高速乏油全陶瓷角接触球轴承振动与噪声实验研究.pdf
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1、Vol 43 No.5Oct.2023噪声与振动控制NOISEANDVIBRATIONCONTROL第43卷 第5期2023年10月文章编号:1006-1355(2023)05-0095-07高速乏油全陶瓷角接触球轴承振动与噪声实验研究闫海鹏1,2,包志刚2,秦志英1,牛虎利1(1.河北科技大学 机械工程学院,石家庄 050018;2.沈阳建筑大学 机械工程学院,沈阳 110168)摘 要:设计高速乏油运转实验,研究高速乏油全陶瓷球轴承在不同高转速、轴向载荷及径向载荷作用下服役时的振动与辐射噪声特性。利用改进的轴承振动测试机测试全陶瓷角接触球轴承在乏油运转状态下的振动速度与辐射噪声声压级,探究
2、高转速、轴向载荷与径向载荷对其振动和辐射噪声的影响规律。提出以声场指向方位角与指向水平参量来表征声场指向性。实验结果表明,转速的提升、轴向载荷的增加以及径向载荷的变大,均使高速乏油全陶瓷角接触球轴承的振动速度与噪声声压级增大,且噪声在圆周方向呈非均匀分布。随转速或径向载荷增加,辐射噪声在圆周方向非线性、不均匀增加,使声压级变化量逐渐增大,导致声场指向性变得更加明显。随轴向载荷增加,圆周方向声压级变化量先增大后减小,使声场指向水平发生相应变化。研究表明振动速度与辐射噪声呈正相关关系,明确了声场随转速、轴向载荷、径向载荷的变化规律,可为高速乏油运转条件下全陶瓷球轴承设计、噪声控制提供相关依据。关键
3、词:振动与波;全陶瓷球轴承;乏油润滑;辐射噪声;载荷;声场指向性中图分类号:TH133.3文献标志码:ADOI编码:10.3969/j.issn.1006-1355.2023.05.015Experimental Study on the Vibration and Radiation Noise ofFull CeramicAngle Contact Ball Bearings Operating atHigh Speeds with Starved LubricationYAN Haipeng1,2,BAO Zhigang2,QIN Zhiying1,NIU Huli1(1.School
4、of Mechanical Engineering,Hebei University of Science and Technology,Shijiazhuang 050018,China;2.School of Mechanical Engineering,Shenyang Jianzhu University,Shenyang 110168,China)Abstract:The vibration and radiation noise characteristics of full ceramic angular contact ball bearing with starvedlubr
5、ication under different high speeds,axial loads and radial loads were studied.The vibration velocity and sound pressureof the ball bearing under the condition of oil shortage operation were measured by the improved bearing vibration testingmachine.The influence rules of the high speed,axial load and
6、 radial load on the vibration and radiation noise were explored.The directional azimuth parameter and directivity level parameter were proposed to characterize the directivity of soundfield.The experimental results show that the vibration velocity and sound pressure level of the ball bearing increas
7、e with theincrease of speed,axial load and radial load.The radiation noises are unevenly distributed in the circumferential direction.With the increase of speed or radial load,the radiation noise increases nonlinearly and unevenly in the circumferentialdirection,which gradually increases the variati
8、on value of sound pressure level,resulting in more obvious directivity ofsound field.With the increase of axial load,the variation value of sound pressure level in circumferential direction increasesfirst and then decreases,so that the sound field directivity level changes accordingly.The research i
9、ndicates that vibrationvelocity and radiation noise are in positive correlation.The variation rules of sound field with parameters is clarified.Thisstudy has provided a relevant basis for the design and noise control of full ceramic ball bearings under the condition of high-speed oil shortage operat
10、ion.Key words:vibration and wave;full ceramic ball bearing;starved lubrication;radiation noise;load;sound fielddirectivity收稿日期:20220521基金项目:河北省自然科学基金资助项目(E2021208004);河北省教育厅科学技术研究资助项目(QN2021061)作者简介:闫海鹏(1987),男,辽宁省葫芦岛市人,博士,讲师,硕士研究生导师,专业方向为陶瓷轴承辐射噪声特性及故障诊断研究。E-mail:通信作者:包志刚(1988),男,内蒙古自治区通辽市人,博士研究生,讲师
11、,专业方向为高精密全陶瓷球轴承关键技术研究。E-mail:第43卷噪声与振动控制全陶瓷球轴承是指套圈及滚动体均采用工程陶瓷材料制造的高科技轴承产品。因工程陶瓷具有金属所不具备的优良物理化学特性,与传统金属球轴承及混合陶瓷球轴承相比,全陶瓷球轴承在适应高转速、抗压能力、耐高/低温、耐磨、耐腐蚀、抗电磁绝缘等方面的特性更加突出,可广泛应用于超高速机床、航空航天、航海、冶金、化工和国防军事等领域13。特别是在航空发动机、超高速机床主轴等设备中,工作环境温差较大,设备运转速度高,导致轴承润滑油膜形态不稳定,润滑状态不佳、效率不高,轴承长时间处在乏油状态下工作,而全陶瓷球轴承能够在乏油条件下保持长时间高
12、速运转,从而在这些设备中得到青睐45。作为旋转机器设备中不可或缺的核心基础部件,全陶瓷球轴承振动与辐射噪声特性是其设计、加工制造及服役性能的一个重要指标6。然而,全陶瓷球轴承在高速运转过程中产生较大的辐射噪声,这不仅会阻碍工作转速的进一步提升,还将严重限制其在有高静音要求领域内的应用。针对不同服役条件下全陶瓷球轴承振动噪声进行研究,对于提升轴承服役性能,改善声环境质量具有重要的科学意义和工程应用价值。近年来,国内外研究人员对轴承振动和辐射噪声特性进行了大量的理论和实验研究。周井玲等7研究了全陶瓷轴承与钢轴承在有无润滑状态下的振动加速度与疲劳寿命,表明全陶瓷球轴承性能优于钢轴承。吴玉厚等8通过有
13、限元方法结合实验对全陶瓷球轴承振动噪声进行了分析,为全陶瓷球轴承降噪提供了参考。孙敏杰等910基于动态特性建立了可对深沟球轴承内圈和滚动体振动噪声进行定量计算的声辐射模型,其将轴承内圈和滚动体分别视为圆柱声源与球声源,对辐射噪声进行求解,研究得到了滚道波纹度、转速与径向载荷对单点处噪声的影响规律。闫海鹏等11对全陶瓷球轴承在实际服役条件下的辐射噪声特性进行了实验研究,获得了磨削加工过程中辐射噪声随转速的变化规律。熊师等12采用有限元-边界元方法研究了不同刚度轴承的结构辐射噪声,指出纵向振动对辐射噪声有较大影响。张焕宇等13通过建立多种轴承动力学模型,研究了其在不同模型下的辐射噪声特性,发现弹性
14、变形与轴承热变形对辐射噪声有显著影响。此外,关于轴承辐射噪声的研究还涉及异常油膜噪声特性14、干摩擦及低温环境下轴承辐射噪声15、水润滑轴承振动噪声与摩擦噪声1617、不同类型电机的轴承噪声1819等,但其多为针对传统钢制轴承开展的研究,有关全陶瓷球轴承辐射噪声的研究相对较少,特别是全陶瓷球轴承在高速乏油条件下的声学性能研究鲜有报道。本文针对全陶瓷球轴承在乏油条件下振动与噪声展开研究,通过实验研究了高转速、轴向载荷以及径向载荷对振动与辐射噪声的影响,提出了声场表征方法,讨论了在圆周方向的声场分布特性。所得结论可为服役于高速乏油工况的全陶瓷球轴承振动和辐射噪声优化控制、声学性能改善提供参考。1实
15、验设备与方案1.1 测试轴承为探究高速乏油全陶瓷角接触球轴承的辐射噪声,选取测试轴承为H7009C氮化硅全陶瓷角接触球轴承,其内外套圈与滚动体均为氮化硅工程陶瓷,保持架为聚醚醚酮。表 1 给出了该轴承的结构参数。表 1 全陶瓷球轴承结构参数结构参数轴承节圆直径/mm外圈沟曲率半径/mm内圈沟曲率半径/mm陶瓷球直径/mm陶瓷球个数初始接触角/()参数值604.584.58.73117151.2 噪声采集仪器辐射噪声测试设备购置于北京东方振动和噪声技术研究所,测试声压所用的声压传感器型号为IVN9206,并采用HS6020声校准器对其进行校准,声压传感器的校准灵敏度为 50 mV/Pa54.5m
16、V/Pa。利用INV3062S型24位网络式智能数据采集仪对声压信号进行采集。声压传感器、声校准器与数据采集仪器如图1所示。(a)声压传感器(b)声校准器(c)数据采集仪图 1 声压采集设备1.3 服役条件控制设备为准确测试全陶瓷球轴承辐射噪声,将轴承完全露在外面,使其产生的振动噪声直接传入测试传感器,以尽量避免有阻碍声传播的物体削弱声信号96第5期而影响实验测量结果,在BVT-1A型轴承振动(速度)测振仪上进行全陶瓷球轴承振动与辐射噪声的测试,振动速度传感器的测量范围为 010 000m/s,精度为1 m/s,测量显示结果为均方根值。为测试高转速、载荷对乏油全陶瓷角接触球轴承辐射噪声的影响,
17、对BVT-1A型轴承振动(速度)测振仪进行改装,更换其主轴并配置变频器以提升转速。1.4 辐射噪声测试实验传感器布置如图 2 所示,在半径 r 为 210mm的圆周方向上选择24个均匀分布的场点进行噪声采集,各场点到轴承平面的轴向距离l为200 mm,相邻两个场点在周向方向相隔15夹角,第i个场点的方位角为i=15(i-1),第1个测点在正上方(即1=0),从电主轴前端看,按逆时针方向顺序编号,且电主轴逆时针旋转。振动传感器位于轴承正上方。通过单次滴油1 ml,使轴承滚道均匀润滑,在轴承运转后不再进行润滑,使其保持乏油状态运行,完成单次实验后利用120#汽油清洗轴承,测试下一参数前再次滴油。测
18、试噪声采样频率为51.2 kHz,采样时间为5 s。图 2 实验方案2辐射噪声测试结果表征采用无计权声压级(线性声压级)评价辐射噪声的大小,其计算如式(1)所示。SPL(P)=20lgp(P)pref(1)式中:SPL(P)表示场点P的声压级;p(P)表示场点P的声压,取为5 s内测试的平均值;pref表示参考声压。在之前的研究中,发现全陶瓷轴承辐射噪声在不同方位上的辐射噪声大小存在差异1。因此,为分析高速乏油全陶瓷角接触球轴承辐射噪声在圆周方向的声场分布特性,利用声场的指向性来表征声场的分布规律。在与轴承平面平行的平面内,以轴承轴线为中心,定义全陶瓷角接触球轴承声场的指向性为在给定半径的圆周
19、方向上声压级的非均匀分布特性。并且可以采用敏感场点的指向方位角和指向水平两个参数来描述声场的指向性。指向方位角和指向水平被称为声场的指向性参数,其表达式如式(2)和式(3)所示。DA=SPLmax(2)DL=SPLmax-SPLaveSPLave(3)式中:DA 表示指向方位角,DL 表示指向水平,SPLmax表示在给定半径的整个圆周方向上的最大声压级,即敏感场点声压级,SPLave表示圆周方向上的平均声压级。SPLmax表示圆周方向最大声压级所在测点的位置角。声场的指向方位角给出了声场指向的方向位置,而声场的指向水平则表示声场指向的程度级别。在同一半径圆周方向上,声场的指向性水平越大,则表明
20、声场的指向性越明显、指向性越强。此外,在整个圆周方向上的声压级变化量,即最大声压级与最小声压级之差也能够反映在圆周方向上噪声分布的差异性,如式(4)所示。DV=SPLmax-SPLmin(4)式中:DV表示声压级变化量,SPLmax和SPLmin表示在整个圆周方向上声压级的最大值与最小值。3振动噪声测试实验及结果分析3.1 转速对振动速度与声场分布影响的实验为探究转速对乏油全陶瓷球轴承振动与辐射噪声的影响,在单一轴向载荷400 N作用下,测试轴承转速分别为10 000 r/min、15 000 r/min、20 000 r/min、25 000 r/min和30 000 r/min时全陶瓷角接
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