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[综合讨论] 水处理产品中的增压水泵振动噪声测试

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发表于 2018-5-15 19:04 | 显示全部楼层 |阅读模式

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应用背景工业水处理设备,商用和家用饮水机,净水器等水处理产品中,都会使用到增压水泵,也因此有可能出现噪音的问题。无论是发出轰隆隆的响声,还是持续不断的低频嗡嗡声,都属于噪音污染,需要及时找出原因并处理。水处理产品行业内知名的厂商也遇到了产品噪声偏大的问题,希望懂声音信号采集并擅长信号分析的其高科技对产品进行噪声振动测试,找出改善方法。
此次测试在半消声室中进行,希望通过对作为参考样品的标准水泵进行测试,找出振动和噪声的主要源头,并提出改进建议。

系统构成本次测试使用SignalPad软件进行数据采集及分析,所使用的硬件设备包括:NI cDAQ-9174机箱;NI 9234采集模块;BSWA MPA201传声器;BSWA CA111声级校准器;Kistler三轴加速度传感器;KeyVES声音照相机。

测试方案在测试中,待测水泵固定在基座上,基座为铁材质,表面为一平面,上铺吸声减震棉,水泵通过四脚螺栓固定,螺栓上穿有硬质锥筒型橡胶套。上电后,运行一段时间,待水压稳定后,进行主观判定:人耳可以听到明显的往复运动噪声,同时用手触摸泵头和电机体都可以感受到明显的振动;同时接到水泵的水管也存在有明显的震感。通过对泵体结构的了解,可以大致判断振动的组成可能为两个主要部分:泵头中三凸轮带动膜片运动产生的噪声及电机本身运转产生的噪声。
1、带载、空载对比测试
通过主观听觉和触摸,基本可以判断噪声和振动的主要来源是泵头的振动而非电机本身运转产生的振动。为了验证这点,分别对水泵带载、空载两种工况下的噪声和振动进行了测试。

                               
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测试中对两种样本分别采集30秒长度的噪声、振动信号,计算A计权30秒平均声压级及30秒平均振动振动级(RMS)。测试结果显示,空载状态下,噪声测得值较带载状态下大大降低;Y方向及Z方向的振动亦大大减小;仅X方向的振动有所增大。接下来分别对X方向振动信号进一步进行分析,对同样为径向的Z方向振动进行功率谱分析。
X方向振动信号分析,取其中1秒的信号波形观察图。

                               
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Z方向振动功率谱分析图。

                               
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通过测试结果分析,可以确认整个水泵在正常运行的情况下,主要的振动是由泵头部分贡献,而非电机本身引入的振动。
取基础样本带载运行1秒的时间波形样本,分析三个方向振动波形图发现,正常带载运行情况下,Y方向(轴向)的振动远较其他两个方向(径向)为大,而且其中存在有明显的周期性冲击成分。根据水泵的运行原理,应该是由于三凸轮系统的往复冲击造成的。 对Y方向的30秒带载运行振动信号计算RMS平均的功率谱,得结果如下图所示:

                               
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结合之前的分析,可以明确水泵的噪声、振动,主要是由三凸轮系统的往复运动造成的冲击信号及其谐波成分组成的。
2、声音照相机成像测试
由于产生振动和发出噪声的部位可能不同,为了明确发声部分,采用声音照相机对带载运行状态下的基础样本进行拍摄。
3、敲击实验
结合声音照相机成像结果及对Y方向的功率谱分析,怀疑带载运行噪声的很大一部分是由电机壳体的振动贡献的。为了验证这一猜测,对一电机的壳体(不带泵头及尾部换向器)进行了敲击实验,对三次冲击响应信号求取平均功率谱。

                               
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4、扫频测试
为了进一步明确电机壳体在这一频段对振动有放大作用,继续对带载运行的基础水泵样本进行了扫频测试。

                               
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测试结论水泵运行的噪声主要是由泵头中凸轮的偏摆运动造成的振动引发的,与电机本身的振动基本无关;
振动的主要方向为Y方向(轴向),而噪声主要是沿X、Y向(径向)向外辐射;
除了偏摆运动造成的较大的低阶振动外,还存在有475~1525Hz频段的高阶振动,这部分振动对噪声亦有较大贡献。可以明确这部分噪声是由泵头部分产生后,传递到电机壳体得到了放大后向外辐射的。

改善建议改进泵头结构,减小往复运动过程中的冲击振动;
改进电机壳体设计,通过改变壳体材料、加加强筋、加缓冲材料包裹等方式改变电机壳体的谐振带;
切断或减弱泵头振动向电机壳体的传递路径。

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