车床噪声的相关分析和功率谱分析.pdf

车床噪声振动的相关分析和功率谱分析 烟 台大学 王鸿 摘 要 本文用 相关分析和 功率谱 分析 的理 论和 数据 处理 方法，对C 6 3 0 车床 主 轴 箱 的噪 声 杯 动进 行研 究和 分析。从随机 噪 声中识 剐 出确 定信号，通过噪 声与振 动的相 关测试和 分 析，井与特 征频率对 照，找 出主要噪 声 源，从 而为该 型 车床降噪 减掘 的改进设 计提供 7 可 靠依 据 一、噪 声测试 周期。c6 3 0 5床 三、四十 年来没 有什 么改进，但 至 今仍 在批量 生产，同时也 是应 用最广 泛的 车床之一。其主轴正转1 8 级，l 1 4 7 5 0 r rai n，反 转 9级，2 2 6 9 5 0 r rai n，主 电机功率 1 0 k W。可靠，耐用、适 应性 强，但 噪 声大，转速范围小是其主要缺点，迫切需要改进。我们 先按 J B 2 2 8 1-7 8 金属 切 削 机 床 噪声 测量 方 法 的规 定，沿机床外 形周边一 米 测距，布置l 3 个 测 点，分别 测出 噪声值。从而确定了噪声最大测点的位置，测出其噪 声为9 0 3 d B(A)，超 出国家规定。在噪声 最 大铡 点和 主 轴不 同 转速下测 试，发现 主轴 正、反 转最高 速时噪声 嚣大。二、噪 声 的 自相 关分析 噪 声一般为 随机信 号，是 不 同频率 和声 强 的声音 的大杂 烩。为 了在随 机噪声信 号 中 发 现 和提取 混在其 中的周 期信号，如机械 噪 声 中的齿 频、叶 频，就必 须进行 自 相 关 分 析，即通过对噪声的自相关函数进行计算和 分析 自相 关函数Rx(t)的 定义是：式 中：函数X(t)为t 的瞬 时 取 值 X (t+f)为相 隔f 秒 后的瞬 时 取 值 j T为 在(一o c，十。)中变 化并与 t 无关 的连 续 时 间变 量(延 时)T为X(t)和x(t+f)的 自相 关 函 数Rx(t)表示波 形 与 差 一 个时 延f 的相似 程度，它是 以t 为 自变量的 实 值 偶 函数 对称于 纵坐标。当f：0 时：x：t ：式中：螅为随机信号的均方 值。这 说 明时 延 i=O 时，相关程度最 大，即完全相关。当T 一。时，Rx(。)：m(m为平 均值)没有 相关 关 系。由于 周期信 号的 自相关 函数仍为周 期 函 数，其 用期与 原信 号周期 一致。而随机信 号 随 时延 i 很 快增长 时，其 自相关 函数 趋 于 零(设平 均值为 0)，因此可用 来发 现提 取 混 在 噪声 中的周 期信 号。图 1 所示为 主轴反 转 最 高 速 9 5 0 r mi n 时，噪声的 自相关函数。可以看 出周期 T：1 1 2 ms，相 应的频率 为8 9 2 9 1 4 z 主 轴正转擐高 速7 5 0 r mi n时，其 噪 声 自相 关函数 见图2，周期T：0 7 7 5 ms，相 应 频 率为1 2 9 0 3 Hz。从图1 和图2 中可 以看 出，自相 关 函数 图 形有 些畸 变，说 明它不是 单一 频率的周期 函 数，而是两 个 以上周 期 函数的 综合，但都 突 出 了主要者。2g一 +X X 一 T T f：X R 中国环保频道 w w w.z g h b p d.c o mn (t)。0 I 圉 l 主 轴 反转 9 5 0 r t mi n，l m剐 距 时 的 噪 声 自相 关 函 数 图 形 n J 。_ )2 几。l l 自相 关 函 数 图 _ r V V I U l 一 1 V V t tl t t)图2 主轴 正转 7 5 0 r mi n，1 m测 距 时 的 噪 声 自相 关 函数 图 形 三、噪 声的频 谱分 析 为了更准确 的求得噪声的峰值频率，我 们将上 述时域 信 号变 换为 频域信 号，然后再 进行频谱分析。在多点跟踪分析仪C F 4 1 0 上 分析，x Y 记录 仪绘 图，可得 图3。图3(a)是 正转噪声 频谱。可 以看 出在 1 2 9 0 H z 时有最大 噪声频值，与 图2分 析 得 1 2 9 0 3 Hz(T=0 7 7 5 ms)很 一 致。图 3 (b)是反 转噪 声 频谱，可 以看 出 在 8 9 2 5 l-l z 时 有最大 峰值。这 与图 1 分析所 得 8 9 2 9 Hz(T=1 1 2 ms)很 一 致。四、振动 与噪 声 的相 关测 试与分析 为 了进 一步分 析嵘声 峰值 频率产生 的原 一3 0 一 图 3(a)图3(b)峨声 I 11 21 1 ，、，L，V V V V l V V V I 摇动】0 O S O 圈4 反转 9 5 0 r mi n时噪声振 动 自相关 图 因，我们冽 出主轴 箱正面 的最大振 速点，然 后将 压 电加 速度计置 于 此点，并将 传声 器对 准 此 点距壁面 1 0 ram，进行振 动与 噪声 的 相 关测 试。经信号分析 仪处理 后，得 到噪 声振 动 的 自相 关函数 图形见 图4。可 见 振动 与 噪 声 密切 相关。反转时，其周 期T=1 1 2 ms，与 前 一 致。为了判断这些相同的周期信号是否来自 同一声源，可将传声器、振动传感器所录两 种 信号进 行互相关 函数分 析。中国环保频道 w w w.z g h b p d.c o m R()1 1 21 1 21 1 一一 I I L一 L 砺 1 l l I 一 V V 一?一一 图5反转9 5 0 r mi n 时振 动噪 声 的互相 关囝 互 相 关函数R ，(T)是表 示两 个 随 机 过程 x(t)和y(t)相 关性 的统计 量，定 义为 t R I，(f)=t 1 I x(t)Y(t+f)d t 式 中；T 为 延 时，T为周 期。当x(t)=Y(t)时，则R ，(T)=R x(f)，即为 自相关 函数。互 相关 函数 R(T)是 时延T 的实 值 函数，但最 大 值 不 一 定在 时延=O 处。图5 为振动 噪声 的互 相关 函数 图 形。由 图可见，不 同传感器 存在 着相 同周 期 的 信 号，其周 期T=1 1 2 ms，这 证明噪声 是振 动 引起的。振动导前 噪声 0 1 ms，此 时互相 关 菌 数有堆大值0 7 g?。互相关图形上的 导 前 时 间可用 作线性 定位 五、振动噪 声的功率 谱分 析 自功率 谱密度 函数描 述 了随 机信号 的频 率 结构，它反 映 了信号 的平均 功 率在各 自频 率 成份 上的 分布 情况，其 数学表 达式 如下：r G (f)=2 I。：R (T)e 】兀 d T J 一 。式 中：G (f)为X(t)信号 的单 边 功 率谱密 度 函数 R (t)为 自相关 函数，j：一 1。图6 是1 7 T 1 7 S 信号分析仪得出 的 正，反转 自功率 谱。P OW ER (1,1 N)一R OOT 6 0 mV D I V 宙 1 5 2EHl 囝6(a)正转 7 5 0 r rai n 时振 动噪 声 自功率 普。(b)反转 9 5 0 r mi n 时振 动噪 声 自功 率 谱。由图6(a)可以看 出对应 于振动 的两个 噪声 峰值，最 大 的是 1 2 9 0 Hz，与前 述 自 相 关，互相关分析一致。由图 6(b)看 出 对 应于振 动的展 大 噪声 峰 值频率 为 8 9 2 5 Hz，亦与前述相关分析一致。六，噪声 源分 析 我们采用频率分析法求出噪声源，即求 出各传 动元件 的转速反 相应 的特 征频率，然 13I 一 中国环保频道 w w w.z g h b p d.c o m后 与频谱图上蜂值频率对照，对上的频率就 是该噪 声源 的频率。C6 3 0 车床主 轴箱 的正反转 速 图见图 7。1 圉 7(b)C6 3 0车床 反 转 转 速 图 根据 转速 图 即可求 得轴频、齿 频、边 频 等特 征频 率。各轴的轴 频：f =n 6 0 Hz。式 中m 为该 轴转 速。各 齿轮 的啮 合频率 为 齿 频：f ：n z 6 o Hz。式 中Z为齿轮齿数，1 3 为所在 轴转 速。由轴频和 齿 频调制的边 频f s 为：一阶 上 边频：f 、上=f +f，一 阶 下 边频 为：f。下 =f 一f r。二阶上 边 频：f z 上=f +2 f，二 阶下 边频f；z T=一2 f 。同理：n阶 上 一3 2一 边频：f 上=f +n f ，n 阶下 边 频：f 下 ：f 一 nf 。由上可 知，主轴籍 中I V轴 上 的 Z 。齿 轮，其 二阶 上边频 为：f =f +2 f ：5 0 24 5+2 x 24 5 =1 276 H z 式 中：f 为 齿频，f，为 轴频，Z为 齿 轮 齿数。图3 中1 2 6 7 5 t t z 与1 2 9 0 Hz 两 峰 值 问 有 一紧 1 2 9 0 Hz 的 峰值即 1 2 7 6 Hz，因 此，正 转7 5 O r tur n 时噪声擐大峰值 I 2 9 0 H z 是 由I V 轴上Z。齿轮 振动 引起的。正转7 5 0 r mi n 时，另 一噪声 峰 值 频 率 8 7 7 5 Hz为V轴上Z 3 7 齿 轮的振 动 引 起。该 齿轮 的一阶下 边频 为8 8 3 5 Hz。反转9 5 0 r rai n 噪声 蜂 值 8 9 2 5 H z，是 轴 上反 转中介齿 轮 Z3 7的 振 动 引 起，因 为它 的二阶 上 边频为B 9 5 3 Hz。反转9 5 0 r mi n 另 一个 略 小 的 噪 声 峰 值 1 5 9 2 Hz，是 I V轴 上 的Z5 0 齿轮 的 三 阶 上 边 频l 6 0 7 5 Hz 引起的。综 上所 述，轴上 的 反 转 中 夼 齿 轮 Z5 7、V轴Z 3 7，I V轴Z5 0 等三个齿轮 是 主要 噪 声源，齿轮 的安装 有偏心，调 制出 一阶、=阶边频。此外在图6 的振动自功率谱中 存 在 1 5 Hz 峰 值，量 级不 大，正反转 中 均 有。并 且它与 I轴的轴 频1 4 9 Hz重合，可 见I 轴 存在不 平衡惯性 力。以上这 些数据 和结果为 该 型车床 的减振 降 噪，提高 其动态性能 以及 改进设 计提供 了 可靠 的依 据。参考 文 献 1 机 械 噪 声 测 量 扣 控 制 原理 杨 玉 致 轻 工 业 出 版 社 1 9 8 4 8 2 C6 3 0 车床 主传动 系统 的低噪 声 高 效 率 改 进 设 计 王鸿 机 械 设 计 与 制 造 1 9 8 6 2 中国环保频道 w w w.z g h b p d.c o m