CC BY
20
ИЗВЕСТИЯ
ТОМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА
Том 172
1967
ВЛИЯНИЕ ЖЕСТКОСТИ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИИ НА УРОВЕНЬ ВИБРАЦИИ И ВОЗДУШНОГО ШУМА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ
А. Т. МОЛОДЫХ, Ю. В. ГОРСТ, П. Т. МАЛЬЦЕВ
^Представлена научным семинаром кафедр электрических машин и общей электротехники)
Увеличение мощности, рост быстроходности электрических машин и связанное с этим повышение динамических усилий, интенсивности вибраций и шумов ставят актуальные задачи по снижению последних. Существенное влияние на уровень вибрации и шума электрической машины может оказать ее конструктивное исполнение, форма, размеры и материал отдельных деталей изделия. В связи с этим необходимо знать влияние жесткости конструкции на вибро-акустические характеристики электрической машины.
Для исследования зависимости вибрации и шума от вышеперечисленных факторов был взят одноякорный преобразователь, имеющий четыре исполнения.
В машинах / и 2 исполнения конструктивно можно выделить дзз основных узла: собственно одноякорный преобразователь и коробку фильтров. Преобразователь монтируется на коробке фильтров с помощью резиновых амортизаторов. Различие между ними состоит в том, что преобразователь первого исполнения питается напряжением 110 в, а преобразователь второго исполнения — напряжением 220 в. Выходные параметры у них одинаковые.
Машины 3 и 4 исполнения представляют собой модификацию машин 1 и 2 исполнения, которые имеют коробку фильтров больших размеров и оснащены глушителями шума. Для того, чтобы выявить влияние отдельных элементов конструкции на вибрацию и шум, необходимо иметь четкое представление о собственных частотах элементов конструкции машины и о частотах основных источников вибрации.
Источники вибрации определяются либо методом спектрального анализа, либо методом исключения отдельных источников. Более полную картину дает сочетание этих методов.
Частоты основных источников вибрации и шума изделия
Источники вибрации и шума можно разделить на источники магнитного, механического и аэродинамического происхождения.
Исследуемый одноякорный преобразователь имеет явно выраженные полюса и обеспечивает однофазное выходное напряжение с частотой 1 = 50 гц. Это обусловливает наличие несимметричного магнитного поля, создающего пульсирующий поток, который можно разложить па две составляющие. Первая составляющая вращается синхронно с яко-
рем, а вторая — с двойной скоростью относительно полюсов и называется обратносинхронной или обратновращающейся м.д.с. Действие второй составляющей сводится к созданию обратносинхронного поля, которое, пересекая полюс и якорь с частотой, равной удвоенной частоте генерируемого напряжения, вызывает вибрацию с частотой 21 = 100 гц.
Зубцовая частота вибрации и шума находится по формуле (1).
, кг • г • п
Ь = -ёо-, ГЦ.
Частота вентиляционного шума
^ к^п
ш ~ 60 > гц-
Частоты составляющих вибрации механического происхождения определяются по следующим формулам:
1. От действия неуравновешенности якоря
* п
*д= "60"' гц.
2. От работы щеточно-коллекторного узла
, _ к3п Тщ- б0 , ГЦ,
3. Обусловленные работой подшипников качения:
а) от вращения сепаратора
, Г 5 П
!1= 7ГТТГ' во • гц'
б) определяемая вращением шариков
£ Г2 1*1 = - " -- ' ГЦ>
) Г2
в) от дефектов на беговой дорожке внутреннего кольца
Г| п
= Г! + Г3 60 ГЦ'
г) от дефектов на беговой дорожке наружного кольца
, г2 п
= 7Г+Т7' "60 • гц-
В этих формулах п — число оборотов (об/мин); Кл = 1,2;
К2 — число лопастей вентилятора; Кз — число коллекторных пластин; 2 — число зубцов якоря;
Г( — радиус беговой дорожки внутреннего кольца (мм); г2 — радиус беговой дорожки наружного кольца (мм); Гщ — радиус шариков {мм); гт — число шариков в подшипнике.
Результаты расчетов приведены в табл. 1
Таблица 1
№ п.п.
Источники шума и вибрации
Частота источников, гц
1 Неуравновешенность якоря 50
2 Работа наружного вентилято-
ра 300
3 Работа внутреннего 550
вентилятора
4 Работа щеточного узла 3200
5 Пульсация магнитного поля 100; 800; 1600
6 Работа подшипников качения =42;
Г3=127; и- =223
Методика и результаты определения частот собственных колебаний отдельных; деталей и элементов конструкции
Для определения частот собственных колебаний деталь (узел) с укрепленным на ней пьезоэлектрическим'датчиком подвешивалась на упругие элементы, обеспечивающие низкую частоту свободных колебаний системы. Сигнал от датчика подавался через ИВПШ на анализатор фирмы «Оаше». Колебания детали возбуждались с помощью генератора механических колебаний типа ГМК-1, на который подавалось напряжение от звукового генератора типа ЗГ-10. При изменении частоты возмущающей силы находился резонанс. Для сложных узлов такик, например, как глушитель, коробка фильтров частоты собственных кол ебаний находилась при закреплении датчика в различных точках конструкции.
Результаты экспериментального ♦определения частот собственных колебаний отдельных деталей и узлов приведены в табл. 2.
Таблица 2
с с Наименование детали Частоты собственных
2 или узла колебаний, гц
1 Корпус
2 Якорь
3 Щиты
4 Щеткодержатель
5 Колпак со стороны генератора
6 Колпак со стороны двигателя
7 Кожух-глушитель
8 Коробка фильтров изделия 1 и 2 исполнения
9 Коробка фильтров изделий 3 и 4 исполнения
1600 600-800 2000 200 900; 1900 1170; 2300 70—90; 160; 170 85—100; 155; 250; 380; 400; 670; 860; 1040; 1300; 1600; 1740; 1820; 2200 70; 100; 150; 190; 220-250; 300; 370; 400; 560; 600; 645; 2000
Исследование влияния отдельных элементов конструкции на общий уровень и частотный состав вибрации
По техническим условиям контрольные измерения уровня вибрации изделий производятся на коробке фильтров. На рис. 1 кривые / и 2 представляют огибающие спектров вибрации соответственно корпуса преобразователя и коробки фильтров при номинальной иагрузке. Кривая / показывает, что основными частотами в спектре вибрации являются 50, 100, 280 и 800 гц. Задающей в данном спектре является состаз-
ляющая на частоте 800 гц. На коробке фильтров (кривая 2) уровень вибрации на частотах 70, 100 и 140 гц значительно выше, чем уровень вибрации на этих частотах на корпусе преобразователя. В зоне частот выше 200 гц на коробке фильтров уровень высокочастотных составляющих оказывается значительно ниже, чем на преобразователе.
Поскольку одна из частот собственных колебаний коробки фильтров (100 гц) совпадает с одной из частот, имеющихся в спектре возмущения, наблюдается значительное усиление колебаний на частоте 100 гц. В то же время высокие частоты хорошо гасятся амортизаторами, поставленными на пути распространения волн от корпуса преобразователя. Для вибраций с частотой 50, 70, 100, 140 гц низкочастотные амортизаторы являются слабым препятствием на пути их распространения.
Рис. 1. Спектры вибрации одноякорного преобразователя 1 исполнения.
1 — огибающая частотных составляющих вибрации корпуса преобразователя лрн номинальной нагрузке;
2 — 3 — огибающие частотных составляющих вибрации коробки фильтров при номинальной .нагрузке и
-на холостом ходу соответственно
Так как составляющая на частоте 100 гц определяет общий уровень вибрации на коробке фильтров, то в первую очередь необходимо снизить уровень вибрации на этой частоте. Добиться этого можно следующими путями:
устранить совпадение частот собственных колебаний коробки фильтров с частотой возмущающей силы;
изменить упругую связь между коробкой фильтров и корпусом преобразователя;
устранить первопричину колебаний с частотой 100 гц, т. е. снизить интенсивность обратно вращающегося магнитного поля.
Из графика (кривые 2 и 3 на рис. 1) видно, что при работе преобразователя на холостом ходу уровень вибрации коробки фильтров па частотах 70, 100 и 140 гц снижается на 9—24 дб по сравнению с вибрацией при номинальной нагрузке. Отсюда следует, что самым эффективным было бы устранение вредного действия обратновращающейся м.д.с. магнитного поля. Этот магнитный поток обычно глушится специальными успокоителями.
Как показали расчеты, для выполнения демпферных обмоток необходимо увеличить габариты корпуса преобразователя, что нежелательно по общеизвестным причинам. Поэтому была сделана попытка добиться в первую очередь снижения уровня вибрации за счет изменения собственной частоты коробки фильтров и жесткости упругой связи между коробкой фильтров и корпусом преобразователя.
Для устранения резонанса на частоте 100 гц, очевидно, необходимо изменить жесткость коробки фильтров с тем, чтобы частота ее собственных колебаний оказалась либо выше, либо ниже составляющей в спектре возмущения на частоте 100 гц. Этого можно достигнуть путем изменения конструкции коробки фильтров или за счет применения другого материала.
Собственные частоты серийных коробок фильтров, изготовленных из материала марки AIM, лежат в пределах 85—92 гц, а опытных коробок, изготовленных из материала АМГ той же толщины, — в пределах 92—103 гц.
Повысить собственную частоту до 105—109 гц удалось путем уменьшения габаритов коробки фильтров по высоте на 35%. Повышение собственной частоты коробки фильтров до 108—109 гц или понижение до 83 гц, как показали опыты, позволяет снизить общий уровень вибрации и составляющей на частоте 100 гц на 4—7 дб, в то же время уровень вибрации на частотах 70 и 140 дб снижается только на 3—5 дб.
Была также выполнена литая коробка, у которой собственная частота оказалась равной 134 гц, что позволило снизить уровень вибрации на 9 дб. Но вследствие того, что применяемые резиновые амортизаторы представляют собой слабое препятствие для низкочастотных составляющих, в спектре вибрации литой корки фильтров составляющая на частоте 100 гц по-прежнему остается превалирующей.
Степень гашения механических колебаний резиновыми амортизаторами растет с повышением частоты колебаний объекта и с увеличением толщины слоя резины. Исходя из этих соображений, были проведены исследования по снижению уровня вибрации путем изменения жесткости связи между коробкой фильтров и корпусом преобразователя. Опыты показали, что за счет уменьшения жесткости связей между коробкой фильтров и корпусом преобразователя и одновременного увеличения жесткости самой коробки уровень вибрации можно снизить на 12—15 дб.
Влияние отдельных элементов конструкции исследуемых изделий на общий уровень и частотный состав воздушного шума
Измерения воздушного шума производились на расстоянии 0,5 м от изделия при последовательном удалении некоторых элементов конструкции: колпаков, вентиляторов, коробки фильтров. Измерение общего уровня и частотного состава шума при номинальной нагрузке и на холостом ходу позволило выявить составляющую шума, обусловленную пульсациями магнитного поля.
Для измерения шума применялся шумомер типа Щ-52 и полуок-тавный фильтр типа ПФ-1.
Испытания преобразователей 1 и 2 исполнения на коробке фильтров при номинальной нагрузке показали, что основными частотами составляющих шума являются 100, 280, 1600 и 3200 гц, а также 4800 и 6400 гц. Источниками составляющих шума указанных частот являются работа подшипниковых узлов (280 гц), пульсации магнитного поля (100 и 800 гц), работа щеточно-коллекторного узла (3200 гц) и их гар-
18. Известия, т. 172.
273
монические составляющие. Анализ спектров шума показывает, что на холостом ходу во всех случаях почти полностью исчезает составляющая на частоте 100 гц. Так как одна из частот собственных колебаний коробки фильтров находится в зоне 100 гц, то при номинальной нагрузке наблюдается явление резонанса.
При удалении колпаков составляющая шума на частоте 800 гц снижается, поскольку в этом случае уменьшаются размеры колеблющейся поверхности. Опыты показали, что интенсивность шума, создаваемого колпаками, можно снизить на 3—4 дб, если эти же самые колпаки ставить с демпферными прокладками или изготовить колпаки, из более мягкого материала.
Рис. 2. Спектры воздушного шума одноякор-
ных преобразователей. 1—2 — огибающие частотных составляющих шума изделий 1 и 2 исполнения при номинальной нагрузке и «на холостом ходу соответственно; 3, 4 — огибающие частотных составляющих шума изделий 3 и 4 исполнения при номинальной нагрузке и на холостом ходу соответственно.
Сравнивая кривые 3 и 4 (рис. 2) спектра шума изделий 1 и 2 исполнения с кривыми / и 2 спектра шума изделий 3 и 4 исполнения (с глушителем), видим, что с помощью глушителя шума можно снизить уровень составляющих, начиная с частоты 800 гц и выше. Уровни составляющих шума на частотах ниже 800 гц у изделий 3 и 4 исполнения оказываются выше, чем у изделий 1 и 2 исполнения. Применение хо-жуха-глушителя в изделиях 3 и 4 исполнения при наличии коробки фильтров дает снижение общего уровня на 5—8 дб. При этом хорошо заглушаются составляющие шума на частотах выше 800 гц, а составляющие шума на низких частотах (50, 100 и 140 гц) не только не заглушаются, а наоборот, усиливаются вследствие того, что основные частоты собственных колебаний элементов коробки фильтров и стенок кожуха оказываются близкими к частоте 100 гц.
Общий уровень воздушного шума всех испытанных изделий без коробки фильтров, а изделий 3 и 4 исполнения также и без глушителей оказывается того же порядка, что и при работе на коробке фильтроз изделий 1 и 2 исполнения, так как шум этих изделий определяется уровнем шума на частоте 800 гц (магнитный), а также на частотах 1600—3200 гц, обусловленных работой щеточного аппарата и подшипников качения.
Влияние отдельных элементов конструкции на общий уровень шум.* изделий 1—4 исполнения показано на рис. 3, 4.
1 б*
60 56
дВ
Ф
СхаробхоОф льтроб. н/н
< Схоро&кы
к
^•¿езкорсйхи 1
Безкоро5кц<* игьтро&н/н/
Рис. 3. Влияние элементов конструкции на общий уровень шума преобразователей. С — 1 мтолнения; с1 — 2 исполнения; а — с «олпаками и вентилятором; б — без колпаков, но с вентилятором; в — с колпаками и без вентилятора; г — без колпаков и без вентилятора.
Выводы
1. Усиление вибрации и повышение шума электрической машины происходит вследствие совпадения частот собственных колебаний узлов и элементов конструкции с частотами возмущающих сил.
2. При создании новых машин еще в стадии проектирования необходимо расчетным путем производить оценку как частот собственных колебаний узлов и элементов конструкции, так и частот основных возмущающих сил. При этом следует обеспечивать возможно большую разницу между частотами собственных колебаний и частотами возмущающих сил в машине. В процессе доводки и испытаний опытных образцов должны быть взнесены коррективы, направленные на улучшение вибрационных характеристик машины.
3. В электрических машинах, в которых применяются упругие элементы для связи отдельных узлов, рациональный подбор жесткости этих элементов может обеспечить значительное снижение уровня вибраций и шума.
18* 275
I
76
70
60
50
ЬО
Рис. 4. Влияние элементов конструкций на общий уровень шума преобразователя 3 исполнения: а — нормальное исполнение (с колпаками и обоими вентиляторами); б — без наружного, но с ¡внутренним вентилятором, с колиаками; в — без обоих вентиляторов с колпаками; г — без в-нутреннего, но с наружным вентилятором и с колпаками; д — без -колпаков, но с обоими вентиляторами е — без колпаков, без наружного, но с внутренним вентилятором; ж — без колпаков и без обоих вентиляторов; з — без колпаков, без внутреннего, но с наружным вентилятором
ЛИТЕРАТУРА
1. В. Г. Шп р И'нгм а н. Магнитный шум электрических машин. Шумы электрических машин, Изд. АН СССР, 1939.
2. В. Цел л е р. Техника борьбы с шумом, Госстройиздат, 1958.
3. Е. Т. Григорьев. Расчет и конструкция резиновых амортизаторов, Машгиз, 1960.
д§
глушителем, с ко/ обмой <рс льтролфд
С глуше 'гпемем, окор^кос^ фшьщо^н/н ^^ ^
Без глушителя. Без коротка дмльтро^ *А
ж
