滚动轴承振动与噪声的相关性解析

杨晓蔚,李红涛

(1.洛阳轴承研究所有限公司，河南 洛阳 471039；2.空军驻洛阳地区代表室，河南 洛阳 471003)

滚动轴承的振动与噪声，已从过去主要针对电动机轴承的特殊性能要求之一，成为现在许多类型轴承的基本性能要求之一。有关轴承振动与噪声的研究，长期以来备受关注，从理论分析到试验研究，成果纷呈。但迄今为止，关于轴承振动与噪声的理论，仍公认是不成熟的；关于轴承振动与噪声的试验，仍存在许多问题需要探究。在具体的研究和分析中，有时常将轴承振动与噪声统归于1个问题，有时又将其看作为1个问题的2个方面，有时又将其完全分为2个独立的问题。其中，通过控制轴承振动能否控制轴承噪声，就形成了1个曾经长期争论、莫衷一是的思辨性问题。

1 振动与噪声的本质关系

振动即物体的往复运动，也即物体的运动状态随时间在极大值和极小值之间交替变化的过程。声音是由物体振动产生的，一切发声的物体都在振动，但不是所有的物体振动都产生声音，只有当振动频率在一定范围内，且通过介质被人的听觉器官感知时，才称为可听声，简称为声音。其中，一切无规律的或随机的、从人的主观和心理感觉上不希望存在的干扰声则叫噪声。所以概括而言，振动与噪声的因果逻辑关系就是：一定条件的物体运动称为振动，一定条件的振动产生声音，一定条件的声音才属于噪声。

除了特定用途，振动与噪声是有害的，所以必须加以控制。如振动对设备仪器的危害——会影响功能实现，降低工作精度，加剧零件磨损，甚至引起结构疲劳破坏；对人身的危害——过量的振动会使人不舒适、疲劳，甚至导致人体病理性损伤。而由振动形成的噪声，则主要是会造成环境污染，危害人体健康。由于振动与噪声的因果关系，所以，对于控制振动而言，通常就是直接控制振动本身；对于控制噪声而言，一般则必须溯本求源，控制其成因——振动(当然也可采用吸音、隔音或消音等另一途径的措施)。由于音频范围为20～20 000 Hz，低于20 Hz的次声波和高于20 000 Hz的超声波作用到人的听觉器官时不引起声音的感觉，即人耳听不到，所以控制噪声仅需控制音频范围内的振动即可，尤其是控制人耳特别敏感的300～6 000 Hz左右的频率(最敏感的频率是3 000～4 000 Hz，其中，最有害的是1 000～4 000 Hz)部分，效果最为明显。

2 轴承振动与噪声的特性

轴承振动与噪声，既有一般机械振动与噪声的共性，又有其特性。除了润滑、安装和使用过程中引起的振动与噪声之外，轴承本身具有以下振动与噪声特性。

2.1 轴承的振动特性

(1)轴承振动的原因非常复杂，振动形式有径向振动、轴向振动以及许多耦合振动。

(2)由于轴承结构所致，其本身具有无法避免的固有振动：①滚动体通过承载区振动；②套圈受载弯曲变形振动。

(3)在现有制造水平下，轴承振动主要与套圈滚道和滚动体的波纹度有关，而与圆度和表面粗糙度非显著相关。

(4)轴承振动包含从低频到高频的各种频率成分的振动，即其振动频率是处处密实的。

(5)测量轴承振动的全频段范围为50～10 000 Hz。为了便于分析，还将该全频段分为3个频段：50～300 Hz；300～1 800 Hz；1 800～10 000 Hz。

2.2 轴承的噪声特性

(1)轴承噪声由产生轴承振动的许多因素引起，其中影响较大的主要是套圈滚道和滚动体的表面粗糙度和波纹度。

(2)轴承噪声的重要声源还包括滚动体与保持架的撞击声、保持架由于涡动而产生的啸叫声、滚动体与滚道的接触摩擦声(润滑状态不好时)等。

(3)轴承声音频率的本底噪声具有白噪声特点，但异常噪声主要频率成分都集中在1 000～10 000 Hz，即轴承噪声一般表现为中、高频噪声。

(4)测量轴承噪声的全频段范围为100～15 000 Hz(也有按125～16 000 Hz的)。

根据以上振动与噪声的频率成分特性，通常还可以按振动频率范围的高低来区分是作为轴承振动或是噪声问题来研究。如日本的作法是：当频率在l 000 Hz以下时归于振动问题，在1 000 Hz以上时归于噪声问题。

3 控制轴承振动的目的是控制轴承噪声

轴承只要运转，就肯定会产生振动与噪声。由于轴承的结构特点和精密程度，其本身产生的振动非常小，由于轴承振动而引起危害的可能性也非常小。控制轴承振动，实际上从一开始，或者说一直以来，其主要目的都不是控制振动，而是控制噪声。如日本从1933年起就开始进行电动机轴承的降振研究，是因为当时电动机的运转噪声太大；美国在二战时期开始潜心研究降低潜艇轴承的振动，也是因为德国的声纳能捕捉到潜艇发动机工作时的噪声。因此说，为了控制轴承噪声，才一直在间接地控制轴承振动。现在，对轴承振动或噪声的控制，已从过去的主要用于电动机的深沟球轴承，发展到角接触球轴承、圆柱滚子轴承、圆锥滚子轴承、甚至调心滚子轴承等许多类型。振动与噪声已成为这些轴承在一些应用场合的最重要的动态性能之一。尤其是对于家用电器、办公机具等用轴承，要求更为严格，需要采用“静音轴承”，其中空调器轴承甚至需要采用“超静音轴承”。为此，在此类用途的轴承生产过程的终检中，都要进行振动或噪声的100%的全数测量控制。

当然，在监测和诊断轴承故障方面，运用振动远比噪声要容易实现和可靠得多，因此，振动无疑是主要研究方向。但是，这已经不属于轴承本身的问题，而属于轴承应用的问题，应另当别论。

由于轴承振动与噪声这种直接相关性，在一定条件下可以说是同义语，所以在生产和使用中，总是将“减振降噪”连在一起， “低振动轴承”也往往习惯性地称之为“低噪声轴承”，缘由即此。

通过控制轴承振动来控制轴承噪声，不仅直接抓住了噪声的源头和成因，还由于实现起来比较简单，如测量振动受环境条件影响较小、基础振动易于分离、便于在生产实际中应用等。而测量噪声则对环境条件要求较高，需要具有很低的背景噪声，因此一般必须在建造成本较高的消声室内进行。

4 测量轴承振动不能完全替代测量轴承噪声

尽管振动是因，噪声是果，通过控制振动可以控制噪声，但现行的控制轴承振动的方法却不能完全替代控制轴承噪声。

现行的测量轴承振动的常规方法是：内圈旋转，测量静止外圈上的径向振动。基于此测量结果而评价的轴承振动，尽管也可以评价轴承噪声，但显然只是与径向振动相关的噪声。然而，轴承振动不仅只有套圈的径向振动，而且还有套圈的轴向振动；滚动体和保持架的自由窜动、滚动体与滚道间的摩擦声等，除去已影响套圈径向振动的分量外，其他部分都会引起轴承噪声，却没有计入。另外，轴承噪声还有一些不是由于轴承振动引起的，比如轴承中运动零件与周围空气形成的“空运声”等，也必须全部纳入。因此，仅用现行的测量轴承振动的方法是不能完全替代测量轴承噪声的。有研究结果表明，轴承振动与噪声的相关性为0.7，尽管这一结论说明了用控制轴承振动来替代控制轴承噪声是可行和有效的，但同时也反证了其他30%的影响并没有包含进去。因此说，要在完全意义上控制轴承噪声，显然只有直接控制其本身，这才是最有效的解决途径。

5 测量轴承振动与噪声的方法

5.1 测量轴承振动的方法

测量振动的方法较多，有电测法、机械法和光学法等，其中最常用的是电测法。

按测量振动的物理量不同，可分为位移、速度和加速度。其中，位移适用于测量低频振动；速度适用于测量中频振动；加速度则适用于测量高频振动。位移、速度和加速度3个参数之间，可以通过数学微分或积分相互得出，但加速度通过积分获得速度和位移的误差较小，而将位移或速度进行微分则误差较大。

由于轴承振动通常表现为中、高频振动，因此测量轴承振动适用于采用的物理量是速度和加速度。其中，测量加速度时，一般采用全频段，即50～10 000 Hz，也可采用3频段；测量速度时，一般采用3频段，也可采用全频段。3频段对应的产生轴承振动的制造精度方面的因素主要是：

50～300 Hz：套圈滚道的圆度；

300～1 800 Hz：套圈滚道的波纹度，滚动体的圆度；

1 800～10 000 Hz：套圈滚道和滚动体的表面粗糙度。

测量轴承振动加速度，尽管有许多优点，如常用的压电式加速度计频带宽、灵敏度高、系统误差小、可靠性好、体积较小和质量较轻、应用最为广泛等，但所测振动基本上由中、高频成分决定，在低频段内即使振动值变化很大也不易反映出来。

测量轴承振动速度，尽管有一些不足，如常用的电动式速度计一般幅值和频率有限、易受强电流和强磁场的干扰、体积较大且较重等，但所测振动值比较稳定，在总振动水平中可以反映任何频段内振动水平的变化，因此能够比较客观地评价振动质量，采用3频段则更能提高测量振动的信息量。

鉴于上述测量振动速度与加速度之间的优劣比较，测量轴承振动已越来越倾向于采用速度，尤其是国际标准化组织第4技术委员会(滚动轴承技术委员会)ISO/TC4于2004年发布了ISO 15424《滚动轴承 振动测量方法》，其中明确规定了测量轴承振动采用速度后，更奠定了其应被优先选择的地位。

5.2 测量轴承噪声的方法

测量噪声比测量振动以及其他许多物理量都困难一些，也不易测准，即测量误差较大。

测量噪声的理想声场是自由声场。自由声场是指在均匀各向同性的介质中，边界影响可以不计的声场。在自由声场中，声波可以将声源的辐射特性向各个方向不受阻碍或干扰地传播。但自由声场很难实现，一般只能获得满足一定测量误差要求的近似的自由声场，如消声室中的声场。消声室能有效地吸收入射声波，反射声波对声场的影响基本上可以忽略不计，所以在一定的频率范围内，消声室中的声场基本上可以认为是自由声场。

测量轴承噪声的方法是在消声室内，采用A计权网络声压级(A计权声级适用于模拟人耳对55 dB以下低强度噪声的频率特性，并对低频成分的衰减程度很大)，背景噪声要求一般应低于15 dB(A)甚至12 dB(A)。测量时，轴承噪声与背景噪声的差值最好应在10 dB(A)以上，最低必须保证在4 dB(A)以上，否则就很难准确测出轴承噪声。对于微、小型轴承，由于其噪声水平较低，一般难以满足与背景噪声的差值在10 dB(A)以上的要求，当其差值低于规定要求时，应按表1所列值进行修正。

表1 轴承噪声修正值 dB(A)

轴承噪声频率范围较宽，但当频率超过8 000 Hz时，测量噪声强度的难度较大，而且超过8 000 Hz的噪声，实际上对轴承噪声强度已影响不大。因此只要测量500～8 000 Hz的声压级，就基本上可以评价出轴承的噪声质量水平。换言之，对于轴承噪声，不在全频段范围进行测量也是可行的。

在消声室测量轴承噪声属于非接触式测量，还有1种在工厂现场常用的接触式测量，其方法是将轴承的振动信号转化为声音信号，通过扬声器进行放大，再由人耳听声音，凭经验对轴承进行噪声质量检查。这种方法尽管对测量环境无特殊要求，但实质上不属于噪声测量，而仍是振动测量。

6 轴承噪声寿命的定义和估算

轴承噪声寿命的定义是：轴承以一定噪声限值水平运转的总时间。经噪声检测合格的轴承，运转一段时间后，由于会产生滚道面磨损、润滑脂劣化等原因，致使噪声增大，当超过噪声容许范围时，即认为轴承噪声寿命终结，不能继续使用。

根据以上轴承噪声寿命的定义，对于低噪声轴承而言，实际上包含2个要求，即不仅要求噪声低，而且要求噪声水平的保持性要好，即应具有一定的噪声寿命。

试验和经验证明，轴承噪声寿命的估算，可以与一些工况条件或因素相关联。下面以对噪声要求严格的家电轴承为例。

6.1 轴承噪声寿命和滚动体与滚道间的接触应力相关

滚动体与滚道间的接触应力大小，将直接影响轴承的摩擦磨损，进而影响轴承的噪声寿命。

以深沟球轴承为例，噪声寿命要求超过10 000 h时(长噪声寿命场合)，接触应力不应大于800 MPa； 5 000～10 000 h时(普通用途)，接触应力不应大于1 000 MPa；低于5 000 h时(刚性要求较严)，接触应力不应大于1 500 MPa。

6.2 轴承噪声寿命与预载荷相关

轴承承受径向载荷时，由于径向游隙的存在，仅有承载区内的部分滚动体承受载荷。当滚动体从非承载区运动到承载区的过程中，滚动体自重与离心力的合力的大小及方向不断发生变化，滚动体将交替与套圈滚道发生碰撞，从而产生噪声。这种噪声可以通过对轴承施加预紧予以消除。

以深沟球轴承为例，噪声寿命要求超过10 000 h时，预载荷取定值为(0.005～0.01)Cr(Cr为轴承径向额定动载荷)；5 000～10 000 h时，预载荷取定值为(0.01～0.015)Cr；低于5 000 h时，预载荷取定值为(0.015～0.02)Cr。对于常用型号深沟球轴承，预载荷推荐为：608为30 N；6200～6202为40 N。

6.3 轴承噪声寿命与润滑脂寿命相关

润滑脂对于轴承振动而言，具有阻尼作用，因此对于轴承噪声来说，就具有消声作用。润滑脂质量的不断劣化，将会严重影响轴承的噪声。根据轴承的尺寸大小和工作条件，噪声寿命大约为润滑脂寿命的1/3～1/2。

7 结束语

振动与噪声从本质上说，是1个事情的2个方面，具有高度相关性；但从表现形式来看，由于是2种物理现象，又各有其显著相异性。轴承的振动与噪声也不例外，但同时还有其特殊性。

对于轴承振动的控制，其目的主要是控制噪声。随着轴承产品质量的不断提高，轴承运转的声音也越来越小，测量轴承噪声所需要的环境条件和仪器就要求更加严格复杂，不仅费用高，而且技术上也难以达到。而测量振动比测量噪声更加简便，同时也证明非常有效，因此ISO/TC4已于2007年决定取消有关轴承噪声测量方法的国际标准工作项目，而在这之前的2004年，有关轴承振动测量方法已发布了系列标准。从这一动向可以看出，在轴承振动与噪声的控制上，振动将成为主要控制对象，振动速度将成为主要测量与评定指标，这实际上也明确了今后有关轴承振动与噪声的主流技术发展方向。