某型船用電機振動試驗系統(tǒng)設計與研究

劉 成

(大慶煉化公司電儀運行中心,黑龍江大慶 163000)

0 引言

船用電機振動噪聲設計,一直是電機性能設計中最關鍵的一個環(huán)節(jié),主要與其應用的場所密切相關(國防領域)。在我國國防事業(yè)建設的初期以及前期主要以經驗法以及仿制1:1樣機的方式,來預估整機設備的振動性能,這種方式不但延長了設備的研制周期,而且其設計精度也偏低,無法滿足船用電機低振動噪聲設計的需求。隨著技術計算機領域、傳感控制科學的發(fā)展,測試工業(yè)測試技術得到了長足的發(fā)展,主要體現在,傳感器應用與測試系統(tǒng)的提升。近年來,LMS(西門子)、B&k等測試分析系統(tǒng)承擔了大量振動測試分析工作,以此為契機,振動噪聲設計的方法也發(fā)生了改變,以振動實測數據為基礎對設備的振動噪聲進行優(yōu)化設計成為了現階段的主要方法,其設計相比于傳統(tǒng)經驗方法更加科學,設計準確性也大幅度得到提升。因此,搭建船用電機振動測試系統(tǒng)成為,其進行振動噪聲設計、預估、優(yōu)化的前提。

本文以某型號船用電機為例,對船用電機振動測試系統(tǒng)進行介紹、設計、研究,概括搭建流程及系統(tǒng)原理,為后續(xù)船用電機振動性能設計與產品迭代提供了一定的借鑒。

1 船用電機測試平臺的搭建

船用電機測試平臺的搭建實質是利用相應的軟件進行編程,將程序鑲嵌到計算機硬件中,調用計算機的相關硬件,來完成顯示、運算、存儲數據等振動測試數據分析所需要的功能。同時通過軟體所實現的相應程序,還可以完成數據分析、數據比對、數字信號的處理轉化與顯示等功能,提升了工程人員對振動數據采集與測試調試的能力,從而提供船用電機振動測試工作效率。

本文所搭建的測試平臺的功能流程主要包括:測試對象、振動數據的采集、通過虛擬軟體進程處理,最后振動數據的程序與數據處理、管理,詳見圖1。

圖1 船用電機測試平臺功能流程簡介

在采用相應模型對測試系統(tǒng)進行具體搭建時,尤其需要對數據采集與信號處理模塊進行分析,整個軟件系統(tǒng)設計流程見圖2。

圖2 流程如圖

振動數據采集的傳感器方面,選用PCB加速度傳感器,傳感器選型時,考慮了接口、線纜的電磁干擾、電器損耗等對傳感器精度的影響。完成測試平臺的設計后,利用該系統(tǒng)對船用電機機腳數據進行了采集,分別采集了振動的頻程結果與噪聲的頻程結果,振動數據采集結果見圖3。

圖3 船用電機振動、噪聲數據采集結果

2 船用電機模態(tài)試驗

根據振動理論,模態(tài)反映了結構固有特性,決定著結構質量分布、剛度分布,了解結構的模態(tài)屬性,對結構動力學優(yōu)化設計具有重要意義[1]。因此,對船用電機進行了模態(tài)測試試驗,本例船用電機模態(tài)測試采用力錘激勵方法,主要因為其質量與結構屬性而采用了這種方法,在測試過程中,需要具備相應的船用電機模態(tài)測試試驗條件,主要包括計算機系統(tǒng)(數據存儲與處理分析)、加速度傳感器(采集相應數據)、測試本體(船用電機)、顯示器(顯示數據),具體的硬件測試條件見圖4(a),這里需要說明以下傳感器的選擇,為提高測試精度、節(jié)省傳感器布置空間,選用集成度更高的三方向傳感器見圖4(b)。

圖4 模態(tài)測試試驗條件

上述模態(tài)測試試驗條件具備后,以力錘敲打的方式對電機進行施加激勵,見圖5,檢查激勵與響應的相關情況,合理提取與選擇頻響數據。

圖5 力錘“激勵施加”過程

對比了測試模態(tài)(實測值)與仿真模態(tài)(計算值),結果見表1,兩者的誤差在合理的可接受范圍內,說明較高模態(tài)可信性,在船用電機結構設計、電磁設計時應盡量避開表1中頻率,從而使得電機具有更好的振動性能。

表1 測試模態(tài)與仿真模態(tài)評估

3 船用電機噪聲測試

船用電機的噪聲控制也及其重要,一般來說就噪聲產生源來說,其是由振動的輻射以及振動波對空氣的作用而來,在噪聲數據采集與振動類似,其需要的測試條件也基本與振動及模態(tài)測試相同,只是將“搜集”振動的加速度傳感器換成“搜集”聲音的麥克風,見圖6。

圖6 聲學“搜集”麥克風

按標準要求,使得麥克風在指定方向,指定距離“搜集”數據,通過電機控制系統(tǒng),實現電機的不同轉速工況,見圖7,演示了船用電機噪聲測試過程與原理。

圖7 船用電機噪聲測試過程與原理

船用電機額定工況測試結果見圖8,從測試結果可以看出,電機噪聲比較高的頻段在100Hz～800Hz范圍內,可以通過優(yōu)化風扇設計的方法來改善此范圍頻段的噪音,如通過合理設計在風扇處,加裝具有消音作用的風扇罩或優(yōu)化風扇流道等措施。

圖8 船用電機額定工況下噪聲測試結果

4 結語

本文介紹了船用電機“降噪減振”設計發(fā)展歷程,論述了“振動噪聲試驗法”在振動噪聲優(yōu)化設計的重要地位,在此基礎上搭建了基于某型船用電機的振動噪聲測試試驗平臺,實現了振動數據、模態(tài)數據、噪聲數據的采集,并針評估了模態(tài)結果的準確性,同時針對噪聲實測結果,給出了相應的“降噪”手段與措施。