往復式制冷壓縮機閥片振動特性測量系統(tǒng)設計

王 晶， 尹亦陽， 馮 濤， 劉 斌

(北京工商大學材料與機械工程學院，北京 100048)

往復式制冷壓縮機閥片振動特性測量系統(tǒng)設計

王 晶， 尹亦陽， 馮 濤， 劉 斌

(北京工商大學材料與機械工程學院，北京 100048)

分析了制冷壓縮機閥片振動產(chǎn)生的機理.以某型號冰箱壓縮機的進氣閥片為研究對象，對壓縮機閥片振動特性的測量方案進行了研究，建立了冰箱壓縮機閥片振動特性測量系統(tǒng)，確定采用聲激勵方式實現(xiàn)閥片的振動激勵，采用激光測振儀測量閥片振動響應，最后對壓縮機閥片振動特性進行了初步測量分析.

制冷壓縮機;閥片;振動特性;非接觸測量

壓縮機是商用及家用食品冷藏制冷系統(tǒng)的核心設備，也是制冷系統(tǒng)最主要的噪聲源.往復式壓縮機是利用曲柄連桿機構將電機的旋轉運動轉換為活塞的往復運動而對工質(zhì)做功實現(xiàn)制冷［1］.活塞在汽缸中往復運動，通過吸氣閥片和排氣閥片的配合，實現(xiàn)對制冷工質(zhì)的吸入、壓縮和輸送.閥片是安裝在壓縮機缸體上控制氣體進出的部件，它的開啟與關閉控制著壓縮機的吸氣、壓縮、排氣和膨脹四個過程.壓縮機各運轉部件在運轉過程中都有可能由于振動產(chǎn)生輻射噪聲，隨著機械加工技術水平的提高，曲軸及活塞運轉不平衡所導致的振動已經(jīng)大幅下降，壓縮機吸排氣過程中所產(chǎn)生的閥片振動逐漸成為壓縮機噪聲的主要成因［2－3］.因此，要實現(xiàn)壓縮機閥片噪聲的控制必須首先掌握壓縮機閥片的振動特性.

本文以某型號冰箱壓縮機的閥片為研究對象，對壓縮機閥片振動特性的測量方案進行研究，建立相應測量系統(tǒng)，并對壓縮機閥片振動特性進行初步分析.

1 閥片振動機理

通過對往復式壓縮機的運行原理進行分析，三種原因?qū)е麻y片在吸排氣過程中產(chǎn)生振動，進而產(chǎn)生噪聲輻射.一是閥片與其支撐結構之間的撞擊，由壓縮機吸排氣過程中產(chǎn)生高速高壓氣體瞬間沖擊閥片產(chǎn)生.二是不穩(wěn)定渦流與彈性閥片之間的相互作用，當高速氣流頂開閥片時會產(chǎn)生湍流，由于閥片對氣流形成阻礙，在閥片下游就會形成渦脫落，由于不穩(wěn)定的渦脫落與頂開彈性閥片相互作用，導致閥片振動.三是壓縮機其它部件通過結構傳遞給閥片的振動.從閥片振動的形成機理來看，前兩種是導致其振動進而產(chǎn)生噪聲輻射的主要原因.降低閥片的振動可從聲源角度實現(xiàn)閥片噪聲的控制，而掌握閥片的振動特性則是控制閥片振動首先要解決的問題.

2 試驗測量系統(tǒng)設計

振動試驗測量系統(tǒng)一般由激勵、拾振及顯示記錄分析3部分組成.激振部分主要包括信號源、功率放大器及激振裝置;拾振部分主要包括速度(加速度)傳感器及調(diào)試放大器;分析顯示記錄部分主要包括分析儀及其外圍設備.在振動測量過程中，先使用激振裝置使測試對象振動起來，通過力及速度(加速度)傳感器測量信號，再利用分析儀及其外圍設備顯示記錄分析信號.

現(xiàn)以某型壓縮機進氣閥片為研究對象，對其振動特性進行研究，進氣閥片長50 mm，寬42 mm，厚度0.2 mm，屬輕薄彈性體，其形狀如圖1.對于一般的彈性結構體，可使用電磁力激勵器或力錘施加激勵，使用加速度傳感器測量振動響應，但這樣的測量方式卻無法應用于閥片這樣的輕薄彈性體，其原因主要是難以施加激勵和難以測量響應.由于閥片尺寸和質(zhì)量均較小，從結構上難以實現(xiàn)激勵力的準確施加;從振動響應測量方面來看，加速度傳感器質(zhì)量一般都遠大于閥片的質(zhì)量，完全不滿足傳感器質(zhì)量遠小于待測對象質(zhì)量的要求.基于以上考慮，輕彈性體振動特性的測量只能考慮非接觸方式的激振和拾振.

圖1 試驗測量進氣閥片F(xiàn)ig.1 Suction valve for experimental test

非接觸激勵可通過氣流、聲或電磁方式實現(xiàn)，非接觸測量可通過聲學、光學和電磁等方式實現(xiàn).根據(jù)測量的需要和試驗室的條件，確定使用LMS體積聲源對閥片進行聲激勵，使用Polytek激光測振儀實現(xiàn)閥片振動響應的測量，試驗測量方案如圖2.試驗測量系統(tǒng)由閥片樣件、加速度體積聲源、激光測振儀、傳聲器、PLUSE信號采集前端及計算機等6部分組成.

圖2 試驗測量系統(tǒng)結構示意Fig.2 Schematic diagram of measurement system

3 進氣閥片振動特性測量

3.1 閥片裝夾方式

進氣閥片在壓縮機運行過程中進行單向彎曲運動，為全面研究進氣閥片的振動特性，對閥片采用兩種支撐方式:一是自由支撐方式，即直接夾持進氣閥片，此時閥片能進行雙向彎曲振動;二是裝配支撐方式，將閥片與其配合部件安裝在一起，此時閥片只能進行單向彎曲振動.兩種方式都采用圖3虎鉗裝夾固定，使用體積聲源在距離進氣閥片1 cm和5 cm處激勵閥片.

圖3 閥片裝夾方法Fig.3 Clamping method of valve

3.2 測量系統(tǒng)的設定調(diào)節(jié)

激光測點在閥片中央位置，為增強激光測振儀信噪比，在該位置處粘貼專用激光反射材料.檢查接線無誤后，啟動PLUSE測振儀、體積聲源的功率放大器以及激光測振儀數(shù)據(jù)處理平臺，調(diào)整激光測振儀的水平豎直位置，使其高度剛好與閥片粘貼反光材料中心處等高，調(diào)節(jié)激光測振儀的聚焦旋鈕，當激光測振儀信號滿格時，停止調(diào)節(jié)，鎖死激光測振儀.激勵信號采用7～2 400 Hz寬帶噪聲.

4 試驗結果及初步分析

試驗采用閥片的振動響應速度與激勵信號之間的傳遞函數(shù)反映閥片的振動特性［4－6］，下面分析自由支撐和裝配支撐兩種方式的測量結果.

4.1 自由支撐

自由支撐進氣閥片的振動特性如圖4，圖中實線和點線分別為激勵源距離閥片1 cm和5 cm時的測量結果.從圖4中可以看出，激勵距離閥片越近，響應也就越大.在 180，470，700 Hz，1.22，1.4 kHz處具有明顯的共振峰，在180 Hz處的共振峰最高，遠高于其它共振峰.

圖4 自由支撐進氣閥片振動特性Fig.4 Vibration property of suction valve under free clamping method

應用LMS Virtual Lab軟件對自由支撐條件下的閥片進行模態(tài)分析，閥片的結構如圖1，厚度0.2 mm，材料為鋼.圖5為閥片在196.7 Hz處的模態(tài)振型.在該振型圖中，閥片以懸臂梁方式振動，控制進氣通道的開閉，這是閥片工作過程中的主要振動模式，該頻率與測量得到的第一階共振頻率較為接近，這說明采用聲激勵方式能夠得到閥片的振動特性.

圖5 閥片196.7 Hz處的模態(tài)振形Fig.5 Model shape of valve at 196.7 Hz

4.2 裝配支撐

裝配支撐進氣閥片的振動特性如圖6，圖中實線和點線分別為聲激勵源距離閥片1 cm和5 cm時的測量結果.從圖6可以看出，激勵距離閥片越近，響應也就越大.在100，180，800 Hz處具有明顯的共振峰，共振峰數(shù)目低于自由支撐方式，但在0.2～3.6 kHz呈現(xiàn)出明顯的寬帶響應特征，其中心頻率約在1.7 kHz處，此處的值最高，超過共振峰對應的響應.其原因主要是裝配支撐方式下，閥只能單向振動所導致的非線性效應.圖7為自由和裝配兩種支撐方式測量結果的比較.從圖7可看出，相同激勵條件下，裝配支撐方式響應特征較自由支撐有較大的改變，而且振動響應的數(shù)值也遠小于自由支撐.

圖6 裝配支撐進氣閥片振動特性Fig.6 Vibration property under assemble clamping method

圖7 進氣閥片兩種支撐方式測量結果比較Fig.7 Comparison of measurementresults from two clamping methods

5 結論

本文建立的振動試驗系統(tǒng)，以非接觸方式實現(xiàn)了往復式制冷壓縮機進氣閥片振動特性的測量，測量得到的閥片第一階共振頻率與數(shù)值仿真計算結果基本相近.圖6的測量結果表明，閥片即使在線性激勵的作用下，也有可能產(chǎn)生非線性響應，解釋了只受到低頻旋轉不平衡激勵的壓縮機卻能夠輻射出高頻噪聲的原因.本試驗系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)閥片振動特性的測量，可用于閥片這種輕薄彈性體振動特性的深入研究，為閥片振動特性優(yōu)化提供依據(jù)，為最終降低制冷壓縮機噪聲奠定基礎.

［1］Paul C H.壓縮機手冊［S］.郝點，譯.北京:中國石化出版社，2003:1-10.

［2］季曉明，孟曉宏，金濤.往復式冰箱壓縮機噪聲分析及控制方法綜述［J］.噪聲與振動工程控制，2007(1):17-20.

［3］趙志軍，仇穎，李紅旗.冰箱用全封閉壓縮機噪聲分析與降噪措施的探討［J］.流體機械，2004，32(12):47-49.

［4］李德葆，陸秋海.工程振動實驗分析［M］.北京:清華大學出版社，2004:256-266.

［5］杜功煥，朱哲民，龔秀芬.聲學基礎［M］.南京:南京大學出版社，2001:79-90.

［6］吳業(yè)正.往復式壓縮機數(shù)學模型及應用［M］.西安:西安交通大學出版社，1989:100-122.

(責任編輯:檀彩蓮)

Design of Vibration Measurement System for Valve of Refrigerator Compressor

WANG Jing， YIN Yi-yang， FENG Tao， LIU Bin
(School of Material and Mechanical Engineering，Beijing Technology and Business University，Beijing 100048，China)

The vibration mechanism of the valve of the refrigerator compressor was analyzed.The measurement schemes of the vibration property of the valve were studied using the suction valve of a type of compressor as the research object.The experimental system for measuring the valve vibration property was established.The sound signal was used as the exciter and the Laser Doppler Velocity meter was applied to measure the vibration response of the valve.The preliminary experimental analyses of the vibration properties of the valve were accomplished.

refrigerator compressor;valve;vibration property;non-contact measurement

TS205;TS972.24

A

1671-1513(2011)01-0063-03

2011-01-10

北京市教委科技發(fā)展面上資助項目(KM201010011008);北京市屬高等學校人才強教計劃資助項目(PHR201106110).

王 晶，女，副教授，主要從事噪聲與振動控制方面的研究.