葉容君 陳濤 尹詩(shī)華
廣東美芝制冷設(shè)備有限公司 廣東順德 528300
當(dāng)前家用空調(diào)市場(chǎng)主要有定速、變頻兩大類旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī),性能、成本、噪聲是衡量壓縮機(jī)好壞的三大重要指標(biāo)。定速旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)用電機(jī)一般都是異步電機(jī),即轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角速度和定子磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)的角速度不同步,存在轉(zhuǎn)速差,所以在定速旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)中存在與轉(zhuǎn)速差有關(guān)的拍頻振動(dòng)或噪聲[1]。趙小龍、章力源等[2]詳細(xì)分析了異步電機(jī)產(chǎn)生拍頻振動(dòng)的機(jī)理以及在診斷電機(jī)故障中的應(yīng)用;趙晴、賈民平等[3]通過(guò)對(duì)回轉(zhuǎn)式機(jī)械中拍頻振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采集,求得拍頻附近譜線的綜合幅值以確定拍頻故障報(bào)警閾限。單建奮[4]對(duì)轉(zhuǎn)差法、轉(zhuǎn)差頻率法及轉(zhuǎn)差線圈法三種方法測(cè)試異步電機(jī)轉(zhuǎn)差率的測(cè)試精度分析得出轉(zhuǎn)差率越小,轉(zhuǎn)差線圈測(cè)試法測(cè)試精度越高的結(jié)論。
本文針對(duì)某型號(hào)存在明顯嗡嗡聲現(xiàn)象的定速旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī),進(jìn)行分析和改善,以期提升該空調(diào)系統(tǒng)外機(jī)的聲品質(zhì)。
某客戶采用我司某型號(hào)壓縮機(jī)開發(fā)北美向單冷機(jī)系統(tǒng)過(guò)程中,反饋開機(jī)運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)有明顯的、時(shí)高時(shí)低的嗡嗡聲,主觀聽感差,嚴(yán)重影響該空調(diào)系統(tǒng)外機(jī)的聲品質(zhì)。對(duì)室外機(jī)噪聲及壓縮機(jī)振動(dòng)進(jìn)行測(cè)試,具體的測(cè)試步驟及方法如下:
a) 測(cè)試工況為(室內(nèi):干球27℃/濕球-;室外:干球30℃/濕球-),內(nèi)機(jī)開制冷17℃高風(fēng)穩(wěn)定運(yùn)行半小時(shí)以上;
b) 采用西門子便攜式型號(hào)SC-XS06-E硬件數(shù)據(jù)采集前端、GRAS 46AE型號(hào)聲級(jí)計(jì)、PCB 356A32型號(hào)ICP振動(dòng)傳感器,軟件是西門子LMS test. lab;其中聲級(jí)計(jì)放在距離外機(jī)右側(cè)板中心0.5 m處測(cè)試噪聲;完成噪聲采集后,拆開外機(jī)面板和壓縮機(jī)隔音棉對(duì)壓縮機(jī)本體振動(dòng)進(jìn)行測(cè)試。
室外機(jī)靠近壓縮機(jī)側(cè)噪聲測(cè)試時(shí)域信號(hào)如圖1所示,時(shí)域信號(hào)特征表明該信號(hào)含有一定的調(diào)制成分,時(shí)域信號(hào)的1/3倍頻程譜和傅里葉變換線譜分別如圖2、圖3所示。從圖2中可知,在125 Hz、160 Hz、200 Hz處存在明顯的噪聲峰值,具體對(duì)應(yīng)FFT線譜頻率成分是116 Hz、120 Hz、174 Hz、178 Hz(如圖3)。對(duì)圖1的噪聲原始時(shí)域信號(hào)進(jìn)行低通和帶阻濾波分析,確認(rèn)影響主觀聽感的嗡嗡聲的問(wèn)題頻段是174 Hz、178 Hz,且174 Hz/178 Hz對(duì)應(yīng)的噪聲峰值分別是57 dB/61 dB,頻率相近且噪聲峰值大小相近,所以基本可判斷該嗡嗡聲是174 Hz和178 Hz拍頻振動(dòng)導(dǎo)致的拍頻噪聲。
圖1 噪聲信號(hào)時(shí)域圖
圖2 噪聲信號(hào)1/3倍頻程圖
當(dāng)兩個(gè)幅值和頻率相近的簡(jiǎn)諧波進(jìn)行疊加時(shí),會(huì)出現(xiàn)幅值忽高忽低的現(xiàn)象,也就是所謂的“拍”現(xiàn)象。假設(shè)信號(hào)y是由兩個(gè)頻率相近的簡(jiǎn)諧波信號(hào)y1和y2疊加而成,則:
圖3 噪聲信號(hào)FFT譜線圖
圖4 壓縮機(jī)振動(dòng)測(cè)試布置點(diǎn)示意圖
其中:A1、A2是振動(dòng)幅值,t為時(shí)間,ω是轉(zhuǎn)頻,Δω相對(duì)ω而言是一個(gè)微小分量,則:
由式(4)可知,信號(hào)y是由兩部分組成,其中第一部分和第二部分都是拍頻振動(dòng),僅振動(dòng)幅值大小不同,則疊加后的信號(hào)y也是一種拍頻振動(dòng)。
相關(guān)研究結(jié)果表明,結(jié)構(gòu)振動(dòng)輻射噪聲的聲功率與振動(dòng)表面法向速度均方值滿足如下關(guān)系:
其中:W為表面輻射聲功率;σ為聲輻射效率;ρ為聲輻射場(chǎng)中媒質(zhì)密度;c為聲輻射場(chǎng)中媒質(zhì)聲速;ρc為媒質(zhì)的特性阻抗;s為振動(dòng)聲源的表面積;為振動(dòng)表面法向速度均方值。聲輻射效率σ(0≤σ≤1)[5]反映了結(jié)構(gòu)振動(dòng)輻射聲音的能力,它與結(jié)構(gòu)的形狀、材質(zhì)、質(zhì)量等因素有關(guān),對(duì)于復(fù)雜形狀的結(jié)構(gòu)振動(dòng)聲源,很難有具體的數(shù)學(xué)表達(dá)式。
假設(shè)結(jié)構(gòu)聲源簡(jiǎn)諧波振動(dòng),則振動(dòng)位移x、速度v、加速度a表達(dá)式分別為:
則聲輻射功率W與振動(dòng)位移、速度、加速度的關(guān)系表達(dá)式為:
由以上表達(dá)式可知,結(jié)構(gòu)振動(dòng)與輻射聲功率有如下基本規(guī)律:(1)相同振動(dòng)表面積的輻射聲源,相同振幅則振動(dòng)頻率越高輻射的聲功率越大;(2)相同振動(dòng)表面積的輻射聲源,相同振動(dòng)頻率則振幅越大輻射的聲功率越大;(3)相同振幅、相同振動(dòng)頻率的輻射聲源,振動(dòng)聲源的表面積越大則輻射的聲功率越大。
對(duì)搭載系統(tǒng)的壓縮機(jī)本體(圖4中點(diǎn)1/2/3)、儲(chǔ)液器回轉(zhuǎn)上中下(圖4中點(diǎn)5/6/7)、儲(chǔ)液器徑向上中下(圖4中點(diǎn)8/9/10)、儲(chǔ)液器頂部(圖4中點(diǎn)4)位置布置振動(dòng)加速度傳感器進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試,測(cè)試點(diǎn)基頻及倍頻振動(dòng)值大小如表1、表2所示。從測(cè)試數(shù)據(jù)可知,壓縮機(jī)本體和儲(chǔ)液器上均存在174 Hz和178 Hz的振動(dòng),振動(dòng)峰值基本在0.5 m/s2~2.5 m/s2之間,說(shuō)明壓縮機(jī)本身存在174 Hz和178 Hz的振動(dòng)激勵(lì)源。
表1 本體部測(cè)點(diǎn)基頻及倍頻振動(dòng)值大小
表2 儲(chǔ)液器部測(cè)點(diǎn)基頻及倍頻振動(dòng)值大小
該定速旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)主要由異步電機(jī)和機(jī)械部?jī)纱蟛考M成。而在異步電機(jī)中,轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角速度與定子磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)角速度是異步的,有一較小的差異存在。這一差異與電機(jī)的轉(zhuǎn)差有關(guān),所以在異步電機(jī)中總是存在與轉(zhuǎn)差有關(guān)的拍頻振動(dòng),且拍頻頻率f2滿足如下關(guān)系:
其中:f為電網(wǎng)供電頻率;s為轉(zhuǎn)差率,且是壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)頻率。
已知該空調(diào)產(chǎn)品目標(biāo)銷售市場(chǎng)為北美,電網(wǎng)的供電頻率f=60 Hz,從表1、表2中振動(dòng)信號(hào)可知壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)頻率f1=58 Hz,則轉(zhuǎn)差率,拍頻頻率f2=4 Hz。故產(chǎn)生嗡嗡聲的兩個(gè)頻率成分是壓縮機(jī)轉(zhuǎn)頻的三倍頻174 Hz以及三倍頻與拍頻頻率f2發(fā)生調(diào)制現(xiàn)象產(chǎn)生178 Hz。
拍頻振動(dòng)在定速旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)中普遍存在,從前文的振動(dòng)與噪聲理論分析知,這種低頻振動(dòng)主要影響壓縮機(jī)中異步電機(jī)的振動(dòng)大小,而噪聲的能量很小,在A計(jì)權(quán)的噪聲級(jí)中幾乎可以忽略不計(jì)。搭載系統(tǒng)后產(chǎn)生影響主觀聽感的明顯嗡嗡聲,與系統(tǒng)鈑金面板的輻射面積有一定的相關(guān)性。對(duì)系統(tǒng)外機(jī)的鈑金面板進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)后面板在174 Hz/178 Hz頻段存在明顯振動(dòng)峰值。振動(dòng)幅值大小(如圖5)與壓縮機(jī)本體振動(dòng)相當(dāng),說(shuō)明系統(tǒng)管路對(duì)該頻段振動(dòng)無(wú)衰減作用。
圖5 后面板振動(dòng)測(cè)試頻譜
圖6 系統(tǒng)吸排氣管道示意圖
已知后面板的振動(dòng)傳遞路徑為:壓縮機(jī)—系統(tǒng)管道—后面板,用有限元分析軟件ANSYS Workbench對(duì)該空調(diào)系統(tǒng)的回氣管道和排氣管道(系統(tǒng)吸排氣管路示意圖如圖6)進(jìn)行約束模態(tài)仿真分析[6],過(guò)程如下:
a) 仿真模型建立:在三維軟件中將壓縮機(jī)簡(jiǎn)化為剛體,吸排氣管為銅,材料參數(shù)壓縮機(jī)為鋼材料,密度ρ=7850 kg/m3、泊松比u=0.33、彈性模量E=2.1×1011N/m2,銅材料密度ρ=8940 kg/m3,泊松比u=0.34、彈性模量E=1.23×1011N/m2。
b) 網(wǎng)格劃分:在ANSYS Workbench中modal模塊中采用自動(dòng)網(wǎng)格劃分方法進(jìn)行劃分。
c) 邊界條件的設(shè)定:排氣管一端與壓縮機(jī)排氣口采用綁定(bonded)約束、另一端(與換熱器連接)采用固定約束(fixed support);回氣管一端與壓縮機(jī)回氣口采用綁定(bonded)約束、另一端(與低壓閥連接)采用固定約束(fixed support)。
d) 仿真模態(tài)求解。
仿真求解前六階的模態(tài)頻率和振型,計(jì)算結(jié)果見表3。其中排氣管道第三階模態(tài)頻率178 Hz,由共振原理知,拍頻頻率174 Hz/178 Hz在第三階共振區(qū)內(nèi)。通過(guò)對(duì)排氣管優(yōu)化(優(yōu)化方案:排氣管豎直長(zhǎng)度優(yōu)化+第三階共振節(jié)點(diǎn)彎位的角度優(yōu)化),優(yōu)化后仿真模態(tài)頻率計(jì)算結(jié)果如表3,振型計(jì)算對(duì)比如圖7所示,第三階模態(tài)頻率升高到206 Hz,基本錯(cuò)開了拍頻頻率。
表3 管道結(jié)構(gòu)前6階固有頻率值
圖7 排氣管優(yōu)化前后第三階振型對(duì)比
通過(guò)對(duì)排氣管優(yōu)化后的樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證改善效果,排氣管優(yōu)化前后的后面板振動(dòng)(如圖8所示)和靠近壓縮機(jī)側(cè)噪聲測(cè)試頻譜對(duì)比(如圖9所示)。
排氣管優(yōu)化后的樣機(jī)后面板振動(dòng)在174 Hz、178 Hz頻段的振動(dòng)幅值改善明顯,靠近壓縮機(jī)側(cè)噪聲在該頻段上噪聲值大幅度降低,噪聲頻譜無(wú)明顯峰值,主觀聽感上無(wú)嗡嗡聲。
圖8 后面板振動(dòng)對(duì)比
圖9 噪聲信號(hào)1/3倍頻程譜對(duì)比
通過(guò)分析得出,該空調(diào)系統(tǒng)嗡嗡聲是壓縮機(jī)的拍頻振動(dòng)(174 Hz/178 Hz)與系統(tǒng)排氣管道第三階模態(tài)頻率共振放大導(dǎo)致系統(tǒng)后面板振動(dòng)輻射拍頻噪聲。最終通過(guò)對(duì)排氣管優(yōu)化改變其固有頻率,從而與壓縮機(jī)拍頻振動(dòng)頻率錯(cuò)開,消除了嗡嗡聲。
異步電機(jī)由于轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角速度與定子磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)角速度存在轉(zhuǎn)速差導(dǎo)致拍頻振動(dòng),從電機(jī)本身出發(fā)去減小這種拍頻振動(dòng)就必須消除諸如轉(zhuǎn)子加工及安裝的偏心、轉(zhuǎn)軸彎曲、轉(zhuǎn)子的不平衡等引起的轉(zhuǎn)子動(dòng)偏心。
本文對(duì)定速旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)搭載空調(diào)系統(tǒng)后產(chǎn)生的拍頻噪聲機(jī)理進(jìn)行分析及改善,可為后續(xù)定速機(jī)型開發(fā)提供參考。