燃料電池車用離心風機噪聲特性試驗分析(1)

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基于消聲室內臺架試驗，對某企業(yè)研發(fā)的燃料電池汽車空輔系統(tǒng)內的離心石家莊風機進行了噪聲特性分析。通過初步預測離心石家莊風機噪聲并設計試驗方案，測量不同穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)工況下離心石家莊風機的振動和噪聲信號。離心石家莊風機的噪聲主要表現(xiàn)為由石家莊風機葉輪、散熱風扇等產生的階次噪聲以及由進氣湍流、電磁激勵等產生的寬頻噪聲兩類，經過對采集的信號進行頻譜分析以及階次分析，明確了其主要的噪聲成分是離心石家莊風機的進氣噪聲、石家莊風機葉輪和散熱風扇的氣動噪聲。當今世界范圍內日益匱乏的石油資源和不斷惡化的環(huán)境問題，迫使各大汽車廠商紛紛著手研發(fā)新能源清潔汽車，如燃料電池汽車、純電動汽車以及混合動力汽車，其中屬燃料電池汽車最受關注。燃料電池汽車省去了內燃機這個主要噪聲源，人們期待它更安靜和舒適，實現(xiàn)零污染排放，并且能提供噪聲環(huán)保［１］。但燃料電池汽車的總體布置、動力系統(tǒng)以及燃料電池系統(tǒng)與傳統(tǒng)汽車完全不同，因此它的振動噪聲特性也很獨特。燃料電池汽車的ＮＶＨ問題主要集中在燃料電池輔助系統(tǒng)（空輔系統(tǒng)、氫輔系統(tǒng)以及冷卻系統(tǒng)）。因此，在燃料電池汽車研發(fā)中的噪聲識別和控制問題成為了科研人員面臨的一個新難題［２］。近日某企業(yè)研發(fā)的一款燃料電池汽車，在某些運行工況下其燃料電池空輔系統(tǒng)存在著一系列振動噪聲問題，在該車開發(fā)過程中亟需將這類振動噪聲問題解決。在對該燃料電池汽車的噪聲特性進行初步測試和分析后，確定了其主要的噪聲源是燃料電池空輔系統(tǒng)中的離心石家莊風機。本文的主要研究內容圍繞該車用離心石家莊風機展開，通過對離心石家莊風機臺架運行工況下的噪聲特性進行分析和預判，設計臺架試驗方案，采集不同工況下的離心風機的振動與噪聲信號，并利用現(xiàn)代工程信號處理技術進行分析，最后識別出離心石家莊風機的主要噪聲成分和來源。
１被測離心石家莊風機噪聲初判
１１被測離心石家莊風機結構分析
被測離心石家莊風機在燃料電池系統(tǒng)中起到空氣壓縮機的作用，其包括了離心石家莊風機、驅動電機和石家莊風機進排氣口等構成的整個系統(tǒng)。利用驅動電機帶動石家莊風機葉輪高速旋轉，將進氣口吸進的氣體加速并改變其流向，實現(xiàn)將動能轉換成勢能的過程。分析離心石家莊風機的運行參數(shù)、結構形式以及在燃料電池空輔系統(tǒng)內具體的安裝位置，得到以下幾個信息：（１）離心石家莊風機本身與驅動電機作為一體，運行工況下最高轉速可達1500～1700ｒ／min。石家莊風機葉輪與驅動電機是這個離心石家莊風機最主要的兩個組成部分，絕大部分的噪聲都是由這兩個部分產生的（本文簡稱風機噪聲和電機噪聲）；（２）離心石家莊風機進口與空氣濾清器相連，可當作與外界空氣直接相通，出口管與空氣凈化器相連并通往燃料電池反應堆，沒有直接與空氣相通，石家莊風機內噪聲會通過進口管向外輻射，不會通過出口管傳出。（３）離心石家莊風機在高速運行下進口管向內吸氣，進氣氣流流速快，能夠產生復雜的噴流噪聲，并能激起進氣口端面殼體的振動。（４）離心石家莊風機和驅動電機都為旋轉件，石家莊風機葉輪和驅動電機散熱風扇葉片數(shù)均為６，產生的噪聲必定存在與轉速有關的階次特性噪聲。（５）驅動電機側殼體開有通風槽，對噪聲的輻射有所影響。
１２被測離心石家莊風機噪聲預判根據以上分析，對于該離心石家莊風機存在的噪聲源進行預測，可以將噪聲分為階次噪聲和寬頻噪聲兩類。以下是幾個主要可能的噪聲源以及其產生噪聲的特性：（１）石家莊風機噪聲：旋轉噪聲（階次特性）、渦流噪聲（寬頻特性）、進氣噪聲（寬頻特性）；（２）電機噪聲：激勵電流噪聲（階次特性）、電磁噪聲（階次特性和寬頻特性）、轉動不平衡噪聲（階次特性）、散熱風扇氣動噪聲（階次特性和寬頻特性）；（３）殼體噪聲：殼體固有特性噪聲（寬頻特性）。因此，需根據噪聲成分的預測，設計離心石家莊風機噪聲特性試驗方案，進行離心石家莊風機噪聲試驗，結合結構的振動信號對其產生的噪聲特性進行分析，識別出該離心風機的主要噪聲成分的來源。