某型高壓空壓機異常噪聲的分析與處理
2020-10-15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）
1 引言 （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）
高壓空壓機是軍港或軍械供氣站等場所的主要設(shè)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。空壓機啟動后，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)]?？諌簷C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“正常”運行。在發(fā)現(xiàn)此異?，F(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?；诖丝罡邏嚎諌簷C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(dǎo)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(shè)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(yīng)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(shè)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(shè)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(yīng)力的作用會使間隙值進一步加大。
根據(jù)設(shè)計的油冷卻器不同，往復(fù)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。
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(shè)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(yīng)增加或減少0.01 mm，依此類推。
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(fù)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(shè)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(yù)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(shè)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。
來源：《壓縮機技術(shù)》2015年第4期