吳玉厚，張峰銘，2，于海濤，王 賀

(1.沈陽建筑大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,沈陽 110168；2.中國能源建設(shè)集團(tuán)東北電力第一工程有限公司 機(jī)械化分公司，遼寧 鐵嶺 112000)

0 引言

在我國提出的《中國制造2025》制造強(qiáng)國戰(zhàn)略中，把“高檔數(shù)控機(jī)床研究”作為一項(xiàng)重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)，將大力推動(dòng)數(shù)控機(jī)床朝著高速、精密的方向發(fā)展[1]。然而作為高檔數(shù)控機(jī)床核心部件的高速電主軸，卻因其噪聲問題對(duì)機(jī)床的使用壽命、加工精度等產(chǎn)生了嚴(yán)重影響[2]。雖然應(yīng)用陶瓷材料可以降低主軸運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的振動(dòng)與噪聲，但在高速運(yùn)行過程中仍然會(huì)產(chǎn)生噪聲現(xiàn)象[3]。因此為了提升高檔數(shù)控機(jī)床的加工性能，而對(duì)陶瓷主軸噪聲特性進(jìn)行研究便具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者就主軸的噪聲問題進(jìn)行了深入的研究。E Abele等在其綜述性文章中指出電主軸運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲會(huì)隨轉(zhuǎn)速上升而呈遞增趨勢(shì)[4]。Ishibashi等分析了感應(yīng)電機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生的諧波電磁力，指出電磁振動(dòng)是中小型電機(jī)振動(dòng)噪聲的主要來源[5]。王興旺等對(duì)電機(jī)噪聲產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析，提出了判定電機(jī)噪聲和降低噪聲的方法，為抑制電機(jī)噪聲的產(chǎn)生提供了有效依據(jù)[6]。

現(xiàn)階段針對(duì)電主軸噪聲的研究還是以鋼制主軸為主，對(duì)陶瓷主軸噪聲特性的研究還較為少見。本文以150MD24Z7.5型號(hào)的陶瓷球電主軸為研究對(duì)象，通過對(duì)不同測(cè)點(diǎn)的噪聲信號(hào)進(jìn)行采集、處理，經(jīng)噪聲頻譜分析和研究后，找出了主軸主要的噪聲源，并對(duì)混合噪聲的成分加以辨別，同時(shí)也驗(yàn)證了主軸噪聲與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系。相關(guān)研究成果可為下一步找出主軸噪聲的產(chǎn)生原因進(jìn)而有效地抑制噪聲作出必要鋪墊，也為未來陶瓷電主軸的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論參考。

1 主軸模態(tài)實(shí)驗(yàn)

在對(duì)電主軸進(jìn)行噪聲測(cè)試之前要先對(duì)其臨界轉(zhuǎn)速進(jìn)行分析。因?yàn)楫?dāng)軸以臨界轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，其撓度會(huì)達(dá)到最大值，進(jìn)而發(fā)生劇烈的振動(dòng)、產(chǎn)生較大的噪聲；而當(dāng)軸在臨界轉(zhuǎn)速一定范圍之外工作時(shí)，便趨于平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)[7]。

表1 主要的實(shí)驗(yàn)儀器

表1中為模態(tài)實(shí)驗(yàn)時(shí)使用的主要儀器。其中，DASP軟件不僅可以進(jìn)行模態(tài)與動(dòng)力學(xué)分析，還能實(shí)現(xiàn)聲學(xué)測(cè)量的各項(xiàng)功能[8]。

實(shí)驗(yàn)時(shí)用力錘對(duì)主軸進(jìn)行敲擊，通過INV306智能信號(hào)采集儀采集布置在主軸X、Y、Z軸方向的3個(gè)加速度傳感器所接收的振動(dòng)信號(hào)，再進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析和處理。

圖1 主軸模態(tài)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

由錘擊實(shí)驗(yàn)可以測(cè)得主軸的固有頻率，并根據(jù)臨界轉(zhuǎn)速與頻率的關(guān)系式n= 60f，將主軸的固有頻率轉(zhuǎn)化為臨界轉(zhuǎn)速[9]，如表2所示。由此可知，主軸在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)振動(dòng)平穩(wěn)，不會(huì)產(chǎn)生共振。

表2 主軸固有頻率與臨界轉(zhuǎn)速

2 主軸噪聲實(shí)驗(yàn)

主軸噪聲性能測(cè)試的實(shí)驗(yàn)原理見圖 2，測(cè)試系統(tǒng)采用V/F變頻器為電主軸調(diào)速，電主軸采用油霧潤滑和循環(huán)水內(nèi)冷卻制冷方式，利用聲壓傳感器測(cè)量陶瓷電主軸的噪聲信號(hào)，經(jīng)由信號(hào)采集分析儀采集此信號(hào)后，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)傳送給計(jì)算機(jī)進(jìn)行噪聲特性的相關(guān)分析。

圖2 實(shí)驗(yàn)原理圖

圖3為噪聲實(shí)驗(yàn)裝置照片。實(shí)驗(yàn)以裝配陶瓷球軸承的電主軸為測(cè)試對(duì)象，利用平行布置在主軸上平面的6個(gè)聲壓傳感器進(jìn)行噪聲信號(hào)的同步測(cè)量，測(cè)點(diǎn)分布如圖4所示。

圖3 主軸噪聲實(shí)驗(yàn)裝置照片

圖4 測(cè)點(diǎn)分布圖

其中測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)6分別檢測(cè)陶瓷電主軸前后兩端軸承位置的噪聲；而電動(dòng)機(jī)由于其軸向尺寸相對(duì)較小，通常安裝在主軸前后軸承之間，可由測(cè)點(diǎn)3檢測(cè)其位置的噪聲。

實(shí)驗(yàn)的環(huán)境條件：室溫28°C、環(huán)境噪聲62dB、背景噪聲55.4dB；測(cè)量位置：測(cè)點(diǎn)1～測(cè)點(diǎn)6；主軸轉(zhuǎn)速測(cè)試范圍：1500r/min～24000r/min。每一測(cè)試在某個(gè)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn)0.5h后再進(jìn)行采樣測(cè)量，測(cè)試的轉(zhuǎn)速范圍及其對(duì)應(yīng)頻率見表3。

表3 測(cè)試的轉(zhuǎn)速范圍及其對(duì)應(yīng)頻率

為了提高噪聲實(shí)驗(yàn)的相對(duì)準(zhǔn)確性，減小數(shù)據(jù)誤差對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，對(duì)每一穩(wěn)定轉(zhuǎn)速下的噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行多次采集，并將這些數(shù)據(jù)求取平均來代表此轉(zhuǎn)速下各測(cè)點(diǎn)的噪聲值，然后把數(shù)據(jù)導(dǎo)入Origin軟件中，得到各測(cè)點(diǎn)的噪聲值隨主軸轉(zhuǎn)速變化的曲線圖，見圖5。

由圖5可知，當(dāng)主軸在1500r/min～15000r/min的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，其噪聲聲壓值會(huì)隨主軸轉(zhuǎn)速的不斷上升呈遞增趨勢(shì)；而當(dāng)主軸的轉(zhuǎn)速在15000r/min～24000r/min的工況下高速運(yùn)行時(shí)，其噪聲聲壓值將會(huì)在某一噪聲區(qū)間(80dB～90dB)內(nèi)波動(dòng)，不會(huì)隨著主軸轉(zhuǎn)速的繼續(xù)升高而持續(xù)增大。同時(shí)，從圖5還可看出各測(cè)點(diǎn)的噪聲隨主軸轉(zhuǎn)速的變化趨勢(shì)基本一致，可以說明主軸的噪聲與其轉(zhuǎn)速有關(guān)。

圖5 主軸噪聲與轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線

為了對(duì)所測(cè)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步研究，分別選取主軸以5000r/min、10000r/min、15000r/min、20000r/min和24000r/min轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)各測(cè)點(diǎn)噪聲的聲壓值，生成不同轉(zhuǎn)速下各測(cè)點(diǎn)噪聲聲壓級(jí)的變化曲線，如圖6所示。

圖6 不同轉(zhuǎn)速下各測(cè)點(diǎn)噪聲聲壓值的變化曲線

由圖6可以發(fā)現(xiàn)：同一轉(zhuǎn)速下，測(cè)點(diǎn)1、測(cè)點(diǎn)3和測(cè)點(diǎn)6測(cè)得噪聲值較其它幾個(gè)測(cè)量點(diǎn)所測(cè)的噪聲值要大。通過對(duì)電主軸結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)及聲源定位相關(guān)原理的研究，可知電主軸的噪聲源主要包括主軸前后兩端的軸承位置以及電主軸中間的電機(jī)位置。

通常，噪聲是由不同頻率、不同強(qiáng)度的純音混合而成，其中噪聲中的低頻成分主要由電主軸系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)振動(dòng)產(chǎn)生，中高頻噪聲主要源自電機(jī)產(chǎn)生的電磁噪聲。因此，研究噪聲還要對(duì)噪聲的頻譜(以聲壓級(jí)為縱坐標(biāo)，頻率為橫坐標(biāo)繪制而成的噪聲特性曲線)進(jìn)行分析。

(a) 測(cè)點(diǎn)1的噪聲頻譜圖

(b) 測(cè)點(diǎn)6的噪聲頻譜圖

(c) 測(cè)點(diǎn)3的噪聲頻譜圖 圖7 各測(cè)點(diǎn)的噪聲頻譜圖

為了對(duì)混合噪聲的種類加以辨別，對(duì)測(cè)點(diǎn)1、3、6所測(cè)的噪聲值進(jìn)行集成，得到主軸以10000r/min、15000r/min、20000r/min和24000r/min高速運(yùn)行時(shí)噪聲的頻譜圖，如圖7所示。

從圖7a和圖7b可以看出電主軸前后軸承噪聲的峰值隨頻率變化的趨勢(shì)比較接近，且峰值在低頻位置最為突出，噪聲以機(jī)械噪聲為主；由圖7c可以發(fā)現(xiàn)測(cè)點(diǎn)3測(cè)得噪聲在頻率為14000Hz附近時(shí)還有較大峰值，可知主軸電機(jī)位置產(chǎn)生了大量的電磁噪聲。

3 結(jié)論

本文以實(shí)驗(yàn)的方法，研究陶瓷球電主軸的噪聲特性，在采集處理主軸的振動(dòng)信號(hào)及噪聲信號(hào)并對(duì)噪聲頻譜進(jìn)行分析后，得出如下結(jié)論：

(1)在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，主軸運(yùn)行平穩(wěn)，不會(huì)因共振而產(chǎn)生較大的噪聲；

(2)電主軸主要的噪聲源位于前后兩端的軸承部位和主軸中間的電機(jī)部分。前后軸承部位的噪聲以機(jī)械噪聲為主，電機(jī)位置則會(huì)產(chǎn)生較大的電磁噪聲；

(3)電主軸的運(yùn)行噪聲與主軸轉(zhuǎn)速有關(guān)，主軸噪聲會(huì)隨其轉(zhuǎn)速的增高呈上升趨勢(shì)，但并不會(huì)隨其轉(zhuǎn)速的不斷增高而一直增大。