轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)磁中心高度差對(duì)噪音的影響

吳麗花 艾明發(fā)

（奧克斯空調(diào)股份有限公司 寧波 315100）

引言

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)對(duì)空調(diào)的需求量日益增長(zhǎng)，空調(diào)能效要求日益提高[1]，空調(diào)行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)也日益激烈，使得企業(yè)在產(chǎn)品品質(zhì)和性能管控方面面臨巨大挑戰(zhàn)。

空調(diào)主要由壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、冷凝器和節(jié)流裝置等4大基本部件組成[2]，其中常見(jiàn)壓縮機(jī)按機(jī)械結(jié)構(gòu)分渦旋式、往復(fù)式和轉(zhuǎn)子式等。渦旋式壓縮機(jī)力矩變化小、容積效率高，噪聲低，但加工難、成本高[3,4]，因此主要應(yīng)用于商用空調(diào)和大匹數(shù)熱泵等；往復(fù)式壓縮機(jī)熱效率高，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、易損件多[5,6]，多應(yīng)用于冰箱和汽車空調(diào)等；而轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、運(yùn)行平穩(wěn)和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)被大多數(shù)家用空調(diào)廣泛使用[7]。但多數(shù)家用空調(diào)壓縮機(jī)企業(yè)會(huì)綜合成本控制，導(dǎo)致壓縮機(jī)性能效率提升難度較大。

壓縮機(jī)作為空調(diào)系統(tǒng)的核心部件[8]，功耗占系統(tǒng)整體功耗的80 %左右，優(yōu)化壓縮機(jī)性能對(duì)空調(diào)能效提升至關(guān)重要。轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)提升能效的方法包括增排量、降功率 、降泄漏、優(yōu)化電機(jī)運(yùn)行模式、縮小氣缸軸向間隙等[9]。另提升壓縮機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性可進(jìn)一步優(yōu)化性能，設(shè)計(jì)增加曲軸的通孔長(zhǎng)度、控制定轉(zhuǎn)子磁中心高度，可保證壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)更加平穩(wěn)。但是由于腔體內(nèi)部空間有限，若設(shè)計(jì)未充分考慮使用工況，反而會(huì)造成壓縮機(jī)的穩(wěn)定性變差，甚至產(chǎn)生額外的品質(zhì)問(wèn)題，如“竄動(dòng)噪音”故障[10]。本文針對(duì)一款壓縮機(jī)的定轉(zhuǎn)子磁中心高度差設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致的“竄動(dòng)噪音”故障進(jìn)行分析，給出設(shè)計(jì)規(guī)避意見(jiàn)和整機(jī)檢測(cè)方案。

1 理論分析

1.1 壓縮機(jī)竄動(dòng)噪音產(chǎn)生條件

針對(duì)該款壓縮機(jī)進(jìn)行受力分析，如圖1所示。

由圖1可知，該款壓縮機(jī)主要受力包括：①曲軸與轉(zhuǎn)子的重力G（向下）；②電機(jī)上下部壓力差帶來(lái)的力F1（向上），且壓力差越大，F(xiàn)1越大[11]；③定子中心對(duì)轉(zhuǎn)子中心的拉力Fpm（向下，電壓波動(dòng)導(dǎo)致大小不定）；④轉(zhuǎn)子扭斜產(chǎn)生的推力Fpa（向下）。

其中重力G、推力Fpa在壓縮機(jī)在定轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)階段基本固定；Fpm取決于磁中心高度差，一般定轉(zhuǎn)子疊高長(zhǎng)度規(guī)格基本固定[12]，磁中心高度差由定轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)的裝配位置決定，常規(guī)壓縮機(jī)定轉(zhuǎn)子疊高設(shè)計(jì)一致，磁中心高度差可直接由定轉(zhuǎn)子高度差換算；F1受空調(diào)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行工況影響，當(dāng)空調(diào)系統(tǒng)處于高負(fù)荷工況時(shí)容易導(dǎo)致F1值偏大。

若壓縮機(jī)自身高度差規(guī)格設(shè)計(jì)偏小，定子對(duì)轉(zhuǎn)子中心的向下電磁拉力Fpm不足，同時(shí)低電壓影響壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速，會(huì)進(jìn)一步降低電機(jī)的電磁拉力Fpm。

因此在高負(fù)荷低電壓工況下F1＞G+Fpm+Fpa，曲軸整體受力向上，推動(dòng)曲軸向上運(yùn)動(dòng)，曲軸上止推面與上缸蓋平面發(fā)生撞擊[13]，由于壓縮機(jī)是脈動(dòng)排氣[14]，因此曲軸會(huì)持續(xù)向上竄動(dòng)撞擊，造成壓縮機(jī)異常音的發(fā)生。

1.2 空調(diào)竄動(dòng)噪音的故障表現(xiàn)

壓縮機(jī)竄動(dòng)噪音主要表現(xiàn)為間斷性的低頻異音，音質(zhì)類似“蛤蟆低鳴”。聲音穿透性強(qiáng)、耳感體驗(yàn)差[15]，外部遮擋無(wú)法有效隔絕。

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證的壓縮機(jī)定轉(zhuǎn)子疊高規(guī)格一致，定轉(zhuǎn)子高度差設(shè)計(jì)值0.5～1.5 mm，換算磁中心高度差設(shè)計(jì)值為 0.5～1.5 mm。

圖1 某款壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子受力示意圖

2.1 單體實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

取2臺(tái)異音故障機(jī)（1#、2#）接入單體振動(dòng)、噪音測(cè)試臺(tái)，在額定電壓（230 V）和頻率（50 Hz）下運(yùn)行，在表2的工況下穩(wěn)定30 min后進(jìn)行測(cè)量振動(dòng)、噪音值。記錄數(shù)值后繼續(xù)調(diào)整電壓至196 V（85倍）進(jìn)行測(cè)量，后續(xù)采取每降低1 V穩(wěn)定5 min方式進(jìn)行測(cè)量，直到耳聽(tīng)出現(xiàn)明顯異音為止。噪音、振動(dòng)取最大值進(jìn)行判定，異音判定以耳感為準(zhǔn)。

2.1.1 單體振動(dòng)布點(diǎn)要求

圖2 壓縮機(jī)單體振動(dòng)布點(diǎn)示意圖

在分液器上布置1個(gè)三向加速度傳感器，傳感器布置在分液器中間位置H/2處、且在分液器離壓縮機(jī)缸體最遠(yuǎn)的表面上，如圖2所示。三向加速度傳感器重量應(yīng)盡量輕（建議≤10 g），加速度數(shù)據(jù)記錄（10～ 2 000） Hz的RMS值。

2.1.2 單體噪音測(cè)試取樣要求

取樣要求：在機(jī)體正面30 cm 處設(shè)取樣點(diǎn)1，取樣頭與機(jī)體、分液器中心點(diǎn)保持一條直線；在機(jī)體側(cè)面30 cm處設(shè)取樣點(diǎn)2，正對(duì)機(jī)體中心，與機(jī)體、分液器中心連線垂直。正、側(cè)面取樣點(diǎn)與電機(jī)中心高度保持一致，如圖3所示。

聽(tīng)音要求：人員耳聽(tīng)感受距離不得小于取樣距離。

壓縮機(jī)規(guī)格及測(cè)試工況如表1、表2。

2.2 整機(jī)復(fù)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

整機(jī)只進(jìn)行異音驗(yàn)證，將單體測(cè)試后的兩臺(tái)壓縮機(jī)裝入外機(jī)系統(tǒng)，將外機(jī)放置在噪音測(cè)試臺(tái)，連接好內(nèi)機(jī)在額定電壓（230 V）和頻率（50 Hz）進(jìn)行額定制冷運(yùn)行，在表3的工況下穩(wěn)定30 min后進(jìn)行降電壓測(cè)試，后續(xù)切換最大運(yùn)行制冷模式進(jìn)行降電壓測(cè)試，噪音值正常檢測(cè)記錄，異音判定以耳感為準(zhǔn)。

2.2.1 整機(jī)噪音測(cè)試取樣要求

外側(cè)檢測(cè)時(shí)需要進(jìn)行二個(gè)位置點(diǎn)的噪聲檢測(cè)，標(biāo)準(zhǔn)位置(距出風(fēng)口中心距離1 m，機(jī)組出風(fēng)口中心離地高度1 m)，壓縮機(jī)側(cè)位置(距前板的壓縮機(jī)室中間位置距離0.2 m處)，具體如圖4所示，人員耳聽(tīng)感受距離不得小于取樣距離。

圖3 壓縮機(jī)單體噪音取樣示意圖

表1 壓縮機(jī)規(guī)格

表2 壓縮機(jī)單體噪音測(cè)試工況

表3 壓縮機(jī)整機(jī)噪音測(cè)試工況

圖4 外機(jī)噪音檢查示意圖

表4 單體壓縮機(jī)復(fù)現(xiàn)測(cè)試結(jié)果

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 單體振動(dòng)、異音分析

單體振動(dòng)、噪音值均未超標(biāo)，隨著電壓逐步降低，在低電壓時(shí)2臺(tái)故障機(jī)均復(fù)現(xiàn)異音故障（見(jiàn)表4），音質(zhì)為間斷性低頻竄動(dòng)異音。試驗(yàn)表明產(chǎn)生異音的條件是高負(fù)荷和低電壓，而噪音、振動(dòng)值非關(guān)聯(lián)超標(biāo)。

3.2 整機(jī)異音復(fù)現(xiàn)分析

在整機(jī)額定制冷運(yùn)行時(shí)，測(cè)試正常，切換最大運(yùn)行制冷模式提升負(fù)荷后，低電壓測(cè)試時(shí)2臺(tái)均復(fù)現(xiàn)竄動(dòng)異音故障（見(jiàn)表5），使用多層擋板無(wú)法有效阻擋異音傳遞，聲音穿透性強(qiáng)。

3.3 整機(jī)異音對(duì)比分析

整機(jī)對(duì)比數(shù)據(jù)（表6）表明，竄動(dòng)異音跟磁中心高度差強(qiáng)相關(guān)，適當(dāng)增加高度差改善磁拉力可減輕或規(guī)避異音，而磁中心高度差規(guī)格由設(shè)計(jì)階段決定。

3.4 故障樣品分析

對(duì)1#、2#故障機(jī)進(jìn)行解剖分析（圖5），可確認(rèn)曲軸上止推面與上軸承平面已發(fā)生接觸摩擦痕跡（正常壓縮機(jī)設(shè)計(jì)曲軸上止推面與上缸蓋間有一定空隙）。

3.5 整機(jī)對(duì)比樣機(jī)解剖

對(duì)3～6#不同高度差規(guī)格樣機(jī)進(jìn)行解剖分析（表7），不同樣機(jī)磨損程度不同，6號(hào)樣機(jī)正常無(wú)磨損，其余樣機(jī)氣缸法蘭均存在不同程度接觸磨損，正面驗(yàn)證了整機(jī)異音對(duì)比結(jié)果。

表5 整機(jī)復(fù)現(xiàn)測(cè)試結(jié)果

曲軸受力綜合向上是產(chǎn)生竄動(dòng)的前提，止推面與上下軸承表面接觸摩擦導(dǎo)致異音產(chǎn)生，制作不同高度差樣機(jī)進(jìn)行測(cè)試及解剖，高度差（磁中心）1.5 mm樣機(jī)只有輕微異音和磨損，而1.6 mm樣機(jī)測(cè)試中均未出現(xiàn)竄動(dòng)噪音，解剖也正常?？梢钥闯鲈摽顗嚎s機(jī)高度差初始設(shè)計(jì)的下限值0.5 mm不合理，向下磁拉力不足，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證高度差下限最佳值為1.6 mm。

實(shí)驗(yàn)表明磁中心高度差（磁中心位置示意圖見(jiàn)圖6）規(guī)格決定了壓縮機(jī)在高負(fù)荷下的穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)階段就需充分考慮高度差設(shè)計(jì)的合理性。

表6 不同高度差規(guī)格壓縮機(jī)對(duì)比結(jié)果

圖5 曲軸上止推面和上缸蓋環(huán)槽平面摩擦痕跡

表7 不同高度差驗(yàn)證樣機(jī)解剖對(duì)比

另當(dāng)出現(xiàn)曲軸竄動(dòng)時(shí)，止推面與法蘭的接觸面積不同（止推面接觸示意圖見(jiàn)圖7），竄動(dòng)異音的音質(zhì)也存在差異，當(dāng)曲軸止推R角規(guī)格超標(biāo)時(shí)，邊緣與軸承面接觸產(chǎn)生噪音表現(xiàn)會(huì)更加突出，所以曲軸制造過(guò)程中也需重點(diǎn)管控R角加工質(zhì)量。

圖7 止推面接觸示意圖

4 結(jié)論

本文驗(yàn)證了不同磁中心高度差的壓縮機(jī)，通過(guò)噪音試驗(yàn)和解剖分析對(duì)比，確定竄動(dòng)異音控制要求：

1）竄動(dòng)異音跟磁中心高度差強(qiáng)相關(guān)，適當(dāng)增加高度差改善磁拉力可減輕或規(guī)避異音，而磁中心高度差規(guī)格由設(shè)計(jì)階段決定，此參數(shù)作為關(guān)鍵參數(shù)必須通過(guò)詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)確定。

2）試驗(yàn)證明低電壓高負(fù)荷可以有效復(fù)現(xiàn)竄動(dòng)噪音，空調(diào)企業(yè)在壓縮機(jī)新品開(kāi)發(fā)階段需準(zhǔn)備高度差上下限樣品進(jìn)行該實(shí)驗(yàn)，提前識(shí)別此類故障。