weixin 发表于 2018-5-29 09:00

旋转机械中的阶次及阶次分析基础知识

  现代的工业设备当中,无论是大到航空航天飞行器、小到钟表器械等都涉及到旋转机械,当这些旋转机械处于运动状态时,其本身或与之关联的结构会产生一定幅值的噪声信号,当转速上升或下降时,幅值也会相应的变化。一般从噪声信号的测试结果看,噪声信号明显处所对应的频率总是转速或转速的倍数,这种倍数的关系即是阶次。

  比如,汽车行驶状态下,发动机工作时内部曲轴旋转,我们可以将旋转本身看作是一种激励,当激励通过结构传递到其他部件时(如噪声/振动信号传递到车内),测得的响应频率(噪声)与激励频率(发动机转速)是同频率或者是激励频率的倍频。

  通过阶次可以对结构的振动噪声信号进行分析,例如发动机的振动噪声,在测试之前,确定发动机各旋转部件与曲轴转速之间的阶次关系。当实际测试时,如果发现某阶次的响应大,就可以通过阶次关系确定是发动机哪个部件产生的响应,可以针对性地进行减振降噪工作。因此,对于旋转机械而言,阶次分析是一个非常有用的工具。
  阶次图的表达方式有:瀑布图、color map、阶次切片图。

  01、瀑布图
  瀑布图是沿着转速轴按照较小的转速增量产生的频谱曲线组成的,沿着频率轴的每一条曲线都是在特定转速步长下的单张瞬时谱,将这些谱线按着转速先后顺序堆放在一起则形成了瀑布图。

  02、color map
  该图与瀑布图类似,只不过color map是将振动或噪声信号的强弱用颜色来区分,更暗/冷的颜色表示更低的幅值,而更亮/暖的颜色表示更高的幅值,没有了幅值轴,即原来的三维图变成二维图,因此更加直观形象。Color map中确定的关键因素是共振频率和阶次线,阶次线是从原点出发的斜线,共振频率是垂直频率轴的直线,且幅值更高。

  03、阶次切片图
  如果需要比较各个阶次在不同转速下对信号的贡献量的大小,在上述两种图形中直接进行比较不容易判别,此时需要把这些阶次作切片,将切出来的阶次放在同一个二维图中进行比较,这就是阶次切片图,在实际分析时也运用的较多,如下图所示为某款车驾驶员耳旁全油门加速噪声曲线,可以看到发动机的二阶次噪声(绿色),即打火噪声对耳旁噪声的贡献量较大,在4500转尤为明显。
  最后介绍几种典型结构阶次计算实例:

  01、风扇叶片
  例如带有5个叶片的风扇,转速为1200RPM,主轴频率为1200rpm/60=20Hz,叶片旋转通过频率为20Hz*5=100Hz,叶片的通过阶次为5,即旋转轴每转一圈,将有5个叶片通过,则叶片的通过阶次是5阶。

  02、单齿轮
  该齿轮有25个齿,轴的转速2400RPM,则主轴频率为40Hz,啮合频率为25*40Hz=1000Hz,啮合阶次为25阶次。


  03、传动齿轮
  假设大齿轮为主动轴,转速为300RPM,小齿轮为传动轴,则

  传动比=从动轮/主动轮=12/24=0.5
  传动轴的转速=输入转速/传动比=300/0.5=600
  可以得出传动齿轮主轴阶次:

  Order=传动轴转频/主动轴转频=10/5=2阶
  04、四缸四冲程发动机
  4个冲程由进气、压缩、做功(燃烧)和排气组成。曲轴每旋转1圈,会有两个缸发生点火,并由此产生振动、噪声信号的脉冲峰值,因此这种发动机振动噪声的主要频率为发动机转速的2倍频,也就是2阶。

  如果是单缸发动机,曲轴每转2圈,完成一次烧烧,因此,点火阶次将是0.5阶次,如果是6个缸,则点火阶次是:

  6*0.5=3阶次
  发动机的点火频 (Engine Firing Rate)为:

  EFR=[(2*i)/j]*(rpm/60)
  这里i为缸数,j为冲程数,rpm为发动机转速。

  如果怠速时发动机转速在800rpm,则此时发动机点火频率约26.7Hz,测出的振动信号在该频率下的幅值会明显偏高,一般车身的第一阶弯曲模态也是出现在20~30Hz之间,因此需要修改车身结构改变弯曲模态频率,或者调整发动机的转速,避免频率重叠。实际情况下,结构频率与激励频率应相差3Hz以上,才可达到良好的避频效果。

  来源:吉兴汽车声学部件科技有限公司微信公众号,作者:陈学华。

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