МЕТОД ИНСТРУМЕНТАЛЬНОГО КОНТРОЛЯ УРОВНЯ ШУМА, СОЗДАВАЕМЫЙ САМОДЕЙСТВУЮЩИМИ КЛАПАНАМИ ГЕРМЕТИЧНОГО КОМПРЕССОРА

Деменев А.В.

ORCID: 0000-0002-1573-6665, Кандидат технических наук,

ФГБО ВО  «Российский государственный университет туризма и сервиса»

МЕТОД ИНСТРУМЕНТАЛЬНОГО КОНТРОЛЯ УРОВНЯ ШУМА, СОЗДАВАЕМЫЙ САМОДЕЙСТВУЮЩИМИ КЛАПАНАМИ  ГЕРМЕТИЧНОГО КОМПРЕССОРА

Аннотация

Приведённая методика инструментального контроля уровня шума, создаваемый газораспределительным механизмом герметичного компрессора осуществляет качественный и количественный анализ звукового излучения самодействующих клапанов и устанавливает зависимости параметров звукового излучения от конструктивного фактора устройства без демонтажа основных узлов компрессора. В исследованиях характеристик звукового излучения соударяющихся элементов газораспределительного механизма авторы упускают зависимость структуры распространения звука посредством сопряженных деталей узлов после удара. Известные методы исследования процесса звукового излучения газораспределительного механизма, как источника шума, не учитывают фактор взаимодействия сопряженных источников шума.

Ключевые слова: метод, контроль, звуковое излучение, газораспределительный механизм, компрессор.

Demenev A.V.

ORCID: 0000-0002-1573-6665, PhD in Engineering,

FSBEI of Higher Education “Russian State University of Tourism and Service”

METHOD OF INSTRUMENTAL CONTROL OF NOISE LEVEL CREATED BY SELF-ACTING VALVES OF HERMETIC COMPRESSOR

Abstract

Technique described in the article deal with the monitoring of instrumental noise level, when noise is created by the gas-distributing mechanism of the hermetic compressor and performs qualitative and quantitative analysis of the acoustical radiation of self-acting valves and establishes the dependence of the parameters of the acoustical radiation on the constructive factor of the device without dismantling the main components of the compressor. When studying the characteristics of acoustical radiation of the colliding elements of the gas distribution mechanism, the authors miss the dependence of the structure of sound propagation by means of conjugate parts of the nodes after impact. Known methods for studying the acoustical radiation of the gas-distributing mechanism, as a source of noise, do not take into account the interaction factor of conjugate noise sources.

Keywords: method, control, acoustical radiation, gas distribution mechanism, compressor.

Нормированная ГОСТом 17008-85 методика определения шума и вибрации позволяет определить суммарную звуковую мощность герметичного компрессора, корректированный уровень звуковой мощности и уровень вибрации, что позволяет оценить допустимый, нормированный диапазон вибрационно-акустических характеристик компрессора и выполнить сравнительный анализ компрессоров, как разных по величине шума источников. Получаемый результат нормированных методик по определению вибрационно-акустических характеристик не позволяет  выявить составляющие шума компрессора, что в свою очередь не позволяет определять влияние конструктивного фактора на процесс формирования звуковых колебаний компрессора.

Структура данной методики построена в соответствие с зонами корпусного шума: возбуждение корпусного шума (звуковое излучение ударного происхождения); передача корпусного шума (звуковых колебаний, распространяемые в твердом теле) от места возбуждения до места излучения; преобразование корпусного шума.

Имеются данные о том, что  основным источником шума холодильного агрегата является герметичный компрессор [7], [4, С. 18-21]. Работу компрессора обеспечивают узлы, совершающие вращательное и поступательное движение, асинхронный двигатель. [5, С. 26] Все перечисленные узлы  излучают  шум, состоящий из большого количества гармонических составляющих, образующихся в результате взаимодействия всех источников. Источники шума воздействуют на герметичный кожух сферической формы, который и является источником звуковых колебаний и вибрации в составе холодильного контура. Излучатель (источник шума), генерирует колебания отличные по амплитуде, частоте, фазе и коэффициентам затухания,  разделим их на основные виды: механические, газодинамические и электромагнитные.

Сила инерции от поступательно движущихся частей (поршня и части шатуна) с достаточной точностью выражается [6, C33-35]:

                               (1)

                          (2)

где:

m- масса поступательно движущихся частей, кг;

ω - угловая скорость вращения ротора – коленчатого вала, рад/с;

ωt - угол поворота коленчатого вала от верхней мертвой точки (ВМТ) вращения;

r - радиус кривошипа коленчатого вала, м;

 - отношение радиуса кривошипа  к длине шатуна.

Из формулы (2) видно, что инерционное возбуждение от перемещения поршня состоит из двух гармонических сил:

гармонической силы с частотой ω и амплитудой m ω² r, которая называется силой инерции первого порядка;

гармонической силы с частотой 2ω и амплитудой m ω² r λ, которая называется силой инерции второго порядка;

Колебания, возбуждаемые силой трения, возникают в зазоре «опора корпусной детали – коленчатый вал», имеют сравнительно небольшую амплитуду, но также является источником шума механического происхождения.

Источником звуковых колебаний корпусного шума ударного происхождения является газораспределительный механизм [2, С. 188-208]. Этот механизм предназначен для присоединения или отсоединения рабочей камеры и полостей всасывания и нагнетания, в зависимости от протекающих процессов сжатия или расширения. Состоит из самодействующих клапанов (клапанных пластин) на стороне всасывания нагнетания и мест их сопряжения – клапанной плиты. Серия ударов клапанных пластин о посадочные места на клапанной плите вызывает импульсное воздействие. В процессе соударения наблюдается мгновенная деформация плиты в направлении перпендикулярном ее поверхности, следствием чего является возникновение импульсного звукового удара, как на стороне нагнетания, так и на стороне всасывания. Импульсное силовое взаимодействие – волна содержит частотные составляющие из полосы, ширина которой обратно пропорциональна длительности контакта при ударе. Эти колебания излучаются по звеньям сопрягаемых деталей и благодаря высокой частоте возбуждения с определенным коэффициентом затухания передаются через конструктивные элементы на кожух компрессора, а от него на элементы холодильного агрегата.

Другим источником корпусного шума ударного происхождения, но меньшей интенсивности является работа поступательного механизма движения компрессора при увеличенных зазорах в трущихся парах кулисы и кулисного камня, поршня и цилиндра [2, С. 188-208]. Возбуждение звуковых колебаний наблюдается в момент перекладки поршня в цилиндре и кулисного камня в направляющей (кулисе) при угле поворота коленчатого вала равном 90 градусов, (если за точку отсчета брать НМТ поршня).

Газодинамический шум возникает в результате прохождения импульсного газового потока, создаваемого возвратно поступательным движением поршня в цилиндре, через проходное сечение в клапанном механизме на стороне всасывания и нагнетания. Распространяется газодинамический шум от источника, через глушитель нагнетания, камерного типа, где наблюдается снижение амплитуды колебаний. Колебания от нагнетательного глушителя передаются на кожух компрессора через нагнетательный змеевик.

Наиболее весомым источником газодинамического шума являются пульсации газового потока на стороне всасывания, что снижается резонансным глушителем. Так же на процесс образования газодинамического шума влияет колебания газово- масляной среды в кожухе компрессора. Газодинамический шум имеет свойства преобразовываться в корпусной. Сопротивление потоку создаваемое в нагнетательном и всасывающих глушителях преобразуются в колебания, которые передаются сопрягаемым деталям и распространяются уже как корпусной шум газодинамического происхождения, который составляет не более 2% от суммарной величины корпусного шума. Виброгасителем корпусного шума является нагнетательный змеевик, который препятствует передачи пульсаций газа холодильному агрегату и сам кожух компрессора.

Локализация источников шума имеет решающее значение в процессе разработки новых конструктивных исполнений узлов и деталей, предназначенных для снижения уровня шума компрессора.

Исследование характеристик звукового излучения соударяющихся самодействующих клапанов авторы упускают влияние структуры распространения звука посредством сопряженных деталей узлов после удара. Известные методы исследования процесса звукового излучения клапанов, как источника шума, не учитывают фактор взаимодействия источников шума. Одним из таких методов является исследованииe вибрационно-акустических характеристик в процессе поэлементного исключения или добавления источников шума с целью выделения составляющей звуковых колебаний создаваемых ударами клапанов и количественный анализ весомости этого источника шума. Метод инструментального контроля без демонтажа источников шума компрессора [6, C. 56-79], разработан автором и профессором Набережных А.И. [1, С. 321-327], [2, С. 188-208] и позволяет определять вибрационно-акустические параметры клапанов, с необходимой достоверностью и меньшей трудоемкостью измерительного эксперимента.

 

Рис. 1 – Схема измерительного комплекса фирмы [6, С. 56-79]

1-звукоизолирующая камера, 2-объект исследования – герметичный компрессор, 3- микрофон, 4-вибрационно-сенсор, 5,6 – усилитель акустического (вибрационного) сигнала, 7- регистрирующее-аналитическое устройство, 8-калориметрический стенд, 9-блок питания, 10 – устройство сопряжения с компьютером, 12 – персональный компьютер специальным программным обеспечением, 13,14 – линия всасывания и нагнетания, подключенные к калориметрическому стенду.

Алгоритм проведения эксперимента представлен в виде схемы на рисунке 2. Технология последовательного инструментального исключения источников шума из звукового сигнала производится при помощи сравнительно-спектрального анализа двух амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) корпусного шума при рабочем давлении и работе на вакууме работы компрессора. При этом исключаются источники электромагнитного и механического происхождения, соответственно остаются звуковые колебания, создаваемые ударами клапанов, так как при работе на вакууме газораспределительный механизм не функционирует.

Рис. 2 – Алгоритм метода инструментального контроля конструктивного фактора клапанного механизма, в зависимости  от его виброшумовых характеристик. [6, С. 75]

При проведении эксперимента получают две акустические характеристики: (2-2, рис. 3.) работа компрессора при рабочем давлении, (функционируют все источники шума); (1-1, рис.3) частотная характеристика спектра шума компрессора при работе на вакууме (самодействующие клапана неподвижны).

Сравнительно-спектральный анализ (логарифмическая разность D рис. 3) двух АЧХ исключают источники электромагнитного и механического происхождения, следовательно, остаются звуковые колебания, создаваемые ударами клапанов.

Рис. 3 – Вибрационно-акустическая характеристика звукового излучения самодействующих клапанов компрессора. 1-1 звуковое излучение корпусного шума компрессора при работе на вакууме,  2-2 Звуковое излучение корпусного шума компрессора при нормальных условиях работы, D - логарифмическая разность.

Сравнительный анализ двух обработанных сигналов, излучаемых кожухом, но полученных первый - с вибрационно-сенсора, а второй – при помощи микрофонов (ГОСТ 12.1.027-80) позволяют оценить величину затухания звуковых колебаний излучаемых кожухом компрессора.

Достоверность метода определяется сходимостью результатов (коэффициент корреляции К=0,82) с результатами метода вибрационно-акустических испытаний с разобранным кожухом, при последовательном добавлении источников шума.

Практическая ценность оригинальной методики заключается в следующем:

• качественный и количественный анализ звукового излучения самодействующих клапанов и определение зависимости параметров звукового излучения от конструктивного фактора газораспределительного устройства без разборки компрессора;
• возможность проведения акустической диагностики самодействующего газораспределительного устройства методом неразрушающего контроля.

Список литературы / References

1. Naberezhnykh A.I. Scientific basis of improving of hermetic refrigeration compressors with indicators relevant to international level / A.I. Naberezhnykh, A.V. Demenev, A.I. Danilov //Applied and Fundamental Studies Proceedings of the 1st International Academic Conference. Edited by Yan Maximov. –  – P. 321-327.
2. Набережных А.И. Теория и практика создания малошумных и энергоэффективных герметичных хладоновых компрессоров/ А.И. Набережных, А.В. Деменев, А.И. Данилов // Сборник научных трудов «Современная российская наука глазами молодых исследователей» Материалы III Международной научно-практической конференции молодых ученых и специалистов. Научно-Инновационный Центр. – – С. 188-208.
3. Деменев А. В. Исследование процессов шумообразования в герметичном хладоновом компрессоре [Электронный ресурс] / А. В. Деменев // Холодильный шум. 2004. -URL:. http://hladshum.chat.ru/statiadoc (дата обращения: 23.04.2017).
4. Маркелов П.А. Исследования шумообразования в герметичных фреоновых компрессорах для бытовых холодильников / П.А. Маркелов и др. // Холодильная техника – 1991. – №4. – С.18-21.
5. Бершадский С.А. Определение источников вибрации поршневых машин // Электромашиностроение – 1973. – №1. – С.26-28.
6. Деменев А.В. Снижение шума клапанного механизма поршневого компрессора для бытовой холодильной техники: дис. канд. тех. наук: 05.02. 13: защищена 24.10.08 : утв. 20.11.08  – Москва, 2008. - 160 с.
7. Ding G. Recent developments in simulation techniques for vapour-compression refrigeration systems / G. Ding // International Journal of Refrigeration. – 2007. – Vol. 30(7). – P. 1119-1133. ISSN: 0140-7007.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Naberezhnykh A.I.. Scientific basis of improving of hermetic refrigeration compressors with indicators relevant to international level / A.I. Naberezhnykh, A.V. Demenev, A.I. Danilov//Applied and Fundamental Studies Proceedings of the 1st International Academic Conference. Edited by Yan Maximov. –  2012. – P. 321-327.
2. Naberezhnyh A.I. Teorija i praktika sozdanija maloshumnyh i jenergojeffektivnyh germetichnyh hladonovyh kompressorov [Theory and practice of creating noise and energy efficient hermetic compressors hladonovyh] / A.I. Naberezhnyh, A.V. Demenev, A.I. Danilov // Sbornik nauchnyh trudov «Sovremennaja rossijskaja nauka glazami molodyh issledovatelej» Materialy III Mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii molodyh uchenyh i specialistov. Nauchno-Innovacionnyj Centr. [Collection of scientific works "modern Russian science through the eyes of young researchers" materials of III International Scientific Conference of young scientists and specialists. Research And Innovation Center] – 2013. – P. 188-208. [in Russian].
3. Demenev A. V. Issledovanie processov shumoobrazovanija v germetichnom hladonovom kompressore [Investigation of noise in a hermetic compressor hladonovom [Electronic resource]. – URL: http://hladshum.chat.ru/statia1.doc (accessed: 23.04.2017). [in Russian]
4. Markelov P.A. Issledovanija shumoobrazovanija v germetichnyh freonovyh kompressorah dlja bytovyh holodil'nikov [Noise research in hermetic compressors for domestic refrigerators freon] / P.A. Markelov and others // Holodil'naja tehnika [Refrigeration] – 1991. – №4. – P.18-21. [in Russian].
5. Bershadskij S.A. Opredelenie istochnikov vibracii porshnevyh mashin [Identification of sources of vibration of reciprocating machines] S.A. Bershadskij // Jelektromashinostroenie [Electrical engineering] – 1973. – № 1. – P. 26-28. [in Russian].
6. Demenev A. V. Snizhenie shuma klapannogo mehanizma porshnevogo kompressora dlja bytovoj holodil'noj tehniki [Noise reduction valve mechanism of piston compressor for household refrigeration equipment] : dis. of PhD in Teh. science: 05.02. 13. defense of the thesis 24.10.08: approved 20.11.08 / Demenev Aleksej Vladimirovich. – M., 2008. – 160 p. [in Russian]
7. Ding G. Recent developments in simulation techniques for vapour-compression refrigeration systems / G. Ding // International Journal of Refrigeration. – 2007. – Vol. 30(7). – P. 1119-1133. ISSN:0140-7007.