1、現(xiàn)代制造技術與裝備2006第 1期 總第170期羅茨風機噪聲源識別與控制綜述王孚懋 趙麗芳 曾齊福 楊 龍(山東科技大學機械電子工程學院, 青島 266510摘要:本文針對羅茨風機噪聲污染問題, 系統(tǒng)分析了羅茨風機噪聲源的特性及其產(chǎn)生機理, 概述了羅茨風機噪聲的控制方法與基本措施, 闡述了低噪聲羅茨風機的研究發(fā)展方向。關鍵詞:羅茨風機噪聲源噪聲控制綜述Summary on the Noise Identification and Noise Control of Roots BlowerWANG Fumao, ZHAO Lifang, ZENG Qifu, YANG Long(M echani

2、cal and Electronic Academy, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266510 Abstract:This paper, in allusion to the noise pollution of roots blower, generally analyzed the noise characteris-tics and causation, summarized the method of noise control, and elaborated the research directio

3、ns of low noise de-sign on roots blower.Key words:Roots blower, Noise source, Noise control, Summary引言 羅茨風機屬于容積式鼓風機,是一種典型的 氣體增壓與輸送機械, 在冶金、 煤炭、 石油化工、 食 品加工、 水產(chǎn)養(yǎng)殖、 污水處理、 礦山與造紙等行業(yè) 獲得了廣泛應用 1。與離心風機比較, 羅茨風機具 有壓力高、 流量受阻力影響小、 供風穩(wěn)定等優(yōu)點, 但工程應用中存在效率低、 噪聲高等缺點。 在風機 類動力機械中, 羅茨風機享有 “聲老虎” 稱號, 不僅 污染了環(huán)境, 也惡化了勞動條件, 引起人

4、們對低噪 聲風機研究的廣泛關注。本文針對羅茨風機噪聲源特征,分析了羅茨 風機噪聲的產(chǎn)生機理,綜述了羅茨風機噪聲控制 方法與基本措施,提出了低噪聲羅茨風機的研究 發(fā)展方向。1羅茨風機噪聲源分析 1.1噪聲源分類羅茨風機噪聲含有多種成分。從噪聲產(chǎn)生機 理分析, 羅茨風機噪聲主要由氣動噪聲、 機械噪聲 和電磁噪聲等幾部分組成,其中氣體動力性噪聲 具有強度高、 危害大的特點, 是羅茨風機的主要噪 聲污染源。 從噪聲傳播途徑分析, 羅茨風機噪聲由 空氣噪聲和結構噪聲兩部分組成,空氣噪聲通過 進氣口、 排氣口、 機殼、 管壁等輻射與傳播, 結構噪 聲通過機殼、 管壁與基礎等傳播, 結構噪聲容易造 成物體振

5、動并激發(fā)二次空氣噪聲。羅茨風機噪聲傳播途徑如圖 1所示。圖 1羅茨風機噪聲傳播途徑示意圖 Fig.1The radiation of roots blower noise 1. 基礎結構噪聲 2. 機殼與管壁噪聲 3. 氣流噪聲羅茨風機的氣動噪聲主要由氣體壓力脈動、 氣體紊流等原因產(chǎn)生,分別稱為旋轉噪聲和渦流 噪聲。旋轉噪聲是指由于風機葉輪 (轉子 旋轉引起 的周期性壓力脈動所產(chǎn)生的噪聲。在羅茨風機葉 輪旋轉運動過程中,進氣腔和排氣腔不斷發(fā)生由 大變小、 再由小變大的周期性變化, 此時氣體流動 具有很大的不均勻性,這種不均勻氣流作用于周32工 藝 與 裝備 圍介質造成了壓力脈動, 形成了氣動噪

6、聲。 當風機 葉輪逐個掃過進氣口與排氣口時,氣體受到周期 性擾動, 引起壓力脈動, 同樣產(chǎn)生了噪聲。由于風 機葉輪與機殼之間圍成封閉的基元容積,在基元 容積與排氣口連通一瞬間,風機排氣口的高壓氣 體向基元容積快速回流,使氣流受到劇烈沖擊與 壓縮造成壓力脈動, 形成了強烈的氣動噪聲。 旋轉噪聲具有確定的基頻, 計算式為 f 1=Z n/30(Hz , 其中 Z 為葉輪數(shù), n 為轉速 (r/min 。渦流噪聲又稱紊流噪聲,是氣體渦流運動產(chǎn) 生的一種非穩(wěn)定流動噪聲。在葉輪及機殼流道表 面,尤其在氣流突然減速或速度方向發(fā)生突變的 部位, 氣體附面層發(fā)展到一定程度就會發(fā)生脫離, 形成漩渦。內泄漏氣體的

7、流動方向與主氣流方向 相反, 也會在泄漏間隙兩端產(chǎn)生漩渦。 由于氣體具 有粘滯性,氣流漩渦產(chǎn)生后還會在流動過程中進 一步分裂, 形成一系列更小的渦流。除了上述旋轉噪聲和渦流噪聲外,氣動噪聲 還包括共鳴聲。由于葉輪旋轉和氣流渦流運動等 因素的影響, 氣體壓力在很寬的頻率范圍內脈動。 這種脈動與進 (排 氣腔發(fā)生聲學上的共振, 產(chǎn)生 共鳴聲。當共鳴聲通過進、 排氣口輻射時, 顯著增 強氣動噪聲的某些共振頻率成分。機械噪聲主要來源于機殼的振動,使機殼發(fā) 生振動的原因主要有兩個:葉輪的轉動不平衡 力, 通過傳動構件轉移到機殼上, 對機殼產(chǎn)生周期 性的激勵;機殼內的渦流強度所決定的壓力脈 動, 常與葉片

8、的基頻 (即葉片通過頻率 有聯(lián)系, 也 對機殼產(chǎn)生周期性的激勵。 風機的風壓越高, 這一 激勵源越不能忽視。此外, 電動機、 基礎振動和管 路振動也會產(chǎn)生機械噪聲。1.2噪聲源頻譜特性幾種典型的羅茨風機噪聲頻譜特性如圖 2所 示, 其特點是中低頻噪聲峰值突出, 高頻噪聲成分 逐漸減弱。 羅茨風機轉速一般為 4903000r/min , 旋轉噪聲基頻為 49300Hz , 使風機噪聲呈現(xiàn)低 頻特征。 渦流噪聲以中高頻成分為主, 具有寬頻帶 特性。共鳴聲對中頻噪聲影響較大。羅茨風機噪聲與風量、轉速、壓力等參數(shù)有 關。 一般情況下, 風機風量、 轉速與壓力升高, 噪聲增大。 實驗證明 4,當轉速與壓

9、力相同時, 風量增大 一倍, 噪聲增強約 6dB(A ; 壓力每升高一個大氣壓, 噪聲增強約 34dB(A ;如果轉速增加一倍, 則 噪聲增強約 610dB (A 。1.3噪聲測量測量羅茨風機噪聲的目的就是為了對被測對 象進行噪聲等級的分析、 評價或聲源識別, 以便采 取適當?shù)拇胧┻M行噪聲控制。通常羅茨風機的噪 聲識別方法有現(xiàn)場測量法、 聲功率測量法、 表面振 動測量法等, 其中, 現(xiàn)場測量法是工程實際中常用 的方法。現(xiàn)場測量法通過對數(shù)據(jù)、頻譜的分析確定主 要的噪聲輻射源, 方法簡便, 測量結果能真實反映 風機的振動與噪聲水平, 但易受環(huán)境的影響。 聲功 率測量法反映噪聲源輻射強度與輻射特性,

10、避免 了聲壓級易受測量距離和測量環(huán)境影響的缺點。 振動測量法是根據(jù)羅茨風機的表面振動速度來估 計表面輻射聲功率,主要困難在于羅茨風機零部 件輻射比的確定,需要測量較多的數(shù)據(jù)和進行大 量的計算。2羅茨風機噪聲控制措施 2.1機械噪聲控制方法羅茨風機機械噪聲的主要控制方法有:提 高零部件加工與裝配精度; 更換滾珠軸承, 或使 用滑動軸承代替滾珠軸承,使轉子系統(tǒng)處于動平 衡; 優(yōu)化基礎的隔振支撐; 采用彈性聯(lián)軸器聯(lián) 接電動機; 加強對設備的安全維護與保養(yǎng), 如添 加潤滑油、 擰緊連接螺栓、 更換損壞的零部件等。2.2氣動噪聲控制方法圖 2羅茨風機噪聲頻譜圖 Fig.2The frequency of

11、 roots blower noise33現(xiàn)代制造技術與裝備 2006第 1期 總第 170期羅茨風機氣動噪聲的主要控制方法有兩種:一是對噪聲源進行控制,即從噪聲產(chǎn)生的機理出 發(fā)降低噪聲; 二是控制噪聲的傳播途徑, 通過設置 消聲器和吸聲材料耗散聲波能量。(一 噪聲源控制:通過研究轉子結構、 進排氣 口與管道形狀、轉子間隙等與氣動性能之間的關 系, 設計噪聲低、 效率高、 結構緊湊、 節(jié)能的新機 型, 也稱低噪聲結構設計。(1 異形排氣口設計:沖破傳統(tǒng)的矩形排氣口 束縛, 采用具有良好聲學性能的異形口, 將開口過 程由突變改為漸變,開口面積由零到最大逐漸過 渡, 延緩了排氣口氣體壓差的變化率,

12、 降低了氣體 的沖擊噪聲。(2 采用扭葉轉子:作用與異形排氣口類似, 氣體的脈動幅度及不均勻度比直葉轉子顯著減 小, 具有延緩回流過程、 降低排氣脈動的優(yōu)點。 (3 采用三葉輪轉子:與二葉型轉子比較, 三 葉輪轉子每旋轉一周輸出六個較小的排氣容積, 氣流脈動平緩, 噪聲降低, 在小型機上應用提高了 效率。(二 噪聲的傳播途徑控制:主要有消聲和隔 聲等措施, 是工程上普遍采用的降噪手段。(1 消聲:通過在風機進、 排氣管道上安裝消 聲器降低氣流噪聲。 消聲器應根據(jù)風機噪聲強度、 頻譜特性和降噪要求等因素進行優(yōu)化設計,具備 消聲效果好、 消聲頻帶寬、 阻力損失小、 體積小、 重 量輕、 安裝維護方

13、便等特點。(2 隔聲:利用隔聲構件阻擋空氣聲傳播。安 裝消聲器后,羅茨風機機械噪聲和電動機噪聲就 成為主要噪聲源,采用隔聲罩或隔聲間將機組噪 聲封閉在局部空間。2.3機械振動控制風機運轉不平衡引起基礎振動并沿地板和墻 體傳播, 激發(fā)二次空氣噪聲。通過優(yōu)化結構設計, 采用隔振器、 隔振墊、 撓性軟接管控制機械振動與 結構噪聲, 能夠取得顯著的減振降噪效果。3低噪聲羅茨風機研究展望羅茨鼓風機的發(fā)展趨勢,主要是進一步提高 效率、 降低噪聲、 增強可靠性及擴大應用范圍。實 踐證明, 在探明羅茨風機噪聲產(chǎn)生機理基礎上, 采 用低噪聲結構設計,是控制羅茨風機噪聲有效措 施。 近幾年, 國內就低噪聲羅茨風機

14、結構設計開展 了很多研究, 主要進展有:(1 封閉容積預進氣壓縮設計 4:主要是為改 善風機的回流沖擊特性提出來的。在基元容積由 進氣口向排氣口移動的過程中,通過開在機殼或 墻板上的導氣孔口, 向其內部預先導入高壓氣體, 以便在基元容積與排氣口連通之前,使其內部壓 力逐漸與排氣口的壓力達到平衡。與傳統(tǒng)的壓縮 情形相比, 導入預進氣后, 排氣口的回流沖擊強度 大為減弱, 鼓風機的氣體動力性噪聲得以降低。 實 際應用中,通常從鼓風機的排氣口引回一部分氣 體, 作為高壓預進氣導入機殼。 如果將排氣口的高 溫氣體冷卻之后再導入基元容積,則不僅可以減 緩排氣口的回流沖擊,而且還能降低鼓風機的排 氣溫度,

15、 這種降低排氣溫度的方法稱為逆流冷卻。 目前, 由于制造方面的限制, 國內應用極少。 (2 提高風機葉面加工精度 5:采用先進的數(shù) 控加工技術, 能夠提高風機葉面加工精度, 保證轉 子動平衡性能, 減小高速轉子系統(tǒng)振動。此外, 還 能夠保證嚙合時葉面間間隙的均勻性,降低葉面 間氣體流動的波動, 從而降低風機的氣動噪聲。 目 前, 國內在葉面加工方面還存在很多問題, 對影響 加工精度的各種因素理論分析較少,關于葉面葉 型加工的理論分析有待完善。(3 葉輪型線優(yōu)化設計 4,6:葉輪作為羅茨風機 的心臟零件, 表面形狀至關重要。目前, 國內有關 羅茨風機葉輪設計形式多種,包括漸開線、圓弧 線、 擺線

16、、 共軛圓弧線等多種線型組合, 涉及加工 問題, 需要優(yōu)化設計。4結 語羅茨風機噪聲以氣動噪聲和機械噪聲影響為 主。 研究噪聲源的特性和產(chǎn)生機理, 是正確選擇噪 聲控制措施的基本條件。 從聲源傳播途徑考慮, 采 取消聲、 隔聲、 吸聲和隔振等降噪方法, 能夠有效 控制噪聲污染, 但增加了設備成本與工程投資。 從 結構設計與生產(chǎn)工藝考慮, 通過優(yōu)化結構設計、 改 進加工方法、 提高裝配精度、 選用合理的型號和調 節(jié)方式, 能夠從根本上消除噪聲危害, 不僅降低噪 聲, 而且提高風機效率、 降低設備能耗, 仍然是羅 茨風機的主要發(fā)展方向。參考文獻34! 工 藝 與 裝備 于左位,閥 FK 的輸出又使

17、 FA 處于左位,閥 FA的輸出推動活塞右行;當活塞右行到壓下行程閥 a1時, 發(fā)出信號使 FK 處于右位, 閥 FK 的輸出又 使閥 FA 處于右位,閥 FA 的輸出推動活塞左行。 如此, 控制氣缸連續(xù)往復運動, 使柱塞缸連續(xù)輸出 壓力油。 此回路的特點是采用全氣動控制, 適用于 需要防爆防燃等場合。 另外, 該回路也可以采用電 磁閥控制, 此時使閥換向的也必須是電信號, 一般 可采用磁性開關來實現(xiàn)。3氣液泵的應用實例 圖 3氣液泵的應用氣液泵在丁基膠打膠機上應用已久,其簡圖 如圖 3所示:當電磁閥的電磁鐵斷電時, 氣液泵的輸出壓力油進入主油缸的無桿腔,活塞桿伸出推 動膠缸打膠,此時有桿腔的

18、油液經(jīng)電磁閥至氣液轉換器; 當電磁閥的電磁鐵通電時, 電磁閥換向處 于右位,氣液泵的輸出經(jīng)電磁閥進入主油缸的有 桿腔, 活塞桿縮回, 無桿腔油液經(jīng)換向閥回到氣液 轉換器。 由于主油缸左右兩腔的容積不相等, 故設 氣液轉換器予以調節(jié)。4主要優(yōu)缺點我們曾在丁基膠打膠機上分別使用過氣液泵 和液壓站作為動力源, 現(xiàn)針對其使用特點, 簡要分 析它們各自的主要優(yōu)缺點:4.1氣液泵 (1 優(yōu)點:氣液泵的主要優(yōu)點是結構緊湊、 體 積小、 成本較低、 節(jié)能、 使用與維護方便, 特別適用 于具有氣源的場合;(2缺點:氣液泵的輸出壓力油量較小, 由于 受不斷地換向的影響, 故輸出流量的連續(xù)性較差; 氣動系統(tǒng)的排氣有噪聲。4.2液壓站 (1 優(yōu)點:液壓站的壓力、 流量參