角接觸軸承電機噪聲頻譜分析

1、36 2014 年第 6 期摘 要 :介 紹了電 機噪聲頻譜分析的一些 基 本知識, 并選擇一臺裝配有角接觸軸承的電機進行噪聲頻譜 分析, 根據(jù)測試結(jié)果判斷電機產(chǎn)生振動噪聲的原因并提 出可行的改進措施。 關(guān)鍵詞 :角接觸軸承頻譜噪聲中圖分類號:Keywords: angular contact bearing frequency spec-trum noise角接觸軸承電機噪聲頻譜分析楊超沈耀晟趙丕玉馬斯麗ABB 高壓電機有限公司(201100Frequency Spectrum Analysis on the Noise of Motors with Angular Contact Bear

2、ingsYANG Chao SHEN Yaokun ZHAO Piyu MU SiliABB Electrical Machines Ltd.匯總表見表 1。表 1電機噪聲頻譜分析數(shù)據(jù)匯總表分類名稱主要頻譜 軸承軸承自身噪聲和振動f =2 0005 000 Hz軸承軸向噪聲、振動f =1 0001 600 Hz軸向竄動聲f =50400 Hz機械噪聲轉(zhuǎn)子不平衡聲 f =n /60 n 轉(zhuǎn)速 機座共振聲 f =5001 000 Hz通風(fēng)噪聲氣體紊流聲f =1003 000 Hz空氣共鳴聲 f =m ·Z·n /60 m 風(fēng)道數(shù) Z 諧波次數(shù),常取 1, 2電磁噪聲單邊磁拉力f

3、 =f 0(電源頻率徑向磁拉力、脈動噪聲 f =2f 0齒諧波噪聲及振動f =Z·Qn /60+2f 0Q 轉(zhuǎn)子齒槽數(shù)本文對一臺中心高為 180的三相異步電動機進行倍頻頻譜分析, 進而提出一種電機噪聲頻譜 分析方法。 被試電機為 4極, V1立式安裝, 軸伸端 軸承選用 =25°的 SK F 7311DB 型背靠背角接觸 軸承, 非軸伸端選用的普通 SK F 6311深溝球軸 承。 角接觸球軸承是一種承受軸向負荷的能力遠 大于普通深溝球軸承、 且允許工作轉(zhuǎn)速較普通 軸承相近但支持剛性更強的軸承, 單個角接觸 軸承只能承受單方向軸向載荷, 因此一般都采用 配對安裝, 配對方式

4、有背對背、 面對面和串聯(lián)三 種。 本次測試電機選用背靠背角接觸軸承, 結(jié)構(gòu) 見圖 1。 這種軸承結(jié)構(gòu)復(fù)雜, 對軸承的安裝精度 要求很高, 裝配偏差會對電機噪聲振動產(chǎn)生很大 的影響。電機噪聲一直是比較難解決的問題, 它主要 是由電磁、 機械和通風(fēng)等原因產(chǎn)生的。電磁噪聲由作用在定、 轉(zhuǎn)子氣隙中電磁力產(chǎn) 生的旋轉(zhuǎn)力波或脈動力波使定子產(chǎn)生振動, 而輻 射發(fā)生的, 它與電機氣隙內(nèi)的諧波磁場及由此產(chǎn) 生的電磁力波幅值、 頻率和極數(shù)以及定子本身的 振動特性有密切的關(guān)系。 機械噪聲主要是電機中 的軸承以及電刷引起, 通風(fēng)噪聲由電機內(nèi)的冷卻 風(fēng)扇產(chǎn)生。分析電機的噪聲和振動主要采用頻譜分析 法, 根據(jù)分析結(jié)果對比

5、噪聲頻譜匯總表可以較快 判斷出電機噪聲、 振動產(chǎn)生的原因, 并采取相應(yīng) 措施來降低電機的噪聲, 常見電機噪聲頻譜分析頻率之比為 2:1, 即 f 上 /f 下 =2的頻帶。 為了得到比 可使用 1/3倍頻程, 個頻程按 即 f 上 /f 下 本次測試頻率范圍為 10H z 10k H z , 使用 1/3倍 頻程, 共有 31個頻率點。 每個頻率點根據(jù)測試位 置的不同共有 5個噪聲值, 噪聲值測出后, 按下式 求取每個頻率點噪聲的平均聲壓值:L pt =10L i式中:L pt 每個頻點的聲壓級平均值; L i 每個頻點單個測點的聲壓級。 再將每個頻點的聲壓進行求和, 得出噪聲總 值:L p

6、=10lg 31i =110L pt 10式中:L p 電機聲壓級噪聲總值。噪聲測試結(jié)果見圖 3。1 測試方法聲音在空氣中傳播時, 會使空氣壓力發(fā)生變化, 引起大氣壓強增加和減少的變化量稱為聲壓。 因為聲壓的變化范圍太大, 能達到百萬級,因此引入 一個成倍比關(guān)系的物理量來表示聲音的強弱, 即聲壓級。 聲壓級公式如下:L p =20lgPP 0式中:L p 聲壓級 dB;P 聲壓 Pa;P 0 基準(zhǔn)聲壓, 其值為 2×10-5 Pa。本次噪聲測試采用 AWA 多功能聲級計 , 它可直接測出聲壓級噪聲值并且內(nèi)置有頻程分析軟件包, 可進行噪聲的實時頻譜分析。 選電機在空載運行狀態(tài)進行測試,

7、 測點 1在電機左側(cè)接線盒位置、 點 2在電機前側(cè)、 點 3在電機右側(cè)、 點 4在電機后側(cè)、 點 5在電機頂部風(fēng)扇位置處, 測試距離均為距離電機本體 1m 位置處, 見圖 2 。圖 1背靠背安裝角接觸軸承圖 2 噪聲測點示意圖2 結(jié)果分析從圖 3的測試結(jié)果可以看出 25H z 、 50H z 、 2k H z 和 4k H z 頻段有明顯峰值。 參照表 1得知: f =25H z 時為轉(zhuǎn)子動平衡頻率段, 雖然出現(xiàn)峰值 35dB , 但對整體噪聲影響不大; f =50Hz 時, 出現(xiàn) 峰值, 可能的原因是存在軸向竄動以及單邊磁拉 力。 2k Hz 5k Hz 頻率范圍為軸承自身噪聲及振 動范圍,

8、 且軸承裝配不好也可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)子的偏心 或錯位, 產(chǎn)生單邊磁拉力, 加上本電機軸承的特 殊性, 基本確定軸承噪聲為電機的主要噪聲。 找 出噪聲源后, 再結(jié)合電機結(jié)構(gòu)特點分析軸承噪聲 噪聲頻譜測試中 , 測試頻率范圍最常使用的是倍頻程和 1/3倍頻程。 倍頻程是值上、 下限兩個圖 3 噪聲測試結(jié)果L/dBf /Hz2014年第 6期 3738 2014 年第 6 期原因有:1 角接觸軸承對電機尺寸鏈的影響電機立式安裝時, 電機的軸伸端軸承本身存 在軸向游隙, 電機從原始狀態(tài)到消除游隙, 內(nèi)圈 會向下偏移一定的距離, 而在承受電機轉(zhuǎn)子重量 的情況下 , 內(nèi)圈相對于外圈又會進一步偏移一定 的距離。 而

9、電機設(shè)計時, 定、 轉(zhuǎn)子鐵心是等長的, 這樣就會造成定子與轉(zhuǎn)子錯位, 引起電機軸向的 竄動以及單邊磁拉力的產(chǎn)生, 可通過加長電機轉(zhuǎn) 子鐵心的長度 (一般為單邊 23m m 解決這個 問題。2 軸承工作游隙問題軸承的工作游隙是軸承在工作時徑向的游 隙, 它的大小取決于軸承內(nèi)圈與軸以及軸承外圈 與端蓋軸承室配合的松緊度。 電機轉(zhuǎn)子運轉(zhuǎn)時, 軸承會發(fā)熱使內(nèi)圈膨脹, 從而使軸承原始工作游 隙變小。 過小的工作游隙會導(dǎo)致軸承運轉(zhuǎn)不順 暢, 甚至使軸承抱死, 解決方法是將端蓋軸承室公差由 120+0.022-0.012改為 120+0.022+0.004。3 軸承裝配問題配對安裝的角軸承對軸系的同軸度特別

10、敏 感, 裝配時的任何磕碰都可能造成軸承位置的變 化, 這種變化即使很微小, 但也有可能對整個電 機的振動噪聲產(chǎn)生很大的影響。 為了避免裝配過 程中出現(xiàn)磕碰, 電機軸承和端蓋裝配全部采用熱 套工藝。 電機執(zhí)行上述更改后, 重新測試, 結(jié)果見圖4。承 (頻譜范圍 2kHz4kHz 噪聲明顯降低, 還可 以看出在 25、80、 100、 160H z 時出現(xiàn)明顯峰值, 初步推斷為更換后的轉(zhuǎn)子動平衡(f =25未校 好, 轉(zhuǎn)子與定子的同心度也有偏差, 導(dǎo)致軸向竄 動以及徑向磁拉力的產(chǎn)生。 但即使這樣, 電機噪 聲總值還是下降了大約 4dB 。另選一臺同型號、 同參數(shù)的電機, 但前后端 均選用普通 S

11、 K F6311深溝球軸承, 測試方法相 同, 結(jié)果如圖 5。圖 5 使用普通軸承電機噪聲測試結(jié)果L p /d Bf /Hz圖 4改善軸承后電機噪聲測試結(jié)果L p /d Bf /Hz由圖 4可以看出, 按上述方案整改后電機軸由圖 5可以看出, 使用深溝球軸承的電機噪聲水平明顯優(yōu)于使用配對角接觸軸承的電機。3 結(jié)語分析對比測試結(jié)果, 得出設(shè)計配對角接觸軸承的電機時, 應(yīng)注意:轉(zhuǎn)子鐵心盡量設(shè)計的長于 定子鐵心, 對于單邊磁拉力以及軸向竄動有一定 的抑制作用; 端蓋軸承室公差盡量選擇正公差, 防止因軸承游隙過小產(chǎn)生的額外噪聲; 軸承、 端 蓋裝配采用熱套工藝流程; 若不是對軸承承載能 力有特殊要求,

12、 盡量不要選擇此類軸承。電機噪聲振動的分析是一個復(fù)雜的過程, 在降低噪聲的過程中, 也可能不斷出現(xiàn)新的問題, 需要不斷的摸索測試。 本次測試由于電機選用 了比較特殊的軸承結(jié)構(gòu), 從頻譜圖可以直接得出 軸承為電機主要的噪聲源。 但對于一般結(jié)構(gòu)的電機, 頻譜圖中多個峰值頻帶噪聲可能由多種原因 疊加產(chǎn)生, 這樣單憑頻譜圖很難確定最后的噪聲(下轉(zhuǎn)第41頁地電流在 30A 下是安全的。4 處理如果發(fā)現(xiàn)發(fā)電機匯水管接地線電流大、 溫度 高的現(xiàn)象, 可以斷定匯水管對地絕緣下降了 , 應(yīng) 徹底檢查與匯水管有關(guān)的絕緣部件。匯水管絕緣檢查包括:絕緣引水管絕緣和表 面清潔度; 匯水管絕緣支撐件; 匯水管進、 出水

13、管的法蘭絕緣和排水閥的絕緣; 定、 轉(zhuǎn)子軸向磁 中心偏移情況, 防止由于安裝引起匯水管感應(yīng)電 勢過大。若發(fā)電機運行中發(fā)現(xiàn)接地線上電流過大, 可 采用臨時串入電阻的措施, 這樣接地電流可以降 下來。 待到有停機檢修條件, 徹底檢測處理匯水 管絕緣。檢修維護時, 重點檢查匯水管與機座鐵心端 部結(jié)構(gòu)件間的絕緣。 若匯水管絕緣電阻低, 要徹 底檢查清理匯水管絕緣, 一般很難在匯水管上找 到明確的接地點, 須逐個部件檢查或更換新的 絕緣件直至絕緣電阻合格為止。5 結(jié)語由于定子端部漏磁在匯水管上產(chǎn)生感應(yīng)電 勢, 發(fā)電機運行時匯水管接地, 保證了發(fā)電機安 全可靠運行。 隨著發(fā)電機容量增大, 定子端部漏 磁也

14、增大, 匯水管感應(yīng)電勢也相應(yīng)增大。 為防止 接地線電流過大, 在檢修維護時需檢查匯水管 絕緣是否完好。參考文獻1 汪耕, 李希明. 大型汽輪發(fā)電機設(shè)計、 制造與運行 M. 上海:上 ?？茖W(xué)技術(shù)出版社, 2000:173-179, 219-241.(收稿日期:2014-05-10作者簡介:史德利, 男, 1968年 10月生, 工程碩士, 電機專業(yè), 高級工 程師, 現(xiàn)主要從事大型發(fā)電機設(shè)計工作。源, 需要采取其它方法予以輔助分析。對于電磁噪聲, 可以采用改變氣隙磁場大小 或切斷電源的方法去識別電磁噪聲:1 改變外施電壓法電機空載運行, 將電源 電壓從額定電壓迅速下降, 氣隙中磁場強度隨外 施電

15、壓的下降近似成正比例下降, 此時如果電磁 噪聲是電機噪聲的主要組成部分 , 隨著電壓的降 低, 電機噪聲將明顯下降。2 切斷電源法電機空載運行時, 突然切斷 電源, 當(dāng)電磁噪聲是電機的主要噪聲時, 切斷電 源瞬間, 電機噪聲會突然降低。 由于電機電磁過 渡過程較機械過渡過程要迅速的多, 因此切斷電 源后, 由于電機的機械慣性, 轉(zhuǎn)速逐漸下降, 通 風(fēng)和機械噪聲也逐步下降, 但下降速度比電磁噪 聲下降要慢的多。通風(fēng)噪聲是由風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的, 頻率連續(xù)分 布在一個相當(dāng)寬廣的頻帶上, 為了確定通風(fēng)噪聲 是否是電機的主要噪聲, 在可能的情況下 , 將電 機風(fēng)扇取下 , 測試電機噪聲。 如果去掉電機風(fēng)扇 后, 電機噪聲明顯下降, 則說明通風(fēng)噪聲是電機 的主要噪聲。機械噪聲則主要通過電機的制造工藝過程 和電機噪聲頻譜圖進行分析判斷。有了這些方法, 再配合電機噪聲頻譜分析圖 來判斷一臺電機產(chǎn)生振動噪聲的原因, 準(zhǔn)確性還 是很高的, 一般都能分析清楚噪聲的成因。