基于振动检测的汽车空调压缩机机械磨损研究与应用

摘 要：汽车空调压缩机在汽车空调系统中扮演着关键的角色，压缩机的正常运行直接影响到汽车的舒适性、驾驶安全性以及乘客的健康。压缩机内部的机械零部件由于长时间的摩擦和运动，导致表面逐渐磨损和失效，根据汽车空调压缩机的工作原理与压缩机机械磨损产生的原因及带来的影响，结合振动信号与汽车空调压缩机机械磨损之间的关联，分析基于振动检测方法在汽车空调压缩机机械磨损中的研究与应用，为确保汽车空调压缩机的正常运行提供参考。

关键词：振动检测 压缩机 机械磨损

汽车空调压缩机在汽车空调系统中扮演着至关重要的角色，它是整个系统的核心组件之一。汽车空调系统中的压缩机负责将低温低压的气体制冷剂（通常是制冷剂R134a）压缩成高温高压的气体[1]。这个过程是整个空调循环的起点，而压缩机的性能直接影响到制冷剂的工作效果。压缩机通过提高制冷剂的温度和压力，使其能够在整个制冷循环中流动，这一流动过程是实现汽车内部空气降温的关键步骤。因此，压缩机的设计和工作质量直接关系到系统的长期稳定运行，而失效或性能下降可能导致整个系统故障。

1 汽车空调压缩机的工作原理

在汽车中，常见的压缩机类型主要包括往复式压缩机和螺杆式压缩机。往复式压缩机的活塞通过电机的驱动在气缸内上下运动。当活塞向下运动时，气缸内的容积增大，制冷剂被吸入到气缸中，当活塞向上运动时，气缸内的容积减小，制冷剂被压缩。螺杆式压缩机由两个螺旋螺杆组成，分别为固定螺杆和可移动螺杆，它们的旋转使得气体在螺旋之间被逐渐压缩。压缩机内的气体被压缩，同时温度和压力都随之上升[2]。无论是哪种类型，它们的基本工作原理都是主要涉及压缩制冷剂、提高温度和压力，然后通过冷凝和蒸发过程，实现对汽车内部空气的制冷。这个过程是一个循环过程，通过压缩机的不断工作，维持汽车内部舒适的温度。良好的压缩机设计和工作状态对整个汽车空调系统的性能至关重要。

2 压缩机机械磨损的主要原因及影响

2.1 压缩机机械磨损的主要原因

首先，压缩机内部的活塞、气缸、轴承等零部件在运动过程中会发生摩擦，长时间的摩擦可能导致零部件表面的磨损，特别是在高温、高压的工作环境下，摩擦会更为显著，压缩机在工作过程中需要处理高温高压的制冷剂，这可能导致零部件的热膨胀和热应力增加，长时间处于这样的工作环境下，零部件可能发生变形、开裂，从而引发机械磨损；其次，压缩机内部需要润滑以减少摩擦和磨损，但润滑油的质量、稠度和油路系统的运行状态直接影响到机械零部件的润滑情况[3]。不足的润滑可能导致摩擦增加，进而引发磨损；另外，过度使用或者长时间高负荷工作可能导致压缩机零部件疲劳失效，这对于在高温环境中工作的汽车空调压缩机来说尤为重要，因为它们在整个行车过程中通常都在运行。

除此之外，使用低质量或不适合高温高压环境的材料制造的压缩机零部件容易受到机械磨损的影响，空气中的尘埃、灰尘和其他杂质可能进入压缩机内部，与零部件发生摩擦并引发磨损，缺乏定期维护、润滑油更换和零部件检查可能导致机械磨损。

2.2 压缩机机械磨损带来的影响

机械磨损可能导致压缩机内部的密封性能减弱，制冷剂可能会泄漏或无法被有效地压缩。这将降低压缩机的制冷效果，导致汽车空调系统无法提供足够的冷却效果。机械磨损还会导致零部件之间的不正常摩擦，提高系统的噪音水平，这不仅会降低驾驶舒适性，还可能是机械问题的早期指示器。另外，机械磨损引起的不正常摩擦和失效可能导致压缩机内部的振动水平增加，这可能会影响到整个汽车空调系统的稳定性，并导致其他零部件的磨损，还可能导致系统内部温度的不稳定性，使得汽车空调系统在不同工作条件下难以维持稳定的温度控制，这可能导致车内温度过高或过低，影响驾驶员和乘客的舒适性。最终，在机械磨损达到一定程度时，可能导致压缩机内部的零部件失效，引发系统故障。

3 基于振动检测方法的研究

3.1 振动传感器的种类和原理

振动传感器是一种用于测量物体振动或加速度的设备，通常被广泛应用于工业、机械、汽车等领域。根据工作原理和测量参数的不同，振动传感器可以分为多种类型。如加速度传感器测量物体的加速度，它通过测量物体的运动状态来推断振动，其中一种常见的原理是基于微机电系统（MEMS）技术，通过测量微小质点的位移来计算加速度，广泛用于振动监测、结构健康监测、汽车安全系统等领域[4]；压电传感器基于压电效应，当物体发生振动时，产生的压电信号被转换为电压输出，这种传感器常适用于高频振动监测，例如在航空航天和实验室环境中；电容式传感器通过测量振动引起的电容变化来检测振动，当物体振动时，电容值会发生变化，从而反映了振动的幅度和频率，通常应用于微小振动测量，如在精密仪器和生物医学设备中；惯性式传感器通过测量物体的旋转速度或角度来检测振动，陀螺仪是一种惯性式传感器，基于测量物体相对于参考方向的旋转，常用于导航系统、姿态控制和机器人技术中。除此之外，还有多种振动传感器，这些振动传感器类型具有各自的特点和适用场景，选择合适的传感器类型取决于应用的具体需求，包括监测频率范围、精度要求、环境条件等。

3.2 振动传感器在汽车空调压缩机上的安装位置

振动传感器在汽车空调压缩机上的安装位置通常会选择在与压缩机直接相关的零部件上，以便有效地监测压缩机的振动情况。振动器传感器具有多个安装位置，首先，振动传感器可以直接安装在压缩机的外壳表面，这样的位置可以有效地监测整个压缩机的整体振动情况，包括涉及的各个零部件，在电机或压缩机的振动部件上安装振动传感器，可以更直接地监测到与机械磨损直接相关的振动；其次， 轴承是压缩机内部最容易受到磨损的部件之一，安装振动传感器在轴承附近可以及早检测到轴承的问题，通常振动传感器会直接安装在轴承外环或内环上；最后，其它关键链接部位，比如活塞与气缸的连接点、连杆和曲轴等关键部位，振动传感器的安装位置应选择在这些部位附近，以便更准确地监测与机械磨损相关的振动。振动传感器的选择和安装位置需要根据具体压缩机的结构和工作原理来确定，在实际安装中，需要考虑传感器的灵敏度、频率响应以及与压缩机内部零部件的物理接触情况。合理的振动传感器安装位置能够提供准确的振动信号，有助于及早发现机械磨损问题。

3.3 振动信号与汽车空调压缩机机械磨损的关联

振动信号在汽车空调压缩机机械磨损检测中起着关键的作用，因为机械磨损通常会导致压缩机内部零部件的不正常振动。通过监测和分析振动信号，可以提供有关压缩机运行状态和机械磨损程度的重要信息[5]。

频率特征：机械磨损通常导致压缩机内部零部件的摩擦和振动频率的变化。通过对振动信号进行频谱分析，可以识别出与机械磨损相关的特定频率成分。这些频率成分的出现可以指示可能存在的问题，例如轴承磨损或不正常的零部件摩擦。

振动幅度：机械磨损通常导致零部件之间的摩擦和不正常间隙的增加，从而引起振动幅度的增加。通过监测振动信号的幅度变化，可以评估机械磨损的程度。大幅度的振动可能表明存在严重的机械问题，而小幅度的振动可能是早期机械磨损的迹象。

相位变化：机械磨损会导致零部件之间的相对运动发生变化，进而改变振动信号的相位。通过分析振动信号的相位变化，可以了解压缩机内部零部件的运动状态，进一步诊断机械磨损的位置和性质。

振动的时域特性：时域分析可以提供有关振动信号的时间变化信息。机械磨损可能导致振动信号的不规则波形，包括尖峰、冲击和不同形状的波形。这些时域特性可以提供机械磨损的更详细的信息。

综合利用振动信号分析，可以实现对汽车空调压缩机机械磨损状态的实时监测和及早诊断，有助于提高维护的准确性、及时性，降低维修成本，延长压缩机的寿命。

4 基于振动检测方法的应用

4.1 频谱分析

将汽车空调压缩机机械振动信号转变为频域数据通常涉及使用傅里叶变换或其他频域分析方法。首先，需要使用加速度传感器或振动传感器采集汽车空调压缩机的机械振动信号，这个传感器测量压缩机在不同时间点上的振动，并输出一个时域信号，通过对采集到的时域信号进行预处理，可以确保信号的质量和适用于频域分析，可能的预处理包括去趋势、去直流分量、滤波等。最常见的方法是使用傅里叶变换将时域信号转换为频域信号。傅里叶变换将信号从时域表示转换为频域表示，显示信号在不同频率上的成分。傅里叶变换公式如下：

其中：X（f）是频域表示，x（t）是时域信号，是频率。

由于计算机上的实现通常使用离散信号，因此常使用快速傅里叶变换（FFT）来高效地计算傅里叶变换。FFT是一种快速算法，能够在计算机上迅速计算傅里叶变换。得到频域信号后，可以进行频谱分析，识别主要频率成分和振动的频谱特征。频谱图能够显示不同频率上振动信号的振幅，并提供关于振动频率、强度和分布的信息。最后，将频域数据可视化，通常以频谱图或功率谱密度图的形式呈现。这有助于直观地了解压缩机振动信号的频率分布情况。因此，通过定期进行频谱分析，可以建立压缩机的基准频谱，对比实际频谱的变化。这有助于及早发现潜在的机械问题，实施预测性维护，避免系统故障。除此之外，频谱分析还可以用于检测异常事件，如碰撞、冲击或其他非正常运行情况。这些异常事件通常在频谱中产生明显的特征，通过监测这些特征可以及早发现问题。

4.2 基线测量

建立汽车空调压缩机在工作状态下的振动基线是一项重要的任务，它可以用于监测机械健康状况，及早发现潜在的故障。首先，选择适合于汽车空调压缩机的振动传感器，传感器应具有适当的灵敏度和频率响应，以捕捉机械振动的细微变化。将振动传感器安装在压缩机的关键部位，如壳体、电机、连杆等。确保传感器的位置能够有效地捕捉到各个部件的振动信号[6]。然后，在正常工作状态下，采集振动传感器的数据。这个过程应该在不同工作条件下进行，包括不同负载、温度和湿度条件。采集的数据应包括足够长的时间段，以确保捕捉到周期性和非周期性的振动。对采集到的振动信号进行时域分析，包括查看波形图、振动幅度、峰-峰值等参数，这有助于了解振动信号的基本特性。同时，使用傅里叶变换或快速傅里叶变换进行频域分析，通过频谱图可以观察到不同频率上的振动成分。标记并了解这些频率成分，这些将成为振动基线的参考。最后，将采集到的振动数据和频域分析的结果存储为基线文件，这个文件将成为日后对比和监测的依据。

通过定期重复采集振动数据，比较新的数据与建立的基线文件，任何超出基线的振动变化都可能表示机械问题，需要进行详细的检查和诊断。将振动数据的变化和任何异常情况记录下来。如果振动超出了预设的阈值，可能需要进行预防性维护，检查相关部件的健康状况。随着时间的推移，机械部件的磨损或变化可能会导致振动基线的演变。因此，定期更新基线是保持监测的有效性的重要步骤。

4.3 噪声分析

噪声分析在汽车空调压缩机机械磨损中的应用是一种常见的监测手段，可以帮助识别潜在的机械问题，评估设备的健康状况，以及提前发现需要进行维护的部件。机械磨损通常会导致压缩机产生不寻常的噪声，通过进行噪声分析，可以检测到与机械磨损有关的异常噪声，例如摩擦、撞击、振动等，这些异常噪声可能是机械故障或磨损问题的指示器。类似于振动分析，噪声分析也可以使用频谱分析工具，将噪声信号转换为频域数据，这有助于识别与磨损有关的频率成分，提供有关压缩机健康状况的信息。通过识别噪声信号中的峰值，特别是在频谱中的峰值，可以找到与机械磨损有关的特定频率，这些峰值可能与轴承、齿轮、连杆等部件的磨损或不正常运动有关。同时，还可以利用噪声的声学特征，如频率、振幅、时域波形等，进行详细的分析，通过对声音特征的监测，可以确定是否存在异常噪声，并识别问题的具体类型。持续记录噪声分析的结果，并进行趋势分析。通过对比不同时间点的噪声数据，可以追踪机械磨损的发展趋势，提供更全面的健康状态评估。

5 结语

振动检测方法在汽车空调压缩机机械磨损中有一些明显的优势，对机械系统的微小变化非常敏感，能够探测到机械磨损引起的微弱振动信号。振动检测能够提供关于振动信号的频率、振幅和相位等信息，有助于定位机械系统中发生磨损的具体位置。同时，振动检测是一种非侵入性的监测方法，通常无需对压缩机进行破坏性的检测，有助于维持系统的完整性。当然，振动检测方法也存在一定的不足，振动检测虽然能够指示机械系统的不稳定性，但无法直接提供有关磨损机理的详细信息。对于深入了解磨损机理，可能需要结合其他方法，如声学、热学分析等。综合来说，振动检测是一种强大而广泛应用的方法，特别是对于机械系统的整体健康状况的评估。然而，要充分发挥其优势，需要结合其他监测手段，以全面了解机械系统的工作状态。

基金项目：2023年广西高校中青年教师科研基础能力提升项目“一种汽车空调压缩机机械磨损检测装置的探索与研究”（2023KY1548）。

参考文献：

[1]王远涛，冯涛，孙恰，等.基于自编码器的制冷压缩机异常振动检测方法[J].食品与机械，2021，37（4）：120-123，128.

[2]连捷.基于振动信号的压缩机叶片局部增重缺陷检测研究[D].辽宁：东北大学，2015.

[3]柳春梅.往复式空气压缩机故障振动检测维修[J].中国新技术新产品，2013（8）：193-193.

[4]吴书龙，谭婷.汽车空调的维护与机械故障检修[J].汽车维修，2007（11）：39-40.

[5]李宗立.应用于新能源汽车的电动直线压缩机控制系统的研究[D].江苏：南京理工大学，2012.

[6]涂志健，陆益民，徐周亮，等.7H15型汽车空调压缩机振动噪声试验研究[C].//第27届全国振动与噪声高技术及应用学术会议论文集.2016：514-519.