S0910型滚动轴承振动测量仪改造的噪声测量仪

　　摘　要：对S0910型滚动轴承振动测量仪进行改造，使之成为一种能现场测量滚动轴承噪声的测量仪。详细阐述了对S0910滚动轴承振动测量仪的机械系统和电器系统的改造，重点介绍了隔声系统的结构和作用，Z后用改造的噪声测量仪进行滚动轴承噪声测量试验，证明该噪声测量仪有一定的现场测量轴承噪声的能力，但测量范围和精度有待进一步提高。
　　关键词：滚动轴承；噪声；振动；测量；改造
　　滚动轴承的振动噪声是表述其性能的重要参数之一，直接影响配套主机的性能。在一些应用领域噪声已成为衡量轴承品质好坏的标准之一^[1-3]，所以对轴承振动和噪声的研究越来越受到业内人士的关注。
　　目前，业界对轴承振动的研究已很成熟，但对噪声的研究较少，这主要是因为：（1）轴承噪声的研究比振动复杂的多，迄今为止还没有一套成熟的理论体系来指导噪声研究^[4] ；（2）噪声很难实现现场测量，只能在特殊的消音室内进行，但消音室建造成本高，限制了其普遍应用；（3）轴承的振动和噪声之间有着密切的联系，其振动是产生噪声的主要根源，与噪声表现有一定的相关特征，因此一般情况下工厂通过测量轴承的振动可间接衡量轴承的噪声水平^[5-6]。和噪声虽然有关系，但滚动轴承的振动和噪声是两个完全不同的物理量，严格地说，不能通过研究振动来替代噪声的研究。当前，国外虽然研制出了便携式噪声测量仪，但其不仅使用不方便，而更重要是其背景噪声的隔离效果和噪声时域信号的拾取误差不很理想^[7]。
　　本文对S0910S智能化滚动轴承振动测量仪进行改进，拟实现在非噪声室环境下对滚动轴承噪声的测量。
　　1　改造的噪声测量仪的结构及原理
　　改造的滚动轴承噪声测量仪如图1所示。该噪声测量仪的测量原理为：将被测滚动轴承置于主轴上，合上隔声罩，罩内的精密电容式声传感器获取待测轴承的噪声信号，并把声音信号转换为易于传输、处理的电压信号，经前置放大器对电压信号进行放大，然后经过12位数据采集卡进入计算机，由计算机对数字信号进行滤波、FFT变换等处理和分析，并把测得的轴承噪声声压级结果显示出来，测试过程如图2所示。 　　1.1 机械系统的改造
　　由于轴承振动信号的拾取直接用速度传感器或加速度传感器即可，而现场采集轴承噪声信号时，外界的背景噪声信号对所要提取的轴承噪声信号有很强的干扰，故而需对整个轴承噪声测量仪做一套隔声装置，把背景噪声和所要拾取的轴承噪声隔离开来。因此，拆除S0910滚动轴承振动测量仪主轴上的传感器支架，在整个测试系统外围做了一个简易的隔声房，其形状为长方体，外形尺寸为1350mmX825mmX1600mm，由1mm和2mm厚的金属板，中间填充2mm厚的泡沫制成。在隔声房内层钢板的内壁贴衬吸音材料或阻尼层，以防止隔声房内声音反射形成驻波。该隔声房能阻隔现场背景噪声。同时，设计一小型隔声罩，该隔声罩仅将被测轴承和声传感器与噪声测量仪的其他构件隔离开，主要是为了隔离电机噪声和油泵噪声（图1），传感器固定在隔声罩的一端。这样具有两级隔声的隔声系统能使声传感器测得更准确的轴承噪声信号，这是提高轴承噪声测量仪系统精度的首要一步。
　　由于轴承噪声现场测量对背景噪声要求比较严格，故而改装后的噪声仪采用功率较小的驱动电动机，且油泵移出机体，以尽量减小背景噪声的影响。同时，保留S0910振动测量仪的推力器部分（轴向加载装置）和润滑系统。
　　1.2 电气系统的改造
　　S0910滚动轴承振动测量仪的电路系统属模拟系统，其电路复杂，缺乏灵活性，改造后的噪声测量仪引入了计算机，可靠性高，配置灵活，而且可以很方便进行升级更新和维护。
　　采用PCB377B02精密电容式传感器取代S0910轴承振动测量仪上的速度/加速度传感器。它是一种将声信号转换为电信号的换能器件，主要由振动膜片、刚性极板、电源和负载电阻等组成。工作原理是当膜片受到声波的压力，随着压力的大小和频率的不同而振动时，膜片极板之间的电容发生变化，与此同时，极板上的电荷随之变化，从而使电路中的电流也相应变化，负载电阻上也就有相应的电压输出，从而完成了声电转换^[8]。该传感器应置于通过主轴中心线的水平面的上方，其中心线应通过轴承前端中心与主轴成45°角，轴承前面的中心到传感器振动膜片应有一定距离（图3）。 　　轴承噪声测量仪采用ADLINK的12位多路A/D采集卡采集噪声信号，进入计算机后用Lab-VIEW软件采集、记录和分析噪声信号。
　　2　测量精度的检验
　　由于国内还没有轴承噪声测量方法及噪声分级标准，本文的试验环境和试验装置均按照文献^[9]布置完成。适用于该标准的轴承为公称外径30-120mm的深沟球轴承、角接触球轴承和圆锥滚子轴承^[8]。
　　2.1 声压灵敏度校准
　　采用声校准器对测试的声传感器和声学测量仪器进行声压灵敏度校准。这里采用的是某公司的4230声校准器，主要技术指标为：声压级（94±0.3）dB（2x10^-5Pa对应0dB）；频率（988±1％）Hz。用改造的噪声测量仪测量声校准器的声压级和频率，如果测量仪测得的结果符合声校准器相关参数，则可以说明该噪声测试系统的正确性和可靠性。
　　试验分4次测量，每次测量5组，共20组数据（表1），由测得的数据得出平均声压级为93.99dB，频率为988Hz，声压级误差在0.3dB以内，频率符合声校准器参数。由此可知，该测量系统是准确、可靠和稳定的。 　　2.2 隔声系统检验
　　要实现轴承噪声的现场测量和分析，背景噪声的隔离是重点也是难点。因此，改造的轴承噪声测量仪中隔声系统就显得尤为重要。这里，在工作车问对隔声系统进行试验以检验隔声系统的性能。
　　试验方法：随机选取某天某时刻测量噪声，每组分别测量未加隔声系统时车间的自然环境噪声和加隔声系统后隔声罩内的背景噪声（试验中轴承噪声测量仪未启动）。图4是隔声系统试验中的30组数据。 　　由图4可知，车间自然环境噪声的声压级为55-60dB；加入隔声系统后，隔声罩内的背景噪声为31dB左右。并且每次测量时对应的两个噪声声压级差值在25dB左右，表明该隔声系统可以隔离25dB左右的噪声，具有较好的隔声性能。
　　3　轴承噪声的测量
　　3.1 测量值的修正
　　按照文献^[9]测量滚动轴承噪声时的频率范围为500-8000Hz，测定的声压级为33-113dB（2×10^-5Pa对应0dB）。这是由于轴承发出声音的频率范围比较宽，一般为1000-10000Hz^[8]，但在测定声音强度时，频率超过8000Hz就比较难测。另外，频率更高的声响与8000Hz以下的声响相比，实际对测值影响不大，因此只测定500-8000Hz声响的声压级就可以大致评价轴承声音的质量^[8]。该标准还指出：声音较小的深沟球轴承的声压几乎都在35dB以上，而声音较大的外径达120mm的圆锥滚子轴承的声压一般也不超过100dB。
　　对轴承发出声响的声压级进行测量时所测得的声压级中还包含轴承以外的其他噪声，即本底噪声，所以必须扣除本底噪声的影响。文献^[9]对用于修正本底噪声的影响也做了相应规定：本底噪声的修正值应按轴承装在转轴上旋转和轴承不安装在转轴上旋转时的声压级测量值的差来修正。其差在4dB以下时就不能准确地求出轴承的声压级，所以应使本底噪声尽可能小于轴承噪声。其差不小于10dB时，轴承的声压级即为测定值，不需修正；但实际上小型轴承很难充分满足，所以差值不足8dB时，可将表2^[8]的值对应地加在轴承声压级测定值上进行修正。例如旋转装置上装上轴承旋转时测得的声压级（轴承声压测定值）为65dB，取下轴承仅旋转装置旋转时测得的声压级（本底噪声）为59dB，其差为6dB，所以轴承真实的声压级为65+（-1）=64dB^[9]。 　　3.2 测量实例 　　由表3可知，轴承噪声测量仪的本底噪声在35dB左右，进口6206轴承噪声在46dB左右，不需要修正测量值，该6206轴承噪声声压级为46dB；同理，国产6203-2RZ轴承噪声声压级为48dB左右；7203圆锥滚子轴承噪声声压级为75dB。改造后的轴承噪声测量仪可以测量深沟球轴承和圆锥滚子轴承的噪声，且性能比较稳定，但测量精度和范围有待进一步提高。
　　4　结论
　　（1）将轴承振动测量仪改造成滚动轴承噪声测量仪是可行的，不仅可以降低成本，而且还可以大大缩短试验周期，便于试验研发。
　　（2）要实现轴承噪声的现场测量，隔离背景噪声对所要采集的滚动轴承噪声的干扰和影响是关键。本文运用隔声、吸声等手段对该噪声测量仪加一小型隔声罩，较好地隔离了背景噪声，为轴承噪声测量提供了一个相对安静的环境。
　　（3）改造的噪声测量仪的隔声罩较好的隔离了背景噪声，基本实现了轴承噪声的现场测量。改造的轴承噪声测量仪的测量精度还有待提高，应重点考虑隔声系统和声传感器方面的改进。
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