鄧四二　夏新濤　頡譚成　王連生　張亮 摘要：提出高品質低噪音滾動軸承的新概念，綜述了低噪音軸承研究中的非線性振動與快速傅立葉變換、異音與頻率以及噪聲與振動的關系，指出高品質低噪音的噪聲研究發展方向。 關鍵詞：滾動軸承；低噪聲；振動；高品質軸承 《中圖法》分類號：TH133.33-101　　　文獻標識碼：A 文章編號：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 高品質低噪音滾動軸承是低噪音軸承理論和應用領域的Z新概念。國內現行的低噪音軸承實際上屬于低振動軸承，其主要技術指標為軸承在一定軸向負荷下內圈以一定轉速轉動時外圈的純徑向振動加速度或振動速度的有效值，用加速度或速度傳感器提取軸承的時域信號。　　高品質低噪音軸承是真正意義上的低噪音軸承，其主要技術指標為軸承以一定轉速轉動時所產生聲音的強度和頻率（統稱噪聲）以及強度和頻率保持的時間（稱為噪聲壽命）。在測量噪聲時，使用高質量的麥克風在規定的背景噪聲環境下以一定的距離和方向提取軸承的時域信號。 1　基本概念 噪聲壽命是低噪音軸承研究中的一個全新課題。它是指在一定的可靠性下，軸承聲音的強度和頻率正常保持的時間。聲音的強度即人耳主觀感覺到的聲音的大小，可以用聲強、聲壓或聲壓級表示。　　聲強是聲音在單位時間內通過垂直于給定傳播方向的單位面積上的能量。對于無反射聲存在的自由聲場，點聲源聲強的大小一般和聲源功率成正比，和離開聲源的距離的平方成反比。聲強一般用聲壓表示。聲壓是指被測量的聲波在傳播過程中引起的空氣壓強的變化量。　　分貝（dB）可以作為聲壓級的單位。聲壓級是某一聲壓與基準聲壓之比的常用對數乘以20。基準聲壓為1000 Hz時聽閾聲壓，可取為2×105 N/m2 。與聲壓級類似，還可以用聲強級來描述聲強。　　聲音的頻率（Hz）一般是指單位時間內聲源振動的次數。可用于描述人耳主觀感覺到的音調的高低。人類可聽聲的頻率范圍一般在20 Hz～20000 Hz，也是噪聲研究應包含的頻率范圍。研究表明［1］：聲音的強度依賴于它的聲強級和頻率；聲音的音調則主要取決于它的頻率，與聲強也有一定的關系。 2　軸承噪聲研究中的問題 2.1　非線性振動與快速傅立葉變換（FFT） 具有單一頻率的聲音叫純音。軸承噪聲中的純音是罕見的。傳統的觀點認為軸承噪聲可以看作是由不同強度和不同頻率的純音復合而成的復音，因而可以用FFT方法研究軸承噪聲的頻譜圖。但是，即使是一個簡單的矩形或δ時域脈沖，在FFT頻譜圖中就可表現為豐富的諧波成分，而具有豐富諧波成分的FFT頻譜圖，卻不能判斷出時域信號是否是矩形或δ脈沖。尤其是，由于FFT屬于一種拘泥于線性的頻率變換方法，所以僅能真實反映線性振動的幅頻關系，而歪曲非線性振動的幅頻關系。然而，非線性接觸變形［2］可以導致軸承振動是非線性振動，因而不宜采用FFT方法分析噪聲頻率的構成。　　除了鋼球和套圈溝道的非線性接觸變形以外，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態特性等因素都具有非線性特征，同時，軸承中每一個零件相對其理想運動都有多個運動自由度，因此，滾動軸承在工作中的運動必然屬于n維非線性動力學范疇。而目前軸承工程界對軸承動態性能的研究［3］，基本上仍處于早期的線性理論范疇，于是出現了許多問題。例如，理論模型解的周期性和實驗信號的不確定性有較大差異、理論上的激勵頻率和實驗中的亞諧振頻率相差甚遠、振動和噪聲時域信號的不確定性等問題很難用線性理論解釋。有人將上述問題稱之為動態性能的隨機行為，由隨機誤差引起，這是不恰當的。因為隨機誤差可以表現為不確定性，但不確定性并非僅僅來源于隨機誤差。現代非線性動力學理論指出：確定的動力學方程也會產生不可預見性，即所謂的混沌現象。尤其在高速旋轉機械中，時有分岔、混沌［4］、振幅跳躍和亞共振現象發生［5,6］。這樣，在FFT頻譜圖上的某些呈現出某種規律的諧波、低頻諧波和不確定諧波（看起來象隨機諧波）等，實際上來自非線性振動。因此，完全可以用非線性動力學理論解釋上述問題。　　多次測量一套軸承時，其噪聲時域信號的不重復性，是非線性的重要表現之一。對于確定的非線性系統而言，初始條件不同，系統的輸出具有不同的特征。對于同一套軸承，某次測量噪聲時，至少是整個軸承的初始位置狀態以及內部零件的相對位置狀態和另一次測量時不完全相同，這就形成了不同的初始輸入條件。如果用隨機現象解釋軸承噪聲時域信號的不重復性，則無法說明為什么每次測量的噪聲分貝值也有較大的差異，因為噪聲分貝值是一個統計量，而一定的隨機系統的統計量基本上是一個常量，變化很小。 2.2　異音與頻率 和低振動軸承相類似，高品質低噪音軸承也存在異音問題。異音可認為是一種人耳主觀感覺不舒服的聲音。它是噪聲的組成部分之一，屬于音調異常問題。影響異音的主要因素是噪聲頻率。　　軸承的固有噪聲頻率一般和軸承的m階固有頻率有關，并且也可能構成異音因素。因為軸承內部相互獨立的、相互耦合的、線性的、非線性的質點與連續體的并非單自由度的振動，和固有摩擦、碰撞等相互影響，會產生復雜頻率和振幅的阻尼振動、拍頻振動和不可預見性振動等。這些振動使軸承產生接近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，即使一個無制造誤差的軸承也會產生異音。當外部條件固定時，改變軸承內部結構尺寸和材料可以減輕或消除異音。　　對具有制造誤差的軸承而言，異音問題遠比無制造誤差的軸承復雜。僅從徑向振動來看，軸承各零件的制造質量對振動加速度的影響是難分主次的，而徑向振動是一種噪聲源。因此，不能過分強調某一個零件的重要性，應當全面考慮每一個零件的質量，并注意各零件制造質量的相互協調和依賴關系。另一方面，對一個零件而言，現行的制造質量標準中，一般僅包含誤差的大小，而忽略了誤差的其它構成要素，應當引起注意。一個誤差至少由三個要素構成：幅值（大小）、方向和變化頻率，這三個要素直接影響聲音的強度，其中，誤差的變化頻率是影響聲音音調的主要因素。例如，在同樣的強度下，一個沖擊聲音要比一個純周期聲音難聽很多。單一頻率的誤差變化頻率是指在單位周期內誤差往復變化（取Z大或Z小值）的次數。例如，對溝道截形的圓度誤差要素來說，純粹的橢圓形和三棱形可以具有同樣的幅值和方向，但頻率構成卻不同，粗糙度誤差要素、表面跳動誤差要素等，都有頻率成分。　　另外，產品的退磁與清洗質量、油脂的內在質量及動態特性也是影響軸承噪聲的重要因素。隨機分布的片狀、線狀和點狀等內在微粒或粗大的異物將在強度尤其在頻率方面對噪聲有大的貢獻。 2.3　噪聲與振動 從定義來看，噪聲與振動是有區別的。一般而言，影響振動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。例如，套圈的純軸向跳動，不能反映為軸承振動儀顯示的振動，但能反映為軸承噪聲儀顯示的噪聲；線性振動被認為是可以線性疊加的，而噪聲不可以；振動儀喇叭發出的聲音實質上仍屬于軸承徑向振動的時域信號，并非軸承的真正噪聲等。這些表明高品質低噪音軸承的噪聲機理和低振動軸承的振動機理的明顯差異。　　在工作中，對于超靜音機械（如家用空調等）而言，一般將聲音的dB值作為性能指標要素，這是低振動軸承難以勝任的，應當代之以高品質低噪音軸承。在當前社會環境下，如果仍一味注重振動儀喇叭所發出的聲音問題，則很難生產出真正意義上的低噪音軸承，更不可能與國外知名公司競爭。 3　噪聲研究的發展方向 3．1　噪聲的測量和測量標準 主要是研制便攜式噪聲測量儀，實現噪聲的現場測量和分析，這是批量生產高品質低噪音軸承的基本條件。日本已經報道了有關軸承噪聲的測量標準。俄羅斯雖然研制出了便攜式噪聲測量儀，但除了使用不方便外，Z重要的問題還是沒有攻克研制這種噪聲測量儀的兩個主要難點：背景噪聲的隔離效果和噪聲時域信號的拾取誤差。聲音傳感器相對測量軸承的角度和距離是測量標準必須考慮的，這可能涉及到將噪聲源是否作為點聲源看待。 3．2　噪聲機理和噪聲診斷理論的研究 必須突破軸承振動研究的現狀，引入摩擦振動與聲學、沖擊振動與聲學以及非線性動力學等理論，注重研究不確定信息的有序性和隨機性問題。FFT頻譜圖上那些看似隨機誤差的諧波構成，不能不懷疑是非線性因素的表現。鋼球的質量（重量）是噪聲機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性接觸變形必然引起鋼球的非線性振動。保持架的運動、兜孔間隙以及鋼球運動等之間的相互作用（碰撞、摩擦等）是噪聲機理和噪聲診斷理論研究的難點。許多非量化和模糊性因素（例如，清洗、潤滑脂等）對噪聲貢獻的定量描述仍然是噪聲理論和噪聲實踐相統一的屏障。必須指出，尤其應當研究噪聲的傳播與能量問題，該問題的研究成果可以實現高品質低噪音軸承噪聲的實用設計和工藝控制。 3．3　噪聲標準的制訂 噪聲標準是亟待解決的問題，目前，可以參照知名公司（例如，SKF、NTN等）的產品和用戶的要求尋求相對標準。噪聲標準的制訂不能不考慮國內軸承行業的普遍狀態，但是，也必須立足于高的起點，努力接近先進水平。 3．4　噪聲壽命設計 噪聲壽命設計在目前條件下只能靠試驗完成，理論上的解決仍然需要一個漫長的過程。噪聲壽命可靠性研究不僅對滾動軸承設計，而且對可靠性理論也是新穎的，這顯然是一個不同于傳統的軸承壽命可靠性的問題。 項目基金：機械工業部技術發展基金資助項目（97JA0803）作者簡介：鄧四二(1963-)，男，講師鄧四二（洛陽工學院 機電工程系,河南 洛陽 471039）夏新濤（洛陽工學院 機電工程系,河南 洛陽 471039）頡譚成（洛陽工學院 機電工程系,河南 洛陽 471039）王連生（洛陽工學院 機電工程系,河南 洛陽 471039）張亮（中州鋁廠，河南 焦作 454100） 參考文獻： ［1］Morse P M. 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