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    螺杆压缩机噪声研究与控制6步骤

    访问:次 工业企业噪声治理 来源:中国亚博国际官网信息网 2010-04-03收藏本页 信息来至互联网,仅供参考

    ??? 图1是一台典型的喷油螺杆空气压缩机。螺杆压缩机属于容积式旋转压缩机,它的基本工作原理是靠相互啮合的一对齿的分开与咬合来改变齿间容积的变化,以达到输送和压缩气体的目的,其工作原理如图2。

    螺杆压缩机噪声研究与控制

    图1 喷油螺杆空气压缩机结构图

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    图2 螺杆压缩机工作原理示意图?

    ????由这种工作原理可知,气体状态在机体内是不断的循环变化的,同时旋转部件的转动和相互作用不可避免的存在,这些因素不仅会造成机体和系统的振动,同时还产生不同频率和强度的压力波。因此螺杆压缩机的噪声必然是与之共存的,不可能完全消除,而只能尽量减少工作过程中产生的振动和压力波所带来的噪声或者将之限制在系统之内。活塞压缩机 噪声? 空气压缩机? 制冷压缩机? 压缩机噪音? 空调压缩机??螺杆压缩机?
    ??? 就噪声形成机制而言,必不可少的三个环节是声形成、声传播、声辐射。因此,噪声控制必须针对每个环节分别采取相应的措施。前提是必须对所研究机器的主要噪声源形成机制、传播途径和辐射特性建立较为完整的认识,然后分析每个环节的特性、规律以及对噪声的贡献大小。其中,最根本的是对噪声源的识别,和对其产生机制的认识与规律的把握。
    ??? 对于一个完整的螺杆压缩系统来说,动力的转换是在压缩机内进行的,一切的噪声都源于压缩机本身,因此螺杆压缩机本身噪声源的辨别、噪声产生机制和特性的研究是螺杆压缩机噪声控制的基础。
    研究回顾
    ??? 螺杆压缩机开始广泛使用的时间并不长,因此对于其噪声的研究时间相对活塞机来说不长。总体看,国内外专门从事这方面深入研究的人还比较少。
    ??? 国外对于螺杆压缩机噪声的研究起步较早,伴随着螺杆压缩机设计理论的发展就已经逐步开始对其振动和噪声进行研究,研究的主体是制造厂家和研究机构。主要的研究方法是凭借自身的检测手段优势进行了广泛、大量的实验,在此基础上编制噪声模拟和预测软件,并以模拟计算辅以实验验证展开深入的研究,同时针对螺杆压缩机噪声的特点进行了降低噪声的工作,取得了良好的效果。文献[1]对螺杆制冷压缩机进行了广泛的振动与噪声测试,文献[2, 3]对螺杆压缩机排气脉动噪声进行了模拟,并用实验的方法来验证。
    ??? 国内对螺杆压缩机噪声的研究工作以企业为主,他们迫于市场竞争的需要纷纷开始重视压缩机系统的噪声控制。总体来说,国内的螺杆压缩机噪声研究和控制还处在初级阶段,对噪声形成机理、特性的认识还很少,采用的降噪方法还比较单一。以下分几个方面对这些工作进行总结概括。?
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    测量分析方法
    ??? 对噪声研究的基础是必须有足够的方法和手段来获得尽可能多的原始数据,并对这些数据进行有效的加工处理。螺杆压缩机存在于压缩系统中,如图3所示典型的螺杆空气压缩系统包括,电动机、传动机构、压缩机、吸气过滤器、排气管道路、油分离器、冷却器等。要对压缩机本身进行噪声分析,首先就要能够将压缩机产生的噪声从整个系统噪声中分离出来。


    螺杆压缩机噪声研究与控制?
    图3 螺杆空气压缩系统

    ??? 噪声信号的测量与分析的方法有很多,但是对于螺杆压缩机来说,大多数的测量场所没有办法严格的满足理想的声学测量要求。目前主要采取的测量和信号分析方法有近场测量法、频谱分析法、相关性分析法。?
    ??? 近场测量法是用声级计贴近压缩机表面扫描,根据声级计的指示值大小来确定噪声源的部位。这种方法简单易行,使用广泛,但是它的正确性是有条件的。传声器测得的声级主要是最靠近的某个噪声源的贡献,其它噪声源对测量值的影响很小。由于靠近总是相对的,一个声场总是要受到附近生源的影响(尤其是在较强的混响场内),因此这种方法不能够提供精确的测量值,通常用作噪声源和主要发生部位的一般识别或精确测量前的粗定位。
    ??? 螺杆压缩机噪声包含着许多不同频率的分量,这些分量按频率连续分布。为了更细致的分析噪声源,需要掌握噪声随频率的分布情况,即频谱,这就是频谱分析法。常用的是倍频分析和基于傅立叶变换的频域分析。倍频分析仪一般与声级计结合,能够实时进行噪声的频谱分析,通常使用的是倍频程和1/3倍频程分析仪。但是倍频分析较为粗糙,对于高频范围的噪声仍然不能够确切的分析。对噪声信号最有效的频率分析方法是基于快速傅立叶变换(FFT)的频谱分析。螺杆压缩机的噪声频谱中可以找到与转速和转子齿数相关的纯音峰值,并且这个峰值存在一系列的谐波,因此对测得的噪声信号进行纯音峰值的分析,可以识别其主要的噪声源并对其进行跟踪研究。这种方法可以对连续的噪声信号在整个频率范围内进行分析。图4是一台螺杆空气压缩系统的频谱图[4]。


    螺杆压缩机噪声研究与控制?
     图4 螺杆空气压缩系统噪声频谱

    ??? 相关性分析就是同时采集噪声信号和其它信号,如振动信号、压力信号,通过对比噪声信号与它们的相关性来判断噪声源及其特性的方法。螺杆压缩机的动态压力变化、振动和噪声是相互关联的,通过综合联系对比,能够更好的判断和掌握噪声源及其规律。
    ??? 另外,基于时域和频域的小波分析、更简便的声强分析法也正在发展中,它们的出现不但提供了更多的噪声分析手段,同时为压缩机的实时监控和故障诊断提供了工具。无论是哪种方法,对螺杆压缩机噪声的测量与分析都是不是一蹴而就的,它需要将各种手段、方法综合的运用,取长补短。?
    ???

    噪声的产生
    ??? 螺杆压缩机的噪声按产生机理可以分为流体动力性噪声和机械性噪声。流体动力性噪声是流体的流动或物体在流体中运动而引起流体振动而产生的。机械性噪声是由固体振动产生的,在冲击、摩擦、交变应力或磁性应力等作用下,引起机械设备中构件及部件碰撞、摩擦、振动等产生的。
    1。螺杆压缩机流体动力性噪声
    ??? 流体动力性噪声主要有吸气孔口气流脉动噪声、排气孔口气流脉动噪声、气体在机体内流动和气柱共鸣噪声。
    ??? 吸气过程中,相互啮合的转子脱离啮合使得齿间容积扩大,吸气腔内的压力低于吸气压力,气体快速填充进来。随着转子的旋转进入下一个过程,当下一对齿开始脱啮时这个过程再次重复,这就造成了吸气孔口周期性的压力脉动,从而产生噪声。
    ??? 排气孔口与吸气孔口的情况类似,当排气孔口打开的时候,齿间容积与排气腔存在压力差,而这个过程由于转子齿的间歇性的扫过而重复,造成排气压力脉动,从而产生噪声。排气孔口的压力脉动与吸气孔口不同的是,齿间容积内的压力可能大于排气压力,也可能会小于排气压力,因此它的情况比较复杂。
    ??? 吸、排气的脉动不但本身产生噪声,同时会使转子——轴承产生振动,并可能引发其它部件的共振,从而激励新的噪声源。尤其是排气脉动,向下游排放的过程中它会激励管道系统,形成多个噪声源。文献[ 2, 3, 4, 5]都认为排气脉动是螺杆压缩机最主要的噪声源,图5 [4]。此外,随着转子的快速旋转,齿间容积内气体的高速流动以及机壳内的气柱共鸣也会产生噪声。


    螺杆压缩机噪声研究与控制?
    图5 螺杆空气压缩机吸、排气孔口噪声频谱

    2 。螺杆压缩机机械性性噪声
    ??? 机械性噪声主要是由压缩机内固体振动引发,包括转子系统转动不平衡引起的振动、转子碰撞和摩擦引起的振动、轴承引起的振动、传动或同步齿轮引起的振动、滑阀的振动等。这些振动同时会通过轴承传递到壳体,进一步激发壳体的振动,从而向外部辐射声能。
    ??? 螺杆压缩机中一对转子在动平衡不好的情况下旋转中会引起较大的振动,严重时甚至可能导致转子的损坏。转子齿的分度精度、表面粗糙度和缺陷都会带来相应的振动,文献[1]提到六齿阴转子中三个齿厚度不均造成的噪声图6。

    螺杆压缩机噪声研究与控制

    ??? 在运行过程中,阴阳转子齿面间的作用力是周期变化的,在整个转子齿面非均匀分布,阴、阳转子齿面会相互碰撞、摩擦引起振动而产生噪声。
    ??? 轴承的振动与轴承本身精度、装配质量等相关。尤其是滚动轴承,由于其内的滚动体是不连续,在滚动过程中交变力作用下必然会发生振动,诱发噪声。
    ??? 无油压缩机都带有同步齿轮,而有些螺杆压缩机自身带增速齿轮箱。齿轮的情况与螺杆转子类似,也会产生与转速和齿数相关的振动和噪声。另外齿轮的装配精度及其与转子配合后转动系统的动平衡精度都可能引起相应的振动。
    ??? 文献[1]的测试表明,制冷压缩机内滑阀有时会在基频处振动,通过作用于壳体,这种振动极端情况下会造成巨大的噪声。
    ??? 总之,螺杆压缩机内诱发噪声的因素很多,它们交织在一起,相互影响,不过所有的因素最终向外界辐射能量的途径主要是机体表面振动和吸、排气脉动。

    噪声特性
    ??? 总的来说,压力脉动和转子振动是螺杆压缩机主要的噪声来源,脉动和振动越强烈产生的噪声越大,并且都与转子转动的基频(主动转子转速与齿数的乘积)和其谐波相关,其中前两次谐波影响最大[1, 2, 3, 6]。因为研究者们一致认为螺杆压缩机最主要的噪声源是气流脉动,尤其是排气孔口的脉动,因此许多研究工作都侧重于排气孔口压力脉动以及各种参数对它的影响。关于螺杆压缩机噪声特性研究主要的结论如下:
    ??? 转子的齿数越多噪声就越小;扭转角改变50度排气噪声就减小越1dB;长/径比的变化不会对噪声的大小产生影响[3]。
    ??? 当压缩过程开始,齿间容积内压力上升的时候,会在局部区域引起转子碰撞振动的加剧,从而增大噪声[7]。
    ??? 转子之间及转子与壳体之间间隙的变化会影响泄漏,从而对噪声产生影响。间隙的减小会造成排气口噪声的增加,但是这种影响并不是很大[3]。
    ??? 压缩工质的类型的改变会对压缩机噪声产生显着的影响[1]。
    ??? 转子腔内的油对噪声油衰减作用,但主要是对三次以上的高次谐波[1, 3]。喷油量对大型螺杆制冷压缩机整体噪声的影响有时会达到几个分贝[1]。
    ??? 排气孔口处少许的欠压缩会减小气流脉动,而过压缩越大则脉动越强烈,但是当欠压缩达到一定程度时,其产生的影响将会和过压缩一样[5]。总的来说,随着排气压力的升高,齿间容积内压力与排气孔口压力差增大,噪声会加强[3]。
    ??? 在不同的负荷下,螺杆压缩机主要的噪声源有所变化。在较高的负荷下,转子的振动有所降低,排气脉动是主要的噪声源;在较低的负荷下,转子振动加强,成为主要的噪声源[6]。

    噪声的控制
    ??? 螺杆压缩机噪声控制的工作主要
    ??? 以生产厂家为主,针对自己的产品进行实验改进,见于文献介绍的较少。主要的方法:
    ??? (1)减小或阻断噪声通过机壳向外界的传播,这是目前较为普遍采用的方法。一般是在机体外部加隔声罩,国外一些公司在壳体噪声模拟的基础上采用双层壳体结构来阻断噪声的辐射。文献[8]通过增加壳体刚度和加装减震器降低壳体的振动,从而降低了噪声。
    ??? (2)优化排气结构、在排气管路上安装消声装置,以减小排气压力脉动产生的噪声。如文献[9]利用小孔消声的原理将半封螺杆压缩机排气管的消声结构改为多孔结构,从而降低了压缩机整体噪声,并使得该压缩机在部分负荷和满负荷时噪声基本一致。
    ??? (3)通过改变转子几何参数、提高转子制造和装配精度等措施减小转子运转过程中的振动,达到减小噪声的目的。文献[10]在实验研究的基础上改变转子的齿型,减小转子转动过程中的齿面接触力,使得各负荷下转子的振动平稳,噪声稳定。文献[9, 11]提高转子的加工精度,由铣削改为磨削,降低了表面粗糙度,使压缩机的中、高频噪声得到一定程度的降低。

    研究展望
    ??? 以上只是关于螺杆压缩机噪声研究与控制状况的概述,目前国内外的研究依然在进行,而且越来越多的研究者开始对这个问题感兴趣。我们国内对于螺杆压缩机噪声的研究与控制目前仍处于起步阶段,不过压缩机行业内的企业对这个问题重视的程度开始加深,更加注意与研究机构的联合研究。
    ??? 西安交通大学一直致力于螺杆压缩机的研究,取得了一系列的成绩。在螺杆压缩机热力学和动力学模拟、喷油研究、排气压力脉动研究的基础上,将会在螺杆压缩机噪声控制方面发挥自己的特长,相信会取得一定的成绩。
    ??? 螺杆压缩机的主要噪声源是排气脉动和转子振动,而排气脉动与转子几何参数和运行工况息息相关,同时又与热力性能相互影响。因此,研究工作必须在几何和热力学模拟的基础上细化,对排气脉动展开进一步深入的研究,把模拟与实验相结合,目标是建立结合几何参数、与运行工况相关的排气脉动预测模型。另一方面,开发新的转子型线,以减小转子间的接触力,并使其在不同工况下更平稳。如果能够将排气脉动产生的噪声用软件来模拟预测,那么将会对压缩机的设计产生重大的影响,因此在排气脉动研究的基础上将进一步开发脉动噪声预测软件。

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    标签:噪声控制,噪声治理

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