6203-2RZ轴承振动与噪声关系的实验研究

摘要

以实验为基础，研究了6203-2RZ轴承振动与噪声的关系。振动包括加速度有效值和速度有效值，噪声指声压级。数据处理结果表明，轴承振动与噪声的统计关系不明显。因此，不宜用轴承的振动代替轴承的噪声，应单独研究轴承的噪声问题，制定轴承噪声标准和相应的工艺标准。

正文

《1 引言》

1 引言

滚动轴承的噪声一直是国内外轴承工程界关注的问题。20世纪60年代前后, 中国、德国、日本、瑞典等国家^[1,2,3,4]已开始将滚动轴承的运转噪声列入质量控制标准, 相关的产品被称为“低噪声轴承”。考虑到噪声测量受测量环境的限制, 通常是通过测量径向振动加速度和速度来间接评价轴承产品的噪声^[2,4], 而不直接涉及噪声问题^[5]。随着超静音机械技术的迅猛发展及其产品的不断涌现, 工作主机对滚动轴承噪声指标的要求越来越高, 人们开始聚焦噪声的直接控制问题^[6,7,8], 希望能够分析出振动与噪声的关系, 进而判断能否通过控制振动来解决噪声问题。

图1和图2分别示出相关测量标准规定的轴承振动与噪声测量方法。在深入分析之前不难看出, 轴承的噪声与振动是有区别的, 原因之一是振动的测量方法欠妥, 不能全面反映轴承的实际振动状态。例如, 轴承的纯轴向跳动, 用图1轴承振动仪测量不出来, 因此纯轴向跳动不影响振动值的大小, 但能影响用图2轴承噪声仪测量出的噪声值大小;振动仪喇叭发出的声音实质上属于轴承径向振动的时域信号, 而并非轴承真正的噪声^[6]。笔者以6203-2RZ轴承为例, 用数理统计方法研究轴承振动与噪声的关系, 并涉及振动速度有效值、振动加速度和噪声声压级等。

《图1》

图1 轴承振动的测量Fig.1 Measurement of rolling bearing vibration

《2 实验研究》

2 实验研究

为便于研究, 表1列出本文使用的符号及其含义, 实验安排如表2所示。由现场随机取样, 并分别进行编号。振动测量采用国家标准, 噪声测量因无国家标准而采用日本JIS标准。规定外圈端面标有一点的为轴承的正面, 另一面则为反面。要求正面和反面均按顺时针120°分别测量1、2、3三点, 最终数据取三点数据的算术平均值。其中加速度有效值按国家标准换算成无量纲dB值。在测量速度参数时, 每一点要有低、中、高三个频段值。符号A表示轴承振动品质较好, C表示轴承振动品质较差 (振动速度的“异音”比较严重) 。轴承噪声的实验数据如表3所示。在数据处理时, 采用了各种各样的线性和非线性回归函数。

《图2》

图2 轴承噪声的测量Fig.2 Measurement of rolling bearing noise

表1 符号含义

Table 1 Symbol signification

《表1》

序号	符号	含义	单位	备注
1	X₁	正面低频段振动速度值 (有效值)	μm/s	dB Face L
2	X₂	正面中频段振动速度值 (有效值)	μm/s	dB Face M
3	X₃	正面高频段振动速度值 (有效值)	μm/s	dB Face H
4	X₄	反面低频段振动速度值 (有效值)	μm/s	dB Back L
5	X₅	反面中频段振动速度值 (有效值)	μm/s	dB Back M
6	X₆	反面高频段振动速度值 (有效值)	μm/s	dB Back H
7	X₁₃	正面振动加速度值 (有效值)	dB	A dB Face
8	X₁₄	反面振动加速度值 (有效值)	dB	A dB Back
9	Y₁	正面噪声声压级	dB	Fjt3+
10	Y₂	反面噪声声压级	dB	Fjt3-

表2 实验安排

Table 2 Experimentation planning

《表2》

序号	轴承型号	振动品质	数量	取样要求	测量内容
1	6203-2RZ	A	30套	同一批冲压保持架, 同一批钢球 (G10) , 油脂统一, 普通游隙 (CM) , 等级为P5	振动速度有效值, 噪声声压级
2	6203-2RZ	C	30套	同一批冲压保持架, 同一批钢球 (G10) , 油脂统一, 普通游隙 (CM) , 等级为P5	振动速度有效值, 振动加速度有效值, 噪声声压级

《3 加速度有效值与噪声声压级之间的统计关系》

3 加速度有效值与噪声声压级之间的统计关系

表4给出了轴承振动加速度的实验数据。表5是通过数据处理得到的轴承振动与噪声的统计关系。

由表5可以看出, 在两组数据中, 6203-2RZ (C, 正面) 的振动加速度有效值与噪声声压级的相关性显著, 6203-2RZ (C, 反面) 的振动加速度有效值与噪声声压级相关性很差。因此, 很难证明轴承振动加速度与噪声密切相关。这表明, 对滚动轴承而言, 振动加速度有效值与噪声声压级是有较大差异的, 一般不能用振动加速度有效值来描述噪声声压级, 也不能通过控制振动加速度有效值来控制噪声声压级。

《4 速度有效值与噪声声压级之间的统计关系》

4 速度有效值与噪声声压级之间的统计关系

表6给出6203-2RZ轴承振动速度有效值在各个频段的实验数据。表7是各个频段振动速度有效值与噪声声压级关系的单因素统计处理结果。表8是所有三个频段振动速度有效值与噪声声压级关系的多因素统计处理结果。

由表7可知, 如果将低、中、高三个频段分开, 单独研究振动与噪声的关系, 那么, 对6203-2RZ轴承而言, 低频段的振动速度有效值对噪声声压级的影响不明显, 中频和高频段的振动速度有效值对噪声声压级的影响则是不确定的, 有的有影响, 有的没有影响。

由表8可知, 如果将低、中、高三个频段联合起来, 综合研究振动与噪声的关系, 那么, 对6203-2RZ轴承而言, 振动速度有效值对噪声声压级的影响是不确定的, 6203-2RZ (A) 有影响, 6203-2RZ (C) 没有影响。原因可能是:6203-2RZ (A) 轴承品质好, 摩擦润滑性能好, 以径向振动为主, 其他自由度的振动轻微, 轴承噪声与径向振动的关系才变得很明显;而6203-2RZ (C) 轴承品质差, 摩擦润滑性能不好, 其他自由度的振动和径向振动都比较剧烈, 轴承噪声与径向振动的关系也就变得不很明显。

表3 噪声的实验数据

Table 3 Experiment data of noise dB

《表3》

序号	6203-2RZ (A)		6203-2RZ (C)
序号	正面	反面	正面	反面
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30	31.50 31.50 31.67 34.17 32.67 32.67 32.50 32.33 32.00 31.50 34.08 33.17 33.50 34.17 32.50 32.33 34.00 34.17 32.50 33.33 32.50 32.00 33.00 33.17 33.67 32.83 32.00 33.33 32.67 34.83	31.67 30.67 32.83 31.83 33.33 34.33 34.00 32.00 33.33 34.00 33.83 33.83 32.17 34.33 31.83 30.83 34.17 35.83 33.50 33.17 33.83 32.67 32.67 34.17 32.50 34.00 33.33 32.83 33.17 34.33	32.33 32.50 32.33 35.17 33.50 35.67 30.67 40.67 33.33 31.33 27.33 28.67 30.67 29.00 31.50 29.00 29.50 29.83 30.67 34.50 27.33 29.00 34.67 28.17 35.33 30.00 29.83 28.83 28.83 31.33	35.17 33.33 31.67 34.00 33.17 33.33 33.67 34.83 33.50 33.17 28.33 28.67 29.00 30.00 31.00 32.67 33.83 29.00 31.83 33.33 27.67 28.00 34.00 29.83 34.33 28.67 47.17 30.67 28.00 30.33

表46203-2RZ (C) 振动加速度有效值的实验数据

Table 4 Experiment data of virtual values of acceleration of 6203-2RZ (C) bearing dB

《表4》

序号	测量面
序号	正面	反面
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30	29.67 31.17 27.83 35.17 29.83 32.33 28.50 35.00 27.33 29.00 31.67 30.33 31.00 28.67 32.33 31.17 29.83 28.67 28.33 33.00 29.67 29.67 29.33 30.00 33.50 30.83 34.00 31.00 31.00 30.50	31.00 28.50 27.33 33.33 29.50 28.50 27.83 35.00 29.17 32.17 32.50 28.67 28.33 31.17 30.50 30.50 29.33 29.17 29.00 31.83 29.83 28.83 32.67 28.33 35.67 30.83 30.83 43.50 31.83 32.17

表5 轴承振动加速度与噪声的统计相关关系 (水平为0.05)

Table 5 Statistic relationship of vibration and noise of rolling bearings

《表5》

序号	轴承	回归方程 / dB	统计量F	标准差/ dB	相关性或显著性
1	6203-2RZ (C, 正面)	Y₁=314.224838-18.799227X₁₃+0.310962X $_{13}^{2}$ $_{13}^{2}$	10.402	0.835	显著
2	6203-2RZ (C, 反面)	线性, 非线性			不相关

表6 轴承振动速度有效值在各频段的实验数据

Table 6 Experimental data of virtual values of vibration velocity of rolling bearings in every frequency band μm/s

《表6》

序号

6203-2RZ (A)

6203-2RZ (C)

低频段

中频段

高频段

低频段

中频段

高频段

正面

反面

正面

反面

正面

反面

正面

反面

正面

反面

正面

反面

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30

28.667
26.000
24.667
27.000
34.000
31.667
33.333
24.667
28.000
40.000
50.667
22.667
35.333
48.000
37.333
32.000
30.333
24.000
34.333
43.333
36.667
36.667
41.333
29.333
28.667
25.000
28.667
27.333
33.333
25.333

28.000
29.333
24.667
35.667
31.333
30.333
31.000
20.667
28.000
32.000
41.333
19.667
36.000
25.333
33.333
22.000
36.667
22.667
32.667
38.000
43.000
37.333
37.000
32.000
28.667
26.667
31.333
19.667
37.333
28.333

14.333
12.667
14.000
14.333
17.000
17.000
14.00
14.000
15.000
17.333
16.000
14.000
13.333
15.667
13.667
15.667
15.333
15.667
13.000
15.000
15.000
13.667
15.000
15.000
14.000
13.667
12.667
14.333
13.000
14.330

13.667
12.333
17.667
14.000
15.000
16.667
14.667
14.000
14.667
16.333
15.000
14.333
14.333
16.667
12.333
12.667
15.667
17.000
14.333
18.333
14.667
14.000
13.667
19.667
14.000
15.333
15.333
17.000
16.667
14.000

18.000
17.333
16.667
15.667
21.333
17.000
18.333
19.667
18.333
18.333
19.000
17.000
14.333
19.667
17.333
17.000
20.667
17.333
18.000
16.667
16.667
18.667
17.667
18.333
18.333
18.667
15.333
18.000
17.333
18.667

17.000
16.333
22.667
17.667
22.000
17.333
19.333
19.333
19.333
19.667
18.000
20.000
18.667
21.333
15.333
16.667
22.333
24.333
18.667
17.333
19.000
18.333
19.667
19.000
19.000
18.333
23.000
24.667
16.667
23.000

33.000
22.333
32.000
25.000
19.333
16.333
35.667
26.000
42.000
26.667
21.333
18.667
30.000
22.667
24.667
14.667
19.333
55.333
16.667
21.333
20.000
58.667
34.667
17.333
12.333
18.000
33.667
24.000
21.000
49.333

26.000
18.333
31.667
21.667
17.333
18.333
45.333
24.333
54.333
21.000
18.000
17.333
29.000
20.667
21.333
16.000
20.000
57.000
16.333
22.333
21.333
64.667
30.667
16.667
13.333
34.000
31.333
28.667
23.333
47.333

19.000
11.000
11.000
22.333
20.667
21.333
30.000
36.333
34.333
19.333
17.000
19.333
21.333
25.000
20.333
16.000
16.667
39.667
20.000
21.667
20.000
40.667
23.333
21.000
17.667
28.333
23.667
23.000
22.333
32.333

17.667
10.667
10.333
30.667
24.000
30.000
24.000
38.333
23.000
19.333
25.333
26.667
24.000
26.000
17.000
20.000
39.333
26.333
24.333
35.333
39.333
27.667
23.000
20.000
25.000
25.333
22.667
122.33
35.333
30.667

18.000
15.667
13.333
30.000
15.667
15.333
13.333
31.333
12.667
13.333
20.333
14.667
14.000
17.333
17.333
15.667
16.333
15.667
16.667
19.667
14.333
16.000
26.333
19.000
16.667
16.000
15.667
62.667
16.000
14.333

22.667
16.000
14.333
24.000
16.667
15.000
17.000
21.667
14.333
15.667
19.000
15.667
16.333
20.000
17.333
20.667
16.667
14.333
17.667
17.000
18.000
15.333
34.333
20.000
13.667
17.000
13.667
81.000
16.000
15.667

《5 综合分析与结论》

5 综合分析与结论

表9是上述统计结果的综合表。由表9可以看出, 对加速度而言, 轴承振动有效值与噪声声压级的关系是不确定的。对速度而言, 在三个频段中, 单独某个频段的振动速度有效值与噪声声压级没有明显的统计关系。若考虑三个频段振动速度的综合效应, 当振动品质好时, 噪声声压级与振动有效值的回归方程显著性好, 标准差小;当振动品质差时, 噪声声压级与振动有效值的回归方程不显著。这说明用振动来间接地描述和控制噪声, 可靠性是比较低的。因此, 对于所研究的滚动轴承来说, 不宜用振动来代替噪声。

表7 轴承振动速度有效值与噪声的单因素统计关系 (置信水平为95%)

Table 7 Single variable statistic relationship of vibration velocity and noise of rolling bearings (95% of confidence level)

《表7》

序号	轴承	自变量选择/μm·s^-1	使用的回归方程类型 /dB	相关性	显著性	频段与标准差/dB
1	6203-2RZ (A, 正面)	X1	线性, 非线性	不相关	不显著	低频
		X₂	Y₁=-18.385888+6.807204 X₂-0.224187 X²₂	相关	显著	中频, 0.828
		X₃	线性, 非线性	不相关	不显著	高频
2	6203-2RZ (A, 反面)	X₄	线性, 非线性	不相关	不显著	低频
		X₅	Y₂=-3.404795+4.353975 X₅-0.126400 X $_{5}^{2}$ $_{5}^{2}$	相关	显著	中频, 0.798
		X₆	Y₂=11.250808+1.970177 X₆-0.042729 X $_{6}^{2}$ $_{6}^{2}$	相关	显著	高频, 0.962
3	6203-2RZ (C, 正面)	X₁	线性, 非线性	不相关	不显著	低频
		X₂	线性, 非线性	不相关	不显著	中频
		X₃	Y₁=21.457429+0.767640 X₃-0.010235 X $_{3}^{2}$ $_{3}^{2}$	相关	显著	高频, 2.666
4	6203-2RZ (C, 反面)	X₄	线性, 非线性	不相关	不显著	低频
		X₅	线性, 非线性	不相关	不显著	中频
		X₆	线性, 非线性	不相关	不显著	高频

表8 轴承振动速度有效值与噪声的多因素统计关系 (置信水平为95%)

Table 8 Multi variable statistic relationship of vibration velocity and noise of rolling bearings (95% of confidence level)

《表8》

序号	轴承型号	自变量选择/μm·s^-1	使用的回归方程类型 /dB	显著性	标准差/dB
1	6203-2RZ (A, 正面)	X₁, X₂, X₃	Y₁=13.490301+0.132008 X₁+6.130961 X₂-3.213667 X₃+ 0.009914 X $_{1}^{2}$ $_{1}^{2}$ -0.058544 X₁X₂+0.003333 X₁X₃- 0.090002 X $_{2}^{2}$ $_{2}^{2}$ -0.082792 X₂X₃+0.121485 X²₃	显著	0.780
2	6203-2RZ (A, 反面)	X₄, X₅, X₆	Y₂=14.114846X $_{4}^{0.033101}$ $_{4}^{0.033101}$ X $_{5}^{0.140313}$ $_{5}^{0.140313}$ X $_{6}^{0.121827}$ $_{6}^{0.121827}$	显著	0.833
3	6203-2RZ (C, 正面)	X₁, X₂, X₃	线性, 非线性	不显著
4	6203-2RZ (C, 反面)	X₄, X₅, X₆	线性, 非线性	不显著

表9 统计结果综合

Table 9 Summarize of static results

《表9》

序号	轴承	速度有效值在各频段对噪声的影响				加速度有效值对噪声的影响	振动品质对噪声的影响
序号	轴承	低频	中频	高频	频段综合	加速度有效值对噪声的影响	振动品质对噪声的影响
1	6203-2RZ (A)	无影响	有影响	不确定	有影响		显著
2	6203-2RZ (C)	无影响	无影响	不确定	无影响	不确定	不显著

对于一般的机械而言, 噪声与振动是密切相关的。但是, 对于滚动轴承则不同。这并不意味着振动对噪声没有影响。一个主要原因是, 目前轴承振动的测量方法不能全面反映轴承振动, 仅能反映轴承在径向自由度的振动。实际上, 噪声不仅包含在径向自由度的振动, 还应包含在其他许多自由度的振动。只有当噪声源是以径向振动为主时, 轴承噪声与径向振动的关系才变得很明显;而当噪声源不是以径向振动为主时, 轴承噪声与径向振动的关系会不明显。在前述统计结果中, 有些轴承的噪声与振动有显著关系, 有些轴承的噪声与振动没有显著关系的原由。

对于滚动轴承, 噪声不仅包含轴承在各个自由度的振动和冲击, 还包含轴承零件在运动、润滑、滚动摩擦、滑动摩擦以及弹性滞后的能量释放等情况下产生的声强和频率, 这是目前振动测量仪难以测量出的。即使可以制定全面反映在各自由度振动的振动测量方法、标准和工艺, 其实施的难度不会比直接测量和控制噪声更简单有效, 因此, 应单独研究轴承噪声问题, 制定国内轴承噪声标准。

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