角接觸軸承電機(jī)噪聲頻譜分析

1、36 2014 年第 6 期摘 要 :介 紹了電 機(jī)噪聲頻譜分析的一些 基 本知識(shí), 并選擇一臺(tái)裝配有角接觸軸承的電機(jī)進(jìn)行噪聲頻譜 分析, 根據(jù)測(cè)試結(jié)果判斷電機(jī)產(chǎn)生振動(dòng)噪聲的原因并提 出可行的改進(jìn)措施。 關(guān)鍵詞 :角接觸軸承頻譜噪聲中圖分類號(hào):Keywords: angular contact bearing frequency spec-trum noise角接觸軸承電機(jī)噪聲頻譜分析楊超沈耀晟趙丕玉馬斯麗ABB 高壓電機(jī)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(jī)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(dòng)f =2 0005 000 Hz軸承軸向噪聲、振動(dòng)f =1 0001 600 Hz軸向竄動(dòng)聲f =50400 Hz機(jī)械噪聲轉(zhuǎn)子不平衡聲 f =n /60 n 轉(zhuǎn)速 機(jī)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(dòng)噪聲 f =2f 0齒諧波噪聲及振動(dòng)f =Z·Qn /60+2f 0Q 轉(zhuǎn)子齒槽數(shù)本文對(duì)一臺(tái)中心高為 180的三相異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行倍頻頻譜分析, 進(jìn)而提出一種電機(jī)噪聲頻譜 分析方法。 被試電機(jī)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(fù)荷的能力遠(yuǎn) 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(qiáng)的軸承, 單個(gè)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(duì)安裝, 配對(duì)方式

4、有背對(duì)背、 面對(duì)面和串聯(lián)三 種。 本次測(cè)試電機(jī)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(duì)軸承的安裝精度 要求很高, 裝配偏差會(huì)對(duì)電機(jī)噪聲振動(dòng)產(chǎn)生很大 的影響。電機(jī)噪聲一直是比較難解決的問(wèn)題, 它主要 是由電磁、 機(jī)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(dòng)力波使定子產(chǎn)生振動(dòng), 而輻 射發(fā)生的, 它與電機(jī)氣隙內(nèi)的諧波磁場(chǎng)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(dòng)特性有密切的關(guān)系。 機(jī)械噪聲主要是電機(jī)中 的軸承以及電刷引起, 通風(fēng)噪聲由電機(jī)內(nèi)的冷卻 風(fēng)扇產(chǎn)生。分析電機(jī)的噪聲和振動(dòng)主要采用頻譜分析 法, 根據(jù)分析結(jié)果對(duì)比

5、噪聲頻譜匯總表可以較快 判斷出電機(jī)噪聲、 振動(dòng)產(chǎn)生的原因, 并采取相應(yīng) 措施來(lái)降低電機(jī)的噪聲, 常見電機(jī)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(gè)頻程按 即 f 上 /f 下 本次測(cè)試頻率范圍為 10H z 10k H z , 使用 1/3倍 頻程, 共有 31個(gè)頻率點(diǎn)。 每個(gè)頻率點(diǎn)根據(jù)測(cè)試位 置的不同共有 5個(gè)噪聲值, 噪聲值測(cè)出后, 按下式 求取每個(gè)頻率點(diǎn)噪聲的平均聲壓值:L pt =10L i式中:L pt 每個(gè)頻點(diǎn)的聲壓級(jí)平均值; L i 每個(gè)頻點(diǎn)單個(gè)測(cè)點(diǎn)的聲壓級(jí)。 再將每個(gè)頻點(diǎn)的聲壓進(jìn)行求和, 得出噪聲總 值:L p

6、=10lg 31i =110L pt 10式中:L p 電機(jī)聲壓級(jí)噪聲總值。噪聲測(cè)試結(jié)果見圖 3。1 測(cè)試方法聲音在空氣中傳播時(shí), 會(huì)使空氣壓力發(fā)生變化, 引起大氣壓強(qiáng)增加和減少的變化量稱為聲壓。 因?yàn)槁晧旱淖兓秶? 能達(dá)到百萬(wàn)級(jí),因此引入 一個(gè)成倍比關(guān)系的物理量來(lái)表示聲音的強(qiáng)弱, 即聲壓級(jí)。 聲壓級(jí)公式如下:L p =20lgPP 0式中:L p 聲壓級(jí) dB;P 聲壓 Pa;P 0 基準(zhǔn)聲壓, 其值為 2×10-5 Pa。本次噪聲測(cè)試采用 AWA 多功能聲級(jí)計(jì) , 它可直接測(cè)出聲壓級(jí)噪聲值并且內(nèi)置有頻程分析軟件包, 可進(jìn)行噪聲的實(shí)時(shí)頻譜分析。 選電機(jī)在空載運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行測(cè)試,

7、 測(cè)點(diǎn) 1在電機(jī)左側(cè)接線盒位置、 點(diǎn) 2在電機(jī)前側(cè)、 點(diǎn) 3在電機(jī)右側(cè)、 點(diǎn) 4在電機(jī)后側(cè)、 點(diǎn) 5在電機(jī)頂部風(fēng)扇位置處, 測(cè)試距離均為距離電機(jī)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(cè)點(diǎn)示意圖2 結(jié)果分析從圖 3的測(cè)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(shí)為轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡頻率段, 雖然出現(xiàn)峰值 35dB , 但對(duì)整體噪聲影響不大; f =50Hz 時(shí), 出現(xiàn) 峰值, 可能的原因是存在軸向竄動(dòng)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(dòng)范圍,

8、 且軸承裝配不好也可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)子的偏心 或錯(cuò)位, 產(chǎn)生單邊磁拉力, 加上本電機(jī)軸承的特 殊性, 基本確定軸承噪聲為電機(jī)的主要噪聲。 找 出噪聲源后, 再結(jié)合電機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析軸承噪聲 噪聲頻譜測(cè)試中 , 測(cè)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(gè)圖 3 噪聲測(cè)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(duì)電機(jī)尺寸鏈的影響電機(jī)立式安裝時(shí), 電機(jī)的軸伸端軸承本身存 在軸向游隙, 電機(jī)從原始狀態(tài)到消除游隙, 內(nèi)圈 會(huì)向下偏移一定的距離, 而在承受電機(jī)轉(zhuǎn)子重量 的情況下 , 內(nèi)圈相對(duì)于外圈又會(huì)進(jìn)一步偏移一定 的距離。 而

9、電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí), 定、 轉(zhuǎn)子鐵心是等長(zhǎng)的, 這樣就會(huì)造成定子與轉(zhuǎn)子錯(cuò)位, 引起電機(jī)軸向的 竄動(dòng)以及單邊磁拉力的產(chǎn)生, 可通過(guò)加長(zhǎng)電機(jī)轉(zhuǎn) 子鐵心的長(zhǎng)度 (一般為單邊 23m m 解決這個(gè) 問(wèn)題。2 軸承工作游隙問(wèn)題軸承的工作游隙是軸承在工作時(shí)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(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí), 軸承會(huì)發(fā)熱使內(nèi)圈膨脹, 從而使軸承原始工作游 隙變小。 過(guò)小的工作游隙會(huì)導(dǎo)致軸承運(yùn)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(wèn)題配對(duì)安裝的角軸承對(duì)軸系的同軸度特別

10、敏 感, 裝配時(shí)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(duì)整個(gè)電 機(jī)的振動(dòng)噪聲產(chǎn)生很大的影響。 為了避免裝配過(guò) 程中出現(xiàn)磕碰, 電機(jī)軸承和端蓋裝配全部采用熱 套工藝。 電機(jī)執(zhí)行上述更改后, 重新測(cè)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(shí)出現(xiàn)明顯峰值, 初步推斷為更換后的轉(zhuǎn)子動(dòng)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(dòng)以及徑向磁拉力的產(chǎn)生。 但即使這樣, 電機(jī)噪 聲總值還是下降了大約 4dB 。另選一臺(tái)同型號(hào)、 同參數(shù)的電機(jī), 但前后端 均選用普通 S

11、 K F6311深溝球軸承, 測(cè)試方法相 同, 結(jié)果如圖 5。圖 5 使用普通軸承電機(jī)噪聲測(cè)試結(jié)果L p /d Bf /Hz圖 4改善軸承后電機(jī)噪聲測(cè)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(jī)軸由圖 5可以看出, 使用深溝球軸承的電機(jī)噪聲水平明顯優(yōu)于使用配對(duì)角接觸軸承的電機(jī)。3 結(jié)語(yǔ)分析對(duì)比測(cè)試結(jié)果, 得出設(shè)計(jì)配對(duì)角接觸軸承的電機(jī)時(shí), 應(yīng)注意:轉(zhuǎn)子鐵心盡量設(shè)計(jì)的長(zhǎng)于 定子鐵心, 對(duì)于單邊磁拉力以及軸向竄動(dòng)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(guò)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(duì)軸承承載能 力有特殊要求,

12、 盡量不要選擇此類軸承。電機(jī)噪聲振動(dòng)的分析是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程, 在降低噪聲的過(guò)程中, 也可能不斷出現(xiàn)新的問(wèn)題, 需要不斷的摸索測(cè)試。 本次測(cè)試由于電機(jī)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(jī)主要的噪聲源。 但對(duì)于一般結(jié)構(gòu)的電機(jī), 頻譜圖中多個(gè)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(yè)地電流在 30A 下是安全的。4 處理如果發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)匯水管接地線電流大、 溫度 高的現(xiàn)象, 可以斷定匯水管對(duì)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(jìn)、 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(shì)過(guò)大。若發(fā)電機(jī)運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)接地線上電流過(guò)大, 可 采用臨時(shí)串入電阻的措施, 這樣接地電流可以降 下來(lái)。 待到有停機(jī)檢修條件, 徹底檢測(cè)處理匯水 管絕緣。檢修維護(hù)時(shí), 重點(diǎn)檢查匯水管與機(jī)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(diǎn), 須逐個(gè)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(yǔ)由于定子端部漏磁在匯水管上產(chǎn)生感應(yīng)電 勢(shì), 發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)匯水管接地, 保證了發(fā)電機(jī)安 全可靠運(yùn)行。 隨著發(fā)電機(jī)容量增大, 定子端部漏 磁也

14、增大, 匯水管感應(yīng)電勢(shì)也相應(yīng)增大。 為防止 接地線電流過(guò)大, 在檢修維護(hù)時(shí)需檢查匯水管 絕緣是否完好。參考文獻(xiàn)1 汪耕, 李希明. 大型汽輪發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)、 制造與運(yùn)行 M. 上海:上 海科學(xué)技術(shù)出版社, 2000:173-179, 219-241.(收稿日期:2014-05-10作者簡(jiǎn)介:史德利, 男, 1968年 10月生, 工程碩士, 電機(jī)專業(yè), 高級(jí)工 程師, 現(xiàn)主要從事大型發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)工作。源, 需要采取其它方法予以輔助分析。對(duì)于電磁噪聲, 可以采用改變氣隙磁場(chǎng)大小 或切斷電源的方法去識(shí)別電磁噪聲:1 改變外施電壓法電機(jī)空載運(yùn)行, 將電源 電壓從額定電壓迅速下降, 氣隙中磁場(chǎng)強(qiáng)度隨外 施電

15、壓的下降近似成正比例下降, 此時(shí)如果電磁 噪聲是電機(jī)噪聲的主要組成部分 , 隨著電壓的降 低, 電機(jī)噪聲將明顯下降。2 切斷電源法電機(jī)空載運(yùn)行時(shí), 突然切斷 電源, 當(dāng)電磁噪聲是電機(jī)的主要噪聲時(shí), 切斷電 源瞬間, 電機(jī)噪聲會(huì)突然降低。 由于電機(jī)電磁過(guò) 渡過(guò)程較機(jī)械過(guò)渡過(guò)程要迅速的多, 因此切斷電 源后, 由于電機(jī)的機(jī)械慣性, 轉(zhuǎn)速逐漸下降, 通 風(fēng)和機(jī)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(gè)相當(dāng)寬廣的頻帶上, 為了確定通風(fēng)噪聲 是否是電機(jī)的主要噪聲, 在可能的情況下 , 將電 機(jī)風(fēng)扇取下 , 測(cè)試電機(jī)噪聲。 如果去掉電機(jī)風(fēng)扇 后, 電機(jī)噪聲明顯下降, 則說(shuō)明通風(fēng)噪聲是電機(jī) 的主要噪聲。機(jī)械噪聲則主要通過(guò)電機(jī)的制造工藝過(guò)程 和電機(jī)噪聲頻譜圖進(jìn)行分析判斷。有了這些方法, 再配合電機(jī)噪聲頻譜分析圖 來(lái)判斷一臺(tái)電機(jī)產(chǎn)生振動(dòng)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。