特殊服役條件對全陶瓷球軸承輻射噪聲的影響

閆海鵬，秦志英，常宏杰，武哲，吳玉厚

(1.河北科技大學 機械工程學院， 石家莊 050018; 2.沈陽建筑大學 機械工程學院， 沈陽 110168)

全陶瓷球軸承具有精度高，耐磨性和熱穩定性好等優點，已逐步應用于高端制造業、航空航天等領域[1]。在一些特殊工況下， 如重載、 沖擊載荷、 干摩擦狀態和低溫環境下，全陶瓷球軸承會有不同的動態特性[2-5]， 從而產生不同的輻射噪聲。

陶瓷材料剛度大，對輻射噪聲的吸收能力較差，在特殊工況下軸承輻射噪聲的變化比較復雜，且軸承在不同運行狀態下的噪聲特性也不同[6-7]，故軸承的聲學特征可以反映出其運行狀態。

近年來國內外學者對不同工況下軸承動態特性及聲學性能展開了大量研究[8-12]，取得了顯著成果。文獻[13]考慮軸承套圈傾斜的因素，建立了角接觸球軸承動力學模型，研究了套圈不同傾斜程度對軸承運轉狀態的影響，結果表明套圈傾斜角越大，球對保持架的沖擊力越大。文獻[14]分析了角接觸球軸承在加速過程中保持架的動態特性，獲得了徑向、軸向載荷和角加速度對保持架運行狀態的影響規律。文獻[15]建立了深溝球軸承內圈及球的聲學模型，研究發現轉速與徑向載荷的增加均使軸承輻射噪聲增大。文獻[16]考慮軸承動力學特性，結合聲學理論，建立了角接觸球軸承的噪聲輻射模型，分析了軸承在不同運轉狀態下的輻射噪聲特性，并通過試驗驗證了模型的精確性。文獻[17-18]均利用輻射噪聲信號實現了滾動軸承的故障診斷。

上述均是基于理論和試驗分析了軸承在常規服役條件下的工作狀態和性能，并未考慮一些特殊服役條件，如汽車輪轂軸承和軌道交通車輛軸承行駛中受到較大的沖擊載荷，航空航天軸承的低溫使用工況，在此通過分析重載、沖擊載荷、干摩擦狀態和低溫環境對全陶瓷軸承輻射噪聲特性的影響，來反映軸承在特殊服役條件下的工作狀態和性能。

1 輻射噪聲試驗

1.1 重載和沖擊載荷

重載或沖擊載荷會影響軸承的受力(特別是球與套圈的接觸力)和潤滑油膜厚度，從而影響軸承的輻射噪聲。在軸承強化壽命試驗機上測試軸承在重載或沖擊載荷下的輻射噪聲，每個轉速下的噪聲信號均為一次性連續測試獲得，采用液壓加載系統對軸承外圈施加徑向載荷，并采用32#機械油對軸承進行潤滑，試驗裝置和傳感器位置分布如圖1所示。測試軸承為6206全陶瓷深溝球軸承，套圈材料為氧化鋯陶瓷，球材料為氮化硅陶瓷，保持架材料為聚醚醚酮(PEEK)樹脂。重載的試驗條件：當轉速為6 000 r/min時，徑向載荷分別為0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0，4.0，5.0，6.0，7.0，8.0，8.8 kN；當轉速為9 000 r/min時，徑向載荷分別為0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0，4.0，5.0 kN。測試軸承轉速分別為6 000，9 000，12 000 r/min，沖擊載荷為2.2，4.4，5.0 kN時軸承的輻射噪聲。

圖1 載荷噪聲試驗裝置

1.2 干摩擦狀態

軸承在潤滑不良情況下易產生干摩擦現象，而全陶瓷球軸承具有自潤滑功能，即在不供給潤滑油時其自身能夠產生潤滑效果，仍可以保持良好的運行狀態。針對多種全陶瓷球軸承進行干摩擦噪聲試驗，分析在無潤滑油條件下軸承的輻射噪聲，同時為增加結果的對比性，也對混合陶瓷球軸承(套圈材料為軸承鋼，球材料為陶瓷)進行了測試，軸承型號及材料見表1。

表1 干摩擦狀態測試軸承型號及材料

為便于對比分析，分別對無潤滑油和滴入5 mL的32#機械油兩種狀態的軸承進行輻射噪聲測試。如圖2所示，將軸承安裝在軸承振動試驗機上測試6個點的輻射噪聲，各測點的位置坐標見表2，測試中軸承軸向預緊力為150 N，轉速為1 800 r/min。

圖2 干摩擦噪聲試驗裝置

表2 測點的位置坐標

1.3 低溫環境

采用液氮降溫來模擬軸承低溫環境，并依據軸承振動試驗機結構設計了如圖3所示的保溫裝置，用以控制環境溫度。測點的布置與干摩擦狀態噪聲試驗一致，測試軸承分別為B1和B2(表1)，測試溫度分別為-70～20 ℃和-150～20 ℃，測試過程中軸承軸向預緊力為150 N，轉速為1 800 r/min。

圖3 低溫噪聲試驗裝置

2 結果與分析

為更加準確分析軸承輻射噪聲，測試無軸承時的運轉噪聲，以便后續分析中去除背景噪聲對軸承輻射噪聲的影響。文中采用聲壓級(Sound Pressure Level, SPL)表征軸承輻射噪聲的大小。

由于測試得到的軸承輻射噪聲信號中含有測試設備等其他噪聲，在對聲信號分析時，根據所測噪聲的時頻特性，對比試驗系統中有、無測試軸承的時域與頻域噪聲，同時基于測試軸承的特征頻率，利用聲場疊加原理對測試軸承輻射噪聲進行提取，進而分析服役條件對測試軸承輻射噪聲的影響。

2.1 重載

當轉速為6 000，9 000 r/min時，全陶瓷深溝球軸承輻射噪聲隨徑向載荷Fr的變化如圖4所示，當徑向載荷較小時，軸承輻射噪聲稍有減小，但之后隨載荷增加，輻射噪聲又呈逐漸增大的趨勢，且增大的趨勢減緩。這是因為當無載荷作用時，軸承游隙較大，產生較大的振動噪聲，而適當的載荷減小了軸承徑向游隙，使軸承運行更加平穩，因此輻射噪聲有所降低；隨載荷的繼續增加，球與溝道的摩擦加劇，從而增大了摩擦輻射噪聲。

(a)6 000 r/min

對比圖4a與圖4b可知：轉速較高時軸承輻射噪聲較大。這是由于隨轉速增加，陶瓷球的離心力以及其與套圈的作用力增大且接觸頻率提高，導致軸承振動噪聲增大；但從速度和載荷的影響程度分析，輻射噪聲受載荷的影響更大。

不同測點的輻射噪聲隨徑向載荷的變化幅度不同，表明載荷影響軸承的聲場指向性，原因為在重載下，隨軸承運轉，陶瓷球承受交替變化的載荷，并且在承載區承受較大的接觸力，軸承將在承載區產生較大的摩擦噪聲，而在非承載區產生相對較大的沖擊噪聲[6]。

2.2 沖擊載荷

以測點P3為例，通過多次加載、卸載測試，得到轉速為9 000 r/min時沖擊載荷作用下全陶瓷深溝球軸承的輻射噪聲如圖5所示：當軸承受到沖擊載荷作用時，輻射噪聲迅速增大，卸載后輻射噪聲又降至無載荷狀態；在載荷達到沖擊載荷設定值以及剛卸載時，輻射噪聲比在載荷平穩狀態下稍大；沖擊載荷較大時，輻射噪聲變化較大。

圖5 轉速為9 000 r/min時沖擊載荷作用下全陶瓷深溝 球軸承的輻射噪聲

沖擊載荷變化直接影響軸承的輻射噪聲，不同轉速下全陶瓷深溝球軸承輻射噪聲隨沖擊載荷的變化如圖6所示，其中當轉速為6 000 r/min時，在2.2，4.4 kN作用下軸承輻射噪聲與無載荷狀態下相差較小，故未給出以上2種載荷下的測試結果。

圖6 不同轉速下全陶瓷深溝球軸承輻射噪聲隨 沖擊載荷的變化

由圖6可知：不同轉速下軸承輻射噪聲的變化趨勢相似，隨沖擊載荷增大，輻射噪聲逐漸增大，轉速越高，輻射噪聲受沖擊載荷的影響越大；當轉速為6 000 r/min時，沖擊載荷對輻射噪聲的影響較小且較平穩；當轉速增到9 000 r/min時，沖擊載荷對輻射噪聲的影響變大，輻射噪聲隨時間的變化也較穩定；當轉速增到12 000 r/min時，輻射噪聲的波動較大，在施加沖擊載荷時輻射噪聲的波動更加明顯。這是由于轉速的增加使軸承剛度降低，軸承振動變大，輻射噪聲增加，當軸承受到沖擊載荷時，軸承內部受力瞬間發生較大改變，使軸承穩定性減弱，導致振動加劇，產生較大的輻射噪聲和噪聲波動。

2.3 干摩擦狀態

在干摩擦狀態下，全陶瓷球軸承B1在各測點的輻射噪聲隨時間的變化如圖7所示：P5的輻射噪聲最大，而P6的輻射噪聲最小。根據測試結果，經計算得到各測點的平均輻射噪聲分別為81.92，81.43，82.78，80.85，85.92，79.26 dB。由此可知，距軸承軸線有相同距離的P1，P2，P3和P4的輻射噪聲有所差異，特別是P4處相對較小，而P3處相對較大，表明全陶瓷球軸承聲場具有指向性[6]。

圖7 全陶瓷球軸承B1在各測點的輻射噪聲隨時間的變化

干摩擦和潤滑狀態下，軸承在測點P5的輻射噪聲如圖8所示，軸承B1的輻射噪聲最大，且干摩擦狀態的輻射噪聲大于潤滑狀態，特別是軸承B3，干摩擦狀態的輻射噪聲比潤滑狀態的高18.49 dB，軸承B1和B2干摩擦狀態的輻射噪聲僅比潤滑狀態的高5.00 dB左右，但其總體輻射噪聲要高于軸承B3。這是由于軸承B1和B2內外圈及球均為陶瓷材料，其對輻射噪聲的吸收能力較差，有較大的輻射噪聲。盡管軸承B3的球為陶瓷材料，較全鋼球軸承性能有所改善，但其套圈仍為軸承鋼，干摩擦狀態下陶瓷球與鋼套圈仍會產生較大的摩擦噪聲，而全陶瓷球軸承具有自潤滑效果，所以對潤滑油的敏感性沒有混合陶瓷球軸承敏感，故其在無潤滑油的工況下仍能保持良好的運行狀態。與混合陶瓷球軸承相比，全陶瓷球軸承潤滑性能有較大的提升。由圖8可知：潤滑狀態的改變，對混合陶瓷球軸承輻射噪聲的影響非常明顯。

圖8 干摩擦和潤滑狀態下測點P5軸承的輻射噪聲

為更詳細分析不同類型軸承在干摩擦狀態下的輻射噪聲，軸承在各測點的輻射噪聲如圖9所示。

圖9 不同類型軸承在各測點的輻射噪聲

由圖9可知：不同類型軸承在不同測點的輻射噪聲不同，各軸承輻射噪聲均有一定的指向性，但輻射噪聲大小主要與測點到軸承的距離有關；在同一測點，各軸承輻射噪聲的大小不同，其主要與軸承材料和結構尺寸相關[19]；在測試軸承中球為氮化硅、套圈為氧化鋯的全陶瓷球軸承輻射噪聲較大，混合陶瓷球軸承輻射噪聲較小；7009軸承輻射噪聲大于7008軸承。這是因為氧化鋯陶瓷的自潤滑效果較氮化硅差，氮化硅球對噪聲的吸收能力較弱；7009軸承結構參數較大，球數相對較多，聲源個數較多，因此產生的輻射噪聲較大。

2.4 低溫環境

全陶瓷球軸承B1和B2的輻射噪聲隨溫度T的變化如圖10所示。

(a)B1軸承

由圖10a可知：全陶瓷球軸承在各測點的輻射噪聲隨溫度變化的趨勢類似，當溫度為-70～-35 ℃時，輻射噪聲呈逐漸增大的趨勢；當溫度高于-35 ℃后，輻射噪聲呈逐漸減小的趨勢；當溫度為-25～-11 ℃時，輻射噪聲變化較為復雜；當溫度高于15 ℃后，輻射噪聲又開始呈增大的趨勢。

由圖10b可知：當溫度為-150～-70 ℃時，輻射噪聲有緩慢增大的趨勢；當溫度高于-70 ℃后，輻射噪聲呈逐漸減小的趨勢，當溫度為-7.5～15 ℃時的輻射噪聲變化較大；當溫度高于15 ℃后，輻射噪聲又開始呈增大的趨勢。

對比圖10a和圖10b可知：軸承B1和B2均在15 ℃附近有最小的輻射噪聲，而輻射噪聲的其他溫度拐點卻不同，且軸承B1的輻射噪聲對溫度更敏感。

在低溫環境下，軸承游隙隨溫度的變化發生改變，但在較大溫度范圍內游隙變化較小，因此輻射噪聲變化相對較平緩。以軸承B2為例分析輻射噪聲隨溫度的變化規律：當溫度較低時，軸承游隙比常溫下稍有減小，從而在低溫環境下有相對較小的輻射噪聲；隨溫度升高，軸承游隙逐漸增大，振動稍有增大，輻射噪聲隨之增加，當達到一定溫度時，軸承游隙不再增大，這時輻射噪聲較大；當溫度繼續升高時，軸承內外圈開始產生溫度差，軸承游隙逐漸減小，輻射噪聲呈下降趨勢；當溫度再次升高到某一值時，軸承游隙減小至最佳預緊力狀態，輻射噪聲最小；之后溫度再繼續升高，輻射噪聲又呈逐漸增大的趨勢。

3 結論

針對全陶瓷球軸承在特殊工況條件下的輻射噪聲進行了試驗分析，得到如下結論：

1)適當的徑向載荷可以減小軸承徑向游隙，降低軸承輻射噪聲，當徑向載荷大于0.5 kN時，隨徑向載荷增加，輻射噪聲呈增大趨勢。

2) 在沖擊載荷作用下，軸承輻射噪聲隨加載與卸載過程而發生增大與減小的變化，并且沖擊載荷對高轉速的輻射噪聲影響較大，當轉速達到12 000 r/min時，軸承輻射噪聲波動較大。

3)球為氮化硅、套圈為氧化鋯的全陶瓷球軸承輻射噪聲最大，其次為氮化硅全陶瓷球軸承，混合陶瓷球軸承輻射噪聲最小。結構參數亦對輻射噪聲有顯著的影響。

4)全陶瓷球軸承隨溫度的升高呈先緩慢增大，然后較快速減小到最小輻射噪聲，之后又呈現增大的復雜變化趨勢。球為氮化硅、套圈為氧化鋯的全陶瓷球軸承對溫度較球和套圈均為氮化硅的全陶瓷球軸承有更高的敏感性，且其均在溫度為15 ℃時輻射噪聲最小。