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科学瞎想系列之一一七 NVH那些事(18)

上期我们讲了各种激振源及结构的固有特性识别,利用上期所介绍的方法可以识别出引起振动噪声问题的主要原因,在得知振动噪声是由于激振源(电磁力波、机械激振、空气动力学)引起还是结构共振引起后,就需要进一步确诊引起振动噪声的具体力波阶次、具体机械原因以及具体空气噪声原因,以便有针对性地采取措施解决问题。本期我们说说各种激振源的特征和判别方法。 1 轴承激振源的特征 通常电机所用的轴承包括滚动轴承和滑动轴承两大类,滚动轴承产生的噪声要比滑动轴承产生的噪声大,双列滚子轴承比单列滚子轴承噪声大。特别是高速运行时,滚动轴承可能是电机最强烈的噪声源。 1.1 滚动轴承激振特征 影响滚动轴承噪声的主要因素包括:内外圈不同心、不平行导致的内外圈歪斜;滚动体大小不一;滚动体的圆度及表面缺陷;内外圈滚道缺陷;内外圈滚道波纹;保持架与滚动体间的间歇;油膜的涡动;润滑油的清洁程度;相关零部件的加工及装配精度等,许多情况下轴承的振动与附近结构零部件形成共振,会放大轴承的振动噪声。不同的原因产生的噪声频率不同,振动噪声幅值也不同。滚动轴承的噪声表现为:碾轧声、撞击声、磨削声、滚落声、保持架声音、灰尘杂质产生的声音等。 1.1.1 频率特征 轴承振动噪声的频谱比较宽,理论上轴承产生的振动噪声可以分布在转频~20kHz范围内,大多情况下多出现在1~5kHz范围内。根据不同的原因,滚动轴承振动噪声的特征频率如下: ① 轴承内外圈滚道缺陷产生的噪声 当轴承内圈或外圈滚道存在凹坑等缺陷时,则每次滚珠滚过缺陷处都会产生一次振动,其振动频率与转速、滚动体个数、缺陷数量以及轴承的尺寸有关,如图1为球轴承剖面图。

轴承内圈存在缺陷时的振动频率为: f=(1/2)k•Z•(n/60)•[1+(d/D)cosα] (1) 或近似为: f≈0.6k•Z•n/60 (2) 轴承外圈存在缺陷时的振动频率为: f=(1/2)k•Z•(n/60)•[1-(d/D)cosα] (3) 或近似为: f≈0.4k•Z•n/60 (4) 式中:Z为滚动体个数;k为缺陷数目;n为转速(r/min);d为滚动体直径;D为轴承中径。 ② 滚动体本身存在缺陷或棱角 如果滚动体本身存在缺陷或棱角,那么滚动体本身每旋转一圈就会产生k次振动,其中k为滚动体上存在的总缺陷个数或棱数。则由此引起的振动频率为: f=k•(D/d)•(n/60)•[1-(d/D)²cos²α] (5) ③ 保持架间隙引起的振动 保持架与滚动体之间的间隙是滚动轴承产生振动噪声的重要原因,其振动频率为: f=(1/2)Z•(n/60)•[1-(d/D)cosα] (6) ④内外圈滚道存在波纹 内外圈滚道存在波纹时引起的振动噪声频率和频谱是不稳定的,这种噪声主要分布在高频段,其频率为: f=(k/2)•Z•(n/60)•[1±(d/D)cosα] (7) 其中:k为内外圈滚道上的波纹数。 ⑤ 滚动体尺寸不一 滚动体尺寸不一引起的振动噪声频率与保持架的转速及不同尺寸滚动体的分布有关,如果尺寸大小的滚动体交替配置,则引起的振动频率为: f=(1/2)•Z•R1•n/[60•(R1+R2)] (8) 式中:R1、R2分别为内、外圈滚道半径;Z为滚子数。 ⑥内外圈不同心、不平行引起的振动 轴承内外圈不同心、不平行会引起两倍转频的振动,即频率为: f=2n/60 (9) ⑦轴承相关结构零部件加工和装配不良 轴承相关结构零部件加工和装配不良时,使得装配后转子偏心,这样每转一圈轴承就会受到一次交变力激振,由此引起的振动频率即为转频,而且这种情况多以轴向振动为主。 ⑧润滑油污染引起的振动噪声 润滑油被污染有杂质时引起的振动噪声频率没有特定的特征频率,只有滚动体碾压着杂质时才会产生噪声,因此这是随机的振动噪声,噪声级的大小也与杂质颗粒大小有关。 1.1.2 振动噪声级的大小 滚动轴承激振产生的振动噪声的大小除了与激振力大小及相关的结构有关,还与转速有着密切关系,当转速从n1变化到n2时,轴承噪声能级的增量为: ΔL=20•lg(n2/n1) dB (10) 转速变化引起的噪声级变化远比轴承载荷变化引起的噪声级变化大。 综上所述,滚动轴承引起的振动噪声的频谱非常丰富,频谱范围很宽,且与转频成正比。需要说明的是,对于同一型号规格的轴承,其本身的振动频谱和振动大小就存在很大的散差,装配到电机上后,散差更大,这一方面说明轴承本身在微观几何学方面存在差异;另一方面在电机的加工和装配精度方面同样存在着散差,因此某些情况下,更换一盘轴承,就可能解决由其引起的振动噪声异常问题。而有些时候,更换新轴承后振动噪声反而增大了,这也属正常。在对电机轴承引起的振动噪声进行频谱测试分析时,经常会遇到某些频率点出现很大的尖峰,这可能是轴承的激振引起了附近某些零部件(如轴承外圈、端盖等)的共振造成的,此时,很小的激振力也会引起很大的振动和噪声。 1.2 滑动轴承的激振特征 滑动轴承的振动噪声要远小于滚动轴承,引起滑动轴承振动噪声的原因主要是:轴颈的圆度、粗糙度;润滑油的清洁程度以及油膜的涡动和振荡。噪声主要表现为研磨声和刮擦声,同时由于受转子的不平衡和轴向力的作用,可能导致轴向窜动与轴承推力面的碰撞而产生“咔哒”的撞击声。滑动轴承引起的噪声同样是一种宽频噪声,并具有一定的间歇性。主要的频率特征为; ① 轴颈椭圆或凸凹不平引起的噪声,其频率为: f=k•n/60 (11) 其中:n为转速(r/min);k=1、2、3… ② 轴向槽引起的噪声,其频率为: f=N•n/60 (12) 其中:n为转速(r/min);N为轴向槽数量。 ③ 油膜涡动引起的振动,其频率特征为转频的0.43~0.48倍,略低于转频的一半。

油膜涡动往往是突然出现的,表现为径向振动,诊断的方法是出现油膜涡动后改变润滑油的粘度和温度,振动就会减轻或消除。 除了油膜涡动以外,还有一种引起异常振动的原因是油膜振荡。油膜振荡和油膜涡动产生的原因相同,都是由于油膜动压不稳定造成的,但由于油膜振荡可能会产生与转子的共振,因此其更具危险性。油膜振荡的显著特征是,当转速较低时油膜涡动的频率始终保持0.43~0.48倍转频随着转速变化而变化,但当转速升高达到一阶临界转速的2倍时,将出现涡动频率不再随转速的增大而增大,而是始终保持在一阶临界转速的频率上,与转子转频无关了,而且出现强烈的振动,这种现象就称为油膜振荡。油膜振荡产生强烈振动的原因就是与转子形成了共振。因此油膜振荡的显著特征是振动频率等于一阶临界转频,常发生于工作转速接近2倍一阶临界转速的高速电机中。油膜振荡同样是一种径向振动,减小转子的不平衡度、降低润滑油粘度和提高油温可使油膜振荡消失。 2 动平衡不良的振动特征 转子动平衡不良引起的振动特征为: ① 振动频率与转频相等。 ② 振动大小随转速升高而增大,但与负载转矩无关。 ③ 振动以径向振动为主,轴向振动很小。 3 对中不良的振动特征 对中不良主要有两种情况:一是电机轴心线与负载或原动机的轴向线存在偏心距或不平行存在偏角;二是联轴器装配不良,如弹性元件分布不均匀等。对于前者产生的振动特征为: ① 振动频率为2倍转频。 ② 振动值的大小随轴心线偏差的增大而增大。 ③ 电机单独运行时,振动消失。 对于后者产生的振动特征为: ① 振动频率为1倍转频。 ② 电机侧的振动与负载(或原动机)侧的振动相位相反,相位差180º。 ③ 电机单独运行时,振动消失。 4 空气噪声的特征 空气动力学原因引起的振动噪声主要集中在高频段,主要表现为噪声形式,振动并不大。空气噪声产生的主要原因:一是风扇;二是径向通风道产生的“哨声”。风扇产生的空气噪声频率为: f=k•Z•n/60 (13) 其中:n为转速(r/min);Z为风扇的叶片数;k=1、2、3…。 当定转子存在径向通风道时,它们通常在轴向是对齐的,在转子旋转时,转子通风道中的隔片时而与定子通风道中的隔片对齐,时而错开,这样就会产生气压波动,从而产生空气噪声,径向通风道产生的空气噪声频率为: f=k•Z2•n/60 (14) 其中:n为转速(r/min);Z2为转子槽数;k=1、2、3…。当定转子径向通风道沿轴向不对齐时这种噪声会大大减小,因此有些大中型电机中往往采用定转子径向通风道不对齐的设计,以改善空气噪声。 5 电磁噪声的特征 关于电磁振动和噪声产生的原因及频率特征,在前面的文章中已有详细的论述,这里不再重复赘述。这里只强调和补充以下几点: ① 电磁振动的特征频率以2倍电源频率及其整数倍为主,这是由于气隙主波磁场以及定子各谐波磁场产生的电磁振动。需要重点关注的是主波磁场和齿谐波磁场产生的电磁振动,其中主波磁场产生的振动频率为2倍电源频率(2f),齿谐波产生振动频率为6q倍电源频率(6qf),其中f为电源频率,q为每极每相槽数。 ② 关于异步电机的电磁振动,前面的文章中介绍较少,这里补充一下。对于异步电机,除了会产生与同步电机频率特征相同的电磁振动外,由于转子转速与同步转速存在着转差,当转子存在故障时,如转子动偏心、转子断条、细条等,就会出现与转差有关的振动特征,通常异步电机转子故障时的振动特征为:电磁振动的频率即存在同步旋转的电磁频率2f,也存在转子的转速旋转的电磁频率2(1-s)f,而且从振动时域波形看,振幅以1/(2sf)为周期呈节拍式脉动,随着负载的加重,转差率s增大,其脉动节拍会加快,这种与转差率相关的节拍脉动振动是异步电机转子故障时特有的电磁振动特征。 ③ 电磁振动的一个最显著的特征是断电立即消失,因此突然断电法是鉴别电磁振动最简单有效的方法。 本期介绍了各种激振源的特征和鉴别方法。对应振动噪声的诊断,最主要是频率特征,它就像激振源的指纹,表征着不同激振源和激振原因的区别,了解这些频率特征对准确鉴别和诊断电机异常振动噪声,采取有效措施解决振动噪声问题具有重大意义。本期课程就讲到这里,下期我们讲减振降噪的措施,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:2020-06-06

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