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科学瞎想系列之一一六 NVH那些事(17)

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‍说完振动噪声的产生及传播,本期我们说说电机振动噪声的诊断。相信BOSS们在工作中经常会遇到电机在出厂试验或使用过程中出现振动噪声问题需要你去解决,这就像大夫给病人看病一样,首先需要通过“望闻问切”来诊断问题出在哪里,然后“对症下药”解决问题。电机的振动取决于两个方面:一是振动噪声源,即激振力的大小、力型和频率;二是固有结构方面,即结构的固有振型和固有频率。当一个电机系统出现振动噪声问题时首先应该从这两个方面进行识别和诊断,确定问题的主要原因,以便制定有针对性的解决方案。

1 振动噪声源的识别 如前所述,电机的振动噪声源主要包括三类:电磁振动噪声、机械振动噪声和空气噪声。它们各自都有自己的特征。应首先识别出引起振动噪声的原因是这三大类振动噪声源中的哪一类。常见识别方法如下:

1.1 主观诊听法 既然是噪声,用人的耳朵听是最简单直接、造价最低的诊断方法。因为人的耳脑系统本身就是一套非常灵敏的声音感觉系统。有经验的老法师仅凭一双灵敏的耳朵就可以辨别电机发出的各种声音是否正常,如果不正常,大概是什么原因引起,其判别的准确程度八九不离十,相当靠谱。当然要练就这样一双顺风耳,需要多年的修炼。经常会在试验或运行现场看到一些老法师用一只改锥,一端抵住耳朵,另一端抵住轴承、端盖等电机的各个部位进行诊听,就像大夫用听诊器给病人看病一样。当然为了提高主观鉴别的准确性,可采用专门的诊听器,隔绝其他无关声源的影响更佳,例如可采用传声器一一放大器一一耳机系统来鉴听(如图1所示)。一般来说,对滚珠轴承部位的故障(如端盖裂纹、轴承磨损、轴承跑外圈、缺润滑油脂或润滑脂中有脏物等),老法师凭耳朵听轴承附近的端盖、轴承盖处声音,就能基本鉴别。

1.2 分步运转法 电机中主要的噪声可分为电磁噪声,空气动力噪声和机械噪声,后者又可分为转子不平衡噪声、轴承噪声和电刷噪声。分步运转法就是在不同的时间分别让需要研究辨别的一个噪声源突出,把其它声源消除或尽可能地削弱其它声源,然后进行比较,以确定这个声源对整机噪声的影响。例如:要突出电磁噪声,可以把风扇去掉,把滚动轴承换成滑动轴承;要突出风扇噪声就把电机的电压降低,并采用滑动轴承;要突出轴承噪声就把风扇去掉,把电压降低或者在电机通电后,突然把电源拉开。由于电机工作时,各声源都会起作用,只允许一个声源起作用,而让其他声源完全不起作用是办不到的。因此,这个方法虽然对各种声源有一定区分度,但也有一定的局限性。

1.3 选择隔声法 做一个与电机各部分表面相接近的密封隔声罩,令罩的各部分可以自由打开,以暴露电机的不同部位,这就可以分别测出电机各部位所辐射的噪声及其特性。例如:把出、入风口打开,风口处测量出来的主要是通风噪声;把端盖部分暴露,测量出来主要是轴承噪声;把机壳部分暴露出来,主要测出电磁噪声。 隔声罩可用铅板制成,并附有吸声材料。一般的隔声罩,在频率低于200~300赫时,隔声量较小,因而影响鉴别结果的精确性。因此,这种方法只适用于辐射中、高频率的声源。这种方法在经济上耗费较大。

1.4 突然断电法 应该说这种方法是分步运转法的一种,由于这种方法简单易行,不需要复杂的特殊设备,而且鉴别区分度较高,因此在振动噪声诊断中经常使用,我们专门把它单列出来,详细说一下。在运行条件允许的情况下,将正常运行的电动机突然切断电源,电动机在停机过程中由于惯性要继续转动一段时间。由于电磁噪声主要是气隙磁场产生的径向力波引起,一旦断电,气隙磁场机会消失,相应的电磁噪声就随之消失,而其他噪声还继续存在。测量断电前、后噪声级的变化及频谱,消失的某一部分频谱都属于电磁噪声。因此突然断电法是分离电磁噪声与其他噪声的有效方法。

1.5 对拖法 用一台低噪声电机(或将电机罩在隔音罩内)作原动机,去拖动被测电动机,将测得的噪声声级和频谱与被测电机空载运行时测得噪声级和频谱相比较。用这种方法也可以鉴别出电磁噪声和机械噪声。

1.6 表面测振法 一般电机振动测点分布有七个典型点,在电机两端轴向,垂直径向及水平径向各一点,机壳中央顶部一点。根据各个方向的振动速度测量数据,可以分析噪声源。一般说来,两端轴向振动与电机的轴向电磁力、转子动平衡、轴承装配不良等有关,需进一步分析;机壳中央顶点振动和电机的电磁径向力波有关;而电机两端的径向振动主要和轴承振动有关。把振动频谱图和噪声频谱图进行比较有助于分析噪声源。 关于振动噪声源的识别方法除上述常见方法外,还有近场测量法、声强测量法、相干函数法、信号谱比率分析法、声望远镜法、声音全息照相诊断法等等方法,鉴于这些方法的测试和分析过于复杂和专业,需要专门的仪器设备和专业的人员才能操作和分析,加之篇幅所限,这里就不做介绍了,有兴趣的BOSS们可以参阅相关文献。可以预见,随着科学技术的不断发展,各种声学仪器设备和信号处理技术也会不断提高,必将出现更多的声源鉴别新方法,使得鉴别结果更加准确可靠。

2 结构固有特性引起的振动噪声的识别 上述方法主要是从振动噪声源方面识别出引起的振动和噪声原因。如前所述,引起振动噪声的原因除了振动噪声源方面的因素,还有结构固有特性方面的因素。当激振源的频率和振型与结构的固有频率和振型接近甚至重合时,很小的激振力同样会引起强烈的振动和噪声。在电机的振动系统中,通常激振源的频率与转频呈倍频关系(风扇噪声和载波引起的噪声除外),而结构的固有频率只与结构自身的固有特性有关,与转速无关。由此我们可以采用以下方法来识别引起振动噪声的原因是由激振源引起还是结构的固有特性引起。

2.1 瀑布图分析法 在瞎想系列之一〇九 NVH那些事(13)那篇文章中,我们介绍了瀑布图,如图2所示,在瀑布图上可以清晰地看到,一系列从原点出发的辐射状亮线(称之为阶次线)即是由激振源引起的各阶振动噪声,由于激振源的频率会随着转速的升高而升高,转速为0时,激振频率也为0,所以它们在瀑布图上呈现出过原点的明亮射线。而那些垂直于横轴(频率轴)的亮线即为固有频率线,由于固有频率与转速无关,无论转速多少其振动频率都为恒定值,因此,这些垂直于横轴的亮线就是结构的各阶固有频率线,在这些亮线上的运行点,其振动噪声主要是结构的固有振动特性引起的。当然在变频电机的瀑布图上还有一些垂直于横轴的亮线以及在其两侧呈伞状分布的“伞状阶次线”,这是由于变频器的载波频率及其与基波各次谐波的调制频率呈现出的伞状阶次线。这里要特别强调的是,如果电机的运行点处于阶次射线和固有频率线的交点,那么电机会表现出强烈的振动和噪声,这就是传说中的共振。另外在一些强迫通风的电机瀑布图上,还存在某些与电机转速无关的竖直亮线,仔细分析其频率只与通风机的转速有关,这是通风机引起的振动噪声。由此可见,利用瀑布图进行诊断分析是鉴别激振源与结构的固有特性原因非常有效的方法。

图2 瀑布图

2.2 更换零部件法 如前所述,结构的固有频率是电机结构固有特性,固有频率大小与电机零部件的结构、材料、质量分布等因素有关,不同的零部件结构、材料、质量及安装方式,会导致不同的固有频率,为了区分是否是由于某些零、部件安装不当,如:风罩、保护罩、搭扣攀、出线盒盖等与电机本体发生共振而引起机械噪声,试验时可以将这些零件取下或更换,与它们存在或未更换时作比较,用这种方法也可以分离共振引起机械噪声。 本期我们介绍了电机振动噪声问题的诊断和鉴别方法,这只是解决电机振动噪声问题的第一步,初步诊断电机的振动噪声发生的原因,得到了这个初步诊断后,下一期我们将详细介绍各种原因引起的振动噪声特征,以精确断定“病因”,便于后面采取措施解决。敬请期待!

本文分享自微信公众号 - 龙行天下CSIEM(gh_a8911987218e),作者:龙行天下 标准答案 李保来

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原始发表时间:2020-05-13

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