技术
TECHNIQUE

压缩机用电动机振动噪声故障诊断

   1、引言
 
  压缩机是一种通用机械,作为核心设备广泛应用于空气动力、制冷、化工、食品、医药、纺织等诸多领域。振动和噪声是评价压缩机质量的重要指标[1]。在使用压缩机的工业现场,总是有一台或多台电动机作为动力源驱动压缩机,而其中压缩机的振动噪声一般高于电动机。目前关于压缩机振动噪声的研究[2~6]已相对成熟,随着压缩机减振降噪技术的不断提升,电动机的振动噪声逐渐凸显出来。电动机异常或者偏大的振动噪声,不仅影响压缩机设备整体的振动噪声水平,而且会带来额外的功率损失,同时在一定程度上缩短压缩机设备的使用寿命。对电动机的振动噪声进行故障诊断,有助于判断电动机运行状态是否异常,识别电动机发生故障的位置及产生故障的原因。
 
压缩机用电动机振动噪声故障诊断
 
  2、电动机振动噪声产生机理
 
  电动机的振动和噪声是评定电动机质量的重要指标[7,8],电动机的振动不仅影响其使用寿命,而且是引起噪声的主要原因。一般来说,电动机噪声来源基本可以分为三类,即空气动力噪声、机械噪声与电磁噪声。
 
  (1)空气动力噪声
 
  电动机的空气动力噪声包括通风噪声及电动机的转动部分与气体摩擦的噪声。空气动力噪声产生的根部原因是电动机通风系统中气流压力的局部迅速变化和随时间的急烈脉动以及气体与电动机风路管道的摩擦,这种噪声直接从气流中辐射出来[9~16]。
 
  压缩机常用的外置式电动机,一般具有冷却风扇,其空气动力噪声包括旋转噪声、涡流噪声及笛声。旋转噪声是指风扇高速旋转时,空气质点受到风叶周期性的作用而产生压力脉动,从而引发的噪声。涡流噪声是风扇旋转时在叶片后面产生涡流,进而引起气流扰动,形成压缩与稀疏过程,从而产生的噪声。笛声是气流遇到障碍物发生扰动而产生的单一频率的声音,一般有三种:定、转子风道之间的干扰,转子导条与定子绕组之间的干扰,以及风扇叶片与基座散热筋之间的干扰。对于如半封闭制冷压缩机等具有的内置式电动机,通常没有冷却风扇,通过制冷剂等流体进行冷却,此时的空气动力噪声则主要由于冷却流体流经冷却流道及气隙而引发的噪声。
 
  (2)机械噪声
 
  机械噪声是由电动机运转部分的摩擦、撞击、不平衡以及结构共振形成的[9~16]。电动机机械噪声主要包括轴承噪声和转子不平衡引起的噪声。
 
  轴承噪声分为滚动轴承噪声及滑动轴承噪声。滚动轴承是现有压缩机用电动机中最常用的轴承类型,多为深沟球轴承。造成滚动轴承噪声的因素主要有:轴承本身几何缺陷、外来异物侵入、润滑状态不佳、承受交变载荷、不合理装配等。而滑动轴承噪声则是受到加工精度、功率量、开槽方式及轴承材料等因素影响。对于内置于压缩机内部的电动机,电动机常与压缩机共用轴承,此时压缩机转动部件的负荷变化对轴承噪声具有较大的影响。
 
  电动机转子不平衡造成动态转子振动和偏心,可导致由定子、转子以及转子支撑装置依次发出噪声。转子的不平衡一方面与其本身质量分布不均有关,另一方面也与中心轴的挠曲变形有关。对于外置式电动机,当压缩机与电动机的传动轴在联轴器处存在错位或交叉等状况时,压缩机会通过传动轴向电动机的中心轴传递径向负荷,从而造成中心轴的挠曲。而对于半封闭式制冷压缩机(如双螺杆压缩机),电动机转子常处于悬臂结构,电动机转子旋转过程会有小幅摆动,这同样会引起机械噪声。
 
  (3)电磁噪声
 
  所谓电磁噪声,是电磁力作用在定、转子间的气隙中,产生旋转力波或脉动动力波,是定子产生振动而向外辐射噪声。电动机电磁噪声的主要来源是铁芯和机壳的振动,机壳的振动直接辐射噪声,铁芯的振动通过机壳或端盖上的孔向外辐射噪声。电动机中,主磁通大致沿径向进入气隙,并在定子和转子上产生径向力,同时它产生切向力矩和轴向力,径向力所引起的振动是三相电动机产生电磁振动和噪声的主要原因[9~16]。
 
  基波磁场和定转子谐波磁场相互作用是产生径向力波的主要原因。由基波磁场及定、转子谐波磁场相互作用所产生的交变径向力波作用于定转子铁芯,引起随时间周期性变化的变形,从而引发振动和噪声。因转子刚度较好,而定子铁芯刚性较差,一般认为定子铁芯的振动是引起电磁噪声的主要原因。
 
  现有部分小型压缩机,如民用活塞空压机等,采用的是单相异步感应电动机。单相异步感应电动机的气隙磁场,一般是椭圆形的,各次谐波磁场相互作用,除了产生径向电磁振动力外,一般还附加产生切向振动力。切向振动对于电动机本身的噪声而言是微不足道的,然而由于这类电动机的应用场合一般都是小型压缩机,往往存在薄壁结构,切向振动常导致薄壁产生较大的振动,甚至发生共振现象,从而产生较大的噪声。
 
  3、电动机振动噪声故障诊断
 
  压缩机运转过程中所产生的振动噪声,是由压缩机本身以及电动机各自的振动噪声叠加起来形成的。正常运行中,压缩机本体会发出一系列不同频率的振动噪声,这些频率一般具有一定的规律,常与压缩机几何参数如转子齿数、气缸列数等相关。对压缩机用电动机进行振动噪声的故障诊断,需充分考虑并排除压缩机本体振动噪声的影响,必要时可脱离负载单独运转电动机来诊断其振动噪声。
 
  3.1电动机噪声诊断
 
  在通常情况下,电动机噪声是平稳的且具有随机过程特性的复合噪声。由于电动机内噪声源较多,电磁噪声、机械噪声和空气动力噪声分布在不同的频域,而有时又相互重叠、混杂,噪声往往具有较宽的频域范围。电动机在特殊情况下,会产生非平稳的随机噪声,而这种噪声往往和某些故障有直接关系。电动机所辐射的噪声虽然是一种随机过程的复合噪声,但它内部的噪声源却是互不相干的。频谱分析是确定噪声频率成分和噪声源的重要方法,这种方法将在下节一并阐述。在工业现场,可以采用分离因素的原理,来确定电动机的噪声源,常用的方法如下[17~24]:
 
  (1)突然停电法。在条件允许的情况下,将正常允许的电动机突然断电,电动机由于惯性会继续运转一段时间,断电的瞬间,电动机的噪声会立即消失。因此对比断电前后噪声级的变化,消失的某一部分都属于电磁噪声。
 
  (2)停止通风法。通过停止电动机风扇或者外鼓风机的运转,将此时的噪声声级与正常通风时的声级进行对比,可分析出风扇和外鼓风机的噪声成分。
 
  (3)对拖法。用一台低噪声电动机作为原动机,拖动被测电动机,将测得的噪声声级与被测电动机空载运行时的噪声级和频谱相比较,这样可鉴别出电磁噪声。
 
  (4)更换零部件法。有些零、部件在电动机运行时,由于共振而发生机械噪声,通过将这些零件取下或者更换,并于它们存在或者未更换使作比较,可分离出共振而引起的机械噪声。
 
  3.2电动机振动诊断
 
  电动机在稳定运行时,振动有一种典型特性和一个允许限值,当电动机内部出现故障时,振动的振幅、振动的形式以及振动频谱成分都会发生变化,且不同的缺陷和故障所引起的振动方式也不尽相同。振动能够客观地反映电动机的运行状态。对电动机的振动进行测量和分析,是电动机振动噪声故障诊断的主要技术手段。
 
  简谐振动是一种最基本的振动形式,其振动位移  可用下式来表示:
压缩机用电动机振动噪声故障诊断
压缩机用电动机振动噪声故障诊断
 
  振动的速度  是振动位移  的微分值:
 
压缩机用电动机振动噪声故障诊断
  振动加速度  是振动速度  的微分值:
 
压缩机用电动机振动噪声故障诊断
  使用测量仪器可采集得到的电动机振动位移、振动速度、振动加速度是随时间变化的时域信号,再通过傅里叶变换可将其分解成多个不同频率和幅值的简谐振动。引起电动机振动的原因很多,产生振动的部位和振动的特征各不相同,结合电动机异常振动的特点,对电动机振动频谱进行分析,有助于快速诊断电动机异常振动噪声的原因。电动机常见的异常振动有一下几种类型[17~24]:
压缩机用电动机振动噪声故障诊断
压缩机用电动机振动噪声故障诊断
压缩机用电动机振动噪声故障诊断
 
  (4)转子不平衡产生的机械振动。当电动机转子质量分布不平衡时,转子旋转时会产生单边离心力,从而引发机械振动。此时振动频率与转速频率相等,振幅随转速提高而增大。
 
  (5)滚动轴承异常产生的机械振动。当滚动轴承发生损坏时,应当以各轴承的特征频率为参考来判断出现故障的部位。由载荷过大、安装不正确或者滚动体大小不一致所引起的振动,一般频率较低,通常小于1kHz。当滚动轴承本身加工和装配不良时,振幅以轴向为最大,振动频率与旋转频率相同。
 
  (6)滑动轴承异常产生的机械振动。在滑动轴承长期运行后,轴瓦间隙变大、润滑油粘度过大、油温偏低以及轴承负载减轻等原因会造成油膜加厚,油膜动压不稳定造成油膜涡动而产生径向振动,振动频率一般略低于转子转动频率的一半(通常0.42~0.48),一般通过改变润滑油粘度和温度能减轻或消除振动。当转子转动频率达到其一阶临界转速的2倍时,随着转速增加,油膜涡动的频率等于转子一阶临界转速并保持不变,此时出现强烈的径向振动,即为油膜振荡。通过减少转子不平衡、降低润滑油粘度和提高温度,能使油膜振荡消失。
 
  (7)安装、调整不良引起的机械振动。当电动机轴线与压缩机轴线不重合(平行或相交)时,电动机在运行中会受到来自联轴器的作用力而发生振动。此时,振动中2倍旋转频率的成分增多,当电动机单独运行时,这些振动立即消失。当电动机与压缩机之间联轴器配合不好时,会产生不平衡力而引起径向振动,此振动频率与旋转频率相同,电动机和压缩机振动相位相差180°,电动机单独运行时,振动消失。
 
  4、结论
 
  压缩机的振动噪声往往包含有电动机振动噪声部分,对电动机进行振动噪声的故障诊断,有助于进步降低压缩机设备的振动噪声水平,提高压缩机设备可靠性和产品竞争力。
  本文结合电动机在压缩机系统中的工作特点,指出压缩机用电动机振动噪声来源于空气动力、机械和电磁三个方面,并阐述了电动机空气动力噪声、机械噪声、电磁噪声的产生机理。基于分离因素的原理,阐述了电动机噪声源的识别与诊断技术,同时基于振动频谱分析理论,阐述了电动机各部件异常振动的特征频率及诊断技术。
 
  作者介绍
 
  杨侨明(1989.6-),男,山西人,中级工程师,硕士,现就职于西安交通大学苏州研究院,主要从事螺杆压缩机性能及可靠性方面的研究。
 
  参考文献
  [1] JB/T 8541-2013, 容积式压缩机机械振动分级[S]. 2013.
  [2] 吴华根,罗江锋,聂娟,陈圣坤,邢子文.螺杆空压机用消声器的设计和优化[J].压缩机技术,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] 刘华,张天翼,陈文卿,周明龙,王磊.变频双螺杆制冷压缩机宽频气流脉动衰减器的试验研究[J]. 制冷与空调, 2018,18(07):59-64.
  [5] 武晓昆,陈文卿,周明龙,杨侨明,邢子文.双螺杆制冷压缩机气流脉动衰减器的研究与开发[J]. 西安交通大学学报, 2017,51(04):23-29.
  [6] 沈九兵,王瑞鑫,周明龙,陈文卿.半封闭螺杆制冷压缩机排气噪声模拟与试验研究[J].机械工程学报,2017,53(20):169-175.
  [7] GB/T 10068-2008, 轴中心高为56 mm及以上电机的机械振动 振动的测量、评定及限值[S]. 2008.
  [8] GB/T 10069.3-2008, 旋转电机噪声测定方法及限值 第三部分:噪声限值[S]. 2008.
  [9] (美)Stephen D. Umans. 电机学(第七版)[M]. 刘新正等,译。北京:电子工业出版社,2014
  [10] 陈永校. 电机噪声的分析和控制[M]. 浙江大学出版社, 1987. 
  [11] 上海交通大学, 程福秀, 林金铭. 现代电机设计[M]. 机械工业出版社, 1993.
  [12] 李贤明, 孙继峰, 林洪涛,等. 中小型高速电机滚动轴承发热与噪音问题的探讨[J]. 电机技术, 2005(2):11-13.
  [13] 齐辉,李永辉,段建刚.电机噪声的类别、分析方法以及防治措施的研究进展[J].微特电动机,2007(03):46-48.
  [14] 刘鸣, 景建方. 降低电机噪声的方法研究[J]. 船电技术, 2011, 31(12):21-24.
  [15] 陈勇. 永磁同步电动机电磁振动与噪音研究[D]. 合肥工业大学, 2014.
  [16] 左言言. 永磁同步电机电磁振动与噪声分析[D]. 江苏大学, 2015.
  [17] 沈标正. 电机故障诊断技术[M]. 机械工业出版社, 2001.
  [18] 杨瑞. 交流感应异步电机振动故障诊断新技术[J]. 中国设备工程, 2005(5):41-43.
  [19] 姜威威, 耿森润, 李文. 电机振动的频谱分析[J]. 工业控制计算机, 2011, 24(11):48-49.
  [20] 宋志环. 永磁同步电动机电磁振动噪声源识别技术的研究[D]. 沈阳工业大学, 2010.
  [21] 肖波. 永磁同步电动机振动噪声源识别技术研究[D].沈阳工业大学,2010.
  [22] 宋亚秋,宿亚楼.电机噪声产生的原因及减小噪声的设计方法[J].电工技术,2009(08):64-65.
  [23] 陈健,李宏浩,王世伟.基于振动噪声信号的永磁电机故障诊断[J].微电机,2015,48(03):5-8+28.
  [24] 宋志环.车用驱动电机电磁振动噪声源诊断技术[J].电机与控制应用,2018,45(07):97-101.

  • 温馨提示:如果您喜欢本文,请与我们联系索取原文。
    E-mail: magazine@compressor.cn