高速錠子轉速對其噪聲影響的實驗研究

王 進，李文超，于賀春，張國慶，王文博，王仁宗

（中原工學院 機電學院，鄭州 450007）

錠子是細紗機中主要的加捻卷繞部件之一，是紡織工業的象征，紡紗企業的設備規模和生產能力習慣以擁有紡織錠子的數量來衡量[1]。其分別以軸承和錠底為上、下支撐，以細長多錐的錠桿與錠盤組成回轉體，承載著紗管作變載荷回轉運動[2]。隨著機械自動化和新材料等重要相關領域的發展，錠子也向著高速化、小型化的方向不斷發展，故生產上對錠子的性能要求也越來越高[3]。未來紡織機械朝著高產優質方向發展，要求錠子在高速運轉時應具有振幅小、穩定性好、能耗低和噪聲小等優良性能，且錠間轉速差異應小[4]。然而，錠子的結構和工作狀態并不是利于在高速狀態下運行的，錠子在高速運行時會出現很多問題，如：異常震動、功耗增加、噪聲大以及機件磨損等[5]。當工人長期暴露在噪聲大的環境中將會有亞臨床聽力損失的風險，甚至導致嚴重的聽力受損[6]。在紡紗各工序中細紗機噪聲最大，錠子在運行時產生的噪聲又是細紗機噪聲的主要部分，因此降低錠子產生的噪聲對紡紗業有重要意義[7]。

錠子在工作時產生噪聲的主要原因有：錠底與錠尖接觸部分在工作時發生的相對摩擦、錠子周圍空氣受到錠子高速旋轉時的擾動、錠子自身的設計與制造缺陷等[8]。同時，由于錠子在不同轉速時各影響因素對噪聲大小的影響不一，因此不同轉速時錠子產生的聲壓級也有差異。盡管各大紡織企業所使用的同型號錠子工作轉速區間相同，但實際生產時所采用的工作轉速卻不盡相同，因此工人工作環境內噪聲污染情況也不同。GB/T 50087－2013《工業企業噪聲控制設計規范》[9]規定生產車間內噪聲最大值不應高于85 dB，但目前我國較多紡織車間噪聲極易超標，噪聲超標的工作環境會嚴重傷害紡織工人的身心健康[10]。

目前，國內外對錠子減噪結構及噪聲測量裝置的研究多種多樣。于賀春等[11]設計了可測量25 dB～130 dB 錠子噪聲、精度可達0.1 dB 的多功能錠子檢測系統；尚會超等[12]從聲源、聲音的傳播和聲音接收3方面描述如何控制高速錠子的噪聲；國外Hének等[13]所在的Novibra公司推出了一種耗能低、噪聲小的Lena 錠子；國內莫帥等[14]采用數值分析法探究了高速錠子彈性管關鍵幾何參數對其彈性性能和振動特性的影響；付強等[15]采用理論分析的方法提出通過改進錠子結構設計、提高加工精度、選用優等材料等多種方式，可以達到降低高速錠子能耗、振動以及噪聲的目的。張軍等[16]采用有限元分析的方法通過研究相似結構提出可以通過改善與之相連接部件的幾何特征來降低整體聲壓級大小。國內外相關研究機構及研究人員對高速錠子降噪減振機構及測量裝置的研究已較為成熟，但圍繞高速錠子轉速與噪聲關系的研究尚少。因此，有必要對高速錠子工作時轉速與噪聲之間的關系進行進一步的探究。

本文以YD61 系列錠子為研究對象，基于本團隊所研制的多功能錠子檢測系統，研究了不同轉速下錠子所產生的噪聲隨時間變化的規律，提出對于錠子工作轉速的建議，所得結果可為棉紡織工廠組織生產以及相關領域的科學研究提供參考數據。

1 理論和實驗

1.1 實驗裝置與數據采集

實驗儀器是多功能錠子檢測系統中的錠子噪聲檢測系統[11]，該系統由實驗臺底座模塊、機械傳動模塊、傳感器模塊和控制柜模塊4 部分組成，如圖1 所示。圖3 顯示了錠子噪聲檢測系統的工作流程圖。試驗前，將圖2所示的YD61系列錠子安裝在實驗臺上，通過傳感器調整機構調整激光位移傳感器到合適位置。通過計算機控制數據采集卡，數據采集卡首先采集在轉速為0時噪聲傳感器采集到的聲音信息。然后通過數據采集卡控制伺服驅動器使電動機啟動，電動機帶動扭矩傳感器、減震軸和帶輪旋轉，從而帶動被測錠子旋轉。電動機開始轉動的同時，數據采集卡開始采集數據。激光位移傳感器采集錠子的振動信息，轉速傳感器對錠子的轉速進行實時監控，噪聲傳感器采集實驗過程的聲音信息，通過數據采集卡將采集到的數據傳送到計算機中。

圖1 多功能錠子檢測系統實驗臺

圖2 YD61系列錠子

圖3 錠子噪聲檢測系統

本實驗所使用YD61 系列錠子第1 階和第2 階臨界轉速均在5 000 r/min～6 000 r/min 之間，而第3 階臨界轉速已遠超過本實驗的最高轉速[17]，且此錠子的推薦工作轉速為16 000 r/min～20 000 r/min。為了能夠對不同轉速下錠子產生的聲壓進行詳細討論，依據錠子臨界轉速和工作情況將其運行情況分為3 大階段，即：轉速為1 000 r/min～5 000 r/min 的低速階段、轉速為6 000 r/min～15 000 r/min 的中速階段和轉速為16 000 r/min～22 000 r/min的高速階段。對于各階段轉速均是每1 000 r/min采集一組數據，重復3次。每組數據在轉速穩定時開始采集，并在1 s內以均等分時間為節點采集10 000 個數據，采集相鄰兩數據時間間隔僅為10-4s，以減小外界變化的噪聲對數據的影響。然后利用數據分析軟件對采集到的數據進行處理，最終獲得各轉速組內轉速與聲壓級均值和極值的關系圖。

1.2 聲壓信號處理方法

為了反映錠子產生的聲壓級大小，需要用公式將采集到的電信號值轉換成所需的聲壓級SPL（Sound pressure level），轉換公式如下[18]：

式中：SPL為聲壓級；V為實驗測得電壓值；V0為常用聲壓對應電壓值。

1.3 統計學處理

試驗數據均用均值±標準差表示，組間差異用非線性曲線擬合和成對樣本T 檢驗方法來分析，p＜0.05表明組間存在顯著性差異。

1.4 曲線擬合

采用等數分配法分層抽樣法，在每個轉速工況下抽取50 個聲壓級數據導入Origin 軟件中，使用非線性曲線擬合的方法，對錠子在低速、中速和高速各個轉速工況下聲壓級的數值進行曲線擬合，得到不同轉速組內轉速與聲壓級的函數關系。

2 結果

2.1 錠子在低速狀態下的噪聲與分析

圖4是錠子在低速時不同轉速工況下聲壓級隨時間變化的曲線。從圖中可以看出，錠子在低速狀態各轉速下聲壓級隨時間變化不大，主要集中于69 dB～72 dB之間，且在一段時間內較為穩定，聲壓級發生變化時變化速度較快。與對照組相比，實驗組的聲壓級較大，這是由于錠子在旋轉時接觸面間微觀不平整以及設計、制造和裝配誤差引起錠子轉動部分受力不均而產生振動，在各部件接觸部分之間產生摩擦，錠子在轉動的同時也引起了周圍空氣的振動，這些摩擦和振動在產生的同時引起了摩擦噪聲和振動噪聲，使得采集到的聲壓級信號較錠子未產生摩擦噪聲和振動噪聲時的聲壓級大。

圖4 低速組不同轉速下錠子聲壓級隨時間變化曲線圖

圖5 至圖6 是低速組錠子平均聲壓級與轉速的關系圖。與對照組相比，當錠子旋轉速度增加時聲壓級明顯增加，這與旋轉著的錠子所產生的摩擦噪聲和振動噪聲有關；錠子低速運轉時，當轉速為1 000 r/min時聲壓級平均值最小，約為69.74 dB，當轉速為5 000 r/min 時聲壓級平均值最大，約為71.56 dB。在錠子轉速不高于2 000 r/min時，其聲壓級平均值不超過70 dB；當轉速位于2 000 r/min～5 000 r/min 之間時，其平均值不超過72 dB。由圖5聲壓級隨轉速變化曲線可以看出，錠子在低速運轉時產生的聲壓級隨轉速增加而增大，出現此現象是由于錠子轉速增加的同時越來越接近其臨界轉速，產生的振動幅度逐漸增大，由此而產生的振動噪聲也逐漸增大。這與韓銳等[19]研究相似結構噪聲問題所得結論一致。

圖5 錠子在低速狀態各轉速下平均聲壓級

圖6 錠子在低速時聲壓級隨轉速變化曲線圖

圖7是錠子處于低速狀態時各轉速下的聲壓級最值。低速運轉的錠子在轉速為1 000 r/min時產生的聲壓級最大值最小，約為71.29 dB；轉速為5 000 r/min時產生的聲壓級最大值最大，約為72.46 dB，但未超過國家規定的最大聲壓級85 dB。轉速為1 000 r/min 時產生的聲壓級最小值最小，約為67.41 dB；轉速為5 000 r/min時產生的聲壓級最小值最大，約為70.61 dB。錠子在低速狀態時產生的聲壓級最值的大小規律與平均值的大小規律相同，即：錠子的轉速越接近其臨界轉速，錠子在旋轉時產生的噪聲就越大。

圖7 錠子在低速狀態各轉速下聲壓級最值

2.2 錠子在中速狀態下的噪聲與分析

圖8是錠子處于中速狀態時不同轉速下聲壓級隨時間變化的曲線。從圖中可以看出，當錠子轉速在中等轉速區間時，各轉速工況下產生噪聲聲壓級變化量不大，主要集中在71.5 dB～73 dB 之間。在轉速不變的情況下，聲壓級隨時間的變化量較小，基本不超過1 dB，且會在一段時間內趨于穩定，隨后發生跳躍性變化，緊接著又再次趨于穩定。當錠子轉速開始大于第一臨界轉速時，其在轉動時產生的振動噪聲逐漸減少，當轉速為7 000 r/min時，錠子各部件間接觸部分產生的摩擦增大，且此時錠子轉速與第一臨界轉速相近，錠子在該轉速工況下產生的摩擦噪聲與振動噪聲均比較大。當轉速達到一定值（10 000 r/min）后，隨著轉速的增大，錠子振動的頻率也逐漸增大，噪聲頻域信號因速度提升而增強，并起主導作用，同時對周圍空氣的擾動更加明顯，產生的振動噪聲隨轉速的增大而增大。這與韓銳等[19]對異步電動機電磁噪聲空間分布的研究以及吳玉厚等[20]對旋轉滑動摩擦副速度與摩擦噪聲之間關系的研究結果相似。

圖8 錠子在中速狀態各轉速下聲壓級隨時間變化曲線圖

圖9至圖10是錠子處于中速狀態時平均聲壓級與轉速的關系圖。當錠子中速轉動時，在轉速為6 000 r/min 時其聲壓級平均值最小，約為71.88 dB；當轉速為7 000 r/min 時其聲壓級平均值最大，約為73.13 dB。由圖9 聲壓級隨轉速變化的曲線可以看出，聲壓級隨轉速增加呈現先增大后減小、再增大再減小的波浪形的趨勢變化，這是因為錠子在轉速增加時摩擦噪聲和振動噪聲并不是均勻增加或減少，而是在一定范圍內浮動地增加或減少，又由于錠子轉速逐漸遠離第一、第二臨界轉速故聲壓級增大與減小的幅度逐漸減小。這與吳玉厚等[20]研究旋轉滑動摩擦副噪聲問題的結論相符。

圖9 錠子在中速狀態各轉速下平均聲壓級

圖10 錠子在中速時聲壓級隨轉速變化曲線圖

圖11 是錠子處于中速狀態時各轉速下的最大聲壓級。錠子在中速工作狀態下，其聲壓級最大值先增大隨后減小并趨于平緩而后再次減小。當轉速為6 000 r/min時，錠子產生的聲壓級最大值最小，約為72.82 dB；當轉速為7 000 r/min時，產生的聲壓級最大值最大，約為73.88 dB。當轉速為6 000 r/min時，產生的聲壓級最小值最小，約為70.71 dB；當轉速為7 000 r/min時，產生的聲壓級最小值最大，約為72.41 dB。轉速為10 000 r/min 時，聲壓級的最值之差最大，約為2.54 dB；當轉速為7 000 r/min時，聲壓級的最值的差最小，約為1.47 dB。盡管兩轉速下聲壓級最大值相差較大，但均與國標中所規定最大聲壓級相差較遠。

圖11 錠子在中速狀態各轉速下聲壓級最值

2.3 錠子在高速狀態下的噪聲與分析

圖12是高速錠子在不同轉速下聲壓級隨時間變化的曲線。錠子在高速狀態各轉速工況下聲壓級隨時間階段性地增加或減少，且聲壓級主要集中于72 dB～73.5 dB 之間。由于錠子在高速旋轉時其轉速已早已超過第1、第2階臨界轉速而距離第3階臨界轉速又較遠，故在此轉速區間內聲壓級與轉速大小的關系十分密切。隨著轉速的增加，振動噪聲逐漸增大，摩擦噪聲也增大，因此當轉速為16 000 r/min 時聲壓級隨時間變化的曲線位于高速工況下其它各轉速的曲線之下，而轉速為22 000 r/min時的聲壓級隨時間變化的曲線在其余各曲線之上。又由于錠子轉速較高，噪聲變化較小，錠子在該轉速區間內不同轉速工況下所產生噪聲聲壓級隨時間變化的曲線相互交織。這與吳玉厚等[20]對高頻時旋轉滑動摩擦副速度與摩擦噪聲之間關系的研究以及黃闖等[21]對高頻時異步電機振動噪聲的研究結果相似。

圖12 錠子在高速各轉速下聲壓級隨時間變化曲線

圖13 至圖14 是錠子在高速時平均聲壓級與轉速的關系。從圖中可以看出，錠子在高速狀態各轉速下噪聲平均值變化量較小，并隨轉速增加呈上升趨勢。當轉速為22 000 r/min時平均聲壓級最大，約為73.16 dB；當轉速為16 000 r/min時平均聲壓級最小，約為72.29 dB。高速運轉時，錠子在不同轉速工況下產生的平均聲壓級最大值與最小值之差僅約為0.87 dB，不足1 dB，差異較小。這是因為錠子在高速轉動時隨著振動增大頻率也同時增加，故產生的噪聲變化不大，這與黃闖等[21]研究異步電機系統噪聲所得結論一致。

圖13 錠子在高速狀態各轉速下平均聲壓級

圖14 錠子在高速時聲壓級隨轉速變化曲線圖

圖15 是高速錠子在各轉速工況下聲壓級的最值。錠子在高速旋轉時，在轉速為16 000 r/min 時，其產生的聲壓級最大值最小，約為73.25 dB；當轉速為22 000 r/min 時，產生的聲壓級最大值最大，約為73.78 dB，但未超過國家規定的最大聲壓級85 dB。當轉速為16 000 r/min 時，產生的聲壓級最小值最小，約為71.46 dB；當轉速為22 000 r/min時，產生的聲壓級最小值最大，約為72.37 dB。轉速為18 000 r/min時，產生的最值之差最大，約為2.16 dB；當轉速為22 000 r/min 時，產生的最值之差最小，約為1.41 dB。同樣，由于錠子在高速轉動時頻率的增加使得噪聲的增加不那么明顯，所以產生聲壓級的極值的增加比較緩慢。

圖15 錠子在高速狀態各轉速下聲壓級最值

3 結語

錠子噪聲問題對工人工作環境和身心健康影響很大，但目前對錠子噪聲問題的系統性實驗分析很少。本文采用多功能錠子檢測系統，采集錠子在不同轉速工況下工作時產生的噪聲大小并作系統分析，綜合分析噪聲大小與轉速的關系并找出既能滿足生產效率要求又可以改善工人工作環境的相對最佳轉速，從而得出以下結論：

（1）錠子在低速轉動時，由于轉速增加且越來越接近其臨界轉速，產生的振動逐漸增大，由此而產生的振動噪聲也逐漸增大，故錠子在低速運轉時產生的聲壓級隨轉速增加而增大；

（2）當錠子轉速處于中速時，由于在錠子轉速增加時摩擦噪聲和振動噪聲并不是均勻增加或減少，而且錠子轉速逐漸遠離第一、第二臨界轉速，故聲壓級隨轉速增加呈波浪形的趨勢變化且幅度逐漸減小；

（3）當錠子高速旋轉時，由于在錠子振動增大的同時頻率也增加，故聲壓級隨轉速增加而緩慢增加；

（4）在國家《工業企業噪聲衛生標準》中所規定的車間內最高噪聲限值為85 dB 的條件下，在錠子的工作轉速內，推薦采用16 000 r/min 和20 000 r/min為工作轉速。

本次實驗僅測得錠子在工作時產生的聲壓大小，錠子直接暴露在外界，而在實際情況中，錠子的工作環境較為封閉，而且電動機、齒輪以及其它零部件也會產生一定的噪聲，同樣影響工人的工作環境和身心健康；實驗環境雖已盡量接近標準的隔聲室，但也存在環境和其它與實驗無關的聲壓對實驗造成的影響，這些因素可能對實驗數據有微弱影響，但總體上對實驗的影響不大，由實驗所測得的數據依然具有準確性。