某型高壓空壓機(jī)異常噪聲的分析與處理

梁璞玉，何世平，繆忠輝

（1.海軍工程大學(xué)動(dòng)力工程學(xué)院，湖北武漢430033；2.中國(guó)人民解放軍第四八一二工廠，安徽安慶246001）

某型高壓空壓機(jī)異常噪聲的分析與處理

梁璞玉1，2，何世平1，繆忠輝2

（1.海軍工程大學(xué)動(dòng)力工程學(xué)院，湖北武漢430033；2.中國(guó)人民解放軍第四八一二工廠，安徽安慶246001）

通過(guò)一款高壓空壓機(jī)運(yùn)行過(guò)程中發(fā)出異常噪聲的現(xiàn)象，深入分析產(chǎn)生異常噪聲的幾種可能原因，通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了故障產(chǎn)生的機(jī)理，總結(jié)了類(lèi)似問(wèn)題的處理原則，為相關(guān)重要零件設(shè)計(jì)和開(kāi)展質(zhì)量工作提供參考和方法。

高壓空壓機(jī)；噪聲；軸承座；滾動(dòng)軸承；膨脹系數(shù)

1　引言

高壓空壓機(jī)是軍港或軍械供氣站等場(chǎng)所的主要設(shè)備之一，通過(guò)空壓機(jī)各級(jí)氣缸中工作容積的不斷變化，對(duì)吸入的空氣進(jìn)行壓縮，從而產(chǎn)生具有一定壓力的壓縮空氣?？諌簷C(jī)啟動(dòng)后，壓力逐漸升高，其產(chǎn)生的綜合活塞力通過(guò)活塞、連桿及曲軸部件傳遞給滾動(dòng)軸承，滾動(dòng)軸承再通過(guò)其安裝孔傳遞給兩端支撐的曲軸箱和軸承座上，最后通過(guò)空壓機(jī)支腳傳遞給安裝基礎(chǔ)［1-2］?？諌簷C(jī)工作時(shí)，滾動(dòng)軸承與其安裝孔之間有交變的作用力，同時(shí)為了降低空壓機(jī)的振動(dòng)和噪聲等指標(biāo)，一般既要控制曲軸的徑向跳動(dòng)，也要控制曲軸的軸向竄動(dòng)，即要限制曲軸在徑向和軸向上的運(yùn)動(dòng)而不能發(fā)生大的位移變化量。

2　異常噪聲的現(xiàn)象及原因分析

某型高壓空壓機(jī)在首臺(tái)樣機(jī)開(kāi)始試運(yùn)行的過(guò)程中，逐漸出現(xiàn)間歇性的異常噪聲，且隨著末級(jí)背壓的升高，噪聲值有加大的趨勢(shì)，且當(dāng)時(shí)除了噪聲異常外，空壓機(jī)仍能“正?！边\(yùn)行。在發(fā)現(xiàn)此異?，F(xiàn)象后，工廠工程技術(shù)人員第一時(shí)間到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行查驗(yàn)、分析?；诖丝罡邏嚎諌簷C(jī)結(jié)構(gòu)緊湊和出現(xiàn)異常噪聲現(xiàn)象的特點(diǎn)，經(jīng)初步判斷，可能有如下幾個(gè)方面的原因：

（1）組合氣閥。由于各級(jí)的氣閥均為組合閥，在工作過(guò)程中，其進(jìn)、排氣閥片或彈簧片可能出現(xiàn)了局部斷裂或破損，在高頻率的吸氣和排氣過(guò)程中，發(fā)出間歇性的空氣噪聲；

（2）風(fēng)扇葉片。因風(fēng)扇與曲軸采用錐面配合，且冷卻風(fēng)扇的葉片直徑較大，在曲軸帶動(dòng)風(fēng)扇做高速旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中，由于其錐面加工誤差、裝配質(zhì)量、葉片剛度以及動(dòng)平衡等因素的綜合影響，風(fēng)扇葉片振幅過(guò)大導(dǎo)致與其周?chē)矬w有輕微的摩擦，進(jìn)而產(chǎn)生間歇性的機(jī)械噪聲；

（3）軸承缺油。曲軸主軸頸處安裝滾動(dòng)軸承的供油量不足，在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，滾動(dòng)軸承出現(xiàn)了干摩擦或局部結(jié)構(gòu)性損傷而產(chǎn)生的異常噪聲；

（4）軸承公差與配合。曲軸主軸頸處安裝滾動(dòng)軸承的公差與配合不當(dāng)，在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，滾動(dòng)軸承松動(dòng)后出現(xiàn)了間隙而產(chǎn)生的異常噪聲。

3　異常噪聲的排除過(guò)程及方法

在綜合考慮了該設(shè)備的保障性和經(jīng)濟(jì)性的前提下，同時(shí)盡量縮短故障排除的時(shí)間，在進(jìn)行故障排查前，制定了排查步驟：先檢查空壓機(jī)外圍的輔助部分，再檢查空壓機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，即先排查拆卸少的外圍部件，最后排查拆卸多的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

首先，根據(jù)噪聲源的分布情況，通過(guò)逐級(jí)拆卸各級(jí)的氣缸蓋，取出對(duì)應(yīng)級(jí)的組合閥，開(kāi)機(jī)檢查并通過(guò)前后噪聲的對(duì)比，初步判斷異常噪聲不是由組合閥引起的。

其次，根據(jù)冷卻風(fēng)扇的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，先拆掉其周?chē)娘L(fēng)扇罩殼，開(kāi)機(jī)后噪聲依然存在，后把冷卻風(fēng)扇及其附屬管路均拆卸下來(lái)，開(kāi)機(jī)發(fā)現(xiàn)噪聲依舊，故而判斷異常噪聲也不是風(fēng)扇葉片引起的。

最后，在空壓機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)上查找原因，因軸承座是通過(guò)8個(gè)螺栓連接到曲軸箱端部的，故先把軸承座從端部拆卸下來(lái)并檢查其內(nèi)孔安裝的滾動(dòng)軸承。當(dāng)軸承座拆卸完畢時(shí)，其表面溫度仍有約30℃左右，經(jīng)初步檢視，在滾動(dòng)軸承的可視表面上均勻布滿(mǎn)了潤(rùn)滑油，也沒(méi)有出現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷及干涉現(xiàn)象，但隨后用手稍用力向外拉動(dòng)滾動(dòng)軸承時(shí)，即被輕松地拉出來(lái)3 mm左右，且同時(shí)發(fā)現(xiàn)滾動(dòng)軸承在孔內(nèi)可以輕微的“晃動(dòng)”（由表1知此時(shí)已為小間隙配合了），后把其一起放入油槽內(nèi)稍許加熱即可把滾動(dòng)軸承完全拉出來(lái)，此時(shí)發(fā)現(xiàn)軸承座的內(nèi)孔表面和滾動(dòng)軸承的外圓周表面上，且沿著圓周運(yùn)動(dòng)的方向上均有明顯的摩擦痕跡，后經(jīng)檢測(cè)，內(nèi)孔已失圓。

經(jīng)過(guò)分析，初步判斷異常噪聲是由于安裝在軸承座內(nèi)孔處的滾動(dòng)軸承出現(xiàn)了間隙配合，并在高速旋轉(zhuǎn)和力的共同作用下，發(fā)生了較嚴(yán)重的相對(duì)位移，從而產(chǎn)生了異常噪聲。

4　試驗(yàn)驗(yàn)證的過(guò)程及方法

在設(shè)計(jì)空壓機(jī)時(shí)，尤其是配裝在艦船上的空壓機(jī)，一般有質(zhì)量要求，為了降低機(jī)組的整體質(zhì)量，軸承座等采用鑄鋁合金ZL104，滾動(dòng)軸承選用進(jìn)口件，一般為軸承鋼或合金鋼的標(biāo)準(zhǔn)件。當(dāng)拆卸下來(lái)的軸承座降至環(huán)境溫度12.5℃時(shí)，使用內(nèi)徑千分表測(cè)量軸承座的內(nèi)孔，其最小直徑處的偏差約為-0.013 mm，用杠桿千分尺測(cè)量滾動(dòng)軸承的外徑，其尺寸偏差約為-0.004 mm。調(diào)閱軸承座原始設(shè)計(jì)尺寸，其內(nèi)孔的極限偏差為?110（-0.022～0）mm，且沒(méi)有標(biāo)注加工和檢測(cè)時(shí)的環(huán)境溫度要求。經(jīng)查，當(dāng)時(shí)這個(gè)軸承座的加工環(huán)境溫度約為15℃，記錄的加工尺寸偏差為-0.01 mm。

試驗(yàn)驗(yàn)證時(shí)，使用油浴法加熱，即分別把拆卸下來(lái)的軸承座和滾動(dòng)軸承放置在同一個(gè)油槽內(nèi)加熱，保溫一段時(shí)間后，分別測(cè)量油溫在30℃、40℃、50℃及68℃時(shí)幾個(gè)階段軸承座內(nèi)孔和滾動(dòng)軸承外徑的尺寸，由于加熱膨脹，內(nèi)孔和外徑均會(huì)變大，并在68℃左右時(shí)，其內(nèi)孔偏差增至+0.088 mm，而滾動(dòng)軸承外徑偏差增至+0.056 mm。由此可知，隨著溫度不斷上升，滾動(dòng)軸承就由最初的過(guò)盈配合，逐漸變成了間隙配合，而且運(yùn)行過(guò)程中交變應(yīng)力的作用會(huì)使間隙值進(jìn)一步加大。

根據(jù)設(shè)計(jì)的油冷卻器不同，往復(fù)活塞式高壓空壓機(jī)工作時(shí)的油溫也即軸承座內(nèi)孔處的溫度一般在55～75℃之間，因此，在加工軸承座的內(nèi)孔時(shí)，需要根據(jù)加工和檢測(cè)時(shí)的環(huán)境溫度，嚴(yán)格控制其內(nèi)孔的尺寸偏差。

經(jīng)試驗(yàn)、記錄，產(chǎn)生異常噪聲的軸承座，其內(nèi)孔改進(jìn)前的加熱試驗(yàn)結(jié)果和曲線(xiàn)圖，如圖1所示。

由圖1可以看出，當(dāng)空壓機(jī)運(yùn)行時(shí)，由于壓縮和摩擦?xí)a(chǎn)生大量的熱，且配合的2個(gè)零件膨脹系數(shù)相差較大，當(dāng)軸承座和滾動(dòng)軸承的溫度超過(guò)27℃左右后（即圖1中的C點(diǎn)），軸承座內(nèi)孔的偏差值就開(kāi)始大于滾動(dòng)軸承外徑的偏差值，且隨著溫度不斷升高，雖然滾動(dòng)軸承外徑的偏差值也變大，但表示軸承座內(nèi)孔尺寸偏差大小隨溫度變化的A線(xiàn)此后就一直處于滾動(dòng)軸承外徑尺寸偏差B線(xiàn)的上方，即2個(gè)零件間將出現(xiàn)間隙，逐漸松動(dòng)而產(chǎn)生相對(duì)位移，進(jìn)而形成噪聲源。

圖1　改進(jìn)前加熱試驗(yàn)結(jié)果與曲線(xiàn)圖

5　處理措施

在綜合分析了異常噪聲的排除過(guò)程和驗(yàn)證試驗(yàn)后，如何有效地解決和控制鑄鋁合金及類(lèi)似材料的加工尺寸問(wèn)題，是研究的最終目的。

為此，根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)［4］中提供的鑄鋁合金膨脹系數(shù)及所做的驗(yàn)證試驗(yàn)，按5℃為一個(gè)梯度，規(guī)定了此鑄鋁合金軸承座內(nèi)孔的加工原則：即滾動(dòng)軸承座內(nèi)孔的加工尺寸，必須考慮加工和檢測(cè)時(shí)的溫度影響，圖樣上標(biāo)注的內(nèi)孔尺寸極限偏差（見(jiàn)圖2）是針對(duì)環(huán)境溫度為20℃時(shí)的情況，當(dāng)加工和檢測(cè)時(shí)的溫度與20℃偏離時(shí)，每增加或減少5℃，其上、下偏差值就相應(yīng)增加或減少0.01 mm，依此類(lèi)推。

根據(jù)上述的加工原則并優(yōu)化軸承座內(nèi)孔的極限偏差，同時(shí)考慮工廠加工場(chǎng)所的實(shí)際情況，現(xiàn)給出了5～35℃的環(huán)境條件下，統(tǒng)計(jì)不同環(huán)境溫度時(shí)軸承座內(nèi)孔尺寸對(duì)應(yīng)的極限偏差，詳見(jiàn)表1。

按表1中列出的不同溫度時(shí)對(duì)應(yīng)的極限偏差進(jìn)行零件加工，并隨機(jī)抽取數(shù)只改進(jìn)后的軸承座，取其偏差的平均值（加工環(huán)境溫度約10℃），又進(jìn)行了同樣的加熱試驗(yàn)，并記錄了加熱溫度及對(duì)應(yīng)的尺寸偏差情況，其試驗(yàn)結(jié)果與曲線(xiàn)圖見(jiàn)圖3。

由圖3可以看出，在綜合考慮了溫度的影響及優(yōu)化軸承座內(nèi)孔的極限偏差后，在軸承座內(nèi)孔處和滾動(dòng)軸承的溫度達(dá)到70℃左右時(shí)，其表示軸承座內(nèi)孔尺寸偏差大小隨溫度變化的A線(xiàn)就一直處于滾動(dòng)軸承外徑尺寸偏差B線(xiàn)的下方了，即一般空壓機(jī)在運(yùn)行時(shí)所能達(dá)到的油溫范圍內(nèi)，基本可以保證2個(gè)零件一直處于適度的過(guò)盈配合狀態(tài)，從而避免了因2個(gè)零件間出現(xiàn)間隙，逐漸松動(dòng)后而產(chǎn)生的異常噪聲現(xiàn)象。

圖2　軸承座內(nèi)孔加工尺寸示意圖

表1　不同環(huán)境溫度對(duì)應(yīng)的極限偏差

6　耐久性試驗(yàn)情況

圖3改進(jìn)后加熱試驗(yàn)結(jié)果與曲線(xiàn)圖

GJB 1491-92《艦用電動(dòng)高壓往復(fù)活塞空氣壓縮機(jī)通用規(guī)范》［5］中4.7節(jié)的檢驗(yàn)方法，重新進(jìn)行了1000 h的耐久性試驗(yàn)。在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，沒(méi)有再出現(xiàn)類(lèi)似的異常噪聲，后經(jīng)拆機(jī)檢查，滾動(dòng)軸承連接緊固，也沒(méi)有出現(xiàn)相對(duì)摩擦等的痕跡，且在后續(xù)批量進(jìn)行的生產(chǎn)、試驗(yàn)及銷(xiāo)售的空壓機(jī)中，也均沒(méi)有一臺(tái)空壓機(jī)出現(xiàn)之前的異常噪聲現(xiàn)象了。

7　結(jié)語(yǔ)

在設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，需要根據(jù)故障的特點(diǎn)，及時(shí)、準(zhǔn)確地進(jìn)行故障預(yù)判，通過(guò)全面分析故障現(xiàn)象，并結(jié)合產(chǎn)品結(jié)構(gòu)原理，客觀準(zhǔn)確地判斷故障原因及損害程度，科學(xué)地制定排查措施和實(shí)施步驟。

通過(guò)實(shí)例進(jìn)行總結(jié)，可以?xún)?yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)，使零件的加工過(guò)程和質(zhì)量活動(dòng)處于受控狀態(tài)，同時(shí)給重要零件在選用相似或同一類(lèi)型的材料時(shí)提供參考和方法。

［1］郁永章．容積式壓縮機(jī)技術(shù)手冊(cè)［M］．北京，機(jī)械工業(yè)出版社，2000．

［2］林梅，孫嗣瑩．活塞式壓縮機(jī)原理［M］．西安：西安交通大學(xué)，1996．

［3］周?chē)?guó)良．壓縮機(jī)維修手冊(cè)［M］．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010.3．

［4］機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)編委會(huì).機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004．

［5］GJB 1491-92．艦用電動(dòng)高壓往復(fù)活塞空氣壓縮機(jī)通用規(guī)范［S］．

［6］張秀峰．淺談往復(fù)機(jī)管線(xiàn)振動(dòng)的分析與控制［J］．壓縮機(jī)技術(shù)，2013，（4）：24-27．

Analysis and Treatment of the Abnormal Noise in a High-Pressure Air Compressor

LIANG Pu-yu1，2，HE Shi-ping1，MIAO Zhong-hui2
（1.College of Power，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China；2.No.4812 PLA.Factory，Anqing 246001，China）

Through the phenomenon of abnormal noise in a high-pressure air compressor in the process of running，several possible reasons causing the abnormal noise are analyzed in-depth.The failure mechanism is found through the test and the processing principle of similar problems is summarized.It provides a reference and method for the related important parts design and carrying out quality work.

high-pressure air compressor；noise；bearing base；rolling bearing；expansion coefficient

TH45

B

1006-2971（2015）04-0055-04

梁璞玉，工程師，在讀工程碩士，研究方向?yàn)榕灤每諌簷C(jī)與減振降噪。E-mail：jzh01334lpy@126.com

2015-02-11