降低CT运行噪声的旋转轴承固有振动分析研究

摘 要 为满足YY0310、IEC60601-1 对CT运行噪声的要求，通过对CT旋转轴承滚动体通过频率的计算，结合应用有限元模态分析方法，对轴承的内、外圈进行模态分析，选定优化的参数：轴承滚动体的数量100个、轴承滚动体直径15mm、轴承节圆直径845mm，解决由于轴承固有振动而产生影响产品质量的噪声问题。实测样机在0.8s/r旋转速度下的最大工作噪声为60dB（A），满足国家标准要求。

关键词 CT旋转轴承 通过频率 模态分析 固有振动 运行噪声

前 言

从1972年第一台CT[1]（Computed Tomography）问世以来，CT经历多个发展阶段。但无论其如何发展，高扫描速度、低剂量下优质图像质量、快速的解析处理能力是医院对CT产品质量的永恒要求。其中，高扫描速度尤为关键，因为扫描速度的提高意味着时间分辨率的提高，这对减少扫描过程中由于人体器官运动造成的伪影具有重大临床应用意义[2～5]。

扫描速度提高的同时，也意味着旋转系统转速提高，将导致CT运转噪声变大。由于YY0310[6]、IEC60601-1[7] 对CT运行噪声有明确要求，故CT运转噪声现已成为制约CT发展的主要因素之一。CT系统噪声主要产生于：主旋转轴承旋转噪声、球管阳极旋转噪声、散热风扇旋转噪声、系统驱动部件产生的噪声等。其中，主旋转轴承旋转噪声约占CT系统总运转噪声的80%～90%。故本文主要研究影响CT运转噪声的关键部件——主旋转轴承，如何从结构设计上控制其振动和噪声进行详细阐述。

1 CT旋转系统基本机械结构

旋转系统主要由旋转板、主旋转轴承、驱动部分等组成（见图1）。旋转板主要用于安装球管、检测器箱体、高压箱体等部件；驱动部分主要用于传递旋转系统驱动力；轴承主要用于实现旋转系统旋转。

2 主旋转轴承振动分析

CT主旋转轴承在结构设计上产生的振动主要为以下3种形式：轴承滚动体通过振动，轴承外圈、内圈固有振动，轴承弹性引起的振动。由于轴承滚动体通过振动和外圈、内圈固有振动为CT系统中轴承的主要振动形态，故在CT新产品轴承结构设计中，主要是通过对轴承滚动体通过振动频率及轴承内、外圈固有频率的计算，以避免由于轴承滚动体运动造成轴承或整个系统发生共振，进而使系统运转噪声不符合相关标准、法规要求或造成系统发生振动破坏[8～10]。

2.1 主旋转轴承滚动体通过振动的频率计算

CT主旋转轴承工作时，主要承受径向载荷。各滚动体的载荷状态，将随其位置而改变。当滚动于径向载荷Fr方向的正下方时（见图2），此滚动体的轴承圈（包括内圈和外圈）弹性变形最大。当滚动于载荷方向的对称位置时（见图3），轴承弹性变形将减小。由此可知，旋转系统旋转时轴承滚动体通过径向方向载荷的位置，使旋转系统的回转中心轴上下移动，即造成旋转系统产生周期性振动[11，12]。

图2 轴承载荷状态和滚动体的位置a

图3 轴承载荷状态和滚动体的位置b

轴承滚动体的通过频率f等于滚动体的公转频率fc（即保持架的转动频率）和滚动体的个数z之乘积，即

（1）

式中，fr旋转系统的转动频率，Hz；d滚动体的直径，mm；D轴承的节圆直径，mm。

在X-CT产品设计中，主旋转轴承结构主参数初步选定为：z=162 ，d=12mm ，D=834mm；系统工作旋转速度为：0.8s/r，1s/r，1.5s/r，2s/r，2.5s/r，3s/r。

则根据式（1），得出主旋转轴承在系统不同旋转速度下的滚动体通过振动频率（见表1）。

2.2 主旋转轴承的模态分析

通过Solidworks Simulation[13]对X-CT主旋转轴承内圈、外圈进行FEA（Finite Element Analysis）模态分析[14，15]，分别计算其低阶固有频率。

2.3 讨论

通过以上计算、分析可知，当X-CT以最大旋转速度0.8s/r旋转时，由于初定设计结构参数下，主旋转轴承滚动体通过振动的频率与轴承内圈一阶固有频率基本一致，与轴承外圈的一阶固有频率也较为接近，如旋转系统持续旋转一定时间，会引起整个轴承的共振，进而使系统产生较大的旋转噪声或是造成系统振动破坏。

重新设计X-CT架构，将轴承滚动体的数量改为100个、轴承滚动体直径改为15mm、轴承节圆直径改为845mm。则在系统任一工作转速下，新结构参数轴承滚动体通过振动的频率最大为61.391Hz，远低于轴承外圈、内圈的一阶固有频率，这样在轴承结构设计中就有效地避免系统工作时产生轴承共振的问题。当然，在设计中，也可以通过调整系统旋转速度或是改变轴承等相关部件的固有频率来避免此类问题发生。

在X-CT产品样机阶段，参照YY0310规定的测试方法，实测样机在0.8s/r的旋转速度下最大工作噪声为60dB（A），满足YY0310 5.2.6和IEC60601-1 Ed3.0 9.6.2对CT工作噪声的要求。

3 结论

本文主要通过振动理论计算及FEA模态分析方法，对如何在CT系统设计中避免主旋转轴承产生共振的问题进行详细阐述，这对CT新产品的开发设计具有很大的实际应用意义；同时，本文所阐述方法也同样适用于立式旋转机械的轴承振动分析与研究。

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