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1、滚动转子式压缩机机体的模态试验分析2 2 9滚动转子式压缩机机体的模态试验分析李祥松洪玮李鹤闻邦椿(东北大学机械工程学院，辽宁沈阳，1 1 0 0 0 4)摘要：不管产生机理如何，压缩机最终还是以封闭外壳振动向外辐射的形式产生噪声，对壳体特性的研究当然也是至关重要的。在壳体的所有参数中，对其辐射能力影响的最大系数是其固有频率。本文以一台空调用制冷滚动转子压缩杌为例，对其进行模态实验测试与分析。关键词：滚动转子式压缩机；模态；固有频率A b s t r a c t：N om a t t e rw h a t，t h en o i s eg e n e r a t eb yc o m p r e
2、s s o re v e n t u a l l yr a d i a t et h r o u g hb yt h es h e l li nt h ef o r mo fv i b r a t i o n S Oi t sn e c e s s a r yt os t u d yt h es h e U sc h a r a c t e r N a t u r a lf r e q u e n c yi sb i g g e s tf a c t o ri m p a c tt h er a d i a t i o n I nt h i sp a p e r，t a k e sam o d
3、 a lt e s ta n da n a l y s i so far o l l i n gp i s t o nt y p er o t a r yc o m p r e s s o ru s i n gi nac o o l i n ga i r c o n d i t i o n i n ga sa ne x a m p l e K e yW o r d s：R o l l i n gP i s t o nT y p eR o t a r yC o m p r e s s o r；M o d a l；N a t u r a lF r e q u e n c y1 前言压缩机的噪声由动
4、力性气流脉动噪声、机械噪声和电磁噪声等三种组成，但不管机理如何，一个压缩机最终还是以封闭外壳振动向外辐射的形式产生噪声，对壳体特性的研究当然也是至关重要的。在壳体的所有参数中，对其辐射能力影响的最大系数是其固有频率。本文以一台空调用制冷滚动转子压缩机为例，对其进行模态试验测试与分析。2 压缩机机体的振动模态试验2 1 支承方式的选择在模态试验中，试件的支承方式决定了试验结构的边界条件，并影响结构的动态特性。目前常用的支承方式有三种：自由支承、固定支承和原装支承。本次试验结构是机体单个部件，所测量的是机体的自由模态，所以只能考虑使机体处于近似自由状态，其基本支承方式是用软弹簧悬置试件(使悬置固有
5、频率远低于试件的一阶固有频率)。此外，除了弹簧支承外，也可以采用橡皮绳悬挂。本次压缩机机体模态实验采用悬挂式自由支承方式，即用细绳悬置试件于充气轮胎上，如图1 所示。国家自然科学基金资助项目(1 0 7 0 2 0 1 4；5 0 5 3 5 0 1 0)。现代振动与噪声技术(第6 卷)2 2 激励方式试验模态分析的关键问题之一是获得准确的频响函数数据，只有在此基础上，才能准确地识别出模态参数。目前，频响函数测试技术正沿着两条道路发展。一条道路是单点激振多点测量(或一点测鼍逐点激振)技术；另一条道路是多点激振多点测量技术。单点激振技术是目前世界卜广泛应用的技术，几乎适用于一切振动领域。按激振力
6、性质的不同频响函数测试可分为稳态正弦激励、随机激励和瞬态激励三类。在本次模态试验中采用的是单点激振技术中的锤击脉冲瞬态激励方法，即用带有力传感器的力锤敲击试件，给试件一脉冲力，用装在试件上的加速度计测量响应，把力信号和响应信号送人结构动态分析仪中进行模态参数识别。2 3 测点布置采用锤击法进行模态试验时，移动锤击点总比移动响应测点更方便，因此，本次试验过程中固定响应测点，而在不同点进行锤击激励，同时测量、记录激励力加速度响应信号。为了同计算结果进行比较，激励点的布置尽量选在有限元模型相应的节点上，同时为避免局部模态的影响，激励点尽量布置在刚度较大的部位上，在机体表面上的平整部位共布置了3 9个
7、激励点。加速度传感器用特种双面胶粘贴在第加个节点上(节点号为4 1)固定响应测点则选择了部件外侧的位置，机体具体激励点和响应点布置位置如图2 所示。写豢图1压缩机机体采用悬挂式自由支承方式圉2机体模态实验测点布置示意图2 4 测试系统本次模态试验采用丹麦B&K 公司的模态测试分析系统进行，主要测试设备见表1。试验前期的数据采集如图3、图4 所示，试验后期数据处理分析采用M E，s c o p eV E S 软件进行。试验过程中用力对每个测点轮流进行冲击激振，由于敲击的力度是由人掌握的，很难每次都掌握得很好，因此每个测点都要记录1 0 组数据，以便以后处理时，可以对每一测点选较好的几组数据做平均
8、。根据相干值的大小判断传递函数的好坏，一般情况下相干值越接近于1，表明试验受干扰越小，试验的结果越可靠。通常要求相干系数应大于08，尽量保证同一测点每次激励的相干系数在09 以上。滚动转子式压缩机机体的模态试验分析表1主要测试仪器和设备名称B编号F 数量加建度传盛器丹麦 锤 麦铝台金锤头丹麦散据采集系统丹麦电适器丹麦月线丹麦图3 试验模态测试系统3 测试结果圉4 模态锤头激发信号图5、图6 所示为压缩机机体处于自由状态下，在激励力锤一次敲击后通过加速度传感器将振动信号输入到信号采集器中，再由P U L S E 分析得到的频率响应曲线。t m 黜臆勰黔茹嚣饿鬻黼r”l l删一 _挑7MH一可TM
9、 世蚶甜Wl 州T1 啊下可。毛旷一f _05 0 0l k15 k 2 k2 孔北，5 k 北4 乳5 k55 k 让g 辄图5 壤车响应曲线图搴=帅拍mo邶锄号：现代振动与噪声技术(第6 卷)C o l 删L i n e2 04 1+XL i n e2 0 4 m”l jG5 t kl5 k 2 k2 北强35 k 4 k45 k 鲰sS k 收糖宰H z图6激励与响应一致性曲线圈7 表示的是对3 9 个激励点分别进行1 0 次激励之后所得到的响应曲线的叠加，可得到峰值点的频率值以便计算压缩机机体的固有频率和模态振型。图8 便是分析后得到的各阶固有频率值。M#MM#7 H M 0 _ l】
10、M 2 _ n M#1 4 M _ 1 6 M _ I 雾|!iHb_轧：J1#1 je；：到_一举叮引l、抓。、j-4r、。lI+顿末，l z图73 9 个测量点叠加的频响荫敢曲线囝o。雪。滚动转子式压缩机机体的模态试验分析2 3 34试验结果的修正分析图8 压缩机机体固有频宰值模态试验测试过程中由于机体结构的对称性、激励网格划分细密性的限制，以及激励信号与响应信号的相干性不匹配问题的存在，模态试验得到的结果不免存在着漏阶和重阶现象。下面列出了出现重根现象的固有频率对应的振型，之所以会出现这种情况是因为实际结构不可能做到各向同性，因此，有些模态的振型相同(方位不同)，但其频率不同但这个模态是
11、真实存在的。图9 所示为压缩机机体测点网格划分模型。f 丽：图9压缩机机体测点网格划分模型图1 0、图1 1 所示为两个不同频率处的模态振型均为压缩机机体曲面在胛内问隔1 8 0。方向的呼吸振动，因此可认为是由于对称结构所引起的重根现象。惟mi蓬霾塞霾嚣lll一目窜胃雪2 3 4现代振动与噪声技术(第6 卷)T O p(+Z)：5 5 8H z3 D v|e w：弱B H z硼f rf IJl|D笔r)F 一IJ，乒：书ZA f f l p 】-。0 JD w e l l：1 0pA m P：1 0。欧蛔f hr+叫(口)：Xy J Z P e r s p：口XO I r(q)：咒y ZP e
12、 r s p：+1 0 x p YF r o n t(诎：5 5 8 R t g h t(+y)：5 5 8 H zf17fI1l7l1llf弓lzL4 T I D：1 0 D w e l l：1 0(口)：Z y Z 宝w 8 l e r 4 一r 0：0 0 x 一，卜一yD 盯(口)：Zy J ZP e r s p：0图1 l压缩机机体在5 6 3 H z 处的模态振型图1 2 一图1 5 所示为四个不同频率处的模态振型均为压缩机曲面在以X y 面间隔1 2 0。的三个方向上的呼吸振动，因此可认为是第二阶固有频率的重根现象和模态振型。滚动转子式压缩机机体的模态试验分析2 3 5童W b：
13、1：7 E 3吨h、乳FI霉-_-石厶r苌 丌：1 0 J 饥v 一：加 r 帕：1 0 阴暗卜珀”D|(口)：X Y,Z P e r s D：0D r(口)：XY ZP e t 9 p：+1 0P r o n t(七舯：1 2 7 E 3H zR 口1 t【+，】：1 z，匕j 心|ll7JIlIkZA 丌曰：1 0 JD 啪：1 0 rA n 事：1 0，阻d：加x 4D i r(Q)：X Y Zp 事：0瞳纯)：置r,Zp 日霉：n图1 2 压缩机机体在I 2 7 E 3 H z 处的振型3 0 1 帅11 弱臼扩卜_ 一I9垂I-一f、人至ZJ椰：土o JD w 目：1 0，A 啊】：
14、1 0，岛醴?篁rkD|(口)：X Y,Z P e r r O：0阻(q)：X y Z 时s p：+1 0F r o n t(七”：1 5 4 E 3H zP,a h t(+n：1 5 4 E 3 心lffffIffI8lf 军6孑 n 均：1 0 JD w：1 0p yA r n r 3：1 0 JD-一：1 04晴(口)：Xr ZP W z 3：0阻(口)：X Y,Z 阳印：0图1 3压缩机机体在1 5 4 E 3 H z 处的振型2 3 6现代振动与噪声技术(第6 卷)图1 4压缩机机体在1 6 2 E 3 H z 处的振型3 D V i e w：1 9 6 E 3H z厂1：1、!_
15、一一Ih-、(，、ZA m p：1 0 D w e l l：1 0且几1 p：1 u Ju w 千D i r(a)：置y J ZP e r s p：0工D i r(g)：置L ZP l封5 D：+1 0X yF r o n t(十聊：1 9 6 E 3H zR i g h t“y)：1 9 6 E 3H z|fllJIl；、I ZIV 1 l p：1 0。D w e l l：1 0。江YA m p：1 0 D w e l l：1 0一，D 叮(口)：Zy J Z P e r s p：0哳(口)：咒y J Z P e r s p：0图1 5压缩机机体在1 9 6 E 3 H z 处的振型图1 6
16、、图1 7 所示为两个不同频率处的模态振型均为压缩机机体曲面在X Y 面内间隔1 2 0。的三个方向上的呼吸振动和沿着z 方向的弯曲振动的耦合，因此可认为是第三阶固有频率和模态振型。滚动转子式压缩机机体的模态试验分析2 3 3 D V I o w：2 4 E 3H z￥、I 刁o杳II、，一l强_连，一、j、!|I iA m p：1 0 D w e l l：1 0A m p：1 O，D 3x 0】rD i r(g)：Xy J ZI n e r s p：口石D t r(口)：X L Z In e r s p：1 0F r o n t(七幻：2 4 E 3H zR E j h t“l，)：2 4
17、E 3H zl炎7llfX。jl】f彳JZA m p：1 0，D w e l l：1 0。o YA m p：1 0，D w e l l：1 01D i r C Q)：Xy J Zp e r s p：0D l r(口)：五Y,Z P e r s p：0X 1 一r图1 6压缩机机体在2 4 E 3 I-I z 处的振型图1 7压缩机机体在2 4 7 E 3 H z 处的振型2 3 8现代振动与噪声技术(第6 卷)5结论压缩机壳体可以隔离或吸收噪声，压缩机的噪声主要是通过机壳辐射出去的，如果壳体被空腔内压力气体的噪声脉动谐波激发出壳体的固有频率时，或者是零部件的共振与壳体的固有频率合拍时，都将使壳
18、体产生吻合效应。压缩机壳体的设计和改进一直是制冷压缩机降噪工作的重点之一，是改善压缩机噪声的有效途径。模态试验分析的目的是对其进行优化设计，目前比较公认的原则是：尽量增大外壳的刚度，以便升高其固有频率。按照这个要求，以下几个方法都可以有效地降低压缩机的噪声：(1)球形壳体是唯一的最规则的形状，但考虑到压缩机内部空间的限制，椭圆形壳体可能是较实用的形状。(2)在外壳上施加振动吸收器，减少压缩机的振动，从而降低压缩机的噪声辐射。(3)采用不对称形状。因为对于一个对称形状，模态分布是移动的，对于一个综合的模态，它可以在外壳的综合点上激励；相反地，对于非对称外壳，绝大部分模态是固定的，在多个点上能同时
19、激励该模态的几率要小得多。(4)在压缩机外壳内表面添加吸声材料，提高壳体内部的吸声系数，降低压缩机内部空气声对壳体的激励，降低了二次空气声也就降低了噪声。(5)增加壳体厚度是提高壳体刚度和固有频率最简单的方法，能有效地降低噪声，但是相应的成本要增加。(6)通过在壳体内部添加隔板或者加强筋、改变壳体内部结构、提高壳体的刚度和固有频率，降低壳体的振动，从而有效地降低噪声。参考文献 1 文航滚动转子式压缩机性能实验研究与模型分析 D 上海：上海交通大学，2 0 0 6 2 宋雷鸣，金洪杰D Q X 系列旋转式压缩机噪声源的理论分析与实验研究 J 北方交通大学学报，2 0 0 0，2 4(4)：7 8
20、-8 2 3 杨露萍，邹真滚动转子式压缩机噪声分析及降噪措施 J 计量与测试技术，2 0 0 6，3 3(4)：2 8-3 0 4 李树森，王开和，许玮空调器压缩机选频隔振减振降噪研究 J 噪声与振动控制，2 0 0 3，6，2 7 3 0 5 尚志武，王太勇，万淑敏，等压缩机消声器的机理与性能改进研究 J 噪声与振动控制，2 0 0 6，2 7 9 8 2 作者简介：李祥松(1 9 7 9 一)，男，辽宁沈阳人，东北大学博士研究生，研究方向：现代机构创新设计方法。通信地址：东北大学机械设计及理论研究所闻邦椿转(李祥松)3 1 9 信箱；邮编：1 1 0 0 0 4；电话：(0 2 4)8 3 6 7 9 7 3 1；E m a i l：x i a n g s o n g _ l i 1 2 6 c o r n