基于BeQuiet+試驗機的精密軸承潤滑脂噪聲性能評價方法

姜程，蘇懷剛，王超，于泓淵，婁文靜

(1.中國科學院蘭州化學物理研究所固體潤滑國家重點實驗室，甘肅蘭州 730000；2.青島市資源化學與 新材料研究中心，山東青島 266100；3.青島中科潤美潤滑材料有限公司，山東青島 266100)

精密軸承特別是精密滾動軸承，是精密設備與精密加工機械中起旋轉支撐作用的關鍵部件，其振動或者噪聲性能直接決定著設備及機械的精度和壽命[1-2]。影響精密軸承振動或噪聲的因素很多，主要有軸承材料、結構、加工、裝配以及潤滑劑等方面，隨著軸承制備與裝配技術的快速發展，潤滑劑噪聲性能逐漸成為影響軸承振動或噪聲的主要因素[3]。精密軸承中約有80%均采用潤滑脂作為潤滑劑進行潤滑，故潤滑脂的噪聲特性成為軸承噪聲和振動的關鍵影響因素[4]。

當軸承采用潤滑脂進行潤滑時，潤滑脂可以在軸承滾動體和滾道之間形成一層連續的油膜，有效降低軸承的振動。軸承滾動體和滾道之間的油膜厚度一般為亞微米水平，當潤滑脂中的固體顆粒尺寸大于油膜厚度并且從滾動體和滾道之間通過時，軸承就會產生噪聲[5]。近年來對于潤滑脂噪聲性能的研究主要集中于基礎油、稠化劑、添加劑、生產工藝和清潔度等方面[6-12]。大量研究表明，通過調控潤滑脂的結構和性能，提高潤滑脂的清潔度可以有效提高潤滑脂的噪聲性能[13-14]。

研究開發低噪聲的精密軸承潤滑脂需要建立有效的評價方法，目前關于潤滑脂噪聲性能的評價設備及研究方法較少[15-16]。對于潤滑脂噪聲性能的評定，目前國內沒有專門的設備，主要是利用S0910振動加速度測定儀和BVT-1A振動速度測定儀等分別對軸承和添加潤滑脂后軸承振動的有效值、峰值或波峰因素等進行測量，進而間接得出潤滑脂的噪聲性能[17]。國外評定潤滑脂噪聲的設備主要有FAG MGG11試驗機和SKF BeQuiet+試驗機，均為速度型振動傳感器，其中BeQuiet+試驗機應用較多，日本的NSK公司、德國的克魯勃公司等均使用BeQuiet+試驗機對其產品的噪聲性能進行測試，測試結果以噪聲等級表示[18-19]。潤滑脂噪聲測試沒有國際或國家標準，目前評價潤滑脂噪聲的方法有NB/SH/T 0854—2013《潤滑脂對滾動軸承振動性能的影響測量方法》，主要是針對加速度型軸承振動儀[20]。而針對速度型軸承振動儀，目前國內沒有形成潤滑脂噪聲評價的標準方法，多參照FAG或者SKF的企業內部方法進行評價。

目前國內市場上銷售的低噪聲潤滑脂主要為國外品牌，包括日本協同和德國克魯勃等，國內產品與國外同類產品相比性能差距大。國外主流低噪聲潤滑脂生產企業常利用BeQuiet+試驗機對潤滑脂的噪聲性能進行評價，但是BeQuiet+試驗機在國內擁有量很少，利用BeQuiet+試驗機對潤滑脂噪聲性能的評價并不為國內軸承及潤滑脂生產企業所熟悉，因此針對BeQuiet+試驗機開展潤滑脂噪聲性能評價方法的研究對精密軸承潤滑脂的研發具有重要的意義。本文作者采用BeQuiet+試驗機，針對軸承運行的不同階段設定不同程序，對精密軸承潤滑脂噪聲性能進行了分析和評價，并與S0910-Ⅲ軸承振動測定儀測試結果進行了分析比較。同時進一步對精密軸承潤滑脂的雜質粒子和微觀形貌進行了分析表征，對BeQuiet+試驗機評價方法進行了驗證。

1 試驗部分

1.1 潤滑脂

試驗用精密軸承潤滑脂包含2款實驗室制備潤滑脂(A和B)和4款市場主流的商品化精密軸承潤滑脂(C、D、E和F)。主要性能參數見表1。

表1 精密軸承潤滑脂主要性能參數

1.2 試驗儀器及條件

1.2.1 軸承潤滑脂BeQuiet+噪聲測試

利用圖1所示的BeQuiet+試驗機(SKF)對精密軸承潤滑脂噪聲進行測定，試驗機主要技術參數為轉速最大為1 800 r/min，載荷最大為60 N，振動傳感器為速度型傳感器。將試驗軸承安裝于傳動軸上，調節振動傳感器的位置，使傳感器剛剛接觸軸承外圈。將潤滑脂填充到10 mL的取樣器中，并確保潤滑脂之間不會產生大量氣泡。因此裝樣時首先將試樣放在光滑的瓷板上，用刮刀刮成2～3 mm的薄層，趕走氣泡；然后將取樣器帶沿的一端在瓷板上擠入試樣，一直到潤滑脂的體積大于10 mL為止；將試樣刮平，裝上取樣器的活塞軸，推動活塞擠走取樣器內的空氣。

圖1 BeQuiet+試驗機Fig.1 BeQuiet+ tester

使用BeQuiet+試驗機軸承振動模擬臺架進行潤滑脂噪聲測定試驗時，將一個測試軸承608(德國FAG，要求振動峰值小于5 μm/s)安裝于BeQuiet+試驗機主軸上，在室溫、軸向載荷30 N，轉速(1 800±30)r/min條件下，分別測定“干軸承”和“注脂軸承”的噪聲性能，通過軟件計算得出潤滑脂噪聲數據。試驗時，利用BeQuiet+試驗機設定3個程序測定潤滑脂噪聲性能，分別為：利用Start-up程序測試軸承啟動階段潤滑脂的噪聲值；利用BeQuiet+程序，測定軸承運行階段潤滑脂的噪聲等級、中頻段和高頻段潤滑脂的振動值；利用BeQuiet+ Multibearing程序測定潤滑脂的阻尼值。

1.2.2 軸承潤滑脂S0910-Ⅲ噪聲測定

采用S0910-Ⅲ軸承振動測定儀(寧波市北侖昂峰機械設備廠)對精密軸承潤滑脂噪聲性能進行測試，測試軸承為608軸承，在軸承中填充潤滑脂質量為(0.155±0.01) g，使潤滑脂分布于軸承兩側。測試條件為室溫、軸向載荷30 N、轉速(1 500±30) r/min。測試過程中，每個軸承分別選取軸承外圈外徑面圓周方向均布3點進行測量，取3次結果平均值為該套軸承的測試結果。先測量未添加潤滑脂時軸承的基礎噪聲值，然后測試填充潤滑脂后軸承的噪聲值，兩者的差值為潤滑脂的噪聲值(振動值)。啟動噪聲值取軸承運轉1～10 s內最大值，運轉噪聲值取軸承運轉1～2 min并且讀數穩定示值變化不超過1格時的值，峰值取軸承運行2 min時間內振動值的最大值。每個樣品測試3套軸承，取3套軸承測試結果的平均值為潤滑脂的噪聲值。

1.2.3 潤滑脂雜質粒子的測定

潤滑脂中雜質粒子按照標準SH/T 0336—1994進行測試，取少量潤滑脂放在血球計數器板中間平面上，用玻璃蓋片壓緊，放置于顯微鏡載物臺上，在透射光下觀測面積為5 mm×5 mm試樣薄層中潤滑脂每一級別粒子的數目，重復測量10次取平均值。

1.2.4 掃描電鏡(SEM)分析

取少量脂涂抹于銅網上，在正庚烷中浸泡24 h后取出晾干，噴金后使用JSM-7601F掃描電子顯微鏡(日本電子株式會社)進行測試。

2 結果與討論

2.1 基于BeQuiet+試驗機的潤滑脂噪聲測定結果

根據軸承運行過程中啟動和運行階段噪聲性能的不同，利用BeQuiet+試驗機分別設定了不同的程序條件測定精密軸承的啟動噪聲、運行階段潤滑脂的噪聲等級、中頻段和高頻段潤滑脂的振動值、噪聲衰減能力。

2.1.1 啟動噪聲

設置Start-up程序，設置軸承磨合時間為0，20次循環，測定時間0.96 s。啟動測試程序，測試精密軸承潤滑脂的振動峰值。潤滑脂在軸承啟動階段不同時間點的振動峰值見圖2?？梢妴与A段潤滑脂B噪聲性能最差，開始運轉時潤滑脂振動峰值很大，可達85.18 μm/s；隨著軸承繼續運行，振動峰值有所降低，但是軸承0～11.52 s運行時間內振動峰值波動很大。對于潤滑脂A，啟動階段潤滑脂振動峰值較潤滑脂B低，軸承在0～7.68 s運行時間內振動峰值均有較大波動但幅度較潤滑脂B小。其余4款潤滑脂C、D、E、F在軸承運行0～0.96 s內振動峰值稍大，潤滑脂C和D振動峰值在軸承運行0～7.68 s時有波動，以后振動峰值趨于穩定，潤滑脂E和F在0.96 s后振動峰值基本穩定，無明顯波動。從6款潤滑脂的啟動噪聲值可以看出，潤滑脂E和F的啟動噪聲性能明顯優于其他4款潤滑脂，并且振動峰值能夠在最短的時間內趨于穩定并且達到最低值。同時從圖2中可以看出，軸承啟動階段潤滑脂的振動峰值有波動，對于大部分潤滑脂在軸承運行7.68 s內潤滑脂振動峰值基本趨于穩定。

圖2 軸承潤滑脂振動峰值隨測試時間的變化Fig.2 The Variation of bearing grease vibration peak with test time

2.1.2 潤滑脂噪聲等級

利用BeQuiet+試驗機對潤滑脂進行噪聲等級測試，是目前國外低噪聲潤滑脂生產企業常采用的測試方法，遵循的是SKF的內部方法。文中采用該方法，設定BeQuiet+程序對潤滑脂的噪聲等級進行測試，軸承磨合時間設置為10.00 s，測定時間設定為3.20 s，吹掃時間為2.00 s，注脂時間為5.00 s，拉回時間為2.00 s。設為10次循環，注脂次數為10次。將測得的振動峰值結果分別統計≤5 μm/s、≤10 μm/s、≤20 μm/s和≤40 μm/s的百分數，潤滑脂振動峰值所占百分比與潤滑脂噪聲等級之間的關系及劃分見表2?？芍?，軸承潤滑脂的噪聲等級分為GNX、GN0、GN1、GN2、GN3和GN4共6個等級，大體對應潤滑脂的潔凈度情況。GNX和GN0對應潤滑脂的重度污染(Very Dirty)，GN1、GN2、GN3和GN4分別對應潤滑脂的污染(Dirty)、吵雜(Noisy)、潔凈(Clean)和超潔凈(Quiet)。

表2 潤滑脂振動峰值與潤滑脂噪聲等級之間的關系

利用BeQuiet+試驗機對潤滑脂噪聲等級進行測試，由于大部分潤滑脂噪聲性能在軸承運行7.68 s內能夠趨于穩定，故軸承磨合時間設置為10.00 s，主要測試軸承平穩運行階段潤滑脂的噪聲性能。測試噪聲等級的時間為軸承啟動運行10 s后，測試結果如圖3所示。潤滑脂D、E和F噪聲等級為GN3，為6款測試潤滑脂中噪聲等級最高的潤滑脂，為靜音脂，說明該款潤滑脂在軸承運行過程中有超過95%的振動峰值V≤10 μm/s，超過98%的振動峰值V≤20 μm/s，100%的振動峰值V≤40 μm/s。潤滑脂C噪聲等級為GN2，為低噪聲脂。潤滑脂A和B噪聲性能最差為GNX。

圖3 不同潤滑脂的噪聲等級Fig.3 Noise levels for different greases

但從上述分析結果可知，采用SKF的內部方法，對于同一噪聲等級的潤滑脂如D、E和F，僅從GN等級并不能對其噪聲性能進行有效區分。為了進一步對噪聲等級相同的潤滑脂進行區分，文中對潤滑脂在中頻段、高頻段的振動值進行了分析。

振動測量結果信號可分為低、中、高3個頻段，一般低頻段基本上只包含軸承本身的噪聲，因此，常用中、高頻段的振動值來評估潤滑脂的噪聲性能。對軸承平穩運行階段潤滑脂在中頻段和高頻段的振動值進行了分析，如圖4所示。在中頻段潤滑脂B的振動值波動很大，并且數值明顯高于其他5款潤滑脂。潤滑脂A的振動值波動明顯小于潤滑脂B，但與其他4款潤滑脂相比較，其振動值較大且仍具有很大的波動性。潤滑脂C在中頻段的振動值明顯低于潤滑脂A和B，并且在整個測試時間段內振動值很平穩，波動很小。潤滑脂D、E和F在中頻段振動值相近，是6款潤滑脂中最低的，并且無明顯波動。從圖4可以看出，潤滑脂在高頻段振動值差異較中頻段明顯。因此潤滑脂的差異對中頻段的影響較小，但是對高頻段的影響顯著，這與MARU等[21]的研究結果一致。根據振動值的大小和波動綜合排序，潤滑脂E的噪聲性能最優，然后依次為F、D、C、A、B。綜上所述，根據潤滑脂等級，以及在中頻段和高頻段的振動值，可以得出對于噪聲等級相同的D、E和F 3款潤滑脂中，潤滑脂E在平穩運行階段噪聲性能最優。

2.1.3 阻尼性能

阻尼性能測試啟動 BeQuiet+Multibearing程序，軸承磨合時間設置為10.00 s，測定時間設定為3.20 s，吹掃時間為2.00 s，注脂時間為5.00 s，拉回時間為2.00 s。設為10次循環，注脂次數為2次，依次用5個測試軸承測試潤滑脂的振動峰值，計算出潤滑脂在中頻段(300～1 800 Hz)的阻尼值Dm和高頻段(1 800～10 000 Hz)的阻尼值Dh，計算方法見公式(1)和(2)。

Dm=[(Vm0-Vm1)/Vm0]×100%

(1)

Dh=[(Vh0-Vh1)/Vh0]×100%

(2)

式中：Vm0為中頻段“干軸承”振動峰值測量結果的平均值；Vm1為“注脂軸承”在中頻段振動峰值測量結果的平均值；Vh0為高頻段“干軸承”振動峰值測量結果的平均值；Vh1為“注脂軸承”在高頻段振動峰值測量結果的平均值。單位均為μm/s。

在軸承運行過程中，軸承的噪聲性能體現的是軸承本身噪聲性能以及潤滑脂的噪聲性能的總和，僅利用一個軸承對潤滑脂的噪聲性能進行評價，結果可能會受軸承本身噪聲性能的影響。為了排除軸承因素的影響，文中采用5個測試軸承對潤滑脂在中頻段和高頻段的振動峰值進行了表征，最后通過公式計算出潤滑脂的阻尼值[22]。潤滑脂阻尼值與潤滑脂類型、基礎油、稠化劑和生產工藝過程有關，阻尼值越大代表潤滑脂在該頻段的噪聲衰減能力越強。利用BeQuiet+試驗機對不同精密軸承潤滑脂在中頻段和高頻段的阻尼值進行了表征，具體測試結果如表3所示。在中頻段和高頻段，潤滑脂阻尼值大小趨勢基本一致。6款潤滑脂中，潤滑脂E在中頻段和高頻段的阻尼值均最高，分別為-0.9%和1.7%，略高于潤滑脂F，即潤滑脂E對軸承噪聲的衰減能力最強，潤滑脂F次之。潤滑脂D在中頻段的阻尼值與潤滑脂E和F相近，在高頻段阻尼值明顯小于潤滑脂E和F，與圖4中潤滑脂在高頻段振動值的趨勢是一致的，而潤滑脂D在中、高頻段的阻尼值均大于潤滑脂C，因此潤滑脂D對軸承噪聲的衰減能力低于潤滑脂E和F，高于潤滑脂C。所有潤滑脂中，潤滑脂B的阻尼值最小，表明其對軸承噪聲的衰減能力最弱，噪聲性能最差。通過上述數據比較可知，在中頻段和高頻段潤滑脂的阻尼值與振動值趨勢基本一致，具有良好的對應性。

圖4 不同潤滑脂在中頻段和高頻段的振動值Fig.4 Vibration values of different greases in the medium frequency band(a)and high frequency band(b)

表3 潤滑脂在中頻段和高頻段的阻尼值

2.2 基于S0910-Ⅲ試驗機的潤滑脂噪聲測定結果

用加速度型的S0910-Ⅲ軸承振動測定儀測定精密軸承潤滑脂的噪聲特性，測試結果如表4所示。潤滑脂A的軸承啟動振動值為13 dB，運轉振動值為10 dB，測試過程中波形不穩定，波動很大，全程有異常聲。潤滑脂B的啟動振動值為20 dB，運轉振動值為8 dB，測試過程中波形不穩定，波動很大，全程有異常聲。測試結果表明，潤滑脂A和B噪聲性能明顯較差。潤滑脂C、D、E和F啟動振動值和運轉振動值差異較小，噪聲性能較好；潤滑脂E和F在整個測試過程中，波形穩定，偶有異常聲，噪聲性能最優。

表4 潤滑脂噪聲值(S0910-Ⅲ軸承振動儀法)

2.3 兩種評價方法比較

前文利用BeQuiet+試驗機對6種不同質量等級的精密軸承潤滑脂在軸承啟動階段和平穩運行階段噪聲性能的評價表明，對于噪聲性能較好的潤滑脂，振動峰值在10 s內基本趨于穩定；對軸承平穩運行時潤滑脂的GN等級、在中頻段和高頻段的振動值、阻尼值的評價表明，潤滑脂在中、高頻段的振動值和阻尼值對噪聲性能更具有區分性。同時利用S0910-Ⅲ軸承振動測定儀對BeQuiet+試驗機法評價潤滑脂噪聲性能進行了驗證，結果表明，對于性能相差較大的潤滑脂，2種方法評價的潤滑脂噪聲性能整體趨勢一致。

BeQuiet+試驗機法著重評價的是整個運行階段精密軸承潤滑脂的噪聲性能以及運行過程中噪聲性能的穩定性。BeQuiet+試驗機能夠對軸承運行過程中中頻段和高頻段的振動值和阻尼值進行準確測量和記錄，而S0910-Ⅲ軸承振動測定儀需要結合模擬示波器和揚聲器依據經驗進行判斷，操作因人而異不夠規范，故BeQuiet+試驗機法對潤滑脂噪聲的評價方法更為準確和合理。

2.4 潤滑脂雜質粒子

潤滑脂中雜質粒子的粒徑、含量和分布對潤滑脂的噪聲性能均有重要影響[23]。用潤滑脂對軸承進行潤滑時，油膜厚度一般小于1 μm，軸承運轉過程中當潤滑脂中大于油膜厚度的雜質粒子進入到軸承摩擦接觸區時會引起軸承的噪聲和振動。文中按照檢測標準SH/T 0336—1994對不同潤滑脂中的雜質粒子進行了表征，結果如表5所示。10～25 μm粒徑范圍內，潤滑脂B中雜質粒子數量最多，880個/cm3，其次為潤滑脂 A，雜質粒子數量為720個/cm3，然后依次為潤滑脂C、D、 E、F。雜質粒子含量越多，潤滑脂噪聲性能越差。雜質粒子含量與BeQuiet+試驗機法評價的潤滑脂噪聲性能趨勢具有一致性，進一步驗證了該精密軸承潤滑脂噪聲評價方法的可行性。

表5 不同潤滑脂中雜質粒子數量

2.5 潤滑脂微觀形貌

通過掃描電鏡對潤滑脂的微觀結構進行表征，結果如圖5所示。潤滑脂A和B的稠化劑為聚脲基，稠化劑為短小的纖維結構。對于稠化劑纖維很短的潤滑脂，在軸承中潤滑時主要形成攪拌型潤滑脂，起潤滑作用的為潤滑脂本身，但是潤滑脂中的雜質粒子更容易進入到軸承摩擦接觸區引起軸承的振動或噪聲。結合潤滑脂中雜質粒子數量，潤滑脂A和B中含有大量的10～25 μm和大于25～75 μm的雜質粒子，故潤滑脂A和B的噪聲性能最差。潤滑脂C的稠化劑為短小的片狀結構，潤滑脂D稠化劑為扁平的片狀結構。潤滑脂E為鋰基脂，稠化劑為纖維結構且分布均勻，形成了互穿的網絡結構，故噪聲性能優于前述4款潤滑脂[24]。潤滑脂F稠化劑結構為細小的纖維狀結構，交織成網狀結構，軸承運行時能夠形成溝槽型潤滑脂，對軸承起潤滑作用的主要是析出的基礎油，雜質粒子進入軸承摩擦接觸區的概率較小對軸承噪聲的影響較小，同時潤滑脂中本身含有的雜質粒子很少，故該款潤滑脂對軸承也具有很好的降噪性能[13]。

圖5 潤滑脂的微觀結構：(a)A；(b)B；(c)C；(d)D；(e)E；(f)FFig.5 Microstructures of greases：(a) A；(b) B；(c) C；(d) D；(e) E；(f) F

3 結論

(1)選用6款不同的精密軸承潤滑脂，采用BeQuiet+試驗機，利用建立的評價方法對潤滑脂噪聲性能進行了分析和評價，結果表明，BeQuiet+試驗機法能夠快速準確地評價軸承不同運行階段潤滑脂的噪聲性能。

(2)將建立的BeQuiet+試驗機評價法與傳統的S0910-Ⅲ軸承振動評價法進行了對比，結果表明，對于潤滑脂噪聲性能差別比較大的潤滑脂，2種儀器測試結果趨勢基本一致，具有較好的對應性；對于潤滑脂噪聲性能相近的潤滑脂，BeQuiet+試驗機更具有區分性，因此BeQuiet+試驗機法測試結果及數據處理方式較S0910-Ⅲ軸承振動測定儀更為精密和全面。

(3)對潤滑脂的雜質粒子和微觀形貌進行了分析，得出雜質粒子含量低，纖維結構成網狀結構且均勻的潤滑脂具有較好的噪聲性能，進一步驗證了建立的BeQuiet+試驗機評價方法的準確性。