阀片设计对压缩机系统噪声影响的研究

往复压缩机中簧片阀产生的噪声是一个被压缩机制造商主要关注的问题。这个噪声是阀片在压缩机运行过程中反复撞击阀板而产生的。减少压缩机产生的噪声将有助于冰箱和空调机组在运行时更安静。更安静的冰箱和空调可以减少噪声污染，从环境的角度来看是有益的。为了生产更安静的压缩机，首先需要了解哪些参数影响噪声的产生。簧片阀产生噪声的主要因素可能是阀片的材质、阀板的材质、压缩机的工作频率、压缩机的压力等。哪些参数对噪声的产生影响最大，是需要研究的问题。

Flap-X阀片是马氏体不锈钢阀片材料的最新等级材料，具有高拉伸强度、高冲击疲劳强度和弯曲疲劳强度。此前，L?f等人[1]的一项研究 告称，Flap-X阀片的冲击疲劳寿命显著提高。Tofique等人[2]的另一项研究表明，通过Flap-X阀片与聚合物阀板进行的测试，该组合可以显著提高阀片的冲击疲劳寿命。Flap-X阀片的噪声测量实验将为压缩机制造商生产相对安静的压缩机设计过程提供进一步帮助。

1 实验材料

Flap-X阀片和SS 716阀片是标准马氏体不锈钢AISI 420的升级版本。其中，SS 716阀片是一种已经使用多年的，被广泛认可的阀片钢，而Flap-X阀片是奥钢联精密钢带公司开发和生产的最新升级版本材料。SS 716阀片和Flap-X阀片的标称化学成分如表1所示。

表1 阀片钢Flap-X和SS 716的名义化学成分

将Flap-X和SS 716材料冷轧至0.203 mm和0.178 mm厚，然后进行淬火回火处理。材料进行表面滚刷后被冲裁成阀片，冲裁后的阀片进行了滚抛，以改善阀片的表面和边缘状况。Flap-X具有较高的抗拉强度、硬度和良好的延展性，如表2所示。

表2 在淬火和回火状态下，Flap-X和SS 716的名义力学性能

2 实验步骤

噪声测量是在加西贝拉设计的阀片上进行的，使用的是定制的冲击疲劳设备（如图1所示），该设备利用空气脉冲在一定频率和脉冲宽度范围内产生阀片的运动。测试设备连接至一个专用压缩机。测试的工作条件，如工作频率（接近阀片的固有频率）、脉冲宽度和施加压力的空气脉冲可以变化。改变这些参数也会改变阀片的振动幅度和冲击速度。

阀片样品安装在阀板上，随后一起安装在支架上。利用预先设定脉冲宽度的空气脉冲，使阀片反复敲击阀板。激光传感器记录运动的振幅和频率，而压电传感器记录阀板引起的振动的振幅和频率。

噪声测量是通过放置在冲击簧片阀附近的麦克风来完成的。麦克风连接到电脑上，记录声音的分贝和30秒内平均值。对每个测量进行多次重复，以获得统计上有效的平均值。

图1 冲击疲劳试验设备中进行测试的阀片

3 实验结果

在共振频率为240 Hz，脉冲宽度为2.5 ms的条件下，测量了厚度为0.203 mm的Flap-X和SS 716阀片的噪声水平。空气脉冲的施加压力发生变化，从而导致测量的噪声水平的变化，以分贝为单位记录的噪声测量值如图2所示。施加压力的下限（3.75 bar）由导致阀片振动的最低压力值决定。低于下限，阀片停止响应所施加的压力。另一方面，施加压力的上限（7 bar）是由疲劳设备中高频阀、油管等部件的工作能力所确定的。两种阀片材料均表现出类似的趋势，即噪声水平随外加气压的增加而增加，直至恒定，如图2所示。还可以看到，在低于5.25 bar的较低压力值时，SS 716阀片产生的噪声比Flap-X阀片更大。在5.25 bar及以上时，两种材料的噪声水平相同。对于每个数据点，研究人员进行了6次重复测试，标准差在0～0.12 dB的范围内变化，由于这个范围太小，在图中无法用误差条显示出来。

图2 通过改变施加的空气压力而引起的噪声变化

通过改变阀片的工作频率从40 Hz到240 Hz，阀片冲击所产生的噪声水平增加了约4%，如图3所示。对于这种类型的测试，所有其他参数，如脉冲宽度和施加的空气压力保持不变。当工作频率从40 Hz增加到70 Hz时，噪声水平急剧增加。在70 Hz和110 Hz之间，Flap-X阀片的噪声水平显示轻微下降，且SS 716阀片在90 Hz时的下降更为显著。当工作频率超过110 Hz至240 Hz时，噪声水平单调增加。在Flap-X阀片和SS 716阀片之间，产生的噪声水平随工作频率的变化没有差异。图3中每个数据点重复6次，标准差在0.035～0.15 dB之间，由于这个范围太小，在图中无法用误差条显示出来。

图3 阀片的噪声随工作频率的变化

通过在240 Hz和2.5 ms脉宽的相同条件下进行测试，来判断减小阀片厚度对噪声水平的影响，结果如图4所示。可以看出，在较低的空气压力值时，厚度为0.178 mm的较薄的阀片产生的声音稍大。然而，在较高的施加压力值（高于5.25 bar）时，0.203 mm厚的阀片产生的噪声更大。对于图4中的每个数据点，重复4次，标准差在0.04～0.08 dB之间，这个范围太小，无法在图中显示出误差条。

图4 0.203 mm和0.178 mm厚度阀片产生的噪声随压力的变化

4 讨论

实验结果表明，压缩机工作频率、压缩机压力等工作参数对压缩机产生的噪声水平起关键作用。频率越高，阀片冲击产生的噪声越高。冲击疲劳设备测试证实了这一趋势，如图3所示。测试中，噪声水平在60～90 Hz频率范围内略有下降。对这种行为差异的解释是，在冲击疲劳设备中，由于在这些频率上发生的干扰谐波，阀片运动不稳定。这种不稳定的运动导致阀片的振动幅度和冲击速度大大降低。

通过增加压力，阀片的噪声水平增加到一定水平后才随压力的增加而趋于恒定，如图2所示。此外，通过改变阀片厚度，产生的噪声水平会根据阀片厚度的不同而呈现不同的趋势，如图4所示。较薄的阀片（0.178 mm厚）在较低的压力下会产生较大的噪声，可能是由于干扰谐波振动导致阀片运动不稳定。

上述结果可以用来为压缩机制造商开发更安静的压缩机制定指导方针。对于阀片材料和厚度的选择，上述类型的实验可以通过改变操作参数来设计噪声较小的阀片。另一方面，对于给定的一组操作条件，选择最佳的阀片材料，如具有高机械性能[1]和高冲击疲劳强度[2]的Flap-X阀片材料，可以在设计低噪声压缩机时获得显著收益。

5 结论

本研究可以得出以下结论：

（1）与SS 716阀片相比，加西贝拉设计的Flap-X阀片在较低的空气压力下产生的噪声更小。在较高的施加压力值下，噪声水平没有差异。

（2）通过增加阀片的工作频率，噪声水平普遍显著增加。

（3）通过增加施加的空气压力，噪声在趋于恒定之前急剧增加。

（4）选择正确的运行参数（频率、压力）可以帮助压缩机制造商设计出噪声更小的压缩机。

参考文献

[1] A. L?f, C. Millward, & A. Nawaz. Flap-X: Development of a new compressor reed valve material[C]. Proceedings of the International compressor engineering conference at Purdue, Purdue University, Indiana, USA (2016), Paper 1266.

[2] M.W. Tofique, A. L?f, C. Millward, A. Nawaz, A. Kumar. Investigation of the influence of valve reed-impact seat plate interaction on their impact fatigue properties[C]. Proceedings of the International compressor engineering conference at Purdue, Purdue University, Indiana, USA (2016), Paper 1266.