劉 成

(大慶煉化公司電儀運(yùn)行中心,黑龍江大慶 163000)

0 引言

船用電機(jī)振動(dòng)噪聲設(shè)計(jì),一直是電機(jī)性能設(shè)計(jì)中最關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié),主要與其應(yīng)用的場(chǎng)所密切相關(guān)(國(guó)防領(lǐng)域)。在我國(guó)國(guó)防事業(yè)建設(shè)的初期以及前期主要以經(jīng)驗(yàn)法以及仿制1:1樣機(jī)的方式,來(lái)預(yù)估整機(jī)設(shè)備的振動(dòng)性能,這種方式不但延長(zhǎng)了設(shè)備的研制周期,而且其設(shè)計(jì)精度也偏低,無(wú)法滿足船用電機(jī)低振動(dòng)噪聲設(shè)計(jì)的需求。隨著技術(shù)計(jì)算機(jī)領(lǐng)域、傳感控制科學(xué)的發(fā)展,測(cè)試工業(yè)測(cè)試技術(shù)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展,主要體現(xiàn)在,傳感器應(yīng)用與測(cè)試系統(tǒng)的提升。近年來(lái),LMS(西門(mén)子)、B&k等測(cè)試分析系統(tǒng)承擔(dān)了大量振動(dòng)測(cè)試分析工作,以此為契機(jī),振動(dòng)噪聲設(shè)計(jì)的方法也發(fā)生了改變,以振動(dòng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)對(duì)設(shè)備的振動(dòng)噪聲進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)成為了現(xiàn)階段的主要方法,其設(shè)計(jì)相比于傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)方法更加科學(xué),設(shè)計(jì)準(zhǔn)確性也大幅度得到提升。因此,搭建船用電機(jī)振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)成為,其進(jìn)行振動(dòng)噪聲設(shè)計(jì)、預(yù)估、優(yōu)化的前提。

本文以某型號(hào)船用電機(jī)為例,對(duì)船用電機(jī)振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行介紹、設(shè)計(jì)、研究,概括搭建流程及系統(tǒng)原理,為后續(xù)船用電機(jī)振動(dòng)性能設(shè)計(jì)與產(chǎn)品迭代提供了一定的借鑒。

1 船用電機(jī)測(cè)試平臺(tái)的搭建

船用電機(jī)測(cè)試平臺(tái)的搭建實(shí)質(zhì)是利用相應(yīng)的軟件進(jìn)行編程,將程序鑲嵌到計(jì)算機(jī)硬件中,調(diào)用計(jì)算機(jī)的相關(guān)硬件,來(lái)完成顯示、運(yùn)算、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)等振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)分析所需要的功能。同時(shí)通過(guò)軟體所實(shí)現(xiàn)的相應(yīng)程序,還可以完成數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)比對(duì)、數(shù)字信號(hào)的處理轉(zhuǎn)化與顯示等功能,提升了工程人員對(duì)振動(dòng)數(shù)據(jù)采集與測(cè)試調(diào)試的能力,從而提供船用電機(jī)振動(dòng)測(cè)試工作效率。

本文所搭建的測(cè)試平臺(tái)的功能流程主要包括:測(cè)試對(duì)象、振動(dòng)數(shù)據(jù)的采集、通過(guò)虛擬軟體進(jìn)程處理,最后振動(dòng)數(shù)據(jù)的程序與數(shù)據(jù)處理、管理,詳見(jiàn)圖1。

圖1 船用電機(jī)測(cè)試平臺(tái)功能流程簡(jiǎn)介

在采用相應(yīng)模型對(duì)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行具體搭建時(shí),尤其需要對(duì)數(shù)據(jù)采集與信號(hào)處理模塊進(jìn)行分析,整個(gè)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程見(jiàn)圖2。

圖2 流程如圖

振動(dòng)數(shù)據(jù)采集的傳感器方面,選用PCB加速度傳感器,傳感器選型時(shí),考慮了接口、線纜的電磁干擾、電器損耗等對(duì)傳感器精度的影響。完成測(cè)試平臺(tái)的設(shè)計(jì)后,利用該系統(tǒng)對(duì)船用電機(jī)機(jī)腳數(shù)據(jù)進(jìn)行了采集,分別采集了振動(dòng)的頻程結(jié)果與噪聲的頻程結(jié)果,振動(dòng)數(shù)據(jù)采集結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 船用電機(jī)振動(dòng)、噪聲數(shù)據(jù)采集結(jié)果

2 船用電機(jī)模態(tài)試驗(yàn)

根據(jù)振動(dòng)理論,模態(tài)反映了結(jié)構(gòu)固有特性,決定著結(jié)構(gòu)質(zhì)量分布、剛度分布,了解結(jié)構(gòu)的模態(tài)屬性,對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要意義[1]。因此,對(duì)船用電機(jī)進(jìn)行了模態(tài)測(cè)試試驗(yàn),本例船用電機(jī)模態(tài)測(cè)試采用力錘激勵(lì)方法,主要因?yàn)槠滟|(zhì)量與結(jié)構(gòu)屬性而采用了這種方法,在測(cè)試過(guò)程中,需要具備相應(yīng)的船用電機(jī)模態(tài)測(cè)試試驗(yàn)條件,主要包括計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與處理分析)、加速度傳感器(采集相應(yīng)數(shù)據(jù))、測(cè)試本體(船用電機(jī))、顯示器(顯示數(shù)據(jù)),具體的硬件測(cè)試條件見(jiàn)圖4(a),這里需要說(shuō)明以下傳感器的選擇,為提高測(cè)試精度、節(jié)省傳感器布置空間,選用集成度更高的三方向傳感器見(jiàn)圖4(b)。

圖4 模態(tài)測(cè)試試驗(yàn)條件

上述模態(tài)測(cè)試試驗(yàn)條件具備后,以力錘敲打的方式對(duì)電機(jī)進(jìn)行施加激勵(lì),見(jiàn)圖5,檢查激勵(lì)與響應(yīng)的相關(guān)情況,合理提取與選擇頻響數(shù)據(jù)。

圖5 力錘“激勵(lì)施加”過(guò)程

對(duì)比了測(cè)試模態(tài)(實(shí)測(cè)值)與仿真模態(tài)(計(jì)算值),結(jié)果見(jiàn)表1,兩者的誤差在合理的可接受范圍內(nèi),說(shuō)明較高模態(tài)可信性,在船用電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電磁設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量避開(kāi)表1中頻率,從而使得電機(jī)具有更好的振動(dòng)性能。

表1 測(cè)試模態(tài)與仿真模態(tài)評(píng)估

3 船用電機(jī)噪聲測(cè)試

船用電機(jī)的噪聲控制也及其重要,一般來(lái)說(shuō)就噪聲產(chǎn)生源來(lái)說(shuō),其是由振動(dòng)的輻射以及振動(dòng)波對(duì)空氣的作用而來(lái),在噪聲數(shù)據(jù)采集與振動(dòng)類似,其需要的測(cè)試條件也基本與振動(dòng)及模態(tài)測(cè)試相同,只是將“搜集”振動(dòng)的加速度傳感器換成“搜集”聲音的麥克風(fēng),見(jiàn)圖6。

圖6 聲學(xué)“搜集”麥克風(fēng)

按標(biāo)準(zhǔn)要求,使得麥克風(fēng)在指定方向,指定距離“搜集”數(shù)據(jù),通過(guò)電機(jī)控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)電機(jī)的不同轉(zhuǎn)速工況,見(jiàn)圖7,演示了船用電機(jī)噪聲測(cè)試過(guò)程與原理。

圖7 船用電機(jī)噪聲測(cè)試過(guò)程與原理

船用電機(jī)額定工況測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖8,從測(cè)試結(jié)果可以看出,電機(jī)噪聲比較高的頻段在100Hz～800Hz范圍內(nèi),可以通過(guò)優(yōu)化風(fēng)扇設(shè)計(jì)的方法來(lái)改善此范圍頻段的噪音,如通過(guò)合理設(shè)計(jì)在風(fēng)扇處,加裝具有消音作用的風(fēng)扇罩或優(yōu)化風(fēng)扇流道等措施。

圖8 船用電機(jī)額定工況下噪聲測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了船用電機(jī)“降噪減振”設(shè)計(jì)發(fā)展歷程,論述了“振動(dòng)噪聲試驗(yàn)法”在振動(dòng)噪聲優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要地位,在此基礎(chǔ)上搭建了基于某型船用電機(jī)的振動(dòng)噪聲測(cè)試試驗(yàn)平臺(tái),實(shí)現(xiàn)了振動(dòng)數(shù)據(jù)、模態(tài)數(shù)據(jù)、噪聲數(shù)據(jù)的采集,并針評(píng)估了模態(tài)結(jié)果的準(zhǔn)確性,同時(shí)針對(duì)噪聲實(shí)測(cè)結(jié)果,給出了相應(yīng)的“降噪”手段與措施。