卜曉媛, 張 力, 陳 浩

(北京工商大學機械工程學院,北京 100048)

食品制冷機組壓縮機隔振元件的LMS試驗模態(tài)分析

卜曉媛, 張 力, 陳 浩

(北京工商大學機械工程學院,北京 100048)

以食品制冷機組壓縮機隔振元件為研究對象,采用LMS Test.Lab軟件對其進行了試驗模態(tài)分析,通過LSCE算法和 Poly MAX算法的對比,最終得到其前四階固有頻率、對應的阻尼比及固有振型,并對試驗結(jié)果進行了分析討論.研究結(jié)果對食品制冷機組壓縮機的隔振設計具有重要的參考意義,為大型食品制冷設備的減振降噪研究提供了重要的試驗依據(jù).

食品制冷機組;隔振;LMS Test.Lab;模態(tài)分析;固有頻率

食品制冷機組廣泛應用于大型食品加工企業(yè)及大型食品保鮮冷藏企業(yè),如肉聯(lián)廠、超市等,而食品制冷機組在日常運行過程中由于制冷壓縮機的振動導致制冷機組機體劇烈振動,產(chǎn)生嚴重的振動噪音污染.機組的振動和噪聲會直接向超市等營業(yè)空間傳遞、輻射,嚴重影響正常營業(yè).如果制冷機組的振動超過一定強度,不僅對人員健康及儀器精度有嚴重的影響,而且建筑物的結(jié)構(gòu)安全也將受到威脅.

食品制冷機組減振降噪的有效措施之一是在壓縮機與機體間安裝隔振墊,將振動隔離、衰減,減少傳遞到機體的振動,在節(jié)能的前提下達到振動的限制指標.這樣才能真正滿足大型食品加工企業(yè)及超市對制冷設備的需求,為今后新型食品制冷機組的研發(fā)打下良好基礎(chǔ).本文采用試驗模態(tài)分析的方法,對食品制冷機組壓縮機隔振元件的模態(tài)振型和影響因素進行分析,并在此基礎(chǔ)上提出食品制冷機組壓縮機隔振元件的優(yōu)化方向,以達到更為理想的隔振效果,為大型食品制冷設備的減振降噪研究提供重要的理論基礎(chǔ)和試驗依據(jù).

1 模態(tài)分析基礎(chǔ)

1.1 模態(tài)分析理論概述

模態(tài)分析是研究結(jié)構(gòu)動力特性的一種方法,是系統(tǒng)辨別方法在工程振動領(lǐng)域中的應用.模態(tài)是機械結(jié)構(gòu)的固有振動特性,每一個模態(tài)具有特定的固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型.這些模態(tài)參數(shù)可以由計算或試驗分析取得,這樣一個計算或試驗分析過程稱為模態(tài)分析[1-3].

模態(tài)分析過程如果是由有限元計算的方法取得,則稱為理論計算模態(tài)分析;如果是通過試驗將采集的系統(tǒng)輸入與輸出信號經(jīng)過參數(shù)識別獲得模態(tài)參數(shù),稱為試驗模態(tài)分析.本文正是采用了試驗模態(tài)分析的方法對食品制冷機組壓縮機隔振元件進行了模態(tài)參數(shù)識別[4-6].

振動模態(tài)是彈性結(jié)構(gòu)固有的、整體的特性.如果通過模態(tài)分析方法搞清楚了結(jié)構(gòu)在某一易受影響的頻率范圍內(nèi)各階主要模態(tài)的特性,就可能預言結(jié)構(gòu)在此頻段內(nèi)在外部或內(nèi)部各種振源作用下的實際振動響應.因此,模態(tài)分析是結(jié)構(gòu)動態(tài)設計及設備故障診斷的重要方法.具有 n個自由度的有阻尼振動系統(tǒng)的振動微分方程為:

1.2 模態(tài)分析軟件LM S Test.Lab概述

LMS Test.Lab軟件的模態(tài)測試分析模塊可以為不同經(jīng)驗的用戶提供強大的單輸入多輸出 (S IMO)和多輸入多輸出 (M IMO)數(shù)據(jù)采集和分析解決方案.它可以解決由結(jié)構(gòu)固有動力學特性或在工作一段時間后結(jié)構(gòu)固有動力學特性變化而引起的工作振動噪聲問題.

LMS Test.Lab軟件的模態(tài)測試分析模塊通過對結(jié)構(gòu)進行可控的動力學激勵,分析出結(jié)構(gòu)固有的動力學特性.這些特性包括一系列獨特的變形模式或者說模態(tài)振型、對應于每個振型的共振頻率和描述模態(tài)振型中自由響應振動隨時間衰減快慢的阻尼因子.模態(tài)分析方法通常用于研究何時發(fā)生結(jié)構(gòu)共振,而不是動力學激勵下的響應頻率成分,目的在于探尋特定頻率振動問題的根源.

通過 LMS Test.Lab軟件的模態(tài)測試分析模塊所得到的模態(tài)參數(shù) (頻率、阻尼、模態(tài)振型)用于解釋產(chǎn)生問題的變形的本質(zhì),驗證用于研究設計方案變化的仿真模型,或者預測關(guān)鍵部位和工況條件下簡單結(jié)構(gòu)設計修改對振動級的影響[7-8].

2 模態(tài)試驗

2.1 試驗對象及設備

試驗的測試對象為食品制冷機組壓縮機用隔振橡膠墊.食品制冷機組壓縮機、隔振墊、機體底座之間的裝配示意如圖 1.由于橡膠墊是大阻尼測試對象,因此試驗采用激振器激振的方法對橡膠墊進行測試.本試驗采用單點輸入多點輸出的方法進行測量[9-12].

圖 1 壓縮機、隔振墊、底座裝配示意Fig.1 Assembly diagram of compressor,shock mount and base

測試需要用到的儀器有:PCB,PIE20TRON ICS加速度傳感器 8個;力傳感器 1個;HEAS-20功率放大器一臺;LMS數(shù)據(jù)采集儀一臺;計算機一臺 (已安裝LMS測試軟件);HEV-20激振器一臺.

2.2 試驗步驟

2.2.1 幾何模型的建立

通過創(chuàng)建組件、節(jié)點、線、面,進而建立起被測對象的幾何模型.橡膠墊幾何模型共設 9個節(jié)點,12條線,4個面.通過建立幾何模型,可使最終得到的試驗數(shù)據(jù)在幾何模型上得以體現(xiàn),可通過模型觀察各階模態(tài)振型.幾何創(chuàng)建結(jié)果如圖 2.

圖2 幾何創(chuàng)建結(jié)果Fig.2 Geometry

2.2.2 通道設置

創(chuàng)建模型后,將傳感器按照節(jié)點位置連接到橡膠墊上,橡膠墊各節(jié)點的振動通過傳感器將振動數(shù)據(jù)輸入到數(shù)據(jù)采集前端設備.傳感器全部連接完畢后,進行通道設置.

在通道設置這一步中可進行數(shù)據(jù)采集前端對應通道的設置,如定義傳感器名稱,設置傳感器靈敏度等操作.具體操作步驟如下:

1)選取測試通道.此處選 Input1至 Input9通道(下述簡稱 1至 9通道).

2)定義參考通道.此處定義為激振器輸入的通道,即通道 9.

3)定義傳感器測量類型.試驗均選加速度類型.

4)定義測點名稱.試驗應用幾何模型上的節(jié)點名.

5)設置測點所測振動的方向.試驗均為 +Z方向.

6)設置傳感器類型.試驗均為 ICP類型.

7)定義測量量.試驗 1至 8通道測量量為加速度,9通道測量量為力.

8)定義輸入量的單位.試驗均定義為mV.

若已經(jīng)確定傳感器的靈敏度則可在Actual Sensitivity中直接輸入靈敏度,否則可在 Calibration工作表中進行標定.本試驗直接輸入靈敏度.其中力傳感器型號為208C02～27503,靈敏度為11.19mV/ N,加速度傳感器型號為 333B30～38460至 333B30～38467,對應靈敏度分別為:100.2,101.2,101.2, 100.8,100.3,100.8,101.6,101.1mV/N.

2.2.3 示波

示波,用來確定各通道量程.設置進行激勵的源,試驗選擇 Output1.定義源輸出的信號類型為Burst Random.源輸出信號的大小選擇 1 V.選擇Free Run,則數(shù)據(jù)塊的采集是自由觸發(fā)的,到達采集點,軟件自動采集一個數(shù)據(jù)塊.采集開始的瞬間是自由的.當進行好所有設置后,單擊 Start Source按鈕輸出信號,單擊 Start Ranging開始設置量程,待信號發(fā)出一段時間后,單擊 Set Ranging按鈕進行量程設置.

2.2.4 測試設置

設置分析帶寬、窗、平均次數(shù)以及其他測量參數(shù).在測試設置工作表中可定義要測量的函數(shù),另外還可定義采樣控制參數(shù)、平均次數(shù)、窗函數(shù)等.

1)采樣參數(shù):定義帶寬為 3 200 Hz,譜線數(shù)為1 024,則分辨率為 3.125 Hz.

2)采樣控制:選擇 Free Run.

3)平均參數(shù):定義信號采集平均次數(shù)為 30次.

4)窗函數(shù)定義:分別定義參考通道和響應通道的窗函數(shù).

5)測量函數(shù)定義:通過勾選相應的復選框可定義要測量及保存的函數(shù)類型.本試驗選擇測量和保存?zhèn)鬟f函數(shù)、互功率譜等函數(shù).

設置完后,可單擊工作表右下端的 Start Check按鈕,進行所有設置的檢測,同時在左側(cè)圖形顯示窗口中可自由設置想要觀測的通道信號.

2.2.5 測量

在設置好顯示的通道及函數(shù)類型后,定義測試名稱,單擊 Start后即可開始測量.此時激振器輸出激勵信號使橡膠墊振動,傳感器采集節(jié)點的振動信息傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集前端,然后輸入到 LMS Test.Lab軟件中.在定義了平均次數(shù)后,當數(shù)據(jù)采集達到平均次數(shù)后,自動停止采集.

3 試驗數(shù)據(jù)分析

試驗數(shù)據(jù)采集完畢后,需要進行數(shù)據(jù)分析,得到模態(tài)參數(shù)、模態(tài)振型等.下面分別應用LSCE(最小二乘法)和 Poly MAX算法對試驗數(shù)據(jù)進行分析處理.

3.1 T imeMDOF

進入TimeMDOF選項卡,先在Band頁面中選擇顯示 Run1.然后進入 Stabilization頁面,選擇縱向 S (穩(wěn)態(tài))最多的頻率值,此處選擇前 4階.最后進入Shapes頁面,Calculate(計算)后,Modes處會顯示Mode l～4,將Mode依次拖入右面視圖,即可得到各階固有頻率振型的動畫演示.

選取對橡膠墊 0～480 Hz的頻率范圍內(nèi)進行分析.LSCE(最小二乘法)試驗所得前 4階固有頻率見表 1.

表1 LSCE算法的橡膠墊前4階固有頻率Tab.1 First four steps’natural frequency of rubber vibration pad(LSCE algorithm)

用LSCE算法對試驗結(jié)果進行 32階計算,結(jié)果如圖 3.

用LSCE算法得到的各階固有頻率的相關(guān)程度如圖 4.

圖3 LSCE算法的系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)圖Fig.3 Steady-stat response of system(LSCE algorithm)

圖 4顯示的是 4階固有頻率之間的相關(guān)程度,從圖中可以看出 2階和 3階的相關(guān)程度較大,而 1階固有頻率非常理想.

圖4 LSCE算法的固有頻率相關(guān)程度Fig.4 Relevancy between frequencies(LSCE algorithm)

3.2 PolyMAX算法對試驗數(shù)據(jù)的分析

LMS Test.Lab軟件中 Poly MAX算法測量 FRFs作為原始數(shù)據(jù),而逆傅里葉最小二乘復指數(shù)(LSCE)方法使用脈沖的反應獲得 FRFs變換作為原始數(shù)據(jù).Poly MAX算法可以同時處理高阻尼和低阻尼結(jié)構(gòu)[13-14].此外 Poly MAX算法不會受到數(shù)值不穩(wěn)定性和頻率范圍限制的影響,其中數(shù)值不穩(wěn)定性和頻率范圍的限制是由于較大的模型以及與其他方法(如直接頻域參數(shù)辨識 (FDPI)或正交多項式技術(shù))相關(guān)頻域大范圍的頻率波段影響造成的.Poly MAX的測試能夠得到清晰的穩(wěn)態(tài)圖.Poly MAX是使自動選擇極點得以實現(xiàn)的關(guān)鍵因素,并且它同樣被視為單帶寬分析的通用方法,可以應用于擁有嘈雜數(shù)據(jù)的高阻尼和低阻尼的結(jié)構(gòu)[15-16].

同樣,進入 Poly MAX選項卡后,按照與 T imeMDOF選項卡相同的操作,可得到相應的分析數(shù)據(jù).選取對橡膠塊 0～480 Hz的頻率范圍內(nèi)進行分析. Poly MAX算法試驗所得前 4階固有頻率,見表 2.

表2 Poly MAX算法的橡膠墊前 4階固有頻率Tab.2 First four steps'natural frequency of rubber vibration pad(Poly MAX algorithm)

Poly MAX算法對試驗數(shù)據(jù)進行 32階計算,結(jié)果如圖5.比較LSCE算法和 Poly MAX算法可以看出, Poly MAX的測試能夠得到更佳清晰的穩(wěn)態(tài)圖,更有利于辨別虛假模態(tài),找到真正的固有頻率.

由圖 5可以看出各階固有頻率的相關(guān)性非常理想,準確度比LSCE分析得到的固有頻率更為可靠.

用 Poly MAX算法得到的各階固有頻率的相關(guān)程度如圖 6.

3.3 模態(tài)振型

通過以上數(shù)據(jù)對比,最終選用 Poly MAX算法進行分析,得到前四階振型如圖 7至圖 10.

4 結(jié) 論

圖5 Poly MAX算法的系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)圖Fig.5 Steady-stat response of system(Poly MAX algorithm)

圖 6 Poly MAX算法的固有頻率相關(guān)程度Fig.6 Relevancy between frequencies(Poly MAX algorithm)

圖7 一階振型圖Fig.7 1th mode shape

圖9 三階振型圖Fig.9 3th mode shape

圖8 二階振型圖Fig.8 2th mode shape

圖10 四階振型圖Fig.10 4th mode shape

根據(jù)LMS Test.Lab軟件對食品制冷機組壓縮機隔振橡膠墊的模態(tài)試驗及結(jié)果分析,得出該橡膠墊的兩組固有頻率及對應阻尼比,分別為 LSCE算法及 Poly MAX算法分析得出的結(jié)果,從相關(guān)圖解可看出 Poly MAX算法得到的分析結(jié)果比LSCE(最小二乘法)算法得到的更為準確,使用 Poly MAX算法得到的穩(wěn)態(tài)圖更為清晰.

選用 Poly MAX算法得到的分析結(jié)果,得到了食品制冷機組壓縮機隔振橡膠墊的前四階固有頻率和對應的阻尼比:一階固有頻率 24.796 Hz,阻尼系數(shù)0.102 1.二階固有頻率 90.948 Hz,阻尼系數(shù) 0.070 5.三階固有頻率 176.098 Hz,阻尼系數(shù) 0.083 2.四階固有頻率 292.818 Hz,阻尼系數(shù) 0.093 7.

試驗所得到的數(shù)據(jù)為制冷機組壓縮機的隔振效率計算提供了試驗數(shù)據(jù)基礎(chǔ),從而為大型制冷設備的減振降噪研究提供重要的理論基礎(chǔ)和試驗依據(jù).

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(責任編輯:檀彩蓮)

LMS EXPER IMENTAL MODAL ANALYSIS OF COMPRESSOR VIBRATI ON ISOLATI ON COMPONENT FOR FOOD REFRIGERATING UNIT

BU Xiao-yuan, ZHANGLi, CHEN Hao
(College of M echanical Engineering,B eijing Technology and B usiness University,B eijing100048,China)

The exper imental modal analysis was conducted on the vibration and isolation component of compressor in food refrigerating unit usingLMS Test.Lab software.The natural frequency,naturalmode of vibration and damping ratio of the first fourorderswere obtained by comparingLSCE with Poly MAX algorithm.The research results are important for the vibration and isolation design of compressors in food refrigerating unit,and also provide the significant basis for the research on vibration and noise reduction in large-scale food refrigerating unit.

food refrigerating unit;vibration isolation;LMS Test.Lab;modal analysis;natural frequency

1671-1513(2010)06-0036-06

TS205.7

A

2010-10-20

北京市屬高等學校人才強教計劃資助項目(PHR201106110).

卜曉媛(1984—),女,山東濰坊人,碩士研究生,研究方向為機械設計及理論;

張 力(1959—),女,湖北荊門人,教授,博士,主要從事食品機械、先進復合材料構(gòu)件設計、制造與應用方面的研究.通訊作者.