1、<p><b>　　畢業(yè)設計（論文）</b></p><p>　　二〇一一年五月二十三日</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　隨著科學技術的發(fā)展和生活水平的提高，人們對各類機電產品和設備也提出了更高、更新的要求。為滿足這種要求，目前許多機電系統(tǒng)正向復雜化、高速化及相對重載化的方向

2、發(fā)展。伴隨著這些發(fā)展，對高速加工的核心部件高速電主軸的噪聲問題也提出了越來越高的要求。因此噪聲已經成為了評價高速電主軸性能的一項重要指標?；诖?，本文開展對高速電主軸噪聲分析及控制研究主要內容有：</p><p>　　對振動噪聲基本理論特別是前人關于高速電主軸噪聲的知識做了總結。對高速電主軸結構、工作原理進行分析的基礎上，對高速電主軸各種噪聲的產生機理和特征作了較為詳細的闡述，討論了各種噪聲的影響因素及相應的控制

3、措施；在噪聲測試方面，介紹了常用的測量噪聲的聲壓法、聲強法。聲強法方面主要做了理論上的探討，研究了聲強測量的原理及如何減小測量誤差等，為進一步應用其開展噪聲研究工作做了準備；討論各種識別高速電主軸噪聲源的方法及其原理。最后以型號為的高速電主軸為研究對象，對其聲壓進行了測量，測定了該電主軸的聲功率級，并分析了所測信號的頻譜結構，初步分析了噪聲的產生原因和主要噪聲源的位置。</p><p>　　關鍵詞：高速電主軸噪聲

4、，聲壓，噪聲測試，頻譜分析</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　As science and technology development and improvement of living standards , People of all kinds of mechanical and electrical products

5、and equipment is also a higher, updated requirements. To meet this requirement, many current positive complex mechanical and electrical systems, high speed and relatively heavy in the direction of development. Along with

6、 these developments, the core components of high-speed machining of high-speed electric spindle noise made ever-increasing demands,Noise index is </p><p>　　Fundamental theories about vibration and noise espe

7、cially precedential research on high-speed electric spindle noise are summarized.On the basis of analyzing high-speed electric spindle's structure and working principle, the origination, characteristics, influential

8、factors and control measures of high-speed electric spindle noise are analyzed in this paper; With regard to noise testing,sound pressure and sound intensity are introduced. Study of sound intensity is focused on testing

9、 principal,in</p><p>　　Keywords:high-speed spindle noise,sound pressure,noise testing,frequency spectrum analysis</p><p><b>　　目 錄 </b></p><p>　　第一章 緒論··

10、83;····································&

11、#183;······1 </p><p>　　1.1 本課題研究的意義·······················&

12、#183;···················1</p><p>　　1.2 國內外研究現狀···········

13、;··································2</p>&l

14、t;p>　　1.2.1 噪聲分析與控制的提出································&#

15、183;3</p><p>　　1.2.2 噪聲分析與控制的發(fā)展·····························&

16、#183;···5</p><p>　　1.2.3 高速電主軸噪聲的研究現狀·························

17、3;···6</p><p>　　1.3 本課題研究內容···························&#

18、183;················7</p><p>　　高速電主軸振動與噪聲的產生和特征·············&#

19、183;····9</p><p>　　2.1 高速電主軸的振動分析·························

20、83;·············9</p><p>　　2.2.1 高速電主軸的基本結構················&#

21、183;················9</p><p>　　2.2.2 高速電主軸工作原理·············&#

22、183;·····················11</p><p>　　2.2.3 高速電主軸振動產生的機理·······

23、3;·····················12</p><p>　　2.2 電主軸噪聲產生的機理和特征········&

24、#183;························13</p><p>　　2.2.1 電磁噪聲產生的機理和特征····

25、83;························13</p><p>　　2.2.2 機械噪聲產生的機理和特征·····

26、;························13</p><p>　　2.2 噪聲分析與控制中的聲學基礎·····&#

27、183;···························14</p><p>　　2.3.1 聲波的產生與聲壓··&#

28、183;··································14</p>

29、<p>　　2.3.2 聲學波動方程································&#

30、183;········16</p><p>　　2.3.3 聲波的能量、聲強和聲功率····················

31、3;········20</p><p>　　2.3.4 聲級······················

32、3;··························21 </p><p>　　噪聲測試技術····

33、83;································24</p><p>　　

34、3.1 概述 ···································&#

35、183;··················24</p><p>　　3.2 噪聲測量系統(tǒng)············

36、···································25</p&g

37、t;<p>　　3.3 聲壓測量································

38、3;··················26</p><p>　　3.3.1 聲級計············

39、83;··································26</p>

40、<p>　　3.3.2 聲壓測量中的注意事項·······························

41、3;26</p><p>　　3.4 聲強測量······························

42、3;····················27</p><p>　　3.4.1 聲強測量基本原理·········

43、83;··························27</p><p>　　3.4.2 聲強測量的誤差分析···&

44、#183;······························30</p><p>　　高速電主軸噪聲的仿真

45、分析·························34</p><p>　　4.1 Labview 軟件簡介····&#

46、183;····································

47、··34</p><p>　　4.2 測量點的布置····························

48、3;··················36</p><p>　　4.3 測量過程············

49、3;····································&#

50、183;·37</p><p>　　4.4 測量結果的仿真分析····························

51、83;············38</p><p>　　4.5 結論···················

52、;····································47

53、 </p><p>　　總結與展望·······························&#

54、183;·······48</p><p>　　參考文獻 ························

55、·························49</p><p>　　致謝 ·······

56、····································

57、3;·········52</p><p>　　第一章 緒論 </p><p>　　1.1 本課題的研究意義 </p><p>　　隨著現代工業(yè)的迅速發(fā)展和社會進步，人們逐步認識到，噪聲已成為影響最廣的一種公害，是

58、四大環(huán)境污染之一。噪聲是一種聲學污染源，它不僅影響人們的身心健康，影響人們的工作休息，而且也是降低工作人員的勞動效率,導致各種事故發(fā)生的重要原因。時間久了，噪聲除了對人的聽覺系統(tǒng)有損傷以外，還對大腦的神經系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)及消化系統(tǒng)等均有影響，這稱之為噪聲的生理效應。</p><p>　　噪聲還嚴重影響工業(yè)產品的質量。一般來講，產品的噪聲越大，產品的質量就越低劣，因而其在市場上的占有率就越低。特別是產品的能夠直接被

59、用戶所感覺到，因而其噪聲往往產品生產和銷售的關鍵因素。一般情況下，我們知道，一件產品其加工精度越高，噪聲就越低，反之越高。例如，當今的硬盤市場競爭極其激烈，其競爭不僅僅表現在儲存量、搜索速度荷穩(wěn)定性上，在硬盤的噪聲方面更是投入了更大的人力和物力。因為，一旦速度提高，隨之而來的振動噪聲就會增大，而這些煩人的“吱吱”聲對于計算機用戶來講，是非常影響思緒和情緒的。所以，多數的顧客在選擇計算機時都要求硬盤的噪聲小。由于用戶的高度重視，各硬盤生產

60、廠家在噪聲的控制上花的功夫相當大。而ISO也很早就制定了噪聲的標準，我國機械產業(yè)很多時候只是注意了功能的實現，往往忽視了噪聲、外形等相關技術的發(fā)展，所以在國際市場上缺乏競爭力。</p><p>　　高速加工于20世紀90年代初期進入工業(yè)制造領域，是制造工業(yè)史上繼數控加工之后的又一項重大創(chuàng)新，它不僅可以獲得更大的生產效率,而且還可獲得很高的加工質量，而高速加工一個最根本最核心的特點和技術就是實現高速的切削速度，因此

61、高速電主軸單元成為高速加工機床核心部件。高速電主軸作為高速機床的核心部件，也是該機床的主要噪聲源。電主軸中電磁噪聲和機械噪聲是不可避免的，它是反映電機設計和制造水平的重要指標，通過對其空載運轉下產生的振動與噪聲進行性能預測和實驗評價，研究隔振與降噪技術，并依據噪聲來辨別和排除機器故障,不僅能保證生產任務完成,還可防止安全事故發(fā)生。因此，噪聲問題是一個具有極強實際意義的問題。</p><p>　　1.2 國內外研

62、究現狀</p><p>　　從二十世紀五、六十年代開始，國外一些研究單位和高效就進行發(fā)動機噪聲的研究工作。目前為止，抑制機構噪聲的方法主要通過兩種途徑：一種是直接對噪聲進行控制，一種是通過控制振動，實現對噪聲的控制，前者的提出很自然，是最早使用的，它主要分為被動控制和主動控制兩種。吸聲、隔聲等被動控制很早就應用在控制的實踐中，1934年德國物理學家 Paul Lueg（1898～1979）分別向德國、美國提出名為

63、“消除聲音振蕩過程（Process of Silencing Sound Oscillation）”，標志著噪聲的主動控制研究的開端，有源消聲（Active Noise Control）開始被研究。1975年N. Lalor 和 M. Petyt 在SAE上發(fā)表了作為噪聲源的內燃機機構振動模態(tài)。1982年，M.F.Russell在文章中對柴油機噪聲控制技術進行了論述。于此同時，一些學校和企業(yè)也進行了大量的研究工作，英國的南安普頓大學（U

64、niversity of southampton）振動噪聲研究所于上世紀七十年代在對一些主要內燃機制造公司生產內燃機噪聲測試的基礎上，提出了預測柴油機A計權聲壓級的經驗公式</p><p>　　1.2.1. 噪聲分析與控制的提出</p><p>　　隨著科學技術的發(fā)展和生活水平的提高，人們對各類機電產品和設備也提出了更高、更新的要求。為滿足這種需要，目前許多機電系統(tǒng)正向復雜化、高速化及相對

65、重載化的方向發(fā)展。伴隨著這些發(fā)展，隨之而來的噪聲問題正日益突出。</p><p>　　噪聲的危害是多方面的，其中最直接、最明顯的表現在于對人的各種影響。噪聲嚴重影響人們的工作效率，長時間的強噪聲環(huán)境中工作會使聽力受到損害，人在較強的噪聲環(huán)境下暴露一定時間會出現聽力下降的現象，但到安靜的場所停留一段時間，聽覺就會恢復，這種現象叫做暫時性聽閥偏移，也叫做聽覺疲勞。但是長年累月的在強噪聲環(huán)境下工作，不斷的接收強噪聲的刺

66、激，則聽覺不能復原，造成永久性聽閥偏移，即聽力損失。有資料表明：在80dB一下職業(yè)性噪聲暴露時，一般不致引起噪聲性耳聾（并不是指不造成聽力損失）；在85dB下可造成輕微的聽力損失；在85dB～90dB之間，會造成少數人的噪聲性耳聾；在90dB～100dB之間，造成一定數量人的噪聲性耳聾；在100dB以上，造成相當數量人的噪聲性耳聾。</p><p>　　除了對人聽力的影響外，聽力還對人的健康有很大的危害。它直接作

67、用于人的中樞神經系統(tǒng)，使人的基本生理過程失調，甚至還會引起神經系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)、消化系統(tǒng)等方面的疾病。此外，噪聲還會對建筑物造成損壞，干擾精密儀器的運轉。</p><p>　　噪聲的來源是很多方面的，其中電磁噪聲和機械噪聲是主要因素。電磁噪聲是由氣隙磁場產生的、作用在定子鐵芯上的徑向力波引起的。而機械噪聲又稱結構噪聲，是在撞擊、摩擦、交變應力等的作用下，機械構件由于振動產生的噪聲。目前，在高速加工技術領域廣域使

68、用著以電主軸為主體的各種高速機構，它的電磁噪聲以及振動噪聲構成了機械設備總噪聲的一個重要部分。因此，設備電磁噪聲以及振動噪聲的有效控制對實現機電產品整體降噪具有十分重要的意義。</p><p>　　目前，產品的噪聲指標已經成為衡量其先進性和市場競爭力的主要因素之一。許多國家和國際組織如ISO等都制定了相應的噪聲標準。目前，如何對噪聲進行有效的控制或如何基于噪聲控制設計高性能產品，已成為急需進一步解決的關鍵問題之

69、一。甚至，下一世紀對噪聲的控制技術的研究與應用依然是重要的前沿性研究領域，是實現綠色設計應予以考慮的重要因素之一。</p><p>　　1.2.2. 噪聲分析與控制的發(fā)展</p><p>　　由于理論和科技的限制,很早的時候人們就開始采用被動的方法來進行噪聲的控制,即噪聲的無源控制。主要有以下幾種方法：</p><p><b>　　用吸聲方法降低噪聲&l

70、t;/b></p><p>　　用吸聲方法降低噪聲的方法是指利用吸聲材料和吸聲結構來吸收聲能，從而控制噪聲強度。吸聲材料的吸聲性能用吸聲系數和聲阻抗表示。被吸收的聲能對入射聲能之比定義為吸聲系數，即</p><p>　　=吸收聲能/入射聲能 （1-1）</p><p>　　吸聲系數是衡量材料對聲

71、能的吸收量的標準，吸聲系數大吸聲效果越好，它與材料的物理性質、聲波頻率及聲波射線的入射角有關。任何材料對聲波都能吸收，但吸收的程度各有不同，一般密度越小，孔隙越多，吸聲性能越好，但如孔隙過大，成為疏松稀薄材料，則吸聲性能反而降低。</p><p><b>　　用隔聲法降低噪聲</b></p><p>　　人們在聽到巨大的聲音時，就本能的用手捂住耳朵，這可能就是人類最早

72、利用的隔聲方法。隔聲就是把發(fā)聲的物體，或把需要控制噪聲的場所封閉起來，使其與周圍的環(huán)境隔絕開來，成為聲學上的孤立系統(tǒng)。</p><p>　　一般情況下，我們都是進行空氣聲的隔離，采用的方式通常有三種方法：a.單層隔聲裝置；b.雙層隔聲裝置；c.帶空氣層的雙層隔聲裝置。</p><p>　　單層隔聲裝置中常用的隔聲墻、專用隔聲材料。對于單層隔聲墻，隔聲效果與墻的單位面積重量、噪聲頻率有關，單

73、位面積重量越大，噪聲頻率越高，隔聲的效果越理想，但是通常對其厚度要求較高。所以后來出現了帶空氣的雙層 隔聲裝置，當噪聲的頻率高于空氣層結構的固有頻率時，比單層的要好。</p><p>　　另外還有一種消聲方式就是通過消聲器來降低噪聲，這種方式主要用在對環(huán)境噪聲的控制，在我們的研究系統(tǒng)中不會涉及，這里不做過多的介紹。</p><p>　　1.2.3. 高速電主軸噪聲的研究現狀</p&g

74、t;<p>　　高速加工技術作為一個新興領域，而高速電主軸又是其核心部分，其噪聲更是決定了電主軸的性能，反映了電主軸設計和制造水平的重要指標，因此，國內外對電主軸噪聲的研究相當積極。目前噪聲測試方法主要有聲壓法、聲強法、聲發(fā)射法（AE）和聲振動測量法，趨向于各種方法的綜合應用。更多地借助于聲強法和模態(tài)測量法、能量流或功率流測量法來研究機械結構系統(tǒng)的噪聲形成固體傳播和輻射規(guī)律。</p><p>　　M

75、ba D 等的研究結果表明,聲發(fā)射方法比振動分析能更好地檢測到元件早期失效,通過分析徑向載荷、回轉速度與高水平背景噪聲對AE檢測的可靠性影響,提出了滾動軸承聲發(fā)射的門檻值,提出用能量均方根值與AE 技術來檢測軸承、機器的缺陷。</p><p>　　Miettinen J 等研究了脂潤滑軸承的聲發(fā)射監(jiān)測方法,分析了脂中污染物對軸承聲發(fā)射的影響,結果表明小污染顆粒比大污染顆粒的聲發(fā)射脈沖數水平高,AE 時域分析方法是

76、分析污染物顆粒硬度的合理方法;AE 水平不是隨污染物增多而線性增加,有時可觀測到減少的現象。</p><p>　　美國的Rorrer R A L 等分析了粘滑參數對摩擦振動的影響,結果表明靜摩擦系數與動摩擦系數的差是決定噪聲的最重要參數,速度的均方根值與靜、動摩擦系數差之間有很好的相關性。</p><p>　　Perls 提出高速電主軸中可能存在的電纜噪聲：當電纜收縮、彎曲、被敲擊、擠壓或

77、扭曲時都產生電荷，因為此時在電介質與外部保護殼或電介質與中間的導體之間都會產生摩擦。</p><p>　　Sanjay Kumar Jha 提出從噪聲輻射點和噪聲源入手，使用聲學照相機監(jiān)測到高頻噪聲輻射點，再通過振動的測量監(jiān)測到低頻的噪聲源，對高速電主軸噪聲研究奠定了良好的基礎。</p><p>　　隨著計算機技術朝著大容量、高速度和小型廉價化方向迅速發(fā)展，各種分析軟件和數值解析方法得到大

78、量運用，有限元法（FEM）是工程分析中最通用而強大的分析方法。近年來有學者用邊界元法（BEM）和雷利（Rayleigh）積分法研究結構輻射噪聲，比其他方法更加準確和簡單省時。噪聲控制由傳統(tǒng)的消聲、隔聲、吸聲和隔振等手段向結構動態(tài)特性改進聲源直接控制和傳統(tǒng)手段相結合的方向發(fā)展。人們逐步開始以系統(tǒng)的觀點來看待噪聲問題，從電主軸的圖紙設計階段就對其結構進行噪聲預測，做出噪聲評價，對電主軸零部件實施噪聲優(yōu)化設計。</p><

79、p>　　1.3 本課題研究內容</p><p>　　本課題主要研究內容如下：</p><p>　　系統(tǒng)研究振動和噪聲理論，特別是有關電主軸振動產生機理、影響因素和傳播途徑等知識。</p><p>　　研究各種現代信號處理技術如 LabVIEW 仿真分析、頻譜分析、功率譜分析等在噪聲分析中的應用。探討點主軸噪聲的噪聲源識別方法和原理。</p>&l

80、t;p>　　仿真電主軸噪聲的波形圖和頻譜圖，根據頻譜圖進行聲源識別、找出主噪聲源，并初步分析其噪聲產生的原因及影響因素，并盡可能地提出合理化的降噪措施。</p><p>　　電主軸振動與噪聲的產生和特征</p><p>　　2.1 高速電主軸的振動分析</p><p>　　2.1.1. 高速電主軸的基本結構</p><p>　　高速電主

81、軸基本結構如圖2.3所示：</p><p>　　圖2.3 電主軸結構圖</p><p>　　電主軸由主軸及主軸箱本體、內置式的交流伺服電機、軸承等組成。電機 的轉子采用壓配方法與主軸做成一體。主軸則由前后軸承支撐。轉子和定子通 過冷卻套安裝于主軸單元的殼體中。主軸的變速由主軸驅動模塊控制。而主 軸單元內的溫升由冷卻裝置控制。在株洲的后面裝有測速角編碼器、送到油缸、旋轉接頭；前

82、端的內錐孔和端面用于安裝刀具、刀具夾爪；中間有刀具拉桿、刀具夾緊彈簧。</p><p><b>　　軸承</b></p><p>　　高速電主軸的核心支撐部件是高速精密軸承。因為電主軸的最高轉速和軸承的大小、布置和潤滑方式有很大的關系，所以這種軸承必須具有高速性能好、發(fā)熱量小等優(yōu)點。近年來，相繼開發(fā)了陶瓷軸承、磁浮軸承、動靜壓軸承。</p><p&

83、gt;　　軸承的裝配將直接影響主軸的精度和壽命，因此軸承座尺寸精度、位置精度軸承內外圈襯套尺寸精度、軸承裝配預加載負荷要求都非常高，加工中心電主軸內錐孔面跳動要求為：2，要求到電主軸如此高的精度，前后支承都采用成組角接觸球軸承，承受軸向和徑向負荷，前面一對，后面一對。軸承一般是廠家配好的或者是自由組合軸承，在維修裝配時，要檢查軸承內外圈襯套尺寸，經過測量，軸承內圈的寬度加上內圈襯套長度要大于軸承外圈的寬度加上外圈襯套長度。軸承內圈預加載

84、負荷，也就是鎖緊螺母的扭矩為120Nm。</p><p><b>　　2. 主軸</b></p><p>　　主軸是高速電主軸的主要回轉主體，其制造精度直接影響電主軸的最終精度。成品主軸的行位公差和尺寸精度要求都很高。當主軸軸高速運轉時，由偏心質量引起的振動，嚴重影響其動態(tài)性能，因此，必須對轉軸進行嚴格的動平衡，部分安裝在主軸上的零件也應隨轉軸一起進行動平衡。<

85、;/p><p><b>　　3. 主軸箱本體</b></p><p>　　主軸箱本體又被稱為軸殼，軸殼是高速電主軸的主要部件，軸殼的尺寸精度和位置精度直接影響主軸的綜合精度。通常將軸承座直接設計在軸殼上。電主軸為加裝電動機定子，必須開放一端。大型或特種電主軸，為方便制造、節(jié)省材料，可將軸殼兩端均設計成開放型、高速、大功率和超高速電主軸，應該嚴格控制整機裝配精度。<

86、/p><p><b>　　4. 定子與轉子</b></p><p>　　高速電主軸的定子是由具有高導磁率的優(yōu)質砂鋼片迭壓而成。迭壓成型的定子內腔帶有沖制嵌線槽。轉子是中頻電機的旋轉部分，它的功能是將定子的電磁場能量轉換成機械能。轉子由轉子鐵芯、鼠籠、轉軸三部分組成。</p><p>　　由于高速主軸的極限轉速高，為了保證電主軸運行的穩(wěn)定性，防止振

87、動發(fā)生，電動機轉子與主軸的聯(lián)接也采用同主軸軸承緊固相似的結構。轉子與機床主軸過盈配合量的大小是影響主軸性能的重要因素。由于主軸的轉速高，在高速下，會產生很大的離心力，轉子與主軸在徑向上將產生不同程度的膨脹，這將會影響到主軸與轉子的配合。過盈量太大，將會使得裝配難度加大，影響裝配精度，甚至破壞配合表面。因此，必須對電動機轉子與機床主軸間的過盈量進行認真研究，以適應高速電主軸設計工作的需要。</p><p>　　2.

88、1.2. 高速電主軸的工作原理</p><p>　　電主軸作為加工中心的核心部件；它將機床主軸與交流伺服電機軸合二為一，即將主軸電機的定子、轉子直接裝入主軸組件的內部，并經過精確的動平衡校正，具有良好的回轉精度和穩(wěn)定性，形成一個完美的高速電主軸單元，也被稱為內裝式電主軸，其間不再使用皮帶齒輪傳動副，從而實現機電主軸系統(tǒng)的“零傳動”，通電后轉子直接帶動主軸運轉。</p><p>　　高速電主

89、軸的工作原理是：高速電主軸的電動機部分由產生旋轉磁場的定子繞組和把電能轉換為機械能的轉子組成。高速電主軸的定子和轉子之間的空隙是形成功率輸出有效部分的主要部位。電主軸持續(xù)工作功率主要取決于軸承高速化參數Dn值，D為軸承中徑，n為主軸轉速。</p><p>　　電主軸的線圈相位互差120，安放在定子鐵心的槽內，通以三相交流電，三相線圈各自形成一個正弦交變磁場，這三個對稱的交變磁場互相疊加，合成一個強度不變，磁極朝一

90、定方向恒速旋轉的磁場，磁場轉速就是電主軸的同步轉速。異步電動機的同步轉速n由輸入電動機定子線圈電流的頻率f和電動機定子的極對數p決定（n=60）。電主軸就是利用變換輸入電動機定子繞組的電流的頻率和勵磁電壓來獲得各種轉速。在加速和制動過程中，通過提供相當于最大轉矩的頻率進行加減速，以免電動機溫升過高。由于電動機旋轉磁場的方向取決于輸入定子三相交流電的相序，故改變電主軸輸入電流的相序，便可改變電主軸的旋轉方向。</p><

91、;p>　　電主軸運轉中，將會產生如振動、軸承發(fā)熱、精度低和壽命低等問題。所以通常從轉速提出相應的功率參數、體積參數和剛度參數，作為定性評價高速電主軸的可比度：</p><p>　　=KAB （2-1）</p><p>　　式中 P————功率參數， P= Pn ；</p><p>　　V————體積參

92、數， V= DLn ;</p><p><b>　　K————常數，</b></p><p>　　A————單位線負荷；</p><p>　　B————空氣隙磁密度。</p><p>　　上式表明， P和 V值一經確定，電主軸的電磁負荷AB也就可以大致確定。增大P值必將導致V 或AB增大。提高V值要受到臨界轉速以及轉子

93、表面線速度的限制；AB的提高易導致電主軸的功率下降和溫度升高； P值增大，使軸承的動載荷增大，振動加大，降低軸承的壽命。理論分析及實驗表明：軸承是制約電主軸的功率輸出和精度的主要部件。所以，高速主軸軸承是電主軸的核心部件，使用Dn值高的主軸軸承可以有效地提高電主軸的性能。</p><p>　　2.1.3. 高速電主軸振動產生的機理</p><p>　　振動是聲音的源泉，也就是說，聲音是由

94、物體的振動而產生的。機械振動是指物理或結構在平衡位置附近所做的往復運動。其最大的特點是具有周期性?，F實生活中振動是普遍存在的，在動力機械中也存在著大量的振動問題，如電主軸由于轉子不平衡、軸承摩擦力引起的主軸在高速旋轉下產生的振動，發(fā)動機在工作時由于汽缸內壓力和運動部件的慣性而引起的軸系振動、汽缸套油底殼等薄壁部件在工作中的振動等等。</p><p>　　高速電主軸振動按來源可分為電磁振動和機械振動兩類。 <

95、/p><p><b>　?。?） 電磁振動</b></p><p>　　電主軸是電機和主軸合為一體的傳動形式，電機轉動是通過定子和轉子之間的磁場相互作用產生電磁力克服機械反作用力來實現的，由于隙磁密波作用在定子上的磁力會使定子局部受力變形產生振動，即為電磁振動。導致電磁振動的主要原因有兩類，一類是電機轉子形狀偏心，又稱動偏心，動偏心所產生的振動頻率與主軸轉動頻率f相同，（

96、f=n/60Hz,n為主軸轉速）；另一類是定子與轉子不同軸，又稱為靜偏心[10]。由于定子、轉子之間空氣隙長度的不等，定子、轉子之間在電磁場的作用下會產生單邊電磁拉力。研究表明，此電磁拉力是電主軸產生電磁振蕩的主要成因之一。因此，提高電主軸的電動機制造精度對削弱電磁振蕩是十分必要的。驅動控制器的供電品質以及驅動控制器與電主軸的匹配是否合理，是產生電磁振蕩的另一個重要原因。</p><p><b>　　（

97、2） 機械振動</b></p><p>　　高速電主軸機械振動產生的原因比較復雜，主要有主軸偏角不對中、軸承動不平衡、軸承磨損以及加工過程中的自激振動等。主軸偏角不對中產生的原因：與軸承內孔配合的軸頸和軸肩加工不良或由于軸彎曲等原因，使軸承內圈裝配后，其中心線與軸中心線不重合，軸承每轉一周，軸承受一次交變的軸向力作用，使軸承產生振動。而軸承動不平衡則是因為生產時沒有經過嚴格的動平衡檢測，或加工精度、動

98、平衡精度不夠。</p><p>　　為避免經動平衡的高速軸系產生因附加質量偏心而導致的較大機械振動，軸系旋轉體上應盡量減少動平衡精度容易產生變化的附加質量。部分附加質量必須安裝在旋轉體上，在裝配后，主軸應以最高轉速運行，同時進行整機動平衡，使之由附加質量造成的振動控制在最小范圍之內。</p><p>　　2.2 電主軸噪聲產生機理和特征</p><p>　　電主軸所

99、產生的噪聲，按其基本聲源可分為電磁噪聲、機械噪聲兩類。下面就這兩類噪聲的產生機理和特征作出說明。</p><p>　　2.2.1 電磁噪聲產生機理和特征 </p><p><b>　　1. 產生機理</b></p><p>　　前面介紹到高速電主軸電磁振動的產生機理，由于隙磁密波作用在定子上的磁力會使定子局部受力變形產生振動，即是電磁振動。

100、電機內產生的電磁激振力作用于電機結構上，由于電機構件的傳遞特性使電機表面產生振動速度，再由電機表面的振聲特性使電機產生一定的電磁噪聲。電磁噪聲具有一定的頻譜特性和聲功率級。</p><p><b>　　2. 特征</b></p><p>　　電主軸在運行時，發(fā)出較細的“嗡嗡”聲，沒有忽高忽低的變化，是正常的聲音。如果聲音像用舊日光燈鎮(zhèn)流器那樣，發(fā)出粗大的“嗡嗡”聲，

101、就是故障的前兆，可考慮以下幾個原因。</p><p><b>　　（1）氣隙不均勻</b></p><p>　　轉子與定子之間的氣隙不均勻所產生的噪聲，其大小變化為周期性的。應當檢查軸承是否磨損，軸承護網是否偏移。如果磨損和偏移，就會使轉子外圓與定子內圓不同心，使氣隙改變、噪聲增大。</p><p><b>　?。?） 鐵芯松動&l

102、t;/b></p><p>　　電機在運行中的振動，溫度忽高忽低的變化，都會使鐵芯固定螺栓產生變形，造成鐵芯硅鋼片松動，在磁通與渦流的作用下，產生較大的電磁噪聲。</p><p><b>　?。?） 電流不平衡</b></p><p>　　三相異步電動機電流不平衡，與氣隙不均勻情況相同，發(fā)出周期性的電磁噪聲。電流不平衡的原因，有電壓不平衡

103、，繞組接地、短路、斷路，轉子回路阻抗不平衡，接觸不良等。要針對情況作具體檢查。</p><p>　　2.2.2 機械噪聲的產生機理和特征</p><p><b>　　1. 產生機理</b></p><p>　　機械噪聲產生的原因很多，最主要的原因是轉子不平衡和軸承兩方面的問題。電主軸高速運轉下轉子不平衡和各部件存在間隙而發(fā)生撞擊及部件受內部

104、力作用產生彈性變形導致電主軸表面振動而發(fā)出的噪聲。</p><p><b>　　特征</b></p><p>　　電機在運行中，必須注意軸承聲音的變化。監(jiān)聽聲音的方法是：將起子或金屬棒的一端觸及電機軸承安裝部位，另一端貼近耳朵，便可聽到軸承運轉的聲音。</p><p><b>　　正常聲音</b></p>&

105、lt;p>　　連續(xù)均勻的細小“沙沙”聲，沒有忽高忽低的變化，沒有金屬摩擦聲，便是軸承正常運轉聲音。</p><p><b>　　不正常聲音</b></p><p>　　“咝咝”、“嘎吱”等聲音都是不正常的，“咝咝”聲是金屬摩擦聲，一般是軸承缺油與摩擦所致，應拆開軸承添加潤滑油?！案轮ā甭暿禽S承內滾珠的不規(guī)則運動產生的聲音，它與軸承的間隙、潤滑脂的狀態(tài)有關。長期閑

106、置不用的電主軸重新啟動時會有這種聲音。</p><p><b>　?。?）轉子噪聲</b></p><p>　　轉子正常旋轉發(fā)出的聲音是一種“嗚嗚”的聲音，偶爾會有敲鼓一樣的“咚咚”聲，這是由于電主軸的驟然啟動、停止、反接制動等變速情況下，加速度力矩使轉子鐵芯與軸的配合松動造成的，輕者無多大妨礙，可繼續(xù)工作；重者應拆開檢查和修理。</p><p&g

107、t;　　電主軸在運轉中，由于摩擦、振動、絕緣老化等因素，難免會發(fā)生故障，出現異常的噪聲。如果熟練依據噪聲來辨別和排除機械設備的各種故障，不僅能保證生產任務的完成，還可防止事故的發(fā)生。</p><p>　　2.3 噪聲分析與控制中的聲學基礎</p><p>　　2.3.1. 聲波的產生與聲壓</p><p>　　振動產生聲音，發(fā)出聲音大的振動系統(tǒng)成為聲源。在彈性媒質中

108、，依靠彈性力來傳播振動的波包括縱波和橫波。在空氣和液體媒質中，因沒有切變彈性，所以其內部技能傳播縱波；而對于固體來講，因其兼有容變彈性和切變彈性，固固體中技能傳播縱波，也能傳播橫波。</p><p>　　聲波的頻率與物體的振動頻率密切相關，一般來講，物體振動頻率越高，由此產生的聲波頻率越高。在實際聲場中，聲波的頻率分布是非常廣泛的，其中既有聽得見的噪聲，也有聽不見的次聲波和超聲波，在噪聲分析與控制中，最終控制的噪

109、聲一般是頻率在聽覺范圍內的。</p><p>　　媒質在無聲擾動的聲學狀態(tài)，可用壓強、密度及溫度等狀態(tài)參數來描述。這時，給一聲擾動，在組成媒質的分子的雜亂運動中就附加了一個有規(guī)律的運動，使得媒質不再均勻。無聲擾動時，媒質體內的壓強稱為靜壓強；假設受到聲擾動后，媒質的壓強為，則有聲擾動時，媒質中的壓強與靜壓強的差值稱為聲壓，即</p><p><b>　?。?-2）</b&g

110、t;</p><p>　　因為聲傳播過程中，在同一時刻，媒質內不同微元體積內的壓力都不同；對于同一微元體，起微元體內的壓力又隨時間而變化，所以聲壓（Sound Pressure）是空間和時間的函數，即</p><p><b>　　（2-3）</b></p><p>　　同樣，由聲擾動引起的密度增量為，也是空間和時間的函數，即</p>

111、<p><b>　　（2-4）</b></p><p>　　媒質質點的振動速度作為衡量聲波的物理量無疑是可行的，但是它的測量是很難實現的。而聲壓的測量可以直接方便的由聲強計等儀器得出，并且質點的速度也可以由聲壓間接的求出，所以人們普遍采用聲壓這個物理量來描述聲波的性質。</p><p>　　聲場中某空間點的聲壓隨時間 的變化成為瞬時聲壓。但是當聲音傳入

112、耳朵后，由于鼓膜的慣性作用，人耳實際上并不能辨別出聲壓的起伏，即人耳聽不出瞬時聲壓，而是一段時間內瞬時聲壓的均方根值，人們稱之為有效聲壓，有效聲壓的定義為：</p><p><b>　?。?-5） </b></p><p>　　式中， 為周期的整數倍，對于正、余弦聲波，有效聲壓，其中為聲壓幅值。</p><p>　　正常人耳剛剛能聽到的聲

113、壓叫聽閥聲壓，其值為Pa；剛剛使人耳產生疼痛感覺的聲壓叫痛閥聲壓，其值為20Pa。</p><p>　　2.3.2. 聲學波動方程</p><p>　　聲壓隨空間、時間的變化的函數關系便是聲學波動方程。聲波作為一種宏觀物理現象，必然遵守牛頓三定律。聲波方程就是基于此導出的。</p><p>　　在推導聲波方程時為了使問題簡化，做了一系列的假定，這些假定并不影響整個推

114、導過程，這里不再贅述。</p><p><b>　　聲波運動方程 </b></p><p>　　假設一平面波沿 方向傳播，媒質中一微元體（圓柱體）（為垂直于 軸的橫截面積），如圖2.1所示。由于聲壓 隨位置 而異，因此作用于左右端面的力是不平衡的，又牛頓第二定律有：</p><p><b>　?。?-6）</b>

115、</p><p>　　由于， ，將其代入（2-5）式，得</p><p><b>　?。?-7）</b></p><p>　　式中，。媒質的加速度分為兩部分：一部分是時間 內空間某定點上的速度變化率，即定點加速度；另一部分是同一瞬時在聲場內相距 的兩點上的速度變化率 ， 即定時加速度。式（2-6）又表示如下</p><

116、p><b>　　（2-8）</b></p><p>　　此即為聲波運動方程。</p><p>　　圖2.1 聲場中的微元體 </p><p>　　2. 聲波連續(xù)性方程</p><p>　　仍取聲場中一微元體（圓柱體） 如圖 2.2 所示。單位時間內從左端面流入該圓柱體的媒質質量為；與此同時，從右端面流出的媒質

117、質量為 ， 取其一階泰勒展開為 ，故由質量守恒可得</p><p>　　圖2.2 柱形微元體</p><p><b>　?。?-9）</b></p><p>　　與運動方程相同，，代入（2-9）式，略去二階量，可得</p><p><b>　?。?-10）</b></p><

118、p>　　此即為聲波的連續(xù)性方程。</p><p><b>　　聲波物態(tài)方程</b></p><p>　　聲波過程是一個絕熱過程。對于一般的流體物質，普遍的物態(tài)方程為壓強和密度的關系，可寫為</p><p><b>　　（2-11）</b></p><p>　　式中， 為溫度。考慮絕熱條件，&l

119、t;/p><p><b>　　(2-12)</b></p><p><b>　　微分得</b></p><p><b>　?。?-13）</b></p><p>　　其中， 代表絕熱過程， 用 表示，則（2-13）表示為</p><p><b>

120、　　（2-14）</b></p><p>　　次即為理想流體媒質中的聲擾動物態(tài)方程。</p><p>　　但是，對于小振幅聲波，式（2-14）中的壓強的微分 可以近似為聲壓 ，密度的微分 可以近似為 ，因此，媒質的物態(tài)方程可簡化為</p><p><b>　?。?-15）</b></p><p><

121、;b>　　聲波方程</b></p><p>　　利用上面所推導的三個方程可以消去、其中的任意兩個，從而得到聲波方程。例如將（2-15）式對 求導后代入（2-10）式得</p><p><b>　?。?-16）</b></p><p>　　將（2-16）對 求導，得</p><p><b>

122、　?。?-17）</b></p><p>　　再將（2-8）式代入（2-17）式，即得</p><p><b>　?。?-18）</b></p><p>　　此即為一維聲學波動方程。</p><p>　　2.3.3. 聲波的能量、聲強和聲功率</p><p><b>　　1.

123、 聲波的能量</b></p><p>　　同樣，聲場中的一微元體，原來體積為 ，壓力為 ,密度 ，由于受聲擾動，其得到的動能為</p><p><b>　?。?-19）</b></p><p>　　由于聲擾動，該微元體壓力從升高為，體積由變?yōu)椋瑥亩渚哂幸欢ǖ奈荒?，?lt;/p><p><b>　　

124、（2-20）</b></p><p>　　由物態(tài)方程（2-15）式兩邊微分，得</p><p><b>　?。?-21）</b></p><p>　　又密度和體積有如下關系</p><p><b>　?。?-22）</b></p><p>　　將（2-24）式代入

125、（2-23），再對積分，有</p><p>　?。?-23） </p><p>　　微元體的聲能量為動能與位能之和，即</p><p>　　（2-24） </p><p>　　單位體積的聲能量成為聲能密度（Sound Energy Density），即</p><p>　?。?-25） <

126、/p><p>　　2. 聲強和聲功率 </p><p>　　聲波的傳播過程實際上是聲能量的傳播過程。聲源在單位時間內輻射出的總聲能量稱為聲功率（Sound Power），單位時間內榮國垂直于聲傳播方向上面積為S的平均聲能量，稱為平均聲能量流或平均聲功率（Average Sound Power）。因為聲能量是以聲速傳播，所以，平均聲功率等于聲窗中面積， 高度為圓柱體內所包括的平均聲功率，即&

127、lt;/p><p><b>　?。?-26）</b></p><p>　　式中，為平均聲功率，單位為瓦。</p><p>　　而聲強（Sound Intensity）是指在垂直于傳播方向的單位面積上通過的平均聲能量流，即</p><p><b>　　(2-27)</b></p><p

128、>　　式中，為聲強，也稱為平均聲能量流密度。</p><p>　　聲強是有方向和正負的。</p><p><b>　　(2-28)</b></p><p>　　式中，表示正向聲強，表示負向聲強，如果前進波與反射波相等，那么，這就是主動消聲的機理。</p><p>　　如果聲源輻射的面積為，通過此面積的聲強為，則聲功

129、率為</p><p><b>　?。?-29）</b></p><p><b>　　2.3.4. 聲級</b></p><p>　　由于人耳能聽到的聲強的范圍非常大，用聲壓或聲強的絕對值來衡量聲音的強弱很不方便。所以，人們普遍采用對數標度來度量聲壓、聲強和聲功率，分別稱為聲壓級、聲強級和聲功率級。</p>&

130、lt;p>　　聲壓級（Sound Pressure Level）定義為有效聲壓與基準聲壓之比的常用對數的20倍，即</p><p><b>　?。?-30）</b></p><p>　　式中，為聲壓級（dB）； 為有效聲壓（Pa）；為參考聲 壓（Pa）。</p><p>　　聲強級（Sound Intensity Level）定義

131、為聲強和基準聲強之比的常用對數的10倍，即</p><p><b>　　（2-31）</b></p><p>　　式中，基準聲強，其中為單位瓦。</p><p>　　聲功率級（Sound Power Level）定義為聲功率與基準聲功率之比的常用對數的10倍，即</p><p><b>　?。?-32）<

132、/b></p><p>　　式中，基準聲功率，其中為單位瓦。</p><p>　　聲壓級、聲強級和聲功率級三者之間是有相關聯(lián)的，基本關系如下：</p><p><b>　?。?-33）</b></p><p><b>　　（2-34）</b></p><p><b

133、>　?。?-35）</b></p><p>　　另外，需要注意的一點是，聲級的計算同普通運算不同，它是對數運算。</p><p>　　為了便于在聲級計上直接讀出噪聲評價的主觀量，可使測量儀器接收的聲音按不同的程度濾波，其方法是在聲級計的放大電路中插入A、B、C三個計權網絡。A網絡是模擬人耳對40phon（phon 為響度級單位，一個聲音的響度級定義為與1000HZ純音等響

134、的聲壓級）純音的響應，與40phon 的等響曲線倒立后的形狀相接近，它使接收、通過的低頻段的聲音（500HZ以下）有較大的衰減。B網絡是模擬人耳對70phon 純音的響應，與70phon 的等響應曲線倒立后的形狀相接近，它使接收、通過的低頻段的聲音有一定衰減。C 網絡是模擬人耳對 100phon 純音的響應，與 100phon 的燈響應曲線倒立后的形狀相接近，在整個可聽頻率范圍內有近乎平直的特性，他讓所有頻率的聲音近乎一樣程度的通過。&

135、lt;/p><p>　　由于 A 計權網絡得到的結果與人耳對聲音的響度的感覺最接近，因此，人們通常把 A 計權作為評價噪聲的主要指標。</p><p>　　第三章 噪聲測試技術</p><p>　　對電主軸進行噪聲測試的目的是取得有效、精確的噪聲數據，一是對電主軸的聲學指標作出的鑒定性測量；二是通過測試識別出主要噪聲源，分析噪聲產生的原因和影響因素，為噪聲控制指明方向

136、的診斷性測量。評價噪聲的物理量主要是頻率、聲壓和聲強。主要的測量項目是噪聲級和噪聲頻率。用到的測量儀器有聲壓測量系統(tǒng)、聲強測量系統(tǒng)和測量振動的儀器，具體有傳聲器、聲級計、濾波器、頻率分析儀和記錄儀器。</p><p><b>　　3.1 概述</b></p><p>　　傳統(tǒng)意義上的噪聲測量指的是聲壓測量。近年來聲強技術的快速發(fā)展使得聲強測量成為聲學研究噪聲控制的重

137、要測試手段。</p><p><b>　　1.聲壓法</b></p><p>　　聲壓是最基本的聲學量，也是評價電主軸噪聲的最基本的量。它是標量，不需要考試方向，并且當前聲壓測量儀器的發(fā)展也比較成熟。從聲壓角度研究噪聲的最大缺點是聲壓在測量中容易受背景噪聲和聲反射的影響，因此對測量環(huán)境要求較高，只有在消聲室或半消聲室中進行測量才能得到比較滿意的結果。</p>

138、;<p><b>　　聲強法</b></p><p>　　聲強由于是矢量，因此部件的某一方向上的聲強不易受其它聲源的影響,如圖 4.1 所示，若測量包絡面內聲源聲功率，根據能量守恒原理，若包絡面封閉且內部無吸聲體，則外界干擾噪聲進入和離開測量面的聲能應該是相等，理論上聲強測量不會因干擾噪聲的存在而產生誤差，因而對測量環(huán)境要求不高，測量結果也準確，且測試時間短，試驗分析費用低。它

139、的缺點是測量聲強的儀器設備比較昂貴，對操作人員的要求也高，這在一定程度上限制了該方法的應用。</p><p>　　3.2 噪聲測量系統(tǒng)</p><p>　　無論是測聲壓還是聲強，測量系統(tǒng)的基本組成都可分為三部分：傳感器、分析部分和讀書顯示部分。如圖 4.2 所示</p><p>　　圖 4.2 噪聲測量系統(tǒng)示意圖</p><p>　　傳感器

140、通常就是傳聲器，它是一種聲電變換器，用來把被測的聲信號變換為電信號，理想的傳聲器所產生的電信號應能真是地再現聲波，且不因其存在而擾亂聲場。常用的傳聲器有電動式傳聲器、壓電傳聲器和電容傳聲器。目前用得最多的是電容傳聲器，它具有頻率范圍寬、頻率響應平直、靈敏度變化?。▊髀暺黛`敏度是指傳聲器輸出端的開路電壓與聲壓之比輸出電壓與聲壓之比，單位）、穩(wěn)定性好、精密度高等優(yōu)點。缺點是內阻高，需要用阻抗變換器與后面的衰減器和放大器相匹配并且要加極化電壓

141、才能正常工作。</p><p>　　分析部分是用各種不同的電路來對信號進行放大、衰減、計權、積分等等。這一部分在整個測量系統(tǒng)中也是復雜的。最簡單的情況是按照某個頻率計權網絡對輸入信號的頻率成分進行計權，或者以倍頻程、1/3倍頻程或窄頻進行濾波。若主要研究噪聲的時域特性時，可將A計權聲級進行積分或連續(xù)進行統(tǒng)計分析得到有效值等。</p><p>　　輸出部分包括檢波器和顯示器。顯示器以往多用電

142、表，或者將輸出信號送到級紀錄儀或錄音機作永久紀錄保存。近年來電表已逐漸被數字顯示器代替。</p><p><b>　　3.3 聲壓測量</b></p><p>　　傳統(tǒng)的聲學測量是測量聲壓，它的原理簡單，方法簡便，測量儀器也比較成熟。測得聲壓或聲壓級后，可以計算得到聲強、聲強級、聲功率或聲功率級。</p><p>　　3.3.1 聲級計&l

143、t;/p><p>　　測量聲壓的儀器是聲級計，它是按照一定的頻率計權和時間計權測量聲音的聲壓級，聲級計是聲學測量最基本的儀器，種類很多：按用途可分為一般聲級計、脈沖聲級計、積分聲級計、噪聲暴露計（也成噪聲測量計）、統(tǒng)計聲級計（又稱噪聲省統(tǒng)計分析儀）和頻譜聲級計；按測量的準確度可分為0型聲級計（固有誤差dB）、1型聲級計（固有誤差dB）、2型聲級計（固有誤差dB）、3型聲級計（固有誤差dB）。</p>&

144、lt;p>　　各類聲級計的基本原理都相同，因此基本結構是一樣的。一般聲級計都是有傳聲器、放大器、衰減器、計權濾波器、檢波器、指示器和電源等組成。起工作原理是：被測量的聲信號被傳聲器接收，傳聲器將其變化為電信號；弱的電信號經前置放大器送到輸入衰減器和輸入放大器，放大器將微笑的電信號放大，衰減器測對過大的輸入信號衰減以使在顯示器上獲得適當大小的指示，同時也擴大了測量量程；計權濾波器對通過的信號進行頻率濾波，是聲級計的整機頻率響應符合規(guī)

145、定的頻率計權特性的要求，以便能測量計權聲級；信號再經輸出衰減器和輸出放大器被送到檢波器進行檢波，檢波器將交流信號變成直流并有顯示器以“dB”指示出來，檢波器還使聲級計具有“快”、“慢”、“脈沖”、“保持”等時間計權特性；電源部分則是將交流電火電池電壓進行交換，供給聲級計各部分工作所需的電壓。</p><p>　　3.3.2 聲壓測量中的主意事項</p><p>　　利用聲級計進行聲壓測量