涡旋压缩机振动测试的试验研究

文章编号

流体机械

1

：1005 -0329(2016)11 -0001 -05

丨!试验研究

涡旋压缩机振动测试的试验研究

桂伟兵S李海生2,武涛2,陈英华2,杨乃赞2

(1.江苏中能硅业科技发展有限公司化工设计研究中心，江苏徐州221004;2.中国矿业大学，江苏徐州221116)

摘要：通过分析涡旋压缩机振动的产生原因,制定了振动测试的技术方案。建立了涡旋压缩机振动测试试验系统,

详细介绍了其硬件系统和软件系统的组成，开展了涡旋压缩机表面振动信号测试试验研究,获得了不同振动信号采集点 的时域信号波形和频域信号波形，对不同位置的振动特性进行了对比研究。研究结果表明,皮带连接传动轴位置振动最 剧烈,而地脚螺栓位置和排气口位置的振动较小，不同位置的特征频率存在差异。这将为保证涡旋压缩机稳定运行提供 技术参考。

关键词：涡旋压缩机;振动测试;时域;频域

中图分类号：

TH45 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn. 1005 -0329.2016.11.001

Experimental Study on the Vibration Testing of Scroll Compressor

(1. Chemical Industry Design &Research Center,Jiangsu Zhongneng Polysilicon Technology Development Co. ,Ltd.,

Xuzhou 221004, China；2. China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116 , China)

GUI Wei-bing1，LI Hai-sheng2，WU Tao2, CHEN Ying-hua2, YANG Nai-zan2

Abstract ： A technical solution of vibration testing has been obtained according to analyzing the causes of vibration for a scroll

compressor. An experimental system of vibration testing is established for the scroll compressor. The composition of hardware and

software systems has been introduced in detail. Then the experimental study on scroll compressor surfacevibration has been real­ized to obtain the time-domain waveform and frequency domain waveform. The vibration characteristics of different positions were compared. The results showed that the vibration of the belt attachment is the most obvious,while that of the bolt position and the exhaust port is more inconspicuous. There is a visible difference for the characteristic frequency of different positions. These will provide a beneficial reference for the stable operation of the scroll compressor.Key words ： scroll compressor；vibration testing；timedomain；frequency domain

i

前言

涡旋压缩机是一种具有特殊结构的新型压缩

获得高质量的产品，并对涡旋压缩机的潜在危害 进行预警，需要实时检测其运行过程，保证生产过 程的连续进行。振动是涡旋压缩机稳定程度的重 要性能指标，振动信号中包含了多种信息，可以通 过深入分析振动信号获得压缩机可能存在的故障 信息。

引起涡旋压缩机振动的原因主要有结构、安 装及运行等诸多方面，如涡旋压缩机零部件加工 精度低引起的不平衡作用力将导致振动加剧，转 子系统的动平衡设计不精准引起的不平衡力矩引

机，具有效率高、能耗小、零件少、结构紧凑、运行 平稳等特点[1 ~3]，被广泛用于工业、农业、交通运 输、医疗器械等行业中需要压缩空气的场合，在制 冷与空调领域具有良好的发展前景。涡旋压缩机 是过程工业中动力来源的核心部件[4]，其工作性 能直接影响工业生产过程。由于流程工业的特殊 性，涡旋压缩机需要长周期稳定、连续运转。为了

收稿日期

：2016 -04 -18

基金项目：

：2016 -06 -29

国家自然科学青年基金项目资助(51105362);江苏省科技支撑计划（BE2013038)

修稿日期

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起轴系系统振动，涡旋盘设计不准确导致机械摩 擦或者碰撞而产生振动，压缩机安装或检修过程 的装配不当引起振动等。涡旋压缩机的振动会加 剧各零部件的磨损，降低工作寿命。同时，还可能 会使驱动轴发生扭曲变形，破坏了动、静盘的正常 啮合过程，从而增加了压缩介质的腔间泄漏[5~7]。 当振动严重时，可能会使动、静盘发生断裂，导致 涡旋压缩机无法正常工作，造成极大的经济损失 或工业生产安全问题。

国内外已开展了有关涡旋压缩机振动的研究 表面振动情况发生剧烈变化时，其对应的内部连 接的零部件可能已经发生故障。涡旋压缩机振动 信号采集点的选择，可以从以下几方面进行考虑：

(1)

气过程是连续的，不会产生气流脉动现象。但吸 气量减少将引起排气管路内气流压力脉动，这种 脉动作用可能会引起涡旋压缩机的排气口的明显 振动。

(2)

排气口位置：涡旋压缩机周期性的进

静盘外壁面位置:压缩机运行过程中

于静盘会同时受到气体力以及动静盘啮合过程中 工作，取得了一些可以指导工业生产实际的有益 结论。刘振全等基于动力学分析了动涡旋盘和曲 轴的振动特性[8]。王珍分析了涡旋压缩机振动 和噪声特性[9]，研究了涡旋压缩机表面振动信号 与噪声信号的关联关系。樊灵等从四杆机构摆动 力和摆动力矩及轴的惯性力矩平衡的原理出发对 压缩机平衡进行分析，提出一些新的平衡稳定方 案[1°]。在振动信号的检测分析研究中，刘涛等基 于LabVIEW软件平台利用倒频谱法和互相关函 数理论进行了振动信号实时分析和故障诊断，确 定了振源[11]。Jin-Kab Lee通过分析检测涡旋压 缩机的振动情况，为解决压缩机噪声问题提供依 据[12]。邬再新等建立了一种基于时域的奇异谱 熵、频域的功率谱熵、时-频域小波能量谱熵和小 波空间特征谱熵的振动信号分析方法[13]。

因此，振动信号是描述涡旋压缩机运行状态 的重要信息[14]。本文将建立涡旋压缩机振动测 试试验系统，对机体表面上5个不同位置的振动 信号进行采集与分析，深入研究涡旋压缩机各零 部件对应的机体表面位置的时域、频域的振动信 号，对其振动特性进行评价，为工程实践操作过程 提供技术参考。

2

技术分析

涡旋压缩机零部件较少且安装紧凑，主要包 括电机、驱动轴、防自转结构和动、静涡旋盘等零 部件。由于存在加工误差和装配误差，会使涡旋 压缩机运行过程中产生振动，不同位置的振动互 相影响，影响其工作性能。涡旋压缩机各零部件 的振动特征不同，会引起对应的机体表面振动情 况不同，运行过程中每个零部件都会受到不同载 荷的作用而产生振动，例如传动轴的扭矩、皮带摩 擦力、压缩腔内介质压力等。同理，当压缩机机体

产生的摩擦力作用，其振动情况比较复杂。此位 置的振动检测可以有效地观察涡旋压缩机涡旋盘 的运行状态，实现预知性维修，提高机器的工作 寿命。

(3)

传动轴的机体表面位置:在涡旋压缩

运行过程中，由于加工误差和装配误差的存在，传 动轴在会受到转轴的扭矩、弯矩以及由动盘受到 的轴向的气体力等受力作用下转轴会带动其对应 的机体产生比较强烈的振动。旋转机械的大部分 振动故障都与转子直接相关，比如质量不平衡、转 轴的弯曲或变形、涡旋盘接触异常和不均勻气隙

等，这些都可以引起振动。

(4) 传动轴和皮带连接位置：电机通过皮来驱动传动轴，推动动涡旋盘运动而实现介质压 缩，由于皮带长期周期性传动，表面摩擦力降低从

而引起振动。(5) 压缩机地脚螺栓位置：涡旋压缩机的零部件的振动，都会引起压缩机机壳的整体振动， 从而导致压缩机地脚螺栓位置的振动。3

振动测试硬件系统

3.1 总体方案

振动测试系统旨在采集和显示涡旋压缩机各 零部件对应的机体表面位置的振动情况，涡旋压 缩机振动测试试验系统如图1所示。

图1

涡旋压缩机振动测试试验系统

涡旋压缩机各位置的振动信息首先被压电加 速度传感器测得，然后将信号导入数据采集仪中，

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经过采集仪的转换和过滤，去掉杂乱的信号后获 得了振动信号。随后该信号被导入PC机中，利 用信号处理软件对测量信号进行处理和分析，最 终获得涡旋压缩机各表面位置的振动数据。

其中涡旋压缩机型号为AEW15A- 0. 8,其工 作参数如下:排气量为2. 0 m3/min，最大排气压力 为0.8 MPa,电机功率为15 kW，电机转速为1460 r/min。以压电加速度传感器进行振动信号检测， 型号为INV9822型，其电压灵敏度为10. 158 mV/ (m • s2)可用频率范围为0.5〜8000 Hz,安装谐

，

4振动测试软件系统

振动信号反映了振动信息，信号最常用的分

析手段分为时域分析和频域分析。信号的时域分 析描述的是幅值随时间变化的规律，对信号的时 域参数进行识别分析，可以获得信号的幅值、均 值、方差、均方值等多个特征量。振动信号的均值 反映了信号变化的中心趋势，均方值是信号平均

能量的一种表7K方式，这2个特征值可以表7K机 振频率为25 kHz。PC机是装有信号处理软件的 运行的个人计算机，在接受到数据采集仪发 送的数据之后，利用信号处理软件对数据进行分 析和处理。

3.2传感器安装位置

涡旋压缩机各零部件对应的机体表面产生振 动的剧烈程度不一样，为了实时检测各表面位置 的振动情况，必须正确安装传感器，每个安装点必 须最大程度地反映出各位置的振动情况，从而获 得准确的振动信号进而进行分析研究。在传感器 和涡旋压缩机连接中，为了不损坏压缩机机壳以 及保持它们之间的刚性连接，试验采用了螺栓粘 贴法，即螺栓一端与传感器探头连接，一端连接螺 母且利用胶粘法连接在压缩机外壳上。

涡旋压缩机上传感器安装点分布如图2所 示。位置1的传感器测量涡旋压缩机排气口位置 的振动信号，位置2的传感器测量涡旋压缩机静 盘外壁面位置的振动信号，位置3的传感器测量 压缩机传动轴的机体表面位置振动信号，位置4 的传感器测量压缩机传动轴和皮带相连接位置的 振动信号，位置5的传感器测量涡旋压缩机地脚 螺栓位置的振动信号，从而实现了涡旋压缩机整 机的实时振动检测。全部安装点均在压缩机机体 表面上。

图2传感器安装位置

械振动的激烈程度，对于实时检测涡旋压缩机的 振动状态提供了重要依据。方差表示了信号围绕 均值的波动程度，振动信号的此特征值反映了机 械振动的波动情况。信号的频域描述则反映了信 号的频率组成以及幅值情况，可以清晰观察出产 生信号的高幅值频率，为分析机械故障提供依据 参数。

根据试验内容，自行编制了数据采集和信号 处理软件，该软件可以对采集到的振动信号进行 实时显示、分析及处理，其工作界面如图3所示。

图3信号处理软件界面

由图可知，软件在点击开启系统按钮后即可 进行操作，选择不同的通道可以测量不同位置的 振动信号，每一路振动信号都可以用时域波形图 或频域波形图进行显示，在时域波形图中可以计

算获得信号的均方值及方差2个时域特征值，从 频域波形图中可以分析出为信号提供最大能量的 振动频率。在软件的使用过程中，界面右上角显 示了涡旋压缩机的转动基频，利用开始运行和停 止检测按钮可以自行选取要分析的某时间段内的 信号数据，而且可以对此段信号数据进行回放以 及保存。软件使用过程中，设计了警报系统，正常 工作时绿灯长亮。如果出现与使用者设置条件相

违背的情况，红灯亮起并发出警报提示。

4

5

试验结果

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由图可知，各位置的振动情况存在差异。位 置3,4的振幅较高，振动最大幅值分别为15.41 dB和15.23 dB，位置1的最大幅值仅为9.07 dBtt

由图可知，位置3，4的振动可能很剧烈，但是 幅值特征值不能准确地表示各处振动情况，所以 需要获取各振动时域波形的均方值和方差2个特 征值来分别描述各位置振动平均能量和振动波动 程度，此特征值定义如下：

5.1 时域分析

本次试验采集了 5个机体表面位置的振动信 号，并进行了分析与研究，软件显示的时域波形 图为涡旋压缩机运转过程中的某一段时间内的波 形图，在压缩机运转过程中，启动和停止期间各 位置振动不稳定，所以本次试验是在压缩机运行 一段时间后，选择稳定的振动信号时域图进行保 存以及分析研究。

不同位置的时域波形如图4所示@

时间(a)位E 1

时间

(b)位竹2

时间

(c)位迓3麽

(d)位押4

a(1)

2 = E[f(t) -f]2

(2)

式中 ^E—均方根值

[]—期望

/T(0—时域信号 —时间

(T2----方差值

/~~_/()平均值

由上述公式可以获得不同位置的振动均方值 和方差特征值，不同位置振动信号的特征值曲线

如图5所示e由图可知，5个位置中位置4的2 个特征值均为最大值，方差达到19. 11，均方值达 到4. 61，表明皮带连接传动轴的位置4的振动程

度最大且波动情况最为剧烈，在测量各位置中振 动情况最稳定就是方差为11. 13的涡旋压缩机地 脚螺栓位置5，而振动的平均能量最小的是均方 值为3. 17的排气口位置1。

位置

图5不同位置振动信号的特征值曲线

5.2 频域分析

5个位置的频域波形如图6所示#由图可

知，每个位置振动的特征频率不同，它们与涡旋压 缩机的基频45 Hz密切相关，各位置的振动频谱 图反映的信息各不相同。位置1的特征频率为 23.95 Hz，

接近压缩机的半倍频，此频率下最大幅

值为3. 10 dBQ位置2的特征频率为83. 83 Hz，

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接近压缩机的二倍频，最大幅值为4.07 dBD位 置3和位置4的特征频率接近基频，最大幅值分别 为2.15 dB和2.56 dB。位置5的特征频率为基频 和二倍频，最大幅值分别为3.56 dB和2.46 dB9

减小此位置的振动。根据频域信号分析结果， 各表面位置受到的频率影响是电机的周期性激 发所造成的，不可能完全消除其影响，但是提高 压缩机各零部件的加工精度和改善工作过程中 的润滑效果等技术手段，对降低该频率下的振 动是有效的。6

结论(1)

—3.0

\"■d^ 1.5InE

^ 0.0

频率（Hz)在皮带连接传动轴位置，振动的平均

(a)位 K 1

12502500

频率（Hz)(b)位置2

(d)位进4

(e)位置5

图6不同位置振动信号的频域波形

根据试验结果，可以进一步探索涡旋压缩机 的减震技术方案6机体的不同位置安装减振结 构可以减小振动，如在皮带连接传动轴位置的 两侧与压缩机支撑架之间安装减振弹簧，可以

量最大，振动波动最剧烈，而压缩机地脚螺栓位置

振动的平均能量最小，排气口位置振动波动最小。

(2) 涡旋压缩机的基频为45 Hz，各位置的征频率存在差异，排气口位置的特征频率为半倍 频，传动轴中心位置和传动轴和皮带连接位置为 基频，动静盘啮合位置为二倍频，地脚螺栓位置为

基频和二倍频。(3) 时域、频域信号分析结果可以指导涡压缩机的减震设计，提出了设置减震弹簧、提高零 部件加工精度、改善润滑效果等可行的技术方案， 为工程实践提供有益参考。

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(下转第66页）

66FLUID MACHINERYVol. 44,No. 11,2016

埋换热器周围土壤温度略微升局，对于冷负荷大 于热负荷的地区来说，地下存在一定的热量堆积。 在地埋管传热过程中，土壤源热泵是间歇运行的， 土壤具有恢复的时间，对温度具有一定的调节作 用。但过渡季节时间较短，对于土壤温度的恢复

图11测点1，2,5，8处地层温度分布

作用十分有限，热泵系统的可靠运行更主要地依 赖于冬季和夏季的负荷乎衡。因此，大规模土壤 源热泵工程设计中可考虑采用以下方法保证地下 土壤取放热量达到平衡：

(1)

壤源热泵系统基础上增设冷却塔h

以冬季负荷

测点9，10，14，16处地层温度分布如图12所示。

4

采用复合式土壤源热泵系统（在常规

)

類

从图9，10可以看出，地层温度呈先降低后升 高的趋势，在-5 m附近的地层由于受地表面温度 的影响波动较大，随着土壤深度的增加，地表面温 度波动对地下土壤温度场的影响逐渐减弱，15 m 以下土壤温度可视为恒温，这将有利于土壤源热泵 的稳定运行。从图11，12可以看出，从6〜9月的4 个月间，地埋换热器向土壤散热过程中，各测点所 处地层土壤温度逐月升高变化。经过一个空调季 的运行，由于采用复合式热泵系统，土壤温度上升 最多的测点1所处地层温度大约为23.4 °C，其余 各测点地层温升在4 °C上下。经过秋季10月到11 月2个月的恢复期后，土壤温度缓慢下降，各测点 所在地温降幅均在1 °C左右#测试结果与模拟分 析基本吻合，从而验证了计算模型的可靠性。5

结语

在经历一个夏季的运行和秋季的关停后，地

(上接第5页）

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[12] Jin-Kab Lee. Identification of noise sources in scroll compressor for air-conditioner [ J ]. KSME International

(308 2

计算埋管长度，埋管分区连接，并与机组相对应；

(2) 选用带热回收功能的主机等方式来减系统对土壤的排热量，夏季得到免费热水的同时 还促进了地下土壤温度场的恢复。

参考文献

图12测点9，10，14，16处地层温度分布

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.

，

1980 -)，男，丨修丨:研究牛，讲师，通讯地

址:230601安徽介肥丨甘经开丨X:紫K•路四2醫安徽建筑大，（南

作者简介郭二突（

K )环境 y 能源:丁:栉，院，E-mail :26376〇999@ qq. corn。

:

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68

-

.

作者简介朴彳卩兵

:（INI - ) J

丨，工程师，从事化工仪表与过

:221004江苏徐州剌I：

苏中能桂业科技发展有限公E-mail:arguil68@ 163. com。

程控制的生产实践与设计工作，通讯地址