1、引言

 

　　【壓縮機(jī)網(wǎng)】壓縮機(jī)是一種通用機(jī)械，作為核心設(shè)備廣泛應(yīng)用于空氣動(dòng)力、制冷、化工、食品、醫(yī)藥、紡織等諸多領(lǐng)域。振動(dòng)和噪聲是評(píng)價(jià)壓縮機(jī)質(zhì)量的重要指標(biāo)[1]。在使用壓縮機(jī)的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，總是有一臺(tái)或多臺(tái)電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)，而其中壓縮機(jī)的振動(dòng)噪聲一般高于電動(dòng)機(jī)。目前關(guān)于壓縮機(jī)振動(dòng)噪聲的研究[2～6]已相對(duì)成熟，隨著壓縮機(jī)減振降噪技術(shù)的不斷提升，電動(dòng)機(jī)的振動(dòng)噪聲逐漸凸顯出來。電動(dòng)機(jī)異?；蛘咂蟮恼駝?dòng)噪聲，不僅影響壓縮機(jī)設(shè)備整體的振動(dòng)噪聲水平，而且會(huì)帶來額外的功率損失，同時(shí)在一定程度上縮短壓縮機(jī)設(shè)備的使用壽命。對(duì)電動(dòng)機(jī)的振動(dòng)噪聲進(jìn)行故障診斷，有助于判斷電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)是否異常，識(shí)別電動(dòng)機(jī)發(fā)生故障的位置及產(chǎn)生故障的原因。
 

 

　　2、電動(dòng)機(jī)振動(dòng)噪聲產(chǎn)生機(jī)理

 

　　電動(dòng)機(jī)的振動(dòng)和噪聲是評(píng)定電動(dòng)機(jī)質(zhì)量的重要指標(biāo)[7,8]，電動(dòng)機(jī)的振動(dòng)不僅影響其使用壽命，而且是引起噪聲的主要原因。一般來說，電動(dòng)機(jī)噪聲來源基本可以分為三類，即空氣動(dòng)力噪聲、機(jī)械噪聲與電磁噪聲。

 

　?。?）空氣動(dòng)力噪聲
 

　　電動(dòng)機(jī)的空氣動(dòng)力噪聲包括通風(fēng)噪聲及電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)部分與氣體摩擦的噪聲?？諝鈩?dòng)力噪聲產(chǎn)生的根部原因是電動(dòng)機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)中氣流壓力的局部迅速變化和隨時(shí)間的急烈脈動(dòng)以及氣體與電動(dòng)機(jī)風(fēng)路管道的摩擦，這種噪聲直接從氣流中輻射出來[9～16]。

 

　　壓縮機(jī)常用的外置式電動(dòng)機(jī)，一般具有冷卻風(fēng)扇，其空氣動(dòng)力噪聲包括旋轉(zhuǎn)噪聲、渦流噪聲及笛聲。旋轉(zhuǎn)噪聲是指風(fēng)扇高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，空氣質(zhì)點(diǎn)受到風(fēng)葉周期性的作用而產(chǎn)生壓力脈動(dòng)，從而引發(fā)的噪聲。渦流噪聲是風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)時(shí)在葉片后面產(chǎn)生渦流，進(jìn)而引起氣流擾動(dòng)，形成壓縮與稀疏過程，從而產(chǎn)生的噪聲。笛聲是氣流遇到障礙物發(fā)生擾動(dòng)而產(chǎn)生的單一頻率的聲音，一般有三種：定、轉(zhuǎn)子風(fēng)道之間的干擾，轉(zhuǎn)子導(dǎo)條與定子繞組之間的干擾，以及風(fēng)扇葉片與基座散熱筋之間的干擾。對(duì)于如半封閉制冷壓縮機(jī)等具有的內(nèi)置式電動(dòng)機(jī)，通常沒有冷卻風(fēng)扇，通過制冷劑等流體進(jìn)行冷卻，此時(shí)的空氣動(dòng)力噪聲則主要由于冷卻流體流經(jīng)冷卻流道及氣隙而引發(fā)的噪聲。

 

　　（2）機(jī)械噪聲

 

　　機(jī)械噪聲是由電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)部分的摩擦、撞擊、不平衡以及結(jié)構(gòu)共振形成的[9～16]。電動(dòng)機(jī)機(jī)械噪聲主要包括軸承噪聲和轉(zhuǎn)子不平衡引起的噪聲。

 

　　軸承噪聲分為滾動(dòng)軸承噪聲及滑動(dòng)軸承噪聲。滾動(dòng)軸承是現(xiàn)有壓縮機(jī)用電動(dòng)機(jī)中最常用的軸承類型，多為深溝球軸承。造成滾動(dòng)軸承噪聲的因素主要有：軸承本身幾何缺陷、外來異物侵入、潤滑狀態(tài)不佳、承受交變載荷、不合理裝配等。而滑動(dòng)軸承噪聲則是受到加工精度、功率量、開槽方式及軸承材料等因素影響。對(duì)于內(nèi)置于壓縮機(jī)內(nèi)部的電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)常與壓縮機(jī)共用軸承，此時(shí)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部件的負(fù)荷變化對(duì)軸承噪聲具有較大的影響。

 

　　電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子不平衡造成動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)子振動(dòng)和偏心，可導(dǎo)致由定子、轉(zhuǎn)子以及轉(zhuǎn)子支撐裝置依次發(fā)出噪聲。轉(zhuǎn)子的不平衡一方面與其本身質(zhì)量分布不均有關(guān)，另一方面也與中心軸的撓曲變形有關(guān)。對(duì)于外置式電動(dòng)機(jī)，當(dāng)壓縮機(jī)與電動(dòng)機(jī)的傳動(dòng)軸在聯(lián)軸器處存在錯(cuò)位或交叉等狀況時(shí)，壓縮機(jī)會(huì)通過傳動(dòng)軸向電動(dòng)機(jī)的中心軸傳遞徑向負(fù)荷，從而造成中心軸的撓曲。而對(duì)于半封閉式制冷壓縮機(jī)（如雙螺桿壓縮機(jī)），電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子常處于懸臂結(jié)構(gòu)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過程會(huì)有小幅擺動(dòng)，這同樣會(huì)引起機(jī)械噪聲。

 

　?。?）電磁噪聲

 

　　所謂電磁噪聲，是電磁力作用在定、轉(zhuǎn)子間的氣隙中，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力波或脈動(dòng)動(dòng)力波，是定子產(chǎn)生振動(dòng)而向外輻射噪聲。電動(dòng)機(jī)電磁噪聲的主要來源是鐵芯和機(jī)殼的振動(dòng)，機(jī)殼的振動(dòng)直接輻射噪聲，鐵芯的振動(dòng)通過機(jī)殼或端蓋上的孔向外輻射噪聲。電動(dòng)機(jī)中，主磁通大致沿徑向進(jìn)入氣隙，并在定子和轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生徑向力，同時(shí)它產(chǎn)生切向力矩和軸向力，徑向力所引起的振動(dòng)是三相電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生電磁振動(dòng)和噪聲的主要原因[9～16]。

 

　　基波磁場(chǎng)和定轉(zhuǎn)子諧波磁場(chǎng)相互作用是產(chǎn)生徑向力波的主要原因。由基波磁場(chǎng)及定、轉(zhuǎn)子諧波磁場(chǎng)相互作用所產(chǎn)生的交變徑向力波作用于定轉(zhuǎn)子鐵芯，引起隨時(shí)間周期性變化的變形，從而引發(fā)振動(dòng)和噪聲。因轉(zhuǎn)子剛度較好，而定子鐵芯剛性較差，一般認(rèn)為定子鐵芯的振動(dòng)是引起電磁噪聲的主要原因。

 

　　現(xiàn)有部分小型壓縮機(jī)，如民用活塞空壓機(jī)等，采用的是單相異步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)。單相異步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的氣隙磁場(chǎng)，一般是橢圓形的，各次諧波磁場(chǎng)相互作用，除了產(chǎn)生徑向電磁振動(dòng)力外，一般還附加產(chǎn)生切向振動(dòng)力。切向振動(dòng)對(duì)于電動(dòng)機(jī)本身的噪聲而言是微不足道的，然而由于這類電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用場(chǎng)合一般都是小型壓縮機(jī)，往往存在薄壁結(jié)構(gòu)，切向振動(dòng)常導(dǎo)致薄壁產(chǎn)生較大的振動(dòng)，甚至發(fā)生共振現(xiàn)象，從而產(chǎn)生較大的噪聲。

 

　　3、電動(dòng)機(jī)振動(dòng)噪聲故障診斷

 

　　壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中所產(chǎn)生的振動(dòng)噪聲，是由壓縮機(jī)本身以及電動(dòng)機(jī)各自的振動(dòng)噪聲疊加起來形成的。正常運(yùn)行中，壓縮機(jī)本體會(huì)發(fā)出一系列不同頻率的振動(dòng)噪聲，這些頻率一般具有一定的規(guī)律，常與壓縮機(jī)幾何參數(shù)如轉(zhuǎn)子齒數(shù)、氣缸列數(shù)等相關(guān)。對(duì)壓縮機(jī)用電動(dòng)機(jī)進(jìn)行振動(dòng)噪聲的故障診斷，需充分考慮并排除壓縮機(jī)本體振動(dòng)噪聲的影響，必要時(shí)可脫離負(fù)載單獨(dú)運(yùn)轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)來診斷其振動(dòng)噪聲。

 

　　3.1電動(dòng)機(jī)噪聲診斷

 

　　在通常情況下，電動(dòng)機(jī)噪聲是平穩(wěn)的且具有隨機(jī)過程特性的復(fù)合噪聲。由于電動(dòng)機(jī)內(nèi)噪聲源較多，電磁噪聲、機(jī)械噪聲和空氣動(dòng)力噪聲分布在不同的頻域，而有時(shí)又相互重疊、混雜，噪聲往往具有較寬的頻域范圍。電動(dòng)機(jī)在特殊情況下，會(huì)產(chǎn)生非平穩(wěn)的隨機(jī)噪聲，而這種噪聲往往和某些故障有直接關(guān)系。電動(dòng)機(jī)所輻射的噪聲雖然是一種隨機(jī)過程的復(fù)合噪聲，但它內(nèi)部的噪聲源卻是互不相干的。頻譜分析是確定噪聲頻率成分和噪聲源的重要方法，這種方法將在下節(jié)一并闡述。在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，可以采用分離因素的原理，來確定電動(dòng)機(jī)的噪聲源，常用的方法如下[17～24]：

 

　?。?）突然停電法。在條件允許的情況下，將正常允許的電動(dòng)機(jī)突然斷電，電動(dòng)機(jī)由于慣性會(huì)繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)一段時(shí)間，斷電的瞬間，電動(dòng)機(jī)的噪聲會(huì)立即消失。因此對(duì)比斷電前后噪聲級(jí)的變化，消失的某一部分都屬于電磁噪聲。

 

　?。?）停止通風(fēng)法。通過停止電動(dòng)機(jī)風(fēng)扇或者外鼓風(fēng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，將此時(shí)的噪聲聲級(jí)與正常通風(fēng)時(shí)的聲級(jí)進(jìn)行對(duì)比，可分析出風(fēng)扇和外鼓風(fēng)機(jī)的噪聲成分。

 

　　（3）對(duì)拖法。用一臺(tái)低噪聲電動(dòng)機(jī)作為原動(dòng)機(jī)，拖動(dòng)被測(cè)電動(dòng)機(jī)，將測(cè)得的噪聲聲級(jí)與被測(cè)電動(dòng)機(jī)空載運(yùn)行時(shí)的噪聲級(jí)和頻譜相比較，這樣可鑒別出電磁噪聲。

 

　?。?）更換零部件法。有些零、部件在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，由于共振而發(fā)生機(jī)械噪聲，通過將這些零件取下或者更換，并于它們存在或者未更換使作比較，可分離出共振而引起的機(jī)械噪聲。

 

　　3.2電動(dòng)機(jī)振動(dòng)診斷

 

　　電動(dòng)機(jī)在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，振動(dòng)有一種典型特性和一個(gè)允許限值，當(dāng)電動(dòng)機(jī)內(nèi)部出現(xiàn)故障時(shí)，振動(dòng)的振幅、振動(dòng)的形式以及振動(dòng)頻譜成分都會(huì)發(fā)生變化，且不同的缺陷和故障所引起的振動(dòng)方式也不盡相同。振動(dòng)能夠客觀地反映電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。對(duì)電動(dòng)機(jī)的振動(dòng)進(jìn)行測(cè)量和分析，是電動(dòng)機(jī)振動(dòng)噪聲故障診斷的主要技術(shù)手段。

 

　　簡(jiǎn)諧振動(dòng)是一種最基本的振動(dòng)形式，其振動(dòng)位移  可用下式來表示：

 

　　振動(dòng)的速度  是振動(dòng)位移  的微分值：

 

　　振動(dòng)加速度  是振動(dòng)速度  的微分值：

 

　　使用測(cè)量?jī)x器可采集得到的電動(dòng)機(jī)振動(dòng)位移、振動(dòng)速度、振動(dòng)加速度是隨時(shí)間變化的時(shí)域信號(hào)，再通過傅里葉變換可將其分解成多個(gè)不同頻率和幅值的簡(jiǎn)諧振動(dòng)。引起電動(dòng)機(jī)振動(dòng)的原因很多，產(chǎn)生振動(dòng)的部位和振動(dòng)的特征各不相同，結(jié)合電動(dòng)機(jī)異常振動(dòng)的特點(diǎn)，對(duì)電動(dòng)機(jī)振動(dòng)頻譜進(jìn)行分析，有助于快速診斷電動(dòng)機(jī)異常振動(dòng)噪聲的原因。電動(dòng)機(jī)常見的異常振動(dòng)有一下幾種類型[17～24]：

 

　　（4）轉(zhuǎn)子不平衡產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)。當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子質(zhì)量分布不平衡時(shí)，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生單邊離心力，從而引發(fā)機(jī)械振動(dòng)。此時(shí)振動(dòng)頻率與轉(zhuǎn)速頻率相等，振幅隨轉(zhuǎn)速提高而增大。

 

　　（5）滾動(dòng)軸承異常產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)。當(dāng)滾動(dòng)軸承發(fā)生損壞時(shí)，應(yīng)當(dāng)以各軸承的特征頻率為參考來判斷出現(xiàn)故障的部位。由載荷過大、安裝不正確或者滾動(dòng)體大小不一致所引起的振動(dòng)，一般頻率較低，通常小于1kHz。當(dāng)滾動(dòng)軸承本身加工和裝配不良時(shí)，振幅以軸向?yàn)樽畲?，振?dòng)頻率與旋轉(zhuǎn)頻率相同。

 

　?。?）滑動(dòng)軸承異常產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)。在滑動(dòng)軸承長(zhǎng)期運(yùn)行后，軸瓦間隙變大、潤滑油粘度過大、油溫偏低以及軸承負(fù)載減輕等原因會(huì)造成油膜加厚，油膜動(dòng)壓不穩(wěn)定造成油膜渦動(dòng)而產(chǎn)生徑向振動(dòng)，振動(dòng)頻率一般略低于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)頻率的一半（通常0.42～0.48），一般通過改變潤滑油粘度和溫度能減輕或消除振動(dòng)。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)頻率達(dá)到其一階臨界轉(zhuǎn)速的2倍時(shí)，隨著轉(zhuǎn)速增加，油膜渦動(dòng)的頻率等于轉(zhuǎn)子一階臨界轉(zhuǎn)速并保持不變，此時(shí)出現(xiàn)強(qiáng)烈的徑向振動(dòng)，即為油膜振蕩。通過減少轉(zhuǎn)子不平衡、降低潤滑油粘度和提高溫度，能使油膜振蕩消失。

 

　　（7）安裝、調(diào)整不良引起的機(jī)械振動(dòng)。當(dāng)電動(dòng)機(jī)軸線與壓縮機(jī)軸線不重合（平行或相交）時(shí)，電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行中會(huì)受到來自聯(lián)軸器的作用力而發(fā)生振動(dòng)。此時(shí)，振動(dòng)中2倍旋轉(zhuǎn)頻率的成分增多，當(dāng)電動(dòng)機(jī)單獨(dú)運(yùn)行時(shí)，這些振動(dòng)立即消失。當(dāng)電動(dòng)機(jī)與壓縮機(jī)之間聯(lián)軸器配合不好時(shí)，會(huì)產(chǎn)生不平衡力而引起徑向振動(dòng)，此振動(dòng)頻率與旋轉(zhuǎn)頻率相同，電動(dòng)機(jī)和壓縮機(jī)振動(dòng)相位相差180°，電動(dòng)機(jī)單獨(dú)運(yùn)行時(shí)，振動(dòng)消失。

 

　　4、結(jié)論

 

　　壓縮機(jī)的振動(dòng)噪聲往往包含有電動(dòng)機(jī)振動(dòng)噪聲部分，對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行振動(dòng)噪聲的故障診斷，有助于進(jìn)步降低壓縮機(jī)設(shè)備的振動(dòng)噪聲水平，提高壓縮機(jī)設(shè)備可靠性和產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。

　　本文結(jié)合電動(dòng)機(jī)在壓縮機(jī)系統(tǒng)中的工作特點(diǎn)，指出壓縮機(jī)用電動(dòng)機(jī)振動(dòng)噪聲來源于空氣動(dòng)力、機(jī)械和電磁三個(gè)方面，并闡述了電動(dòng)機(jī)空氣動(dòng)力噪聲、機(jī)械噪聲、電磁噪聲的產(chǎn)生機(jī)理?；诜蛛x因素的原理，闡述了電動(dòng)機(jī)噪聲源的識(shí)別與診斷技術(shù)，同時(shí)基于振動(dòng)頻譜分析理論，闡述了電動(dòng)機(jī)各部件異常振動(dòng)的特征頻率及診斷技術(shù)。

 

　　作者介紹

 

　　楊僑明（1989.6-），男，山西人，中級(jí)工程師，碩士，現(xiàn)就職于西安交通大學(xué)蘇州研究院，主要從事螺桿壓縮機(jī)性能及可靠性方面的研究。

 

　　參考文獻(xiàn)

　　[1] JB/T 8541-2013, 容積式壓縮機(jī)機(jī)械振動(dòng)分級(jí)[S]. 2013.

　　[2] 吳華根,羅江鋒,聶娟,陳圣坤,邢子文.螺桿空壓機(jī)用消聲器的設(shè)計(jì)和優(yōu)化[J].壓縮機(jī)技術(shù),2014(01):1-5.

　　[3] Xiaokun Wu,Ziwen Xing,Wenqing Chen,Xiaolin Wang. Performance investigation of a pressure pulsation dampener applied in the discharge chamber of a twin screw refrigeration compressor[J]. International Journal of Refrigeration,2018,85.

　　[4] 劉華,張?zhí)煲?陳文卿,周明龍,王磊.變頻雙螺桿制冷壓縮機(jī)寬頻氣流脈動(dòng)衰減器的試驗(yàn)研究[J]. 制冷與空調(diào), 2018,18(07):59-64.

　　[5] 武曉昆,陳文卿,周明龍,楊僑明,邢子文.雙螺桿制冷壓縮機(jī)氣流脈動(dòng)衰減器的研究與開發(fā)[J]. 西安交通大學(xué)學(xué)報(bào), 2017,51(04):23-29.

　　[6] 沈九兵,王瑞鑫,周明龍,陳文卿.半封閉螺桿制冷壓縮機(jī)排氣噪聲模擬與試驗(yàn)研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2017,53(20):169-175.

　　[7] GB/T 10068-2008, 軸中心高為56 mm及以上電機(jī)的機(jī)械振動(dòng) 振動(dòng)的測(cè)量、評(píng)定及限值[S]. 2008.

　　[8] GB/T 10069.3-2008, 旋轉(zhuǎn)電機(jī)噪聲測(cè)定方法及限值 第三部分：噪聲限值[S]. 2008.

　　[9] (美)Stephen D. Umans. 電機(jī)學(xué)(第七版)[M]. 劉新正等，譯。北京：電子工業(yè)出版社，2014

　　[10] 陳永校. 電機(jī)噪聲的分析和控制[M]. 浙江大學(xué)出版社, 1987. 

　　[11] 上海交通大學(xué), 程福秀, 林金銘. 現(xiàn)代電機(jī)設(shè)計(jì)[M]. 機(jī)械工業(yè)出版社, 1993.

　　[12] 李賢明, 孫繼峰, 林洪濤,等. 中小型高速電機(jī)滾動(dòng)軸承發(fā)熱與噪音問題的探討[J]. 電機(jī)技術(shù), 2005(2):11-13.

　　[13] 齊輝,李永輝,段建剛.電機(jī)噪聲的類別、分析方法以及防治措施的研究進(jìn)展[J].微特電動(dòng)機(jī),2007(03):46-48.

　　[14] 劉鳴, 景建方. 降低電機(jī)噪聲的方法研究[J]. 船電技術(shù), 2011, 31(12):21-24.

　　[15] 陳勇. 永磁同步電動(dòng)機(jī)電磁振動(dòng)與噪音研究[D]. 合肥工業(yè)大學(xué), 2014.

　　[16] 左言言. 永磁同步電機(jī)電磁振動(dòng)與噪聲分析[D]. 江蘇大學(xué), 2015.

　　[17] 沈標(biāo)正. 電機(jī)故障診斷技術(shù)[M]. 機(jī)械工業(yè)出版社, 2001.

　　[18] 楊瑞. 交流感應(yīng)異步電機(jī)振動(dòng)故障診斷新技術(shù)[J]. 中國設(shè)備工程, 2005(5):41-43.

　　[19] 姜威威, 耿森潤, 李文. 電機(jī)振動(dòng)的頻譜分析[J]. 工業(yè)控制計(jì)算機(jī), 2011, 24(11):48-49.

　　[20] 宋志環(huán). 永磁同步電動(dòng)機(jī)電磁振動(dòng)噪聲源識(shí)別技術(shù)的研究[D]. 沈陽工業(yè)大學(xué), 2010.

　　[21] 肖波. 永磁同步電動(dòng)機(jī)振動(dòng)噪聲源識(shí)別技術(shù)研究[D].沈陽工業(yè)大學(xué),2010.

　　[22] 宋亞秋,宿亞樓.電機(jī)噪聲產(chǎn)生的原因及減小噪聲的設(shè)計(jì)方法[J].電工技術(shù),2009(08):64-65.

　　[23] 陳健,李宏浩,王世偉.基于振動(dòng)噪聲信號(hào)的永磁電機(jī)故障診斷[J].微電機(jī),2015,48(03):5-8+28.

　　[24] 宋志環(huán).車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)電磁振動(dòng)噪聲源診斷技術(shù)[J].電機(jī)與控制應(yīng)用,2018,45(07):97-101.