制冷压缩机振动噪声研究综述.doc

制冷压缩机及其管道系统振动噪声研究综述陈宇慧（福州大学化学化工学院 350002）摘要：制冷压缩机是冰箱、空调的主要噪声源，所以制冷压缩机振动噪声的研究已收到广大学者的重视，并且进展也较快。本文在先分析产生制冷压缩机振动和噪声的主要原因后，由理论研究、试验研究和工程应用研究等三个方面来综述制冷压缩机的噪声产生机理，同时提出了减振降噪的措施。关键词：制冷压缩机；振动；噪声；综述压缩机是工业上的重要制冷设备，也是冰箱、空调的主要噪声源，当前“高效、低噪”已成为衡量这些家电产品质量的首要指标。在我国，生产制冷压缩机的历史很长，但真正形成规模生产只有十几年的历史。对于冰箱和空调用压缩机，由于使用场合的特殊性，对其噪声和振动特性的研究，从一开始就受到了人们的重视。但由于试验分析手段及人员的缺乏，对其噪声、振动的研究还很不透测。本文主要根据国内外发表的文献，对这一问题进行了回顾和总结。综述分为制冷压缩机振动噪声的主要原因、振动噪声产生和传播机理研究进展和减振降噪措施。1、制冷压缩机噪声原因制冷压缩机系统产生的噪声主要由机械性噪声、电磁噪声和压缩机产生的流体动力特性噪声构成，以及其他各种噪声的耦合噪声。机械性噪声：机械性噪声主要由摩擦、磨损以及机构间的力传递不均匀产生的。转子及其装配件的不平衡：转子啮合、转子转速波动引起的冲击噪声；开启式螺杆制冷压缩机的电机与连轴器不对中引起的振动与噪声；轴承振动与噪声。机体外部包括机壳、支承结构、底座的振动与噪声。油分离器，蒸发器、冷却系统的振动与噪声。电机轴和轴承之间的相互作用形成电机的机械噪声。Cashmore和Binder认为在滑动轴承中会产生滑动粘滞作用，其会激励压缩机的其它部件产生高频振动【1】。流体动力特性噪声：流体动力特性噪声包括气流噪声和油流噪声。气流噪声主要是吸、排气噪声，包括气体进、出排气腔及转子槽基元容积时形成的涡流噪声，排气过程中回流和膨胀产生的喷流噪声；气流管道脉动及弯头振动、噪声；吸、排气止回阀噪声。油流噪声包括：喷油噪声；油流管道噪声；油泵气穴、困油噪声等。电磁噪声：电磁噪声时电动机中特有的噪声，其属于机械性噪声，在电动机中，电磁噪声是由交变磁场对定、转子作用，产生周期性的交变力引起的振动和噪声。当电源电压不稳定时，最容易产生电磁振动和噪声。2、制冷压缩机噪声产生机理研究进展对于制冷压缩机振动和噪声的产生机理的研究，从一开始就受到重视。但从最近几届的普渡国际压缩机工程会议及制冷会议上所发表的文献来看【2、3】，最近十几年人们在制冷压缩机系统噪声与振动的产生机理方面取得较大的进展。以下主要从压缩机系统振动噪声的理论研究、试验研究和工程应用研究三个方面来概述其研究进展。2.1 理论研究在理论研究方面，随着数值计算技术和信号处理技术的发展，机械振动理论、声学理论和测试手段也逐步完善，在压缩机振动和噪声的产生机理方面的研究取得了一系列的成绩。主要有：例如同济大学的黄锁成、靳晓雄和张立军在文献【4】中采用汽车空调用压缩机部件的动力学方面的频谱分析、计算机有限元模态分析和声振试验的频谱分析三者结合的方法，探讨了压缩机的振动和噪声问题；文献【5】中杜桂荣等人为寻找噪声源利用有限元分析技术对涡旋压缩机的壳体进行分析；宋雷鸣和金洪杰利用理论分析和试验研究对DQX系列旋转式压缩机噪声源进行识别【6】。郭蓓、李连生和束鹏程等对汽车空调用旋叶压缩机型线的动力特性分析研究【7】。但是，从国内外对压缩机噪声与振动方面的研究来看，对噪声源识别、噪声与振动分布、噪声与振动特性、噪声与振动控制方面的研究甚少，目前国内还没有形成一套完整的研究思路和研发体系。压缩机的不平衡力和不平衡力矩对其噪声的影响也有好多人进行了研究。在国内，北京轻院谷丰收首先对往复式冰箱压缩机的振动及传递进行了计算机仿真并对其过渡过程进行了较为详尽的研究。Jeckins也进行过同样的工作，得出了如下结论：平衡块只能消除基频（既转动频率）处的不平衡力，而无法消除由于活塞非正弦运动而产生的谐波不平衡力。为了消除谐波不平衡力，Hartog用了以下方法：在连杆上的曲轴连接处分布质量了【1】。压缩机管道内的压力脉动对噪声的影响的研究进行的相对较早，国外在20世纪50年代就对压缩机出口管道振动进行探索研究【8】。理论研究主要是对管内气柱数学模型建立、气柱固有频率、气柱参数（压力、速度、密度等）的计算和管系结构模态和动力响应等的计算。2.2 试验研究随着测试、频谱分析和信号分析处理等技术的发展，压缩机振动和噪声的试验研究也得到了发展。文献【9】阐述了如何利用谱分析技术识别压缩机噪声源的方法；文献【10】采用频谱分析技术研究了QD55A冰箱压缩机的噪声；文献【11】和文献【12】应用试验测试分析的方法来识别压缩机的噪声，为工程降噪提供有力的数据【13，14】。对于气体压力脉动对压缩机噪声的影响及消除，许多人进行了试验探讨。Steinke以时间为坐标轴，同时，测量压缩机的吸排气压力，降压力信号进行傅氏分析求其压力谱，然后降压力谱与噪声谱进行比较；Johnson也在压力脉动方面作了研究，他在气缸的不同处安装几个压力传感器，试验发现排气与转动之间存在压力驻波；Kawaguchi经过实验也发现压缩腔内的压力脉动是主要的噪声源，通过开设所谓的变换槽就可以减少压力脉动。文献【15】则利用试验模态分析技术对管系结构进行分析，从而得到了管系结构的模态参数，为管系的动态设计和减振提供依据。 在压缩机流量对噪声的影响方面，Feldmaier作了研究，他发现从1000到4000Hz的噪声与流量有很强的相关性，噪声在中等流量时达到最大值，随着流量继续增加，声级急速下降。低频噪声与流量关系不大。有人从试验发现压力时间信号的前5阶谐波高出其它谐波1020dB，因此断定这些谐波是产生气体脉动声的主要原因。在电磁噪声方面的试验研究，日本人Tanaka通过试验发现当旋转柱塞或压缩机的转动偏心率由10增大至20时，其电机电磁噪声大大增加。Vetsuji改进了滚动活塞式冰箱压缩机的电机转子，使其电磁噪声大幅降低【1】。制冷剂及冷冻机油也有可能成为振动和噪声的激励源。Binder只定性指出，氟利昂在低压高温条件下的闪点气穴现象产生噪声。他作了如下实验：因为氮气不与冷冻机互溶，他用N2代替氟利昂结果发现6000Hz以上的噪声大幅度降低。2.3 工程应用方面研究制冷压缩机系统振动噪声的工程应用研究方面主要是针对工程实际中出现的问题，利用现有的一些理论分析方法如模态分析、动力学分析、有限元分析等和试验分析方法相结合进行分析，并且进行优化改造，提出有效的减振降噪措施，从而达到减振降噪的效果。工程实际中，对于消减气流压力脉动引起的气流噪声的研究也相当较早，其简单有效的消振措施是在靠近压缩机气缸安放缓冲器。1952年，Chilton等【8】对两种类型缓冲器：单容积缓冲器和滤波器型缓冲器的安放位置进行了研究。孙嗣莹等【16】对缓冲器的安放位置进行了研究，得出缓冲器愈靠近气缸，消振效果就愈明显。3、减振降噪措施解决电机噪声。首先，即解决不平衡问题，一般总是通过平衡计算在转子上下端两部分增加不同重量平衡块进行平衡，其不足之处是在减小振动同时也增加压缩机的负荷使压缩机效率有一定的降低。目前最有效解决这一问题的方法是使用双气缸化。降低压缩机所产生的低频振动及共振，从以下几个方面入手。首先，改进加强系统配管材料刚性，在允许使用的范围内选用强度、刚性大的材质的管，这样可减小共振。第二，对制冷压缩机加附阻尼材料。第三，根据不同的制冷需要和不同压缩机，改进配管结构。改善排气口形状降噪。排气时在三角形排气口顶部产生局部气流，形成局部激波，产生噪声，可以通过三角形顶部用圆弧过渡来克服局部激波噪声。国内一些制冷压缩机生产企业在进油的排气口形状作了一定的改进，如将平口改为斜口或在出口部安装合适的排气消声器。吸声隔声材料的使用。近来国内外空调压缩机普遍采用一种隔声套，对压缩机进行处理。隔声套是控制制冷压缩机机组噪声传播的一种有效措施。5、结束语由于压缩机的结构及声源及其复杂，虽经过许多学者的努力，好多问题仍需进一步研究。尤其在我国，制冷压缩机的生产历史还不长，目前主要还是引进生产国外机型。虽然消费者对降低噪声的要求很强烈，但限于实验手段、设备及人员的缺乏等原因，在这方面开展的研究还不多。未来的主导研究方向有：（1） 建立完善的噪声和振动测试分析系统，改进实验方法；（2） 细致地分析噪声与振动特性，准确识别噪声源；（3） 设计符合工程实际应用地减振器和吸排气消声器；（4） 在压缩机管道控制方面发展有源降噪技术；（5） 结构辐射声的有源控制；（6） 利用噪声与振动测试结果，建立制冷压缩机故障诊断系统目前在制冷压缩机减振和降噪方面均是在成型产品上采取补救措施，未来制冷压缩机开发应转化设计理念，在制冷压缩机地设计源头考虑噪声和振动因素，开发出适应新形势的低噪声、低振动产品。6、参考文献【1】杨伟成.家用小型制冷压缩机的噪声控制.家用电器科技.1999.4【2】束鹏程.压缩机技术及制冷剂CFC替代新进展.流体机械.1994，22（12）【3】李连生.1996年普渡国际压缩机工程会议及制冷会议综述.流体机械.1997，25（2）【4】黄锁成，靳晓雄，张立军.汽车空调用压缩机的振动和噪声分析.汽车技术.2003【5】杜桂荣，仇博先等.涡旋压缩机壳体的有限元分析.甘肃工业大学学报.2002.28（1）【6】宋雷鸣，金洪杰.DQX系列旋转式压缩机噪声源的理论分析与试验研究.北方交通大学学报.2000.24（4）【7】郭蓓，李连生，束鹏程.汽车空调用旋叶压缩机型线的动力特性分析.制冷学报.2003，2【8】 Chilton E., Handley L. Pulsations in gas compressor systems. Transactions of the ASME, 1952, 45(8): 214-218【9】孟昭明，甘长胜，林泽安.谱分析技术在压缩机噪声源分析中的应用.流体工程，1992，（9）【10】姜国清.徐道连等人.冰箱压缩机噪声分析及降噪措施的研究.重庆大学学报.1995，18（2）【11】张立军. 靳晓雄等人.汽车空调压缩机引起的车内噪声试验研究.汽车工程.200