四八一二廠高壓空壓機異常噪聲的分析與處理
時間：2020-04-27 19:37:47 點擊：次
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(chǔ)],。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)此異常現(xiàn)象后,，工廠工程技術(shù)人員第一時間到現(xiàn)場進行查驗,、分析。基于此款高壓空壓機結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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(zhuǎn)時，滾動軸承出現(xiàn)了干摩擦或局部結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu),，即先排查拆卸少的外圍部件,，最后排查拆卸多的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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益左右，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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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益時,，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)孔的極限偏差為覫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益，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益、40益,、50益及68益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益左右時,，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耀75益之間,，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(jié)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益左右后（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,。
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益為一個梯度,，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益時的情況,，當加工和檢測時的溫度與20益偏離時,，每增加或減少5益，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耀35益的環(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益）,，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(jié)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益左右時，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,。
6 耐久性試驗情況
按上述原則和方法加工出的軸承座,，在批量裝配使用前，先隨機安裝在一臺空壓機上,，并參照GJB 1491-92 《艦用電動高壓往復活塞空氣壓縮機通用規(guī)范》 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(jié)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(jié)合產(chǎn)品結(jié)構(gòu)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(jié),，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,。
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