往复式制冷压缩机阀片振动特性测量系统设计

王 晶， 尹亦阳， 冯 涛， 刘 斌

(北京工商大学材料与机械工程学院，北京 100048)

往复式制冷压缩机阀片振动特性测量系统设计

王 晶， 尹亦阳， 冯 涛， 刘 斌

(北京工商大学材料与机械工程学院，北京 100048)

分析了制冷压缩机阀片振动产生的机理.以某型号冰箱压缩机的进气阀片为研究对象，对压缩机阀片振动特性的测量方案进行了研究，建立了冰箱压缩机阀片振动特性测量系统，确定采用声激励方式实现阀片的振动激励，采用激光测振仪测量阀片振动响应，最后对压缩机阀片振动特性进行了初步测量分析.

制冷压缩机;阀片;振动特性;非接触测量

压缩机是商用及家用食品冷藏制冷系统的核心设备，也是制冷系统最主要的噪声源.往复式压缩机是利用曲柄连杆机构将电机的旋转运动转换为活塞的往复运动而对工质做功实现制冷［1］.活塞在汽缸中往复运动，通过吸气阀片和排气阀片的配合，实现对制冷工质的吸入、压缩和输送.阀片是安装在压缩机缸体上控制气体进出的部件，它的开启与关闭控制着压缩机的吸气、压缩、排气和膨胀四个过程.压缩机各运转部件在运转过程中都有可能由于振动产生辐射噪声，随着机械加工技术水平的提高，曲轴及活塞运转不平衡所导致的振动已经大幅下降，压缩机吸排气过程中所产生的阀片振动逐渐成为压缩机噪声的主要成因［2－3］.因此，要实现压缩机阀片噪声的控制必须首先掌握压缩机阀片的振动特性.

本文以某型号冰箱压缩机的阀片为研究对象，对压缩机阀片振动特性的测量方案进行研究，建立相应测量系统，并对压缩机阀片振动特性进行初步分析.

1 阀片振动机理

通过对往复式压缩机的运行原理进行分析，三种原因导致阀片在吸排气过程中产生振动，进而产生噪声辐射.一是阀片与其支撑结构之间的撞击，由压缩机吸排气过程中产生高速高压气体瞬间冲击阀片产生.二是不稳定涡流与弹性阀片之间的相互作用，当高速气流顶开阀片时会产生湍流，由于阀片对气流形成阻碍，在阀片下游就会形成涡脱落，由于不稳定的涡脱落与顶开弹性阀片相互作用，导致阀片振动.三是压缩机其它部件通过结构传递给阀片的振动.从阀片振动的形成机理来看，前两种是导致其振动进而产生噪声辐射的主要原因.降低阀片的振动可从声源角度实现阀片噪声的控制，而掌握阀片的振动特性则是控制阀片振动首先要解决的问题.

2 试验测量系统设计

振动试验测量系统一般由激励、拾振及显示记录分析3部分组成.激振部分主要包括信号源、功率放大器及激振装置;拾振部分主要包括速度(加速度)传感器及调试放大器;分析显示记录部分主要包括分析仪及其外围设备.在振动测量过程中，先使用激振装置使测试对象振动起来，通过力及速度(加速度)传感器测量信号，再利用分析仪及其外围设备显示记录分析信号.

现以某型压缩机进气阀片为研究对象，对其振动特性进行研究，进气阀片长50 mm，宽42 mm，厚度0.2 mm，属轻薄弹性体，其形状如图1.对于一般的弹性结构体，可使用电磁力激励器或力锤施加激励，使用加速度传感器测量振动响应，但这样的测量方式却无法应用于阀片这样的轻薄弹性体，其原因主要是难以施加激励和难以测量响应.由于阀片尺寸和质量均较小，从结构上难以实现激励力的准确施加;从振动响应测量方面来看，加速度传感器质量一般都远大于阀片的质量，完全不满足传感器质量远小于待测对象质量的要求.基于以上考虑，轻弹性体振动特性的测量只能考虑非接触方式的激振和拾振.

图1 试验测量进气阀片Fig.1 Suction valve for experimental test

非接触激励可通过气流、声或电磁方式实现，非接触测量可通过声学、光学和电磁等方式实现.根据测量的需要和试验室的条件，确定使用LMS体积声源对阀片进行声激励，使用Polytek激光测振仪实现阀片振动响应的测量，试验测量方案如图2.试验测量系统由阀片样件、加速度体积声源、激光测振仪、传声器、PLUSE信号采集前端及计算机等6部分组成.

图2 试验测量系统结构示意Fig.2 Schematic diagram of measurement system

3 进气阀片振动特性测量

3.1 阀片装夹方式

进气阀片在压缩机运行过程中进行单向弯曲运动，为全面研究进气阀片的振动特性，对阀片采用两种支撑方式:一是自由支撑方式，即直接夹持进气阀片，此时阀片能进行双向弯曲振动;二是装配支撑方式，将阀片与其配合部件安装在一起，此时阀片只能进行单向弯曲振动.两种方式都采用图3虎钳装夹固定，使用体积声源在距离进气阀片1 cm和5 cm处激励阀片.

图3 阀片装夹方法Fig.3 Clamping method of valve

3.2 测量系统的设定调节

激光测点在阀片中央位置，为增强激光测振仪信噪比，在该位置处粘贴专用激光反射材料.检查接线无误后，启动PLUSE测振仪、体积声源的功率放大器以及激光测振仪数据处理平台，调整激光测振仪的水平竖直位置，使其高度刚好与阀片粘贴反光材料中心处等高，调节激光测振仪的聚焦旋钮，当激光测振仪信号满格时，停止调节，锁死激光测振仪.激励信号采用7～2 400 Hz宽带噪声.

4 试验结果及初步分析

试验采用阀片的振动响应速度与激励信号之间的传递函数反映阀片的振动特性［4－6］，下面分析自由支撑和装配支撑两种方式的测量结果.

4.1 自由支撑

自由支撑进气阀片的振动特性如图4，图中实线和点线分别为激励源距离阀片1 cm和5 cm时的测量结果.从图4中可以看出，激励距离阀片越近，响应也就越大.在 180，470，700 Hz，1.22，1.4 kHz处具有明显的共振峰，在180 Hz处的共振峰最高，远高于其它共振峰.

图4 自由支撑进气阀片振动特性Fig.4 Vibration property of suction valve under free clamping method

应用LMS Virtual Lab软件对自由支撑条件下的阀片进行模态分析，阀片的结构如图1，厚度0.2 mm，材料为钢.图5为阀片在196.7 Hz处的模态振型.在该振型图中，阀片以悬臂梁方式振动，控制进气通道的开闭，这是阀片工作过程中的主要振动模式，该频率与测量得到的第一阶共振频率较为接近，这说明采用声激励方式能够得到阀片的振动特性.

图5 阀片196.7 Hz处的模态振形Fig.5 Model shape of valve at 196.7 Hz

4.2 装配支撑

装配支撑进气阀片的振动特性如图6，图中实线和点线分别为声激励源距离阀片1 cm和5 cm时的测量结果.从图6可以看出，激励距离阀片越近，响应也就越大.在100，180，800 Hz处具有明显的共振峰，共振峰数目低于自由支撑方式，但在0.2～3.6 kHz呈现出明显的宽带响应特征，其中心频率约在1.7 kHz处，此处的值最高，超过共振峰对应的响应.其原因主要是装配支撑方式下，阀只能单向振动所导致的非线性效应.图7为自由和装配两种支撑方式测量结果的比较.从图7可看出，相同激励条件下，装配支撑方式响应特征较自由支撑有较大的改变，而且振动响应的数值也远小于自由支撑.

图6 装配支撑进气阀片振动特性Fig.6 Vibration property under assemble clamping method

图7 进气阀片两种支撑方式测量结果比较Fig.7 Comparison of measurementresults from two clamping methods

5 结论

本文建立的振动试验系统，以非接触方式实现了往复式制冷压缩机进气阀片振动特性的测量，测量得到的阀片第一阶共振频率与数值仿真计算结果基本相近.图6的测量结果表明，阀片即使在线性激励的作用下，也有可能产生非线性响应，解释了只受到低频旋转不平衡激励的压缩机却能够辐射出高频噪声的原因.本试验系统能够实现阀片振动特性的测量，可用于阀片这种轻薄弹性体振动特性的深入研究，为阀片振动特性优化提供依据，为最终降低制冷压缩机噪声奠定基础.

［1］Paul C H.压缩机手册［S］.郝点，译.北京:中国石化出版社，2003:1-10.

［2］季晓明，孟晓宏，金涛.往复式冰箱压缩机噪声分析及控制方法综述［J］.噪声与振动工程控制，2007(1):17-20.

［3］赵志军，仇颖，李红旗.冰箱用全封闭压缩机噪声分析与降噪措施的探讨［J］.流体机械，2004，32(12):47-49.

［4］李德葆，陆秋海.工程振动实验分析［M］.北京:清华大学出版社，2004:256-266.

［5］杜功焕，朱哲民，龚秀芬.声学基础［M］.南京:南京大学出版社，2001:79-90.

［6］吴业正.往复式压缩机数学模型及应用［M］.西安:西安交通大学出版社，1989:100-122.

(责任编辑:檀彩莲)

Design of Vibration Measurement System for Valve of Refrigerator Compressor

WANG Jing， YIN Yi-yang， FENG Tao， LIU Bin
(School of Material and Mechanical Engineering，Beijing Technology and Business University，Beijing 100048，China)

The vibration mechanism of the valve of the refrigerator compressor was analyzed.The measurement schemes of the vibration property of the valve were studied using the suction valve of a type of compressor as the research object.The experimental system for measuring the valve vibration property was established.The sound signal was used as the exciter and the Laser Doppler Velocity meter was applied to measure the vibration response of the valve.The preliminary experimental analyses of the vibration properties of the valve were accomplished.

refrigerator compressor;valve;vibration property;non-contact measurement

TS205;TS972.24

A

1671-1513(2011)01-0063-03

2011-01-10

北京市教委科技发展面上资助项目(KM201010011008);北京市属高等学校人才强教计划资助项目(PHR201106110).

王 晶，女，副教授，主要从事噪声与振动控制方面的研究.