减少机床噪声污染的方法.pdf

减 少 机 床 噪 声 污 染 的 方 法王 秋 林 丁 红 军(北 华 航 天 工 业 学 院 机 械 工 程 系 , 河 北 廊 坊 065000)摘 要 : 噪 声 污 染 已 成 为 世 界 三 大 污 染 之 一 。 在 工 业 企 业 中 机 床 噪 声 是 重 要 的 噪 声 污 染 源 之 一 。 本 文 主 要 从 机床 的 齿 轮 传 动 、 轴 承 的 选 用 和 齿 轮 箱 的 结 构 等 方 面 对 机 床 噪 声 产 生 的 影 响 以 及 提 出 相 应 的 降 噪 措 施 进 行 了 探 讨 。从 而 降 低 机 床 噪 声 , 保 障 工 人 身 心 健 康 , 改 善 车 间 工 作 环 境 。关 键 词 : 齿 轮 ; 轴 承 ; 齿 轮 箱 ; 降 噪 措 施中 图 分 类 号 : 文 献 标 识 码 : A 文 章 编 号 : 1673 - 7938 (2007) 05 - 0012 - 04收 稿 日 期 : 2007 - 09 - 14作 者 简 介 : 王 秋 林 (1953 - ) ,男 ,副 教 授 ,河 北 廊 坊 人 ,主 要 从 事机 床 教 学 和 机 械 制 造 技 术 的 研 究 。0 引 言机 械 加 工 车 间 机 床 的 轰 鸣 声 和 金 属 切 削 时 产 生的 冲 击 、 挤 压 声 交 织 在 一 起 ,形 成 较 强 的 噪 声 。 而 且在 有 些 工 厂 车 间 ,其 噪 声 愈 来 愈 强 烈 ,严 重 影 响 人 们的 身 心 健 康 。 我 国 政 府 颁 布 的 “ 工 业 噪 声 卫 生 标 准 ”中 规 定 :工 业 企 业 生 产 车 间 和 作 业 场 所 的 工 作 地 点噪 声 标 准 为 85A) ,对 老 企 业 可 适 当 放 宽 ,但 不 得超 过 90A) 。 然 而 ,在 车 间 中 的 机 床 空 转 时 的 噪声 一 般 为 85A) ,占 据 了 车 间 噪 声 的 90 % 95 %以 上 ,成 为 机 加 车 间 的 主 要 噪 声 源 。 如 何 降 低 机 床噪 声 是 必 须 认 真 考 虑 的 问 题 。1 降 低 齿 轮 传 动 噪 声 的 措 施根 据 测 试 结 果 ,产 生 机 床 噪 声 的 主 要 位 置 在 主轴 箱 ,而 主 轴 箱 内 主 要 是 齿 轮 传 动 机 构 。 众 所 周 知 ,一 对 相 啮 合 的 齿 轮 ,接 触 时 会 产 生 相 对 滑 动 ,在 啮 合线 上 各 接 触 点 相 对 滑 动 速 度 的 变 化 ,将 导 致 摩 擦 力的 大 小 、 方 向 改 变 ,从 而 产 生 冲 击 力 ,发 出 噪 声 。 为此 可 采 取 如 下 措 施 降 低 齿 轮 传 动 噪 声 。1. 1 改 变 齿 轮 类 型不 同 类 型 的 齿 轮 ,其 啮 合 过 程 是 不 同 的 ,产 生 的噪 声 也 不 一 样 。 如 图 1 所 示 ,直 齿 轮 的 轮 齿 在 接 触的 瞬 间 是 整 个 齿 宽 的 线 接 触 ,传 动 时 产 生 的 啮 合 冲击 较 大 ,而 斜 齿 轮 的 轮 齿 在 接 触 时 是 由 齿 面 上 某 一点 开 始 ,渐 渐 地 向 下 延 伸 通 过 齿 面 ,因 此 冲 击 较 小 ,所 以 斜 齿 轮 不 论 从 传 动 的 平 稳 性 还 是 承 载 能 力 来 说都 比 直 齿 轮 要 高 。 斜 齿 轮 产 生 的 噪 声 比 直 齿 轮 小 。在 相 同 的 工 作 条 件 下 ,斜 齿 轮 产 生 的 噪 声 要 比 直 齿轮 低 3 10A) 。图 1 不 同 类 型 齿 轮 接 触 特 征1. 2 齿 顶 修 缘 及 齿 形 修 整由 于 制 造 过 程 中 的 误 差 ,有 部 分 齿 根 过 渡 曲 线呈 现 没 有 磨 到 位 ,而 发 生 齿 顶 干 涉 现 象 ,如 图 2 所示 。 为 了 减 小 齿 轮 在 啮 合 过 程 中 齿 顶 干 涉 冲 击 ,使齿 轮 均 匀 而 平 滑 的 传 动 ,应 设 法 消 除 齿 顶 干 涉 ,这 种方 法 就 是 齿 顶 修 缘 ,如 图 3 所 示 。图 2 齿 轮 啮 合 时 过 渡 曲 线 干 涉 区图 3 齿 轮 轮 齿 修 缘21第 17 卷 第 5 期2007 年 10 月 北 华 航 天 工 业 学 院 学 报 1994 修 缘 量 : (0. 01 0. 15) m (0. 4 0. 5) : 齿 顶 方 向 修 缘 量 ; 齿 高 方 向 修 缘 量 ;m 为 模 数 。此 外 ,一 种 简 单 的 修 缘 方 法 ,即 鼓 形 法 。 采 用 鼓形 齿 面 磨 削 的 方 法 把 齿 轮 周 边 磨 掉 一 些 ,使 齿 轮 厚度 沿 齿 向 连 续 变 化 ,中 间 高 ,二 端 低 ,形 成 鼓 形 ,如 图4 所 示 。 啮 合 时 ,轮 齿 在 齿 面 中 部 接 触 ,避 免 或 减 少了 由 于 齿 形 误 差 、 齿 向 误 差 等 原 因 产 生 的 接 触 精 度不 好 的 现 象 ,从 而 减 少 了 噪 声 。 实 践 证 明 ,采 用 上 述改 进 措 施 ,机 床 主 轴 箱 的 噪 声 可 由 83A) 降 至78A) 。图 4 齿 向 修 缘1. 3 在 齿 轮 轮 体 加 阻 尼 减 振在 齿 轮 啮 合 时 产 生 冲 击 使 轮 体 产 生 振 动 也 是 产生 噪 声 的 原 因 。 为 此 ,可 在 轮 体 表 面 加 阻 尼 材 料 ,减振 降 噪 。 其 作 法 有 以 下 几 种 :1)在 大 齿 轮 轮 辐 上 加 阻 尼 环 。 阻 尼 环 由 阻 尼 合金 、 铸 铁 、 钢 制 成 ,如 图 5、 6 所 示 。 该 方 法 简 单 易 行 ,是 一 种 有 效 的 降 噪 措 施 ,可 产 生 5)的 降 噪 效 果 。图 5 齿 轮 噪 声 阻 尼 环图 6 阻 尼 环 在 齿 轮 上 的 安 装 方 式2)在 轮 体 中 灌 注 聚 氨 脂 橡 胶 。 阻 尼 材 料 为 :聚氨 脂 橡 胶 100 % ,固 化 剂 ) 9 %、 丙 酮 (适 量 ) 。如 对 某 镗 铣 床 的 6 个 传 动 齿 轮 进 行 灌 胶 处 理 后 ,整个 变 速 箱 的 噪 声 由 84A)降 至 79A) 。3)在 轮 体 表 面 贴 一 层 阻 尼 材 料 ,然 后 在 外 再 覆盖 一 层 金 属 片 ,能 有 效 地 抑 制 共 振 振 动 ,减 少 齿 轮 噪声 。 如 对 床 挂 轮 架 中 间 轮 进 行 粘 贴 阻 尼处 理 后 ,降 噪 效 果 约 为 11A) 。2 降 低 轴 承 噪 声在 机 床 结 构 中 ,滚 动 轴 承 应 用 十 分 普 遍 ,然 而 轴承 的 制 造 精 度 对 噪 声 有 很 大 影 响 。 例 如 ,轴 承 的 内 、外 环 在 制 造 中 产 生 的 波 纹 ,会 使 外 环 径 向 移 动 ,并 发出 一 定 频 率 的 振 动 ,该 振 动 的 频 率 与 轴 的 转 动 频 率接 近 或 相 等 时 ,将 发 生 共 振 产 生 更 大 的 噪 声 。 此 外 ,影 响 滚 动 轴 承 噪 声 的 因 素 还 与 轴 承 孔 的 偏 心 量 、 安装 孔 的 平 行 度 、 轴 承 内 的 清 洁 程 度 、 轴 承 的 润 滑 等 有关 。 为 了 控 制 和 降 低 滚 动 轴 承 的 噪 声 ,可 采 取 以 下几 方 面 的 措 施 。2. 1 合 理 选 择 轴 承选 择 刚 性 好 、 抗 振 性 高 的 轴 承 。 滚 针 轴 承 刚 性最 好 ,双 列 滚 子 轴 承 次 之 ,而 球 轴 承 刚 性 最 差 。 但 滚针 轴 承 对 装 配 的 零 件 精 度 要 求 高 ,故 综 合 考 虑 一 般选 择 向 心 球 轴 承 。 另 外 ,轴 承 的 内 径 应 尽 可 能 小 ,否则 ,轴 承 内 径 越 大 ,引 起 的 振 动 和 噪 声 也 越 大 。2. 2 提 高 轴 承 的 制 造 精 度提 高 轴 承 零 件 的 几 何 精 度 ,是 控 制 轴 承 噪 声 的有 效 措 施 。 组 成 轴 承 的 几 个 零 件 分 别 是 滚 子 、 内 外环 、 保 持 架 ,这 些 零 件 对 振 动 的 影 响 大 致 的 比 例 顺 序是 :滚 子 、 内 外 环 、 保 持 架 。 占 首 位 的 是 滚 子 。 实 验证 明 ,滚 子 精 度 提 高 一 级 ,轴 承 噪 声 会 下 降 10A)左 右 。 此 外 ,法 国 司 研 制 出 一 种 空 心 圆 锥滚 子 轴 承 ,大 部 分 润 滑 油 流 过 滚 子 的 中 孔 ,一 方 面 冷却 了 不 易 散 热 的 滚 子 ,另 一 方 面 充 满 油 的 滚 子 还 可吸 收 振 动 ,减 少 噪 声 的 产 生 。2. 3 合 理 选 择 配 合轴 承 外 环 与 轴 承 座 孔 径 的 配 合 不 宜 紧 ,应 为 间隙 配 合 ,而 轴 承 内 孔 与 轴 径 的 配 合 应 为 过 盈 配 合 。为 此 ,应 充 分 考 虑 轴 的 加 工 精 度 。2. 4 提 高 轴 承 座 刚 度当 轴 承 外 环 轴 向 振 动 的 固 有 频 率 与 轴 承 轴 向 弯曲 振 动 频 率 十 分 接 近 时 ,在 轴 承 端 盖 处 会 发 出 很 强的 异 常 噪 声 ,这 是 轴 承 与 轴 承 座 发 生 共 振 所 致 。 消除 的 办 法 有 :改 变 轴 承 座 的 壁 厚 及 形 状 ,提 高 轴 承 座31第 5 期 王 秋 林 等 :减 少 机 床 噪 声 污 染 的 方 法 2007 年 10 月 1994 ;增 加 预 紧 力 ,减 小 轴 承 径 向 间 隙 ,增 加 接 触刚 度 。2. 5 良 好 的 装 配 质 量 和 润 滑 状 态装 配 前 应 对 轴 承 彻 底 清 洗 ,加 洁 净 的 润 滑 油 。装 配 时 ,应 按 正 确 的 方 法 操 作 ,首 先 应 保 证 对 正 ,不可 猛 敲 击 ,以 免 产 生 刮 伤 、 毛 刺 ,否 则 会 使 轴 承 发 生周 期 性 振 动 和 噪 声 。应 使 轴 承 始 终 保 持 良 好 的 润 滑 状 态 。 良 好 的 润滑 可 避 免 干 摩 擦 ,并 有 一 定 的 阻 尼 作 用 ,对 降 低 轴 承噪 声 、 延 长 轴 承 使 用 寿 命 十 分 有 利 。2. 6 改 进 轴 承 结 构法 国 司 研 制 出 一 种 圆 锥 滚 子 做 成 中空 的 轴 承 ,也 称 承 ,如 图 7 所 示 。图 7 轴 承 改 进 示 意 图用 于 主 轴 前 、 后 支 承 。 一 方 面 两 列 滚 子 数 量 差一 个 ,从 而 使 两 列 滚 子 刚 度 变 化 频 率 不 同 ,以 抑 制 振动 。 另 一 方 面 ,为 了 控 制 发 热 量 过 大 , 承 保持 架 是 整 体 的 ,可 以 把 滚 子 之 间 的 空 隙 占 满 ,这 样 ,大 部 分 润 滑 油 被 迫 流 过 滚 子 的 中 空 ,冷 却 不 易 散 热的 滚 子 ,小 部 分 则 通 过 滚 子 与 滚 道 之 间 起 润 滑 作 用 。油 液 从 外 圈 中 部 的 径 向 孔 进 入 流 向 两 端 ,同 时 中 空并 填 充 油 的 滚 子 还 可 吸 收 振 动 ,从 而 降 低 机 床 噪 声 。3 降 低 齿 轮 箱 噪 声 的 措 施齿 轮 传 动 和 轴 承 振 动 发 出 的 噪 声 ,大 部 分 是 由齿 轮 箱 壁 发 出 去 的 ,若 齿 轮 箱 结 构 设 计 得 合 适 ,能 减少 箱 壁 噪 声 的 辐 射 。3. 1 增 加 齿 轮 箱 刚 度 ,减 少 箱 体 振 动在 机 床 设 计 中 ,齿 轮 箱 一 般 设 计 成 方 形 ,其 表 面是 没 有 加 强 筋 的 大 平 板 ,犹 如 发 射 噪 声 的 扬 声 器 。解 决 的 办 法 是 :(1)最 好 在 一 个 方 向 上 或 两 个 方 向 上 把 板 设 计成 曲 面 ,或 将 内 表 面 设 计 成 曲 面 ,外 表 面 设 计 成 平面 ,在 满 足 抑 制 噪 声 传 播 的 同 时 ,也 满 足 了 外 形 美 观的 需 求 。(2)在 大 平 板 上 附 加 肋 条 ,可 大 大 增 加 板 的 刚度 。 另 外 ,加 肋 后 的 大 板 可 视 为 若 干 个 小 板 的 组 合 ,因 小 板 的 固 有 频 率 远 远 高 于 大 板 的 固 有 频 率 ,不 易被 激 发 而 引 起 共 振 。3. 2 消 声 箱 盖 减 噪齿 轮 箱 盖 也 能 辐 射 出 较 大 的 噪 声 。 例 如 ,用 普通 箱 盖 发 出 的 噪 声 为 87 95A) ,由 铅 和 玻 璃 纤维 制 成 的 消 声 盖 ,由 于 有 良 好 的 吸 声 作 用 ,其 噪 声 降至 78 80A) ,可 获 得 较 好 的 减 噪 效 果 。3. 3 对 箱 体 密 封 减 噪密 封 严 密 的 齿 轮 箱 对 控 制 齿 轮 箱 噪 声 最 有 效 。例 如 用 0. 8 的 钢 板 盖 住 箱 体 孔 ,仅 加 盖 就 能 减少 约 10A) ,这 是 各 种 降 噪 措 施 中 费 用 最 低 而 效果 较 为 显 著 的 一 种 措 施 。4 结 语面 向 绿 色 制 造 的 机 床 一 车 间 系 统 降 噪 研 究 在国 际 上 引 起 了 广 泛 的 重 视 , 国 际 生 产 工 程 学 会 几 年 有 大 量 论 文 对 环 境 意 识 制 造 和 多 生 命周 期 工 程 等 与 绿 色 制 造 本 质 一 致 的 问 题 进 行 了 广泛 研 究 ;美 国 A T &T 和 许 多 企 业 以 企 业 行 为 投 入大 量 应 用 和 实 施 研 究 。 还 有 其 他 许 多 文 献 ,也 分 别对 绿 色 制 造 及 相 关 问 题 作 了 初 步 的 研 究 和 探 索 。目 前 大 部 分 对 于 机 床 噪 声 的 研 究 主 要 以 单 个 机床 作 为 对 象 ,研 究 改 善 机 床 噪 声 大 小 的 途 径 。 实 际上 在 生 产 中 ,车 间 环 境 中 机 床 的 噪 声 具 有 以 下 两 个特 点 :一 方 面 ,其 噪 声 不 但 与 机 床 有 关 ,而 且 与 待 加工 工 件 的 工 艺 要 求 有 关 ;另 一 方 面 ,机 械 加 工 系 统 往往 由 多 台 机 床 组 成 ,生 产 任 务 也 往 往 包 括 多 种 工 件 ,因 此 这 个 系 统 应 该 考 虑 机 床 与 工 件 之 间 的 联 系 、 机床 与 机 床 之 间 的 差 别 等 因 素 。 总 体 而 言 ,机 床 一 车间 系 统 是 一 个 密 不 可 分 的 整 体 ,只 有 从 系 统 的 角 度出 发 才 能 达 到 最 佳 降 噪 效 果