Page 81 - 《真空与低温》2026年第2期
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200 真空与低温 第 32 卷 第 2 期
0 引言
无刷直流电机
红外探测器广泛应用于预警侦察、精确制导、
偏心轴部件
火控、夜视、光电对抗等领域 ，斯特林制冷是红外
[1]
探测器组件应用中最广泛采用的制冷方式，对其进
行早期故障诊断对保障红外探测器的高可靠性具 压缩部件 膨胀单元
[2]
有重要意义。CBM （Condition-based Maintenance）
技术是指在工业设备未发生故障之前，以不解体被 图 1 旋转整体式斯特林制冷机基本结构
测件为前提，通过分析故障机理，从而根据系统运 Fig. 1 The basic structure of rotating Stirling refrigerator
行状态来判定即将发生的故障。
1.2 斯特林制冷机常见声音异常诱发因素
基于异常声音故障诊断的 CBM 技术是一个
人为主观判断的制冷机异常声音往往与装配
新的研究热点，广泛应用于发动机检测、滚动轴承
系统的机械部件故障直接相关 。常见的机械部
[6]
[3]
检测等领域 ，苏州大学王俊团队 研究滚动轴承
[2]
件主要分三个部分，分别为运动部件、装配部件和
类不平衡故障诊断方法及系统，利用时频注意力机
轴承零件。运动部件提供压力波和质量流，装配部
制网络模型进行特征增强处理得到轴承的健康状
[7]
件提供动力，轴承提供传动作用 。
[4]
态。南京航空航天大学杨毫鸽团队 对飞机发动
运动部件主要有压缩活塞与压缩活塞气缸套、
机异常声音识别方法进行了研究，搭建飞机发动
推移活塞与推移活塞气缸套、回热器，三者往复运
机异常声音识别系统。国网新源郝国文团队 基
[5]
动使得制冷机工作产生冷量。活塞与气缸套的异
于噪声特征开展了水电机组故障诊断技术研究与
常配合会导致活塞与气缸内壁直接接触，在运动过
实践，提出了一套基于噪声特征的水电机组噪声诊
程中出现异常摩擦、磨损，从而产生膜层脱落、粉
断方法。 尘等异物，进入活塞与气缸套配合间隙中时会导致
斯特林制冷机作为一种运动部件，可以引入基 制冷机声音异常甚至卡滞。如果回热器与杜瓦内
于异常声音故障诊断的 CBM 技术。其通过旋转电 壁装配异常，则会导致回热器外壁面与杜瓦内壁摩
机驱动曲柄连杆机构，带动压缩活塞和推移活塞往 擦，从而导致制冷机声音异常甚至卡滞。
复运动，形成逆向斯特林循环，产生冷量。制冷机 旋转式斯特林制冷机装配部件采用曲柄连杆
运行过程中的异常声音主要来源于机械故障，包括 机构，包括电机转子和平衡环。电机转子在电磁场
运动部件、装配部件和轴承零件的磨损等。本文基 的驱动下旋转，带动偏心轴转动，使活塞等机械部
于华北光电技术研究所研制的 XD-5B 斯特林制冷 件持续运动。在偏心距的作用下，压缩活塞会受到
机运行的振动声学特性，开展了噪声诱发因素分析 惯性力的作用，从而导致制冷机运行不稳定，产生
讨论，对振动声学特征进行有效提取和分析，获取 噪音，平衡环可有效减小惯性力。因此当电机转子
了健康状态的制冷机频域特征，建立基于振动声学 或者平衡环装配异常时，制冷机出现声音异常甚至
特征的斯特林制冷机早期故障诊断系统及方法。 卡滞。
1 斯特林制冷机声音异常信号特征 轴承作为制冷机运动过程中的传动零件，可以
将动力从驱动端高效传递到从动端。轴承配合对
1.1 斯特林制冷机工作原理
制冷机的正常工作至关重要。当制冷机某个轴
本文以华北光电技术研究所的典型产品 XD-
承出现异常，比如保持架断裂、轴承卡滞等，会直
5B 型旋转斯特林制冷机为研究对象，XD-5B 型旋
接影响到整机的性能，制冷机出现声音异常甚至
转斯特林制冷机主要由无刷直流电机、偏心轴部
卡滞。
件、压缩单元、膨胀单元组成，图 1 为旋转整体式斯
此外，电机部件的异常磨损或者转速失效也会
特林制冷机的基本结构。无刷直流电机通过偏心轴
引发制冷机声音异常。
带动压缩单元和膨胀单元进行往复运动，从而实现
2 斯特林制冷机振动声学特征采集与分析
逆斯特林循环，获得冷量，为红外探测器提供低温
环境。下文的研究分析均基于环境温度为 296 K 2.1 制冷机振动声学特征采集与处理
（23 ℃）、电机控温点为 77 K、电机型号统一的前提下 斯特林制冷机在运行时往往会出现一些反映
进行，便于对比提取制冷机运行时的微振动特点。 其运行状态和运行品质的异常声响，而这些异常声
