陶瓷电主轴空载噪声的分析与研究*

张峰铭，吴玉厚，闫海鹏，张丽秀

(沈阳建筑大学 机械工程学院，沈阳 110168)

0 引言

随着电主轴行业的迅速发展，与主轴噪声相关的问题也日益突出。电主轴在起制动以及急加、减速情况下会产生噪声现象，甚至在正常工况运转时，也会存在噪声超标的问题。电主轴噪声已成为高速数控机床陶瓷电主轴单元速度进一步提升的“瓶颈”，严重制约着电主轴技术的向前跨越。因此，研究陶瓷电主轴空载时噪声与转速之间的关系，探索其运转噪声随主轴转速的变化规律，并分析不同转速下噪声中所包含的频率成分就显得十分必要，相关研究结果可以为陶瓷电主轴噪声的近一步研究打下一定的理论基础。

近年来，国内外学者就电主轴噪声问题的研究做出了很多努力。E Abele等在其综述性文章中指出电主轴运转噪声会随转速上升而呈递增趋势[1]。李良采用频谱分析法对不同转速下磁悬浮电主轴噪声起主要贡献的频率段进行分析，为其结构的优化设计提供了声学理论参考[2]。鲍萌从改变主轴结构参数的角度出发，分别研究了永磁体大小磁极个数、定子齿形状和气隙长度对永磁同步电主轴电磁噪声的影响[3]。张丽秀等利用光谱分析技术对陶瓷电主轴的振动和噪声进行监测，分析了润滑条件对陶瓷电主轴振动和噪声的影响[4]。

现阶段关于电主轴噪声的研究大多集中于钢制主轴，而对陶瓷主轴噪声的研究还比较少见。本文以陶瓷电主轴为研究对象，利用DASP软件声学测试平台，对主轴起制动以及稳定运转工况下的噪声进行测试，通过对噪声声压级及频谱的研究和分析，得出转速对主轴噪声的影响，为未来陶瓷电主轴突破转速瓶颈，实现低噪声的优化设计提供理论依据。

1 陶瓷电主轴

陶瓷电主轴是将电主轴的转轴部位和轴承部位采用陶瓷材料的一种电主轴，其结构与普通钢制主轴一致[5]，如图1所示。本文的陶瓷电主轴由陶瓷球轴承做主轴支撑组装而成。

由于陶瓷材料导热、导磁、导电和机械性能与金属材料差别较大，因此陶瓷电主轴较传统的钢制电主轴具有极限转速高、温升小等特性，其固有频率、刚度和寿命都有不同程度的提高[6]，其噪声值也与钢制主轴有所差异。以工程陶瓷为材料用于电主轴的旋转件是以后的高速电主轴的发展趋势[7]。

图1 陶瓷电主轴结构

2 噪声测量的声学基础

2.1 背景噪声

在噪声测量时，通常会受到外界其它噪声的干扰，此类噪声称为背景噪声或本底噪声。实验室测量噪声时，所测得的总噪声级是被测主轴的噪声和本底噪声的合成。本底噪声应低于所测主轴噪声10dB以上，否则将对所测量的总噪声中扣除背景噪声进行修正，修正值见表1。

表1 背景噪声修正值

2.2 噪声测量的主要参数

测量噪声时，常测的有声压级、声强级和声功率级三个声学量。声压是一个反映测量点声音强弱的标量。声强是在传播方向上单位时间内通过单位面积的声能流，它的幅值反映了所承载的声能量的大小。

2.3 频谱的分析

在陶瓷电主轴的噪声测量中，不仅要测量其噪声强度，而且还要弄清其噪声中所包含的频率成分，即要对噪声作频谱分析。对于噪声信号，很难对频率成分逐个进行分析，而是将频率划分成若干个频带，再测量这些频带上的声压级。由于人耳对声音频率的敏感性是非线性的，因而噪声一般采用倍频程谱进行谱分析。在电主轴的噪声测量中，1/3倍频程是最常用的划分[8]。

2.4 计权方式

国际电工委员会规定的计权方式有A、B、C、D共4种。由于A声级(用A计权测量的声级来代表噪声大小)是单一数值，易直接测量，同时又能较好地模仿人耳对低频段(500Hz以下)不敏感的特点，故A计权方式在目前的噪声测量中得到广泛的应用[9]。D计权主要用于航空噪声测量。

3 陶瓷电主轴噪声实验

3.1 实验仪器

(1)INV9206型高精度ICP式声压传感器

INV9206型声压传感器是专门用于声学信号测量的高性能驻极电容式测试传感器，主要由驻极体极头和ICP前置放大器组合而成，可以精确测量20Hz～20kHz的频率范围。

(2)INV9212型声强传感器(ICP/LEMO)

INV9212是用于声强测量的手持式双传声器的传感器套件，1/3倍频程中心频率测量范围为50Hz～6.3kHz，适用于现场环境声强和声功率测量以及具有稳态噪声的机械设备的噪声源定位。

图2 INV9206传感器

图3 INV9212传感器

(3)DASP虚拟仪器库与INV306多功能系统(声学平台)

COINV DASP声学测量分析是一套在Windows平台上运行的多通道声学测量分析的专业软件，主要功能包括：声压测量和分析、声强测量和分析、大容量声波形采集、声功率测量分析和频响曲线测量分析等，基本包含了声学测量的各项功能[10]。

图4 DASP软件声学平台界面

3.2 实验原理

陶瓷电主轴噪声测量实验原理及实验装置照片见图5、图6。实验系统中采用V/F变频器为电主轴调速，电主轴采用油气润滑以及循环水内冷却制冷方式[11]。利用声压和声强传感器分别测量陶瓷电主轴噪声的声压值和声强值，再用新型高精度多功能测量仪—INV306DF智能信号采集分析仪采集噪声信号后，将数据传入计算机中进行分析和处理。

图5 实验原理示意图

图6 实验装置照片

4 陶瓷电主轴噪声测试结果和分析

4.1 电主轴稳定运转时噪声测试

通过对组装好的陶瓷电主轴进行噪声测试，得到陶瓷电主轴在不同的转速下(随着转速的升高)的噪声特性。环境条件：室温26℃、环境噪声57dB、背景噪声44.4dB；测量位置：主轴前端；主轴转速测试范围：10000r/min～40000r/min。每一测试在某个稳定的转速下运转0.5h后再进行数据的采样测量。

首先要弄清所测噪声所包含的频率成分，在不同的计权方式下测得陶瓷电主轴以某一相同的转速稳定运转时噪声的声压级，分别得到A声级(LA)、B声级(LB)和C声级(LC),再对所测A、B、C三种声压级噪声的数值进行分析，可以初步了解噪声的频谱特性。

图7 不同计权方式下噪声衰减曲线

图7是噪声在A、B、C三种计权方式下的衰减曲线，从图中可知：当LA=LB=LC时，表明噪声中高频成分比较突出；当LC=LB>LA时，表明噪声为中频特性；当LC>LB>LA时，表明主轴噪声里低频成分比较多。

图8 10000r/min时电主轴噪声的声压值

将陶瓷电主轴的转速设置为10000r/min，并在不同计权方式下测得其噪声的声压值，见图8，此时的电源频率为333.33Hz。从图中可以看出陶瓷电主轴在以10000r/min的转速运转时，在A、B、C三种计权方式下依次测得其噪声的声压值为LA=72.5dB、LB=73.2dB、LC=74.9dB，即LC>LB>LA，可知此转速下的噪声以低频成分为主。

图9为陶瓷电主轴在10000r/min转速下运行噪声的频谱分析图，从频谱中提取噪声的5个极大值，由图中的数据列表可得，其所对应噪声的中心频率分别为100Hz、160Hz、315Hz、400Hz和630Hz，同样也可以说明陶瓷电主轴在转速为10000r/min时，其辐射的噪声中低频噪声较为突出。

图9 电主轴在10000r/min运转时噪声的频谱分析图

图10是陶瓷电主轴在三种计权方式下以不同转速运转时噪声声压值的变化曲线。图11是陶瓷电主轴在三种计权方式下以不同转速运转时噪声声强值的变化曲线。

图10 不同转速下主轴噪声声压值的变化曲线

图11 不同转速下主轴噪声声强值的变化曲线

从图10和图11中时，可以看出：

①当电主轴以10000r/min～40000r/min的转速运转时，产生的噪声始终以低频噪声为主。

②不论在哪种计权方式下，当电主轴的转速在10000r/min～27000r/min之间时，电主轴噪声(声压值和声强值)会随着主轴转速的升高而增大；当主轴转速大于27000r/min时，其运转噪声(声压值和声强值)反而会随着转速的增高而降低。

4.2 电主轴起制动时噪声测试

高速电主轴在起制动时，电流及主轴转速在极短的时间内会发生急剧的变化，如主轴转速由0升至6000r/min的起动时间仅为300ms。此时机械振动和电磁振动在短时间内急剧增大，而振动是产生噪声的主要原因，这也使得电主轴在起制动时的噪声更加明显[12]。

表2为陶瓷电主轴在不同转速下稳定运转时噪声的测量结果。表3 是陶瓷电主轴以不同电源频率起制动时测量的噪声数据。对比两个表格中的数据并将其绘于图12可以验证：在相同转速下，陶瓷电主轴在起制动阶段辐射的噪声要比其在稳定运转时辐射的噪声更为明显。

表2 稳定运行时噪声的测试结果

表3 起制动阶段噪声的测试结果

续表

图12 起制动阶段和稳定运转时噪声值变化曲线

图13是陶瓷电主轴在A计权方式下以不同的电源频率起制动时噪声(声压值)的变化曲线。每一个电源频率都对应电主轴不同的转速，利用变频器依次将主轴的电源频率调节为200Hz、266.67Hz、333.33Hz、400Hz、500Hz、666.67Hz、833.33Hz、866.67Hz、900Hz、933.33Hz、966.67Hz、1000Hz、1166.67Hz、1333.33Hz和1500Hz，并依次测量不同电源频率下噪声的声压值，共计15组实验数据，见表3。

图13 电主轴以不同电源频率起制动时噪声的变化曲线

从图13中可以看出：陶瓷电主轴在起制动阶段的噪声也是先随着电源频率的提高而不断增大；当电源频率为900Hz，即电主轴转速为27000r/min时，主轴噪声达到峰值(80.3dB)；之后电主轴辐射的噪声会随着电源频率的继续升高而有所下降，最后渐趋于某一稳定的噪声值。

5 结论

本文通过实验的方法，研究陶瓷电主轴在起制动阶段以及稳定运转工况下的噪声特性，再对所测的噪声信号进行频谱分析和数据处理之后得出以下结论：

(1)陶瓷电主轴的运转噪声与主轴转速有关，在测试的转速范围内，其噪声并不是随着主轴转速的上升而一直递增，而是先随转速的升高而增强，当转速超过27000r/min时噪声值便开始下降，最后趋于某一较为稳定的数值。

(2)在10000～40000r/min的转速范围内，陶瓷电主轴辐射的噪声始终以低频噪声为主。

(3)陶瓷电主轴在起制动时噪声随转速的变化趋势与其稳定运转时噪声随转速的变化趋势基本一致，而且其在起制动阶段辐射的噪声更加明显。