梁璞玉，何世平，繆忠輝

（1.海軍工程大學動力工程學院，湖北武漢430033；2.中國人民解放軍第四八一二工廠，安徽安慶246001）

某型高壓空壓機異常噪聲的分析與處理

梁璞玉1，2，何世平1，繆忠輝2

（1.海軍工程大學動力工程學院，湖北武漢430033；2.中國人民解放軍第四八一二工廠，安徽安慶246001）

通過一款高壓空壓機運行過程中發(fā)出異常噪聲的現(xiàn)象，深入分析產(chǎn)生異常噪聲的幾種可能原因，通過試驗發(fā)現(xiàn)了故障產(chǎn)生的機理，總結了類似問題的處理原則，為相關重要零件設計和開展質(zhì)量工作提供參考和方法。

高壓空壓機；噪聲；軸承座；滾動軸承；膨脹系數(shù)

1　引言

高壓空壓機是軍港或軍械供氣站等場所的主要設備之一，通過空壓機各級氣缸中工作容積的不斷變化，對吸入的空氣進行壓縮，從而產(chǎn)生具有一定壓力的壓縮空氣?？諌簷C啟動后，壓力逐漸升高，其產(chǎn)生的綜合活塞力通過活塞、連桿及曲軸部件傳遞給滾動軸承，滾動軸承再通過其安裝孔傳遞給兩端支撐的曲軸箱和軸承座上，最后通過空壓機支腳傳遞給安裝基礎［1-2］。空壓機工作時，滾動軸承與其安裝孔之間有交變的作用力，同時為了降低空壓機的振動和噪聲等指標，一般既要控制曲軸的徑向跳動，也要控制曲軸的軸向竄動，即要限制曲軸在徑向和軸向上的運動而不能發(fā)生大的位移變化量。

2　異常噪聲的現(xiàn)象及原因分析

某型高壓空壓機在首臺樣機開始試運行的過程中，逐漸出現(xiàn)間歇性的異常噪聲，且隨著末級背壓的升高，噪聲值有加大的趨勢，且當時除了噪聲異常外，空壓機仍能“正?！边\行。在發(fā)現(xiàn)此異?，F(xiàn)象后，工廠工程技術人員第一時間到現(xiàn)場進行查驗、分析?；诖丝罡邏嚎諌簷C結構緊湊和出現(xiàn)異常噪聲現(xiàn)象的特點，經(jīng)初步判斷，可能有如下幾個方面的原因：

（1）組合氣閥。由于各級的氣閥均為組合閥，在工作過程中，其進、排氣閥片或彈簧片可能出現(xiàn)了局部斷裂或破損，在高頻率的吸氣和排氣過程中，發(fā)出間歇性的空氣噪聲；

（2）風扇葉片。因風扇與曲軸采用錐面配合，且冷卻風扇的葉片直徑較大，在曲軸帶動風扇做高速旋轉的過程中，由于其錐面加工誤差、裝配質(zhì)量、葉片剛度以及動平衡等因素的綜合影響，風扇葉片振幅過大導致與其周圍物體有輕微的摩擦，進而產(chǎn)生間歇性的機械噪聲；

（3）軸承缺油。曲軸主軸頸處安裝滾動軸承的供油量不足，在高速旋轉時，滾動軸承出現(xiàn)了干摩擦或局部結構性損傷而產(chǎn)生的異常噪聲；

（4）軸承公差與配合。曲軸主軸頸處安裝滾動軸承的公差與配合不當，在高速旋轉時，滾動軸承松動后出現(xiàn)了間隙而產(chǎn)生的異常噪聲。

3　異常噪聲的排除過程及方法

在綜合考慮了該設備的保障性和經(jīng)濟性的前提下，同時盡量縮短故障排除的時間，在進行故障排查前，制定了排查步驟：先檢查空壓機外圍的輔助部分，再檢查空壓機的內(nèi)部結構，即先排查拆卸少的外圍部件，最后排查拆卸多的內(nèi)部結構。

首先，根據(jù)噪聲源的分布情況，通過逐級拆卸各級的氣缸蓋，取出對應級的組合閥，開機檢查并通過前后噪聲的對比，初步判斷異常噪聲不是由組合閥引起的。

其次，根據(jù)冷卻風扇的結構特點，先拆掉其周圍的風扇罩殼，開機后噪聲依然存在，后把冷卻風扇及其附屬管路均拆卸下來，開機發(fā)現(xiàn)噪聲依舊，故而判斷異常噪聲也不是風扇葉片引起的。

最后，在空壓機的內(nèi)部結構上查找原因，因軸承座是通過8個螺栓連接到曲軸箱端部的，故先把軸承座從端部拆卸下來并檢查其內(nèi)孔安裝的滾動軸承。當軸承座拆卸完畢時，其表面溫度仍有約30℃左右，經(jīng)初步檢視，在滾動軸承的可視表面上均勻布滿了潤滑油，也沒有出現(xiàn)結構損傷及干涉現(xiàn)象，但隨后用手稍用力向外拉動滾動軸承時，即被輕松地拉出來3 mm左右，且同時發(fā)現(xiàn)滾動軸承在孔內(nèi)可以輕微的“晃動”（由表1知此時已為小間隙配合了），后把其一起放入油槽內(nèi)稍許加熱即可把滾動軸承完全拉出來，此時發(fā)現(xiàn)軸承座的內(nèi)孔表面和滾動軸承的外圓周表面上，且沿著圓周運動的方向上均有明顯的摩擦痕跡，后經(jīng)檢測，內(nèi)孔已失圓。

經(jīng)過分析，初步判斷異常噪聲是由于安裝在軸承座內(nèi)孔處的滾動軸承出現(xiàn)了間隙配合，并在高速旋轉和力的共同作用下，發(fā)生了較嚴重的相對位移，從而產(chǎn)生了異常噪聲。

4　試驗驗證的過程及方法

在設計空壓機時，尤其是配裝在艦船上的空壓機，一般有質(zhì)量要求，為了降低機組的整體質(zhì)量，軸承座等采用鑄鋁合金ZL104，滾動軸承選用進口件，一般為軸承鋼或合金鋼的標準件。當拆卸下來的軸承座降至環(huán)境溫度12.5℃時，使用內(nèi)徑千分表測量軸承座的內(nèi)孔，其最小直徑處的偏差約為-0.013 mm，用杠桿千分尺測量滾動軸承的外徑，其尺寸偏差約為-0.004 mm。調(diào)閱軸承座原始設計尺寸，其內(nèi)孔的極限偏差為?110（-0.022～0）mm，且沒有標注加工和檢測時的環(huán)境溫度要求。經(jīng)查，當時這個軸承座的加工環(huán)境溫度約為15℃，記錄的加工尺寸偏差為-0.01 mm。

試驗驗證時，使用油浴法加熱，即分別把拆卸下來的軸承座和滾動軸承放置在同一個油槽內(nèi)加熱，保溫一段時間后，分別測量油溫在30℃、40℃、50℃及68℃時幾個階段軸承座內(nèi)孔和滾動軸承外徑的尺寸，由于加熱膨脹，內(nèi)孔和外徑均會變大，并在68℃左右時，其內(nèi)孔偏差增至+0.088 mm，而滾動軸承外徑偏差增至+0.056 mm。由此可知，隨著溫度不斷上升，滾動軸承就由最初的過盈配合，逐漸變成了間隙配合，而且運行過程中交變應力的作用會使間隙值進一步加大。

根據(jù)設計的油冷卻器不同，往復活塞式高壓空壓機工作時的油溫也即軸承座內(nèi)孔處的溫度一般在55～75℃之間，因此，在加工軸承座的內(nèi)孔時，需要根據(jù)加工和檢測時的環(huán)境溫度，嚴格控制其內(nèi)孔的尺寸偏差。

經(jīng)試驗、記錄，產(chǎn)生異常噪聲的軸承座，其內(nèi)孔改進前的加熱試驗結果和曲線圖，如圖1所示。

由圖1可以看出，當空壓機運行時，由于壓縮和摩擦會產(chǎn)生大量的熱，且配合的2個零件膨脹系數(shù)相差較大，當軸承座和滾動軸承的溫度超過27℃左右后（即圖1中的C點），軸承座內(nèi)孔的偏差值就開始大于滾動軸承外徑的偏差值，且隨著溫度不斷升高，雖然滾動軸承外徑的偏差值也變大，但表示軸承座內(nèi)孔尺寸偏差大小隨溫度變化的A線此后就一直處于滾動軸承外徑尺寸偏差B線的上方，即2個零件間將出現(xiàn)間隙，逐漸松動而產(chǎn)生相對位移，進而形成噪聲源。

圖1　改進前加熱試驗結果與曲線圖

5　處理措施

在綜合分析了異常噪聲的排除過程和驗證試驗后，如何有效地解決和控制鑄鋁合金及類似材料的加工尺寸問題，是研究的最終目的。

為此，根據(jù)機械設計手冊［4］中提供的鑄鋁合金膨脹系數(shù)及所做的驗證試驗，按5℃為一個梯度，規(guī)定了此鑄鋁合金軸承座內(nèi)孔的加工原則：即滾動軸承座內(nèi)孔的加工尺寸，必須考慮加工和檢測時的溫度影響，圖樣上標注的內(nèi)孔尺寸極限偏差（見圖2）是針對環(huán)境溫度為20℃時的情況，當加工和檢測時的溫度與20℃偏離時，每增加或減少5℃，其上、下偏差值就相應增加或減少0.01 mm，依此類推。

根據(jù)上述的加工原則并優(yōu)化軸承座內(nèi)孔的極限偏差，同時考慮工廠加工場所的實際情況，現(xiàn)給出了5～35℃的環(huán)境條件下，統(tǒng)計不同環(huán)境溫度時軸承座內(nèi)孔尺寸對應的極限偏差，詳見表1。

按表1中列出的不同溫度時對應的極限偏差進行零件加工，并隨機抽取數(shù)只改進后的軸承座，取其偏差的平均值（加工環(huán)境溫度約10℃），又進行了同樣的加熱試驗，并記錄了加熱溫度及對應的尺寸偏差情況，其試驗結果與曲線圖見圖3。

由圖3可以看出，在綜合考慮了溫度的影響及優(yōu)化軸承座內(nèi)孔的極限偏差后，在軸承座內(nèi)孔處和滾動軸承的溫度達到70℃左右時，其表示軸承座內(nèi)孔尺寸偏差大小隨溫度變化的A線就一直處于滾動軸承外徑尺寸偏差B線的下方了，即一般空壓機在運行時所能達到的油溫范圍內(nèi)，基本可以保證2個零件一直處于適度的過盈配合狀態(tài)，從而避免了因2個零件間出現(xiàn)間隙，逐漸松動后而產(chǎn)生的異常噪聲現(xiàn)象。

圖2　軸承座內(nèi)孔加工尺寸示意圖

表1　不同環(huán)境溫度對應的極限偏差

6　耐久性試驗情況

圖3改進后加熱試驗結果與曲線圖

GJB 1491-92《艦用電動高壓往復活塞空氣壓縮機通用規(guī)范》［5］中4.7節(jié)的檢驗方法，重新進行了1000 h的耐久性試驗。在整個試驗過程中，沒有再出現(xiàn)類似的異常噪聲，后經(jīng)拆機檢查，滾動軸承連接緊固，也沒有出現(xiàn)相對摩擦等的痕跡，且在后續(xù)批量進行的生產(chǎn)、試驗及銷售的空壓機中，也均沒有一臺空壓機出現(xiàn)之前的異常噪聲現(xiàn)象了。

7　結語

在設備出現(xiàn)故障時，需要根據(jù)故障的特點，及時、準確地進行故障預判，通過全面分析故障現(xiàn)象，并結合產(chǎn)品結構原理，客觀準確地判斷故障原因及損害程度，科學地制定排查措施和實施步驟。

通過實例進行總結，可以優(yōu)化產(chǎn)品設計，使零件的加工過程和質(zhì)量活動處于受控狀態(tài)，同時給重要零件在選用相似或同一類型的材料時提供參考和方法。

［1］郁永章．容積式壓縮機技術手冊［M］．北京，機械工業(yè)出版社，2000．

［2］林梅，孫嗣瑩．活塞式壓縮機原理［M］．西安：西安交通大學，1996．

［3］周國良．壓縮機維修手冊［M］．北京：化學工業(yè)出版社，2010.3．

［4］機械設計手冊編委會.機械設計手冊［M］．北京：機械工業(yè)出版社，2004．

［5］GJB 1491-92．艦用電動高壓往復活塞空氣壓縮機通用規(guī)范［S］．

［6］張秀峰．淺談往復機管線振動的分析與控制［J］．壓縮機技術，2013，（4）：24-27．

Analysis and Treatment of the Abnormal Noise in a High-Pressure Air Compressor

LIANG Pu-yu1，2，HE Shi-ping1，MIAO Zhong-hui2
（1.College of Power，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China；2.No.4812 PLA.Factory，Anqing 246001，China）

Through the phenomenon of abnormal noise in a high-pressure air compressor in the process of running，several possible reasons causing the abnormal noise are analyzed in-depth.The failure mechanism is found through the test and the processing principle of similar problems is summarized.It provides a reference and method for the related important parts design and carrying out quality work.

high-pressure air compressor；noise；bearing base；rolling bearing；expansion coefficient

TH45

B

1006-2971（2015）04-0055-04

梁璞玉，工程師，在讀工程碩士，研究方向為艦船用空壓機與減振降噪。E-mail：jzh01334lpy@126.com

2015-02-11