鄧四二　夏新濤　頡譚成　王連生　張亮 摘要：提出高品質(zhì)低噪音滾動(dòng)軸承的新概念，綜述了低噪音軸承研究中的非線(xiàn)性振動(dòng)與快速傅立葉變換、異音與頻率以及噪聲與振動(dòng)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(dòng)軸承；低噪聲；振動(dòng)；高品質(zhì)軸承 《中圖法》分類(lèi)號(hào)：TH133.33-101　　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(dòng)軸承是低噪音軸承理論和應(yīng)用領(lǐng)域的Z新概念。國(guó)內(nèi)現(xiàn)行的低噪音軸承實(shí)際上屬于低振動(dòng)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(dòng)時(shí)外圈的純徑向振動(dòng)加速度或振動(dòng)速度的有效值，用加速度或速度傳感器提取軸承的時(shí)域信號(hào)?！　「咂焚|(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(dòng)時(shí)所產(chǎn)生聲音的強(qiáng)度和頻率（統(tǒng)稱(chēng)噪聲）以及強(qiáng)度和頻率保持的時(shí)間（稱(chēng)為噪聲壽命）。在測(cè)量噪聲時(shí)，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(shí)域信號(hào)。 1　基本概念 噪聲壽命是低噪音軸承研究中的一個(gè)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(shí)間。聲音的強(qiáng)度即人耳主觀(guān)感覺(jué)到的聲音的大小，可以用聲強(qiáng)、聲壓或聲壓級(jí)表示。　　聲強(qiáng)是聲音在單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)垂直于給定傳播方向的單位面積上的能量。對(duì)于無(wú)反射聲存在的自由聲場(chǎng)，點(diǎn)聲源聲強(qiáng)的大小一般和聲源功率成正比，和離開(kāi)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(cè)量的聲波在傳播過(guò)程中引起的空氣壓強(qiáng)的變化量?！　》重悾╠B）可以作為聲壓級(jí)的單位。聲壓級(jí)是某一聲壓與基準(zhǔn)聲壓之比的常用對(duì)數(shù)乘以20?；鶞?zhǔn)聲壓為1000 Hz時(shí)聽(tīng)閾聲壓，可取為2×105 N/m2 。與聲壓級(jí)類(lèi)似，還可以用聲強(qiáng)級(jí)來(lái)描述聲強(qiáng)?！　÷曇舻念l率（Hz）一般是指單位時(shí)間內(nèi)聲源振動(dòng)的次數(shù)?？捎糜诿枋鋈硕饔^(guān)感覺(jué)到的音調(diào)的高低。人類(lèi)可聽(tīng)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(lài)于它的聲強(qiáng)級(jí)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(wèn)題 2.1　非線(xiàn)性振動(dòng)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(jiàn)的。傳統(tǒng)的觀(guān)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(gè)簡(jiǎn)單的矩形或δ時(shí)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，卻不能判斷出時(shí)域信號(hào)是否是矩形或δ脈沖。尤其是，由于FFT屬于一種拘泥于線(xiàn)性的頻率變換方法，所以?xún)H能真實(shí)反映線(xiàn)性振動(dòng)的幅頻關(guān)系，而歪曲非線(xiàn)性振動(dòng)的幅頻關(guān)系。然而，非線(xiàn)性接觸變形［2］可以導(dǎo)致軸承振動(dòng)是非線(xiàn)性振動(dòng)，因而不宜采用FFT方法分析噪聲頻率的構(gòu)成?！　〕虽撉蚝吞兹系赖姆蔷€(xiàn)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(dòng)態(tài)特性等因素都具有非線(xiàn)性特征，同時(shí)，軸承中每一個(gè)零件相對(duì)其理想運(yùn)動(dòng)都有多個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度，因此，滾動(dòng)軸承在工作中的運(yùn)動(dòng)必然屬于n維非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)范疇。而目前軸承工程界對(duì)軸承動(dòng)態(tài)性能的研究［3］，基本上仍處于早期的線(xiàn)性理論范疇，于是出現(xiàn)了許多問(wèn)題。例如，理論模型解的周期性和實(shí)驗(yàn)信號(hào)的不確定性有較大差異、理論上的激勵(lì)頻率和實(shí)驗(yàn)中的亞諧振頻率相差甚遠(yuǎn)、振動(dòng)和噪聲時(shí)域信號(hào)的不確定性等問(wèn)題很難用線(xiàn)性理論解釋。有人將上述問(wèn)題稱(chēng)之為動(dòng)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)?。因?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(lái)源于隨機(jī)誤差?，F(xiàn)代非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)理論指出：確定的動(dòng)力學(xué)方程也會(huì)產(chǎn)生不可預(yù)見(jiàn)性，即所謂的混沌現(xiàn)象。尤其在高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械中，時(shí)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(lái)象隨機(jī)諧波）等，實(shí)際上來(lái)自非線(xiàn)性振動(dòng)。因此，完全可以用非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)理論解釋上述問(wèn)題?！　《啻螠y(cè)量一套軸承時(shí)，其噪聲時(shí)域信號(hào)的不重復(fù)性，是非線(xiàn)性的重要表現(xiàn)之一。對(duì)于確定的非線(xiàn)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(duì)于同一套軸承，某次測(cè)量噪聲時(shí)，至少是整個(gè)軸承的初始位置狀態(tài)以及內(nèi)部零件的相對(duì)位置狀態(tài)和另一次測(cè)量時(shí)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(shí)域信號(hào)的不重復(fù)性，則無(wú)法說(shuō)明為什么每次測(cè)量的噪聲分貝值也有較大的差異，因?yàn)樵肼暦重愔凳且粋€(gè)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(gè)常量，變化很小。 2.2　異音與頻率 和低振動(dòng)軸承相類(lèi)似，高品質(zhì)低噪音軸承也存在異音問(wèn)題。異音可認(rèn)為是一種人耳主觀(guān)感覺(jué)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(wèn)題。影響異音的主要因素是噪聲頻率?！　≥S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(xiàn)性的、非線(xiàn)性的質(zhì)點(diǎn)與連續(xù)體的并非單自由度的振動(dòng)，和固有摩擦、碰撞等相互影響，會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜頻率和振幅的阻尼振動(dòng)、拍頻振動(dòng)和不可預(yù)見(jiàn)性振動(dòng)等。這些振動(dòng)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(shuō)，即使一個(gè)無(wú)制造誤差的軸承也會(huì)產(chǎn)生異音。當(dāng)外部條件固定時(shí)，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?！　?duì)具有制造誤差的軸承而言，異音問(wèn)題遠(yuǎn)比無(wú)制造誤差的軸承復(fù)雜。僅從徑向振動(dòng)來(lái)看，軸承各零件的制造質(zhì)量對(duì)振動(dòng)加速度的影響是難分主次的，而徑向振動(dòng)是一種噪聲源。因此，不能過(guò)分強(qiáng)調(diào)某一個(gè)零件的重要性，應(yīng)當(dāng)全面考慮每一個(gè)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(lài)關(guān)系。另一方面，對(duì)一個(gè)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(gè)誤差至少由三個(gè)要素構(gòu)成：幅值（大小）、方向和變化頻率，這三個(gè)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(gè)沖擊聲音要比一個(gè)純周期聲音難聽(tīng)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Z大或Z小值）的次數(shù)。例如，對(duì)溝道截形的圓度誤差要素來(lái)說(shuō)，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(dòng)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(dòng)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(xiàn)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(duì)噪聲有大的貢獻(xiàn)。 2.3　噪聲與振動(dòng) 從定義來(lái)看，噪聲與振動(dòng)是有區(qū)別的。一般而言，影響振動(dòng)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(dòng)。例如，套圈的純軸向跳動(dòng)，不能反映為軸承振動(dòng)儀顯示的振動(dòng)，但能反映為軸承噪聲儀顯示的噪聲；線(xiàn)性振動(dòng)被認(rèn)為是可以線(xiàn)性疊加的，而噪聲不可以；振動(dòng)儀喇叭發(fā)出的聲音實(shí)質(zhì)上仍屬于軸承徑向振動(dòng)的時(shí)域信號(hào)，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(dòng)軸承的振動(dòng)機(jī)理的明顯差異?！　≡诠ぷ髦?，對(duì)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(dòng)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(huì)環(huán)境下，如果仍一味注重振動(dòng)儀喇叭所發(fā)出的聲音問(wèn)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(guó)外知名公司競(jìng)爭(zhēng)。 3　噪聲研究的發(fā)展方向 3．1　噪聲的測(cè)量和測(cè)量標(biāo)準(zhǔn) 主要是研制便攜式噪聲測(cè)量?jī)x，實(shí)現(xiàn)噪聲的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)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(cè)量標(biāo)準(zhǔn)。俄羅斯雖然研制出了便攜式噪聲測(cè)量?jī)x，但除了使用不方便外，Z重要的問(wèn)題還是沒(méi)有攻克研制這種噪聲測(cè)量?jī)x的兩個(gè)主要難點(diǎn)：背景噪聲的隔離效果和噪聲時(shí)域信號(hào)的拾取誤差。聲音傳感器相對(duì)測(cè)量軸承的角度和距離是測(cè)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(dòng)研究的現(xiàn)狀，引入摩擦振動(dòng)與聲學(xué)、沖擊振動(dòng)與聲學(xué)以及非線(xiàn)性動(dòng)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(wèn)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(xiàn)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(xiàn)性接觸變形必然引起鋼球的非線(xiàn)性振動(dòng)。保持架的運(yùn)動(dòng)、兜孔間隙以及鋼球運(yùn)動(dòng)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(rùn)滑脂等）對(duì)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(wèn)題，該問(wèn)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(wèn)題，目前，可以參照知名公司（例如，SKF、NTN等）的產(chǎn)品和用戶(hù)的要求尋求相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)。噪聲標(biāo)準(zhǔn)的制訂不能不考慮國(guó)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(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程。噪聲壽命可靠性研究不僅對(duì)滾動(dòng)軸承設(shè)計(jì)，而且對(duì)可靠性理論也是新穎的，這顯然是一個(gè)不同于傳統(tǒng)的軸承壽命可靠性的問(wèn)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(jiǎn)介：鄧四二(1963-)，男，講師鄧四二（洛陽(yáng)工學(xué)院 機(jī)電工程系,河南 洛陽(yáng) 471039）夏新濤（洛陽(yáng)工學(xué)院 機(jī)電工程系,河南 洛陽(yáng) 471039）頡譚成（洛陽(yáng)工學(xué)院 機(jī)電工程系,河南 洛陽(yáng) 471039）王連生（洛陽(yáng)工學(xué)院 機(jī)電工程系,河南 洛陽(yáng) 471039）張亮（中州鋁廠(chǎng)，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．