上期我們講了各種激振源及結構的固有特性識別，利用上期所介紹的方法可以識別出引起振動噪聲問題的主要原因，在得知振動噪聲是由于激振源(電磁力波、機械激振、空氣動力學)引起還是結構共振引起后，就需要進一步確診引起振動噪聲的具體力波階次、具體機械原因以及具體空氣噪聲原因，以便有針對性地采取措施解決問題。本期我們說說各種激振源的特征和判別方法。

1 軸承激振源的特征

通常電機所用的軸承包括滾動軸承和滑動軸承兩大類，滾動軸承產生的噪聲要比滑動軸承產生的噪聲大，雙列滾子軸承比單列滾子軸承噪聲大。特別是高速運行時，滾動軸承可能是電機最強烈的噪聲源。

1.1 滾動軸承激振特征

影響滾動軸承噪聲的主要因素包括：內外圈不同心、不平行導致的內外圈歪斜；滾動體大小不一；滾動體的圓度及表面缺陷；內外圈滾道缺陷；內外圈滾道波紋；保持架與滾動體間的間歇；油膜的渦動；潤滑油的清潔程度；相關零部件的加工及裝配精度等，許多情況下軸承的振動與附近結構零部件形成共振，會放大軸承的振動噪聲。不同的原因產生的噪聲頻率不同，振動噪聲幅值也不同。滾動軸承的噪聲表現為：碾軋聲、撞擊聲、磨削聲、滾落聲、保持架聲音、灰塵雜質產生的聲音等。

1.1.1 頻率特征

軸承振動噪聲的頻譜比較寬，理論上軸承產生的振動噪聲可以分布在轉頻～20kHz范圍內，大多情況下多出現在1～5kHz范圍內。根據不同的原因，滾動軸承振動噪聲的特征頻率如下：

①   軸承內外圈滾道缺陷產生的噪聲

當軸承內圈或外圈滾道存在凹坑等缺陷時，則每次滾珠滾過缺陷處都會產生一次振動，其振動頻率與轉速、滾動體個數、缺陷數量以及軸承的尺寸有關，如圖1為球軸承剖面圖。

軸承內圈存在缺陷時的振動頻率為：

f=(1/2)k?Z?(n/60)?[1+(d/D)cosα]                   (1)

或近似為：

f≈0.6k?Z?n/60                             (2)

軸承外圈存在缺陷時的振動頻率為：

f=(1/2)k?Z?(n/60)?[1-(d/D)cosα]                    (3)

或近似為：

f≈0.4k?Z?n/60                            (4)

式中：Z為滾動體個數；k為缺陷數目；n為轉速(r/min)；d為滾動體直徑；D為軸承中徑。

②滾動體本身存在缺陷或棱角

如果滾動體本身存在缺陷或棱角，那么滾動體本身每旋轉一圈就會產生k次振動，其中k為滾動體上存在的總缺陷個數或棱數。則由此引起的振動頻率為：

f=k?(D/d)?(n/60)?[1-(d/D)2cos2α]                    (5)

③保持架間隙引起的振動

保持架與滾動體之間的間隙是滾動軸承產生振動噪聲的重要原因，其振動頻率為：

f=(1/2)Z?(n/60)?[1-(d/D)cosα]                        (6)

④內外圈滾道存在波紋

內外圈滾道存在波紋時引起的振動噪聲頻率和頻譜是不穩定的，這種噪聲主要分布在高頻段，其頻率為：        

f=(k/2)?Z?(n/60)?[1±(d/D)cosα]                       (7)

其中：k為內外圈滾道上的波紋數。

⑤滾動體尺寸不一

滾動體尺寸不一引起的振動噪聲頻率與保持架的轉速及不同尺寸滾動體的分布有關，如果尺寸大小的滾動體交替配置，則引起的振動頻率為：

f=(1/2)?Z?R₁?n/[60?(R₁+R₂)]                        (8)

式中：R₁、R₂分別為內、外圈滾道半徑；Z為滾子數。

⑥內外圈不同心、不平行引起的振動

軸承內外圈不同心、不平行會引起兩倍轉頻的振動，即頻率為：

f=2n/60                                   (9)

⑦軸承相關結構零部件加工和裝配不良

軸承相關結構零部件加工和裝配不良時，使得裝配后轉子偏心，這樣每轉一圈軸承就會受到一次交變力激振，由此引起的振動頻率即為轉頻，而且這種情況多以軸向振動為主。

⑧潤滑油污染引起的振動噪聲

潤滑油被污染有雜質時引起的振動噪聲頻率沒有特定的特征頻率，只有滾動體碾壓著雜質時才會產生噪聲，因此這是隨機的振動噪聲，噪聲級的大小也與雜質顆粒大小有關。

1.1.2 振動噪聲級的大小

滾動軸承激振產生的振動噪聲的大小除了與激振力大小及相關的結構有關，還與轉速有著密切關系，當轉速從n₁變化到n₂時，軸承噪聲能級的增量為：

ΔL=20?lg(n₂/n₁)    dB                            (10)

轉速變化引起的噪聲級變化遠比軸承載荷變化引起的噪聲級變化大。

綜上所述，滾動軸承引起的振動噪聲的頻譜非常豐富，頻譜范圍很寬，且與轉頻成正比。需要說明的是，對于同一型號規格的軸承，其本身的振動頻譜和振動大小就存在很大的散差，裝配到電機上后，散差更大，這一方面說明軸承本身在微觀幾何學方面存在差異；另一方面在電機的加工和裝配精度方面同樣存在著散差，因此某些情況下，更換一盤軸承，就可能解決由其引起的振動噪聲異常問題。而有些時候，更換新軸承后振動噪聲反而增大了，這也屬正常。在對電機軸承引起的振動噪聲進行頻譜測試分析時，經常會遇到某些頻率點出現很大的尖峰，這可能是軸承的激振引起了附近某些零部件(如軸承外圈、端蓋等)的共振造成的，此時，很小的激振力也會引起很大的振動和噪聲。

1.2 滑動軸承的激振特征

滑動軸承的振動噪聲要遠小于滾動軸承，引起滑動軸承振動噪聲的原因主要是：軸頸的圓度、粗糙度；潤滑油的清潔程度以及油膜的渦動和振蕩。噪聲主要表現為研磨聲和刮擦聲，同時由于受轉子的不平衡和軸向力的作用，可能導致軸向竄動與軸承推力面的碰撞而產生“咔噠”的撞擊聲。滑動軸承引起的噪聲同樣是一種寬頻噪聲，并具有一定的間歇性。主要的頻率特征為；

①  軸頸橢圓或凸凹不平引起的噪聲，其頻率為：

f=k?n/60                               (11)

其中：n為轉速(r/min)；k=1、2、3…

②  軸向槽引起的噪聲，其頻率為：

f=N?n/60                               (12)

其中：n為轉速(r/min)；N為軸向槽數量。

③ 油膜渦動引起的振動，其頻率特征為轉頻的0.43～0.48倍，略低于轉頻的一半。

油膜渦動往往是突然出現的，表現為徑向振動，診斷的方法是出現油膜渦動后改變潤滑油的粘度和溫度，振動就會減輕或消除。

除了油膜渦動以外，還有一種引起異常振動的原因是油膜振蕩。油膜振蕩和油膜渦動產生的原因相同，都是由于油膜動壓不穩定造成的，但由于油膜振蕩可能會產生與轉子的共振，因此其更具危險性。油膜振蕩的顯著特征是，當轉速較低時油膜渦動的頻率始終保持0.43～0.48倍轉頻隨著轉速變化而變化，但當轉速升高達到一階臨界轉速的2倍時，將出現渦動頻率不再隨轉速的增大而增大，而是始終保持在一階臨界轉速的頻率上，與轉子轉頻無關了，而且出現強烈的振動，這種現象就稱為油膜振蕩。油膜振蕩產生強烈振動的原因就是與轉子形成了共振。因此油膜振蕩的顯著特征是振動頻率等于一階臨界轉頻，常發生于工作轉速接近2倍一階臨界轉速的高速電機中。油膜振蕩同樣是一種徑向振動，減小轉子的不平衡度、降低潤滑油粘度和提高油溫可使油膜振蕩消失。

2 動平衡不良的振動特征

轉子動平衡不良引起的振動特征為：

①振動頻率與轉頻相等。

②振動大小隨轉速升高而增大，但與負載轉矩無關。

③振動以徑向振動為主，軸向振動很小。

3 對中不良的振動特征

對中不良主要有兩種情況：一是電機軸心線與負載或原動機的軸向線存在偏心距或不平行存在偏角；二是聯軸器裝配不良，如彈性元件分布不均勻等。對于前者產生的振動特征為：

①振動頻率為2倍轉頻。

②振動值的大小隨軸心線偏差的增大而增大。

③電機單獨運行時，振動消失。

對于后者產生的振動特征為：

①振動頻率為1倍轉頻。

②電機側的振動與負載（或原動機）側的振動相位相反，相位差180o。

③電機單獨運行時，振動消失。

4 空氣噪聲的特征

空氣動力學原因引起的振動噪聲主要集中在高頻段，主要表現為噪聲形式，振動并不大。空氣噪聲產生的主要原因：一是風扇；二是徑向通風道產生的“哨聲”。風扇產生的空氣噪聲頻率為：

f=k?Z?n/60                              (13)

其中：n為轉速(r/min)；Z為風扇的葉片數；k=1、2、3…。

當定轉子存在徑向通風道時，它們通常在軸向是對齊的，在轉子旋轉時，轉子通風道中的隔片時而與定子通風道中的隔片對齊，時而錯開，這樣就會產生氣壓波動，從而產生空氣噪聲，徑向通風道產生的空氣噪聲頻率為：

f=k?Z₂?n/60                             (14)

其中：n為轉速(r/min)；Z₂為轉子槽數；k=1、2、3…。當定轉子徑向通風道沿軸向不對齊時這種噪聲會大大減小，因此有些大中型電機中往往采用定轉子徑向通風道不對齊的設計，以改善空氣噪聲。

5 電磁噪聲的特征

關于電磁振動和噪聲產生的原因及頻率特征，在前面的文章中已有詳細的論述，這里不再重復贅述。這里只強調和補充以下幾點：

①電磁振動的特征頻率以2倍電源頻率及其整數倍為主，這是由于氣隙主波磁場以及定子各諧波磁場產生的電磁振動。需要重點關注的是主波磁場和齒諧波磁場產生的電磁振動，其中主波磁場產生的振動頻率為2倍電源頻率(2f)，齒諧波產生振動頻率為6q倍電源頻率(6qf)，其中f為電源頻率，q為每極每相槽數。

②關于異步電機的電磁振動，前面的文章中介紹較少，這里補充一下。對于異步電機，除了會產生與同步電機頻率特征相同的電磁振動外，由于轉子轉速與同步轉速存在著轉差，當轉子存在故障時，如轉子動偏心、轉子斷條、細條等，就會出現與轉差有關的振動特征，通常異步電機轉子故障時的振動特征為：電磁振動的頻率即存在同步旋轉的電磁頻率2f，也存在轉子的轉速旋轉的電磁頻率2(1-s)f，而且從振動時域波形看，振幅以1/(2sf)為周期呈節拍式脈動，隨著負載的加重，轉差率s增大，其脈動節拍會加快，這種與轉差率相關的節拍脈動振動是異步電機轉子故障時特有的電磁振動特征。

③電磁振動的一個最顯著的特征是斷電立即消失，因此突然斷電法是鑒別電磁振動最簡單有效的方法。

本期介紹了各種激振源的特征和鑒別方法。對應振動噪聲的診斷，最主要是頻率特征，它就像激振源的指紋，表征著不同激振源和激振原因的區別，了解這些頻率特征對準確鑒別和診斷電機異常振動噪聲，采取有效措施解決振動噪聲問題具有重大意義。本期課程就講到這里，下期我們講減振降噪的措施，敬請期待！

*博客內容為網友個人發布，僅代表博主個人觀點，如有侵權請聯系工作人員刪除。