 0 4 7 一书木宰謇( 代替J B T7 0 4 7 1 9 9 9 ) 滚动轴承深沟球轴承振动( 加速度) 技术条 件”制定的参考仪器。 滚动轴承的振动测量传递的信息很多，我们还在不断地探索与研究，S K F 公司等世界著名企业已 经在这方面作出了示范。我们引进的一台S K F 公司的测振仪，它可以通过测量振动，智能诊断轴承零 部件的缺陷。现在我们与上海大学合作，也正在研制开发这种智能诊断轴承部件的振动测量仪，目前 也取得了一些阶段性的成果。 1 2 8 - - -