仲明凱 張 磊 陳 晨

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070）

引言

電機(jī)振動(dòng)會(huì)增加螺釘松動(dòng)、結(jié)構(gòu)異響的風(fēng)險(xiǎn)，影響一個(gè)企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量和用戶體驗(yàn)，因此越來(lái)越多的企業(yè)和學(xué)者關(guān)注電機(jī)振動(dòng)問(wèn)題，以期開(kāi)發(fā)高質(zhì)量產(chǎn)品?，F(xiàn)某型窗機(jī)發(fā)現(xiàn)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)振動(dòng)明顯，技術(shù)部門(mén)急需解決問(wèn)題。主要振動(dòng)現(xiàn)象為：整機(jī)運(yùn)行時(shí)電機(jī)存在明顯軸向振動(dòng)，電機(jī)有明顯重影，銘牌標(biāo)識(shí)已無(wú)法清晰識(shí)別，振動(dòng)情況如圖1。

圖1 振動(dòng)情況

針對(duì)類似問(wèn)題，一些學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)方案嘗試。孫義祥等人針對(duì)窗機(jī)外殼振動(dòng)問(wèn)題，模態(tài)仿真出其原因是電機(jī)支架與風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)頻率產(chǎn)生共振，通過(guò)在電機(jī)支架底座加螺釘、在風(fēng)扇軸部設(shè)計(jì)凸臺(tái)減輕受力，明顯降低了振動(dòng)[1]。安芝林等人針對(duì)空調(diào)內(nèi)機(jī)電機(jī)激勵(lì)電機(jī)支架振動(dòng)問(wèn)題，改善電機(jī)橡膠墊實(shí)現(xiàn)降噪，進(jìn)一步改善風(fēng)葉軸系結(jié)構(gòu)避開(kāi)了共振區(qū)間[2]。胡清波等人針對(duì)空調(diào)電機(jī)支架與電機(jī)轉(zhuǎn)速共振問(wèn)題提出支架的加強(qiáng)和加重結(jié)構(gòu)及風(fēng)葉減重方案，實(shí)現(xiàn)了振動(dòng)現(xiàn)象的改善[3]。但上述研究與本文的電機(jī)振動(dòng)問(wèn)題存在起因上的區(qū)別，同時(shí)給出的減振方案也較為片面，相關(guān)問(wèn)題缺乏明確的解決方法。本文首先針對(duì)振動(dòng)現(xiàn)象分析起因，嘗試了各種減振方案并進(jìn)行模態(tài)仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證，給出了較為全面的改善方向及實(shí)際效果，為相關(guān)問(wèn)題的改善提供了方向。

1 原因分析

1.1 電機(jī)振動(dòng)轉(zhuǎn)速區(qū)間確定

異常樣機(jī)電機(jī)振動(dòng)在中風(fēng)檔最明顯，經(jīng)過(guò)對(duì)3臺(tái)振動(dòng)幅度不同的樣機(jī)調(diào)轉(zhuǎn)速，觀測(cè)振動(dòng)情況，確定振動(dòng)幅度最大轉(zhuǎn)速區(qū)間為（910～930）r/min，對(duì)于表現(xiàn)差的樣機(jī)，甚至轉(zhuǎn)速在（860～950）r/min內(nèi)都振動(dòng)明顯。區(qū)間擴(kuò)展后電機(jī)振動(dòng)情況減小，轉(zhuǎn)速過(guò)高和過(guò)低都無(wú)振動(dòng)情況，異常樣機(jī)對(duì)比振動(dòng)合格的樣機(jī)零部件無(wú)明顯差異。初步分析為風(fēng)機(jī)系統(tǒng)零部件一致性波動(dòng)引起，此類振動(dòng)異常隱蔽性高，且起因復(fù)雜。

1.2 固頻分析

對(duì)異常樣機(jī)及支架、底盤(pán)、僅安裝電機(jī)支架的底盤(pán)進(jìn)行固頻測(cè)試，布點(diǎn)及結(jié)果如表1。

表1 固頻測(cè)試布點(diǎn)及結(jié)果

整機(jī)固頻存在的15.5 Hz與風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)基頻920 r/min/60=15.3 Hz接近，電機(jī)支架、底盤(pán)、安裝電機(jī)支架的底盤(pán)在無(wú)約束狀態(tài)下的固頻與旋轉(zhuǎn)基頻差距較大，初步分析風(fēng)機(jī)系統(tǒng)共振是電機(jī)振動(dòng)的原因之一。

固頻是系統(tǒng)自由振動(dòng)時(shí)的固有頻率，用表示，與振動(dòng)系統(tǒng)的質(zhì)量m和剛度k有關(guān)。定義如式（1），其大小只和系統(tǒng)本身參數(shù)有關(guān)，與外界無(wú)關(guān)。從定義看，剛度應(yīng)和系統(tǒng)質(zhì)量成反比，而剛度增加一般伴隨著質(zhì)量增加。一般來(lái)講，振動(dòng)系統(tǒng)的剛度更多的受限于剛度最小的零部件，所以改變固有頻率應(yīng)主要從系統(tǒng)最小剛度的零部件入手，同時(shí)，改變固頻外的另一個(gè)避免共振的方向就是采取相應(yīng)的減振措施。

于是本文著重從更改風(fēng)葉固頻、電機(jī)支架固頻、底盤(pán)強(qiáng)度加強(qiáng)等方向進(jìn)行改善，研究有效的減振方法。

2 改善方案與驗(yàn)證

進(jìn)行原因分析后，本文針對(duì)問(wèn)題制定了解決方案，結(jié)合模態(tài)仿真結(jié)果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。振動(dòng)情況以振動(dòng)幅度為標(biāo)準(zhǔn)，即振幅大、銘牌無(wú)法識(shí)別判定為振動(dòng)明顯，有振動(dòng)但銘牌字體可辨識(shí)為振動(dòng)一般、有改善，輕微振動(dòng)為振幅較小、有明顯改善，無(wú)振動(dòng)為肉眼可見(jiàn)無(wú)振動(dòng)情況。

2.1 風(fēng)葉方向改善方案

風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的負(fù)載主要是風(fēng)葉，其中軸流風(fēng)葉由于葉片尺寸較大，是主要影響的部件。于是對(duì)風(fēng)葉做了以下嘗試方案，如表2，結(jié)果表明：離心風(fēng)葉影響不大；更改軸流風(fēng)葉材料，電機(jī)振動(dòng)無(wú)改善；對(duì)換表現(xiàn)好和表現(xiàn)差樣機(jī)的離心風(fēng)葉和軸流風(fēng)葉，即表現(xiàn)差的樣機(jī)裝上動(dòng)平衡小的風(fēng)葉，振動(dòng)情況有改善，而表現(xiàn)好的樣機(jī)裝上動(dòng)平衡大的風(fēng)葉，仍不振動(dòng)，這說(shuō)明風(fēng)葉對(duì)電機(jī)振動(dòng)有影響，但不是主要影響；使用動(dòng)平衡小于0.3 g的軸流風(fēng)葉有改善，但生產(chǎn)難以控制，同時(shí)振動(dòng)一致性有波動(dòng)。

表2 風(fēng)葉方向改善方案及效果

表3 電機(jī)方向改善方案及效果

2.2 電機(jī)方向改善方案

根據(jù)文獻(xiàn)[2]，導(dǎo)致電機(jī)軸向振動(dòng)的原因除共振外還有轉(zhuǎn)子不平衡，即風(fēng)葉動(dòng)平衡和電機(jī)轉(zhuǎn)子不平衡，前面已驗(yàn)證風(fēng)葉動(dòng)平衡具有改善作用，其他導(dǎo)致軸向振動(dòng)的原因就是電機(jī)裝配或加工不良，電機(jī)軸承異常產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)[4]。電機(jī)中風(fēng)檔設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為（930±30）r/min，合格樣機(jī)（搭配廠家1電機(jī)）更換為廠家2電機(jī)后轉(zhuǎn)速由925 r/min變?yōu)?49 r/min，電機(jī)振動(dòng)幅度明顯增加。而搭配廠家1電機(jī)的整機(jī)一階固頻為15 Hz，其激振轉(zhuǎn)速為15*60=900 r/min，故廠家1電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速與激振轉(zhuǎn)速存在區(qū)別；更換廠家2電機(jī)后，固頻無(wú)明顯變化，實(shí)際轉(zhuǎn)速更遠(yuǎn)離激振轉(zhuǎn)速，但振動(dòng)加劇。在4臺(tái)樣機(jī)上驗(yàn)證，廠家2電機(jī)裝機(jī)后的振動(dòng)情況普遍比廠家1電機(jī)差，這說(shuō)明廠家2電機(jī)單體振動(dòng)較大，電機(jī)轉(zhuǎn)速與整機(jī)固頻共振已不是絕對(duì)原因，不同廠家電機(jī)的單體差異也會(huì)導(dǎo)致電機(jī)的振動(dòng)加劇[5]。由于存在一臺(tái)搭配廠家1電機(jī)的樣機(jī)振動(dòng)明顯，故受樣機(jī)單體差異影響，也存在樣機(jī)更換廠家1電機(jī)后無(wú)明顯改善的情況。

2.3 底盤(pán)方向改善方案

首先為確定底盤(pán)加強(qiáng)的部位，對(duì)底盤(pán)上振動(dòng)可能較大的底盤(pán)底部連接電機(jī)支架周?chē)x點(diǎn)分別進(jìn)行支撐，支撐點(diǎn)如圖2中點(diǎn)1～9，開(kāi)機(jī)觀測(cè)電機(jī)振動(dòng)情況，得到如下結(jié)論：對(duì)于異常樣機(jī)，支撐1、2、4、6、8五個(gè)點(diǎn)振動(dòng)現(xiàn)象有明顯改善，對(duì)于合格樣機(jī)，支撐2、3、5、6、8、9六個(gè)點(diǎn)振動(dòng)現(xiàn)象加劇，所以底盤(pán)相應(yīng)位置的結(jié)構(gòu)加強(qiáng)可能無(wú)明顯作用，為明確其影響，對(duì)底盤(pán)相應(yīng)位置進(jìn)行了加強(qiáng)和模態(tài)仿真，原結(jié)構(gòu)及加強(qiáng)結(jié)構(gòu)如圖3（a）、（b）、（c）、（d），方案（a）為原底盤(pán)，方案（b）為連接電機(jī)支架螺釘孔旁的加強(qiáng)筋加深，方案（c）為電機(jī)支架螺釘孔所在平面加強(qiáng)筋連通，并延伸至底面，同時(shí)螺釘孔旁加強(qiáng)筋加深，方案（d）為底盤(pán)料厚增加0.2 mm。模態(tài)仿真結(jié)果如圖4（a）、（b）、（c）、（d），其中方案（c）電機(jī)支架對(duì)應(yīng)位置變形有所減小，方案（d）固頻偏離較大，擬制作樣件驗(yàn)證。經(jīng)實(shí)際測(cè)試，方案（c）對(duì)本機(jī)型無(wú)效果。方案（d）經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證，整機(jī)固頻變化（0.5～2.5）Hz，電機(jī)振動(dòng)現(xiàn)象有明顯改善，各方案效果如表4。

表4 底盤(pán)方向改善方案及效果

圖2 底盤(pán)支撐示意圖

圖4 底盤(pán)改善方案模態(tài)仿真結(jié)果

2.4 電機(jī)支架方向改善方案

首先為驗(yàn)證電機(jī)支架連接底盤(pán)是否存在不穩(wěn)定現(xiàn)象，導(dǎo)致電機(jī)支架產(chǎn)生振動(dòng)，在電機(jī)支架與底盤(pán)連接的螺釘孔處分別加墊片、橡膠墊，驗(yàn)證無(wú)效果。對(duì)電機(jī)支架振動(dòng)方向手動(dòng)支撐，連接支架與前隔板，即圖5框選位置，電機(jī)振動(dòng)有改善，于是做了幾種支架加強(qiáng)的方案，如圖6，其中（a）～（c）為在支架的電機(jī)連接處與底盤(pán)連接處點(diǎn)焊加強(qiáng)筋，（d）為在手動(dòng)支撐位置點(diǎn)焊一個(gè)L型海綿支架，在支架上方貼海綿，使電機(jī)支架與前隔板軟連接，以此實(shí)現(xiàn)減振，（e）為料厚增加0.55 mm（原料厚1.45 mm）的電機(jī)支架，分別在多臺(tái)樣機(jī)上裝機(jī)驗(yàn)證，情況如表5，結(jié)果表明：電機(jī)支架加強(qiáng)筋對(duì)電機(jī)振動(dòng)無(wú)明顯改善；加海綿方案具有減振效果；2.0 mm料厚搭配廠家1電機(jī)時(shí)振動(dòng)有明顯改善，判定合格，搭配動(dòng)平衡小于0.3 g的軸流風(fēng)葉振動(dòng)有明顯改善。分析原因?yàn)椋姍C(jī)的軸向振動(dòng)應(yīng)在軸向減振，而支架加強(qiáng)面與電機(jī)支架的連接電機(jī)面不共面，電機(jī)支架一圈的強(qiáng)度并未得到加強(qiáng)，但電機(jī)支架連接電機(jī)面空間有限，加強(qiáng)基本上只能更改三角筋和加料厚，從共振的角度分析，此處的加強(qiáng)對(duì)整機(jī)剛度和質(zhì)量的影響不大，故整機(jī)固頻無(wú)明顯改變。

表5 電機(jī)支架方向改善方案及效果

圖5 手動(dòng)支撐位置

圖6 電機(jī)支架改善方案

2.5 改善方案的固頻驗(yàn)證

根據(jù)前文所做的改善方案，有些方案并無(wú)明顯改善效果，為明確方案的合理性，針對(duì)有效果的改善方案進(jìn)行了固頻測(cè)試，如表6。

表6 各種改善組合的固頻數(shù)據(jù)

結(jié)果表明：電機(jī)支架加厚對(duì)單體固頻有明顯影響，但支架和電機(jī)裝配到機(jī)器上之后，對(duì)整機(jī)最低固頻影響不大，考慮原因?yàn)殡姍C(jī)支架并不是整體剛度最低的零部件，裝配后各部件約束不同，影響了整體的固有頻率。換掉底盤(pán)后，存在的15 Hz均有明顯偏離，故可以判定15 Hz來(lái)源于整機(jī)約束下的底盤(pán)，與仿真結(jié)果一致。改善方案振動(dòng)情況如表7。從各改善方案的振動(dòng)現(xiàn)象來(lái)看，風(fēng)葉一致性波動(dòng)及電機(jī)個(gè)體差異也是導(dǎo)致電機(jī)振動(dòng)的原因[6]。

表7 各改善方案振動(dòng)現(xiàn)象對(duì)比

3 結(jié)論

依據(jù)各改善方案的實(shí)測(cè)固頻數(shù)據(jù)和效果，對(duì)某窗機(jī)電機(jī)振動(dòng)問(wèn)題給出以下結(jié)論[7,8]：

1）底盤(pán)在整機(jī)約束下存在15 Hz固頻以及電機(jī)單體差異是使電機(jī)產(chǎn)生軸向振動(dòng)的主要原因，同時(shí)部分風(fēng)葉裝機(jī)后動(dòng)平衡不好導(dǎo)致振動(dòng)加劇。

2）各種零件組合固頻仿真及試驗(yàn)顯示，單換加厚支架、單換電機(jī)雖有改善但均存在不合格現(xiàn)象，組合更換振動(dòng)均可接受；單換加厚底盤(pán)固頻有明顯變化且改善明顯，加海綿使固頻有變化且有改善，電機(jī)及風(fēng)葉單體差異都會(huì)導(dǎo)致振動(dòng)加劇。

3）避免共振固頻可從以下幾個(gè)方向進(jìn)行：更換低動(dòng)平衡軸流風(fēng)葉、加厚底盤(pán)、在振動(dòng)零件的振動(dòng)方向上加軟海綿形成支撐提高剛度；減振可從以下幾個(gè)方向進(jìn)行：在振動(dòng)零件的振動(dòng)方向上加軟海綿傳遞振動(dòng)、更換電機(jī)、電機(jī)支架加厚；振動(dòng)嚴(yán)重時(shí)采用多種改善方案組合一般會(huì)出現(xiàn)更明顯的效果。