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家用空調(diào)壓縮機(jī)的噪音
家用空調(diào)壓縮機(jī)的噪聲分析和
降噪措施的探討
摘 要
首先介紹了空調(diào)壓縮機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和噪音的基本構(gòu)成。然后從理論上提出了一些降噪措施,并運(yùn)用到壓縮機(jī)的實(shí)際產(chǎn)品中。
關(guān)鍵詞 空調(diào)壓縮機(jī)/噪音/消音
DISCUSSION ON THE NOISE ANALYZING AND THE REDUCTION OF NOISE OF COMPRESSOR USED IN
ROOM AIR-CONDITIONER
Abstract
First the basic construction of compressor used in room air conditioner and the basic composing of noise in compressor are introduced .Then based on it ,some new methods to reduce noise are proposed , and also applied in a real products.
Key Words Refrigeration compressor ,Noise ,Noise Reduction 1 前言
滾動活塞式壓縮機(jī),俗稱旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī),在家用空調(diào)壓縮機(jī)市場上占據(jù)著絕對多數(shù)的份額。隨著行業(yè)內(nèi)各廠家紛紛擴(kuò)能增產(chǎn),家用空調(diào)壓縮機(jī)市場在短短幾年內(nèi)迅速從供不應(yīng)求轉(zhuǎn)化為供大于求[1]。為了應(yīng)對當(dāng)前激烈
的市場競爭,除了降低成本,提高品質(zhì)也是一個有效手段。家用空調(diào)壓縮機(jī)的品質(zhì)指標(biāo)有很多,但首當(dāng)其沖的,除了COP ,恐怕就是噪音了。在此背景下,本文從壓縮機(jī)的基本構(gòu)造入手,對空調(diào)壓縮機(jī)的噪聲進(jìn)行了分析并提出一些降噪措施，然后運(yùn)用到壓縮機(jī)的實(shí)際產(chǎn)品中。實(shí)驗(yàn)證明,改進(jìn)后壓縮機(jī)的噪聲比改進(jìn)之前有所降低。
2 家用空調(diào)壓縮機(jī)的構(gòu)造
圖1 為典型的家用空調(diào)滾動活塞式壓縮機(jī)[2]的剖面圖。
在壓縮機(jī)的主殼體內(nèi),固接著電機(jī)和壓縮機(jī)的機(jī)械組件,我們將此機(jī)械組件統(tǒng)稱為機(jī)芯。電機(jī)[3]通過熱套的方法固定于主殼體上部,機(jī)芯通過三點(diǎn)焊的方法固定于主殼體下部。機(jī)芯中的曲軸與電機(jī)的轉(zhuǎn)子熱套,驅(qū)動活塞高速滾動,完成壓縮機(jī)的工作行程。主殼體外連一圓筒形部件,稱為吸氣消聲器,又稱儲液器。圖1 中的黑色箭頭表示制冷劑氣體流動的方向。
3 家用空調(diào)壓縮機(jī)的噪聲分析
3.1 壓縮機(jī)的噪音分類
壓縮機(jī)的噪音[4]可分為機(jī)械噪音、電磁噪音和氣體動力性噪音,它們分別簡稱為機(jī)械音、電磁音和流體音。這三種噪音在噪音頻譜圖上可以說絕大部分相互重疊,基本上不可能只根據(jù)某個噪音的頻率值就斷定其屬于哪一類噪音。盡管如此,對于家用空調(diào)用壓縮機(jī),仍可認(rèn)為,在50～500Hz 頻段,以電磁音為主要成分;在500～4000Hz 頻段,以流體音為主要成分;在4000Hz 以上的頻段,以機(jī)械音為主要成分。
在有必要對壓縮機(jī)噪音種類[5]作出區(qū)別標(biāo)示的情況下,有以下方法可供參考:
(1) 與轉(zhuǎn)子回轉(zhuǎn)頻率相關(guān)的,頻率為n(1-s)f/P的噪音是流體音或機(jī)械音的可能性最大;與電源頻率相關(guān)的,頻率為nf 的噪音是電磁音的可能性最大。上式中:f 為電源頻率,s 為轉(zhuǎn)差率,P 為電機(jī)極對數(shù),n 為諧波次數(shù)1、2、3、?。
(2) 將壓縮機(jī)的電源電壓在一定范圍內(nèi)(比如±10 %) 進(jìn)行調(diào)節(jié)改變,同時記錄壓縮機(jī)噪音聲級的變化。隨著電壓變化而變化的噪音是電磁音的可能性最大。
(3) 由于R12 與R22 的熱物理性質(zhì)不同,在通常的測試條件下(CT:52 ℃/ ET:5 ℃) ,各自對應(yīng)音速也不同。分別為R22 :180m/ s , R12 :133m/ s。據(jù)此,可以用R12 替代R22 在同樣的壓力條件下實(shí)施壓縮機(jī)噪音實(shí)驗(yàn),記錄壓縮機(jī)噪音聲級的變化。有相應(yīng)變化的噪音是流體音的可能性最大。無論是機(jī)械音、電磁音還是流體音,它們都是由壓縮機(jī)內(nèi)部的某類加振力產(chǎn)生相應(yīng)類別的振動和噪音,通過各種介質(zhì)傳導(dǎo)至壓縮
機(jī)殼體,再從殼體發(fā)射到外部環(huán)境。圖2 給出了一個噪音發(fā)生機(jī)構(gòu)與傳播途徑圖解。
3.2機(jī)械性噪
由于氣缸間隙的存在而導(dǎo)致的氣閥[8]、彈簧、閥座等零部件碰撞、敲擊、摩擦、共振及殼體振動而產(chǎn)生的噪聲構(gòu)成了壓縮機(jī)的機(jī)械性噪聲。這類噪聲帶有隨機(jī)性,呈寬頻帶特性。對于正常運(yùn)轉(zhuǎn)的壓縮機(jī)來說, 產(chǎn)生機(jī)械噪聲的主要原因是:
(1)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)不平衡產(chǎn)生的振動引起的噪聲,該噪聲頻率是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動頻率的整數(shù)倍，即：
式中 f n ———噪聲頻率
f 0 ———轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動頻率
N ———0 ,1 ,2 , ?
(2)壓縮機(jī)工作時, 活塞、閥片等各種運(yùn)動部件敲擊以及各運(yùn)行部件相對滑動產(chǎn)生的較高頻率(1～2kHz) 沖擊和摩擦噪聲,但這類噪聲相對低頻噪聲而言,能量很低
3.3 電磁噪聲
壓縮機(jī)的電磁噪聲[9]主要是由于內(nèi)置電動機(jī)產(chǎn)聲生的。電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時,基波磁通和高次諧波磁通是沿徑向進(jìn)入氣隙,它在定子和轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生徑向力,由此而引起徑向的振動和噪聲。此外,它還產(chǎn)生切向力矩和軸向力, 從而產(chǎn)生切向和軸向的振動噪聲。由理論計(jì)算,電機(jī)切向振動產(chǎn)生的噪聲頻率[12]是:
式中 m = 2 ,4 ,6 , ?(偶數(shù))
f 0 ———轉(zhuǎn)子的基頻
f 1 ———電網(wǎng)頻率
電機(jī)徑向振動[13]引起的噪聲頻率為
:
式中 k = 1 ,2 ,3 , ?
Zz ———轉(zhuǎn)子槽數(shù)
P ———磁極對數(shù)
s ———轉(zhuǎn)差率
3.4 空氣動力性噪聲
氣流脈動性噪聲[15]主要產(chǎn)生在壓縮機(jī)進(jìn)氣端。壓縮機(jī)的進(jìn)氣噪聲是由于氣流在進(jìn)氣管內(nèi)的壓力脈動而形成的。電動機(jī)定子、轉(zhuǎn)子中的氣體
流動以及機(jī)殼內(nèi)的氣柱共鳴也產(chǎn)生噪聲。進(jìn)氣噪聲的基頻與進(jìn)氣管里的氣體脈動頻率相同(與壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速有關(guān)) 。壓縮機(jī)的排氣噪聲是由于氣流在排氣管內(nèi)產(chǎn)生壓力脈動所致。排氣噪聲較進(jìn)氣噪聲弱,所以考慮壓縮機(jī)的空氣動力噪聲一般以吸氣噪聲為主[16]。
4 消聲降噪方法及改進(jìn)措施
4.1 降低壓縮機(jī)的機(jī)械性噪音
機(jī)械音從廣義上講,是產(chǎn)生于機(jī)械摩擦副的各零件之間的相互作用,包括:滾動、滑動、轉(zhuǎn)動、撞擊等。參考圖1 ,這樣的摩擦副有:
(1) 曲軸短軸與汽缸蓋(2) 曲軸偏心部與活塞(3) 曲軸長軸與機(jī)架
(4) 曲軸下止推面與汽缸蓋(5) 曲軸上止推面與機(jī)架(6) 活塞與汽缸蓋
(7) 活塞與機(jī)架(8) 活塞與滑片(9) 滑片與汽缸(10) 排氣閥與汽缸(11) 排氣閥與升程限位板(12) 活塞與汽缸。其中第(5) 項(xiàng)是因?yàn)樵谠韴D上,曲軸上止推面與機(jī)架保持線(面) 接觸,而實(shí)際中(參考圖1) ,空調(diào)用旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)為立式結(jié)構(gòu),機(jī)芯部件位于殼體下部,電機(jī)部件位于上部,在重力作用下,轉(zhuǎn)子將熱套于其中的曲軸壓向汽缸蓋[17];而且轉(zhuǎn)子槽與轉(zhuǎn)子軸線有一定傾斜度,槽中鋁條在運(yùn)轉(zhuǎn)時所感應(yīng)的電磁力有一個向下的分力,這樣設(shè)計(jì)的目的主要是為了防止曲軸的異常軸向竄動,特別是起動時。由于以上原因,曲軸上止推面與機(jī)架正常情況下不會直接接觸,而是有0. 2mm左右的間隙。其中第(12) 項(xiàng)也是因?yàn)樵跐L動活塞壓縮機(jī)的原理上,活塞與汽缸保持點(diǎn)(線) 接觸,而實(shí)際上在設(shè)計(jì)時,活塞與汽缸并不直接接觸,而是留有10μm 級的施間隙,主要依靠間隙中的潤滑油膜隔離汽缸的高壓腔和低壓腔。
機(jī)械音的消音對策[19]有:(1) 通過精密加工和精確裝配,最大限度地消除曲軸系統(tǒng)的不平衡慣性力和力矩;(2) 合理設(shè)計(jì)各摩擦副的配合間隙;(3) 加強(qiáng)各摩擦副之間的潤滑;(4) 必要時在機(jī)架或汽缸蓋的配合端面開設(shè)環(huán)形卸載槽,在改善摩擦磨損的同時獲得噪音的改善;(5) 改進(jìn)汽缸的設(shè)計(jì)與裝配工藝,降低在裝配過程中引起的汽缸中滑片槽的變形(比如汽缸與主殼體的三點(diǎn)焊) ;(6) 優(yōu)化排氣閥片的形狀、剛性與最大升程,在保證性能和可靠性的前提下以期獲得最小的閥片開合沖擊力;(7) 對
汽缸排氣口處的閥座進(jìn)行表面處理,降低其剛性;(8) 對升程限位板進(jìn)行表面處理或選用其他低剛性材料;
(9) 提高汽缸剛性以減少振動;(10) 另外,由于吸氣消聲器[20](儲液器) 與汽缸及主殼體通過支架和管件(消聲器排出管) 連接,汽缸和殼體的振動會沿此管傳遞到吸氣消聲器上,造成幅度更大的振動。這也是一種機(jī)械音的聲源,可在消聲器排出管與汽缸的連接處采取減振措施。實(shí)際上自滾動活塞式壓縮機(jī)大批量投產(chǎn)以來,已有30 年以上的歷史,對于機(jī)械音的消除,人們已做了大量的工作。比如隨著精密加工和裝配技術(shù)的長足進(jìn)步,目前壓縮機(jī)各機(jī)械摩擦副的配合間隙[22]基本上都在10～30μm 之間。再比如,目前排氣閥片的最大升程都已控制在3mm 以內(nèi)。因此,對機(jī)械音的進(jìn)一步消除,空間很小,困難較大。
盡管如此,以上的消音對策仍有一定的指導(dǎo)及參考價值。
4.2 降低壓縮機(jī)的電磁性噪音
電磁音的產(chǎn)生源于于電磁場的失衡。對于家用空調(diào)用定速(頻) 壓縮機(jī),采用的是單相感應(yīng)式異步電動機(jī),其電磁音的產(chǎn)生主要有兩個因素:主副繞組的電磁場不平衡及電機(jī)轉(zhuǎn)子與定子間的間隙不均衡。圖3 給出了一個不同卷線規(guī)格、不同定轉(zhuǎn)子偏心率對電磁音聲級影響的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。從圖3 中可以看到:(1) 改善后的卷線式樣(B) 與改善前的卷線式樣(A) 相比,電磁音有明顯下降。所謂卷線式樣(A) 和卷線式樣(B) 的主要差別在于:繞組匝數(shù)的不同,電磁線方位的不同,轉(zhuǎn)子鋁條尺寸和傾斜角的不同等等。(2) 電機(jī)轉(zhuǎn)子與定子間的間隙不均衡度用偏心率表示,隨著偏心率的增加,無論何種卷線式樣,電磁音均顯著上升。最大升幅在10dB(A) 以上。因此,改善電磁音的對策[23]主要有二,一是改進(jìn)電機(jī)卷線式樣,二是控制定轉(zhuǎn)子的偏心率。
4.3 降低壓縮機(jī)的空氣動力性噪聲
從圖4可以看出:氣流流經(jīng)氣閥[24]產(chǎn)生的噪聲Lp 隨Δp的增大而增大。當(dāng)吸氣壓力ps 在1 ×105～3 ×105 Pa之間變化時,Δp的取值差別很大, 但三條曲線Lp 的最大值卻相差不大;而實(shí)際上曲線為兩條重合的曲線,由于ΔP隨曲拐轉(zhuǎn)角θ的變化呈正弦變化, 故在此圖中表現(xiàn)為曲線在最高點(diǎn)折回。這些曲線也與前面轉(zhuǎn)角θ～聲壓級Lp 曲線所反映的情況相符。另外從圖4還可以看出:隨Δp逐漸增大, Lp 變化曲線趨于平緩。
以上定量分析表明:吸氣噪聲與吸氣壓力和通過閥片前后的壓力損失有很大關(guān)系。吸氣過程中,通過閥片前后的壓差Δp增大, Lp 值也隨之增大;對同一吸氣壓力, Lp 和Δp均隨曲拐轉(zhuǎn)角的變化有峰值出現(xiàn)。由此可得出結(jié)論, 若減小吸氣壓力ps 或吸氣閥片前后的壓力
損失Δp,就有利于降低吸氣過程中產(chǎn)生的噪聲。為了尋找更具體的解決途徑, 引入瞬時相對壓力損失δ,定義如下:
由式(4)可見,通過氣閥的相對流動壓力損失與閥隙氣流平均馬赫數(shù)M 的平方成正比, 并與其它的絕熱指數(shù)K、曲拐半徑與連桿長度之比λ有關(guān),同時隨曲拐轉(zhuǎn)角θ而變化。
從前面的分析結(jié)果也可以看出, Lp 與ps 或Δp并不存在線性關(guān)系,通過引入δ可知,減小δ就可以改善Lp , 即閥隙氣流平均馬赫數(shù)M 應(yīng)盡可能小。但M 過小將受到氣缸直徑、進(jìn)、排氣閥孔布置的限制。若想通過增加升程以減小M 數(shù), 由于同時還要兼顧簧片閥的流量系數(shù),則會受到( h0 / ( d /2) )限制( h0 為簧片閥特征升程, d為閥孔直徑) 。另外,升程過高將使簧片閥壽命下降。
因此,在設(shè)計(jì)壓縮機(jī)的氣閥時,M 的選取應(yīng)有一個合理的范圍, 對小型制冷壓縮機(jī)簧片閥設(shè)計(jì)時一般取:
式中, K、R 為該氣體工質(zhì)的絕熱指數(shù)和氣體常數(shù);對R134a, K按照溫度取值,取R = 81. 488J /( kg·K) ,故前面計(jì)算即按此選值。設(shè)計(jì)中除了選取適當(dāng)?shù)拈y隙馬赫數(shù)M 之外,要改善吸氣噪聲, 還可以減小閥片的剛性、厚度,這樣也可以達(dá)到降低氣流通過氣閥前后的壓力損失Δp,從而降低吸氣閥噪聲Lp。
5 改進(jìn)措施的理論依據(jù)
5.5.1 在壓縮機(jī)殼體增設(shè)加強(qiáng)筋
全封閉壓縮機(jī)是把壓縮機(jī)和電機(jī)密封裝在壓縮機(jī)機(jī)殼內(nèi),因此壓縮機(jī)和電機(jī)產(chǎn)生的噪聲和振動通過機(jī)殼向外界傳播, 這屬于通過薄板的振動問題。假設(shè)機(jī)殼均勻等厚度, 以厚度方向?yàn)閤軸,與殼厚方向垂直為y 軸, t 為時間坐標(biāo), 則其振動方程為:
由于機(jī)殼與底座是焊死的, 即相當(dāng)于周邊均為剛性支撐的平板。則機(jī)殼的固有頻率:
由機(jī)殼的固有頻率計(jì)算公式可以看出, 適當(dāng)改變機(jī)殼的厚度可以改變機(jī)殼的固有頻率。加強(qiáng)筋[24]的作用就是在機(jī)殼振動噪聲大的部位增加殼體的厚度,使得機(jī)殼的固有頻率變小,以達(dá)到減振降噪的目的。
5.5.2 加大排氣消聲腔
現(xiàn)有的壓縮機(jī)排氣消聲腔為擴(kuò)張管式消聲器,其消音量為:
加深排氣消聲腔可以增大消聲器的消聲量,加厚排氣消聲蓋是為了防止消聲器內(nèi)的氣體通過消聲蓋向外散音。
5.5.3 采用高阻尼排氣閥限位板
采用高阻尼排氣閥限位板[25]能有效地抑制共振從而降低噪聲, 還可以使脈沖噪聲的脈沖持續(xù)時間延長,降低峰值噪聲強(qiáng)度。阻尼材料的損耗因子:
η= c/ (ω0M)
所以采用高阻尼材料的排氣閥限位板可以增大損耗因子,從而減小透過聲。
6 結(jié)束語
產(chǎn)品的噪聲水平是企業(yè)品質(zhì)形象的一個重要方面,綜合體現(xiàn)了制造企業(yè)的設(shè)計(jì)制造水平,因此空調(diào)器的噪音控制技術(shù)得到了廣大空調(diào)制造企業(yè)的一貫重視。相對而言,壓縮機(jī)的機(jī)械噪音較容易采取對策加以分析改善,但在采取優(yōu)化設(shè)計(jì)前,需要了解前人對哪些零部件,在什么條件下已進(jìn)行了優(yōu)化,這樣將會事半功倍。目前聲學(xué)理論的發(fā)展已經(jīng)比較成熟,各式各樣的減噪原理和方法也已建立。但將這些原理和方法運(yùn)用到具體的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,還需要相關(guān)工作者具有寬廣堅(jiān)實(shí)的知識和開拓創(chuàng)新的思維方式。因此,對于空調(diào)壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)者,不但要熟悉產(chǎn)品結(jié)構(gòu)原理,還需了解噪聲控制的相關(guān)理論
[26],這樣才可能將減噪工作做得更好。
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