油封机械真空泵噪声机理再探

1、第2期罗根松 ，等：油封机械真空泵噪声机理再探#VACUUM油封机械真空泵噪声机理再探罗根松，王国民（浙江真空设备集团有限公司，浙江椒江 318000）摘要：提岀了一个新的观点，在油封机械真空泵中除了油锤现象产生的噪声外 ，同时存在着程度不同的汽蚀 现象所引起的噪声，严重时还会造成汽蚀破坏，它取决于极限压力的高低、泵的大小和转速的高低。此外在滑 阀真空泵中还存在着机械撞击噪声。提岀了降低上述噪声的相应措施。关键词:油封泵；噪声；机理中图分类号：TB752+.25文献标识码：B文章编号：1002-0322（ 2002）02-0035-04More studies on noise mechani

2、sm of oil sealed mechanical vacuum pumpLU O Gen-song, WANG Guo-min（Zhej ia ng Vacuum E quipme nt Group Co. Ltd., J iaoj ia ng 318000, China）Abstract : In this paper, a new view point of no ise causes is brought forward. For the oil- sealed mechanical vacuum pump, besides noises caused by hydraulic k

3、nocking, these caused by cavitation are considered as a main facto r. When pump is running, noises and even damages may be produced by cavitatio n. The phenomenon caused by cavitation lies on ult imate pressure, pumping speedand rotation speedof pump. But these the mechanical knocking might produce

4、noises in rotary plunger pump. Accordingly, treatment measures taken which reduce noises are submitted here.第2期罗根松 ，等：油封机械真空泵噪声机理再探39Key words : oil sealed pump; noise; mechanism在再探油封机械真空泵（以下简称油封泵）噪声 机理之前，有必要澄清一些有可能误导我们研究的 因素。其中真空计的误差就是很重要的方面，尤其是 真空度偏高的真空计将会给我们的研究引入歧路。 一般来说，同一种油封泵，它的极限真空低，则其噪 声也低。如果

5、由于泵的某些部位漏气或间隙偏大，致使真空度下降，则噪声也必然会降低，这时如使用了 真空度偏高的真空计，势必会得出该泵真空度高、噪 声低的错误结论。例如数年前就有杂志报导某单级 滑阀泵试制时极限压力低达9 x 10-2Pa,噪声也仅为81. 4 dB（ A）,这样超高水平的性能数据在国外恐怕 也是绝无仅有的，可是据了解以后成批投产时，该泵 的性能就差多了。又如笔者多年前参加某联合设计 旋片泵鉴定会，其所用的真空计由于真空度偏高，竟使测得的泵的抽速超过了几何抽速，后来换了一台真空计才使测试结果恢复正常。我们也时常遇到一 些真空泵生产厂，由于压缩式真空计的测量毛细管 长期受到油蒸汽的污染,或者是油直

6、接进入了毛细收稿日期：2001-11-16作者简介：罗根松（1940-）,男,上海市人，高级工程师。管,致使测得的真空度偏高。这种受到油污染的真空 计如果清洗不彻底，仍将产生很大的误差。还有一种情况，噪声与泵的进油量有一定关系，如果进油量过多，由于油的不可压缩性，必然会增加 液压撞击噪声，因此往往采用减小进油孔来控制进 油量的方法降低泵的噪声。这种方法在小泵上有其 可行的一面，但在中、大型泵上，由于其工作条件比 较差,有粉尘、工作气体与真空油反应产生的沉淀物 及真空油裂化产生的胶质物等，减小进油孔的方法 容易引起油孔堵塞，在工业生产的实用中，并不十分 有效。1油锤效应对于油封泵的噪声,国内外学

7、者多年研究的结 果,普遍认为是由油锤引起。所不同的是，部分学者认为是上冲油锤所引起，即泵处于极限压力时，排气 阀下方的有害空间也处于真空状态，泵油被滑阀（或旋片）急速驱赶，充入这处于真空状态的空间，由于thiny; House. All righljt reserved. httpwwurnki.ri<阀片及阀片上面油的惯性，使这般油的压力急剧增 加到十几个、甚至是几十个大气压，并高速冲击排气 阀的排气腔壁，从而产生频率很高的噪声。 另一部分 学者的观点是除了上冲油锤之外，还存在下冲油锤， 也即滑阀（或旋片）在转过泵腔与排气口交接处后，泵的排气腔便与真空腔接通而处于真空状态，在这排气阀关

8、闭的瞬间，油箱的油和排气腔的油有一个 很大的压差，高速反冲泵腔和滑阀（或转子），产生很 大的噪声。除此之外，还存在运动部件（滑阀、偏心 轮、转子）的惯性力产生的周期性激励和阀片与阀座 的撞击所产生的噪声。滑阀真空泵噪声机理研究1和油封机械真空泵 油锤效应”的分析2二文中已叙述了在泵转动的一 个周期中滑阀（旋片）不同位置的振动波形，在滑阀 （旋片）越过排气孔的瞬间，并没有出现很大的波峰， 而且这个波峰还包含滑阀杆突然卸荷所产生的冲 击。因此可以断定，在油封泵中不存在下冲油锤。我们认为，上冲的油是由滑阀（旋片）带动的，由 于滑阀（旋片）本身转速不高，即使是直联泵也只有 9601400 r/min，

9、所以上冲油的速度并不高，油压也只比大气压稍高一些（1.2 x 10 Pa）。但当上冲油 与泵缸和排气通道发生撞击，产生冲击波，这种周期 性的冲击激励（上冲油锤）所发出的噪声则是中、 高 频的宽频带噪声。 图1所示为2H -30型滑阀泵的噪 声频谱，其中比较高的峰值都处于中、高频。2X-4型旋片泵的噪声频谱2中，比较高的突出的峰值也都 处于中、高频。这种冲击噪声可以通过改善流动状态，即减小流动阻力，降低排气（油）速度来降低。我 们的H-150泵的噪声就是用这种方法来解决的，效果也比较显著。图12H- 30泵噪声频谱图Fig. 1 Noise spectrum of the 2H- 30 pump

10、由于泵的振动与噪声之间存在着强烈的因果关 系,泵的噪声主要来源于结构的振动表面的声辐射 因此往往通过对振动波形的分析来研究噪声机理。3M*图2H-150泵滑阀位置的转角表示Fig. 2 T urn demonstrate of plun ger site of th e H-150 pu mp 图3所示为h-150泵一个旋转周期中滑阀不 同位置时泵的振动波形，其中图3（b）即为“上冲油锤”的振动波形，同时也表明了冲击在达到最大值以 后排气阀打开，冲击减小，但在油气通过形状突变的 排气流道和排气阀时，仍然存在着冲击和振动。油封泵噪声频谱中的中、高频噪声中是否还含有其它成分？这就是本文研究的目的。

11、OP TIM BIIF图3H-150泵振动加速度波形Fig. 3 Vibration acceleration w aveform of the H-150 pump2水泵和液环泵的汽蚀汽蚀是一种经常在水力机械中发生的高噪声和 破坏性很厉害的现象，在水泵、水轮机、液压器件的 有关书刊中均有介绍和研究。在真空获得设备中，液 环泵的汽蚀也是众所周知的。它的发生机理是：由于液体动力作用，当运动液 体的局部压力降低到该温度下的汽化压力时，液体就开始汽化而形成汽泡，汽泡中充满了液体的蒸汽 及少量溶解于液体中的气体。当汽泡随着运动液体 到达静压超过临界压力的区域时，汽泡中的蒸汽又突然凝结而使汽泡破灭。因为

12、汽泡中的压力始终低 于或近于临界值,而外面液体的压力相对而言却很 大，所以汽泡破灭时，周围液体以很高的速度向汽泡 中心冲去而形成高频水锤作用，产生很高的局部应 力和局部温度升高，并产生噪声和振动。这种汽泡的 产生和破灭过程反复进行就会对这一区域的零件表面产生破坏作用，再加上液体与零件材料的化学和 电化学腐蚀作用，最终造成具有海绵状或蜂窝状特 征的汽蚀损坏。也有研究表明，即使在临界压力以 上 ,也有可能产生汽蚀现象。因为压力降低时，溶解在液体里的空气及其它气体就会分析出来，同时又把液体的蒸汽也带出来，形成充满液体蒸汽及气体的 汽泡，这些汽泡特别容易在运动零件表面产生并长大， 被液体带走，到压力高

13、的地方就突然凝结和破灭。发生汽蚀的临界压力随液体的性质、温度及溶解的气体的性质而异。有关水泵的资料介绍，对于除 气的常温水，可以把相当于该水温下的饱和蒸汽压 作为发生汽泡的临界压力值。日本粟村制作所的液 封式真空泵/压缩机说明书上有关汽蚀现象界限的 图表比较有实用价值，经过换算如图4所示。从图表看，水温20 C时液环泵的压力只要低于36.13X 10 Pa就会产生汽蚀，这个压力离20C水的 饱和蒸汽压 2. 34 x 103 Pa还差很多。事实的确如 此，在水温20 C时，我们测试水环泵的极限压力为32. 8 x 10 Pa时，泵已经发出强烈的噪声，也就是说泵已发生汽蚀。因此我们认为，在水环泵

14、中，把饱和 蒸汽压加上一个与环液温度有关的修正值作为发生 汽蚀的临界压力值比较确当。这方面已有文章作过 简单介绍，是否适用还需进一步验证。在以水、油和甲苯、氯苯、乙二醇等溶剂为工作 液体的液环泵中，当工作压力达到或接近极限压力 时，就会产生汽蚀，并发出强烈的噪声。如果长时间图4水环泵汽蚀界限曲线Fig - 4 Cavitation limits curve of water ring pump3油封机械真空泵的汽蚀在油封机械泵中，从未见过国内、外有关报导汽 蚀的文章，是否是在油封泵中不存在汽蚀呢？经过多年的研究和分析，我们认为在油圭寸泵中应该存在汽 蚀,因为它完全存在着产生汽蚀的条件，在泵的入

15、口侧有很低的压力，泵口存在许多从泵油汽化而来的 油蒸汽，泵油中含有溶解于油的空气和其它气体，转子在转动中存在不平衡所造成的振动，这一切均使汽蚀有产生的可能。那为什么通常见不到呢？只是因为油封泵中汽蚀的条件不够充分，汽蚀的程度比较轻,没有造成泵零部件的损坏，而只是以振动和噪 声的形式表现出来，而且它的噪声与水泵和液环泵 在汽蚀时所发出的噪声相比也要轻得多。因此没有 被发现，没有被认识到。油封泵中究竟有没有发生过汽蚀，它发生的过 程和情况又是怎样的呢？这是最关键的问题。我和 我的同事们有幸目睹了这一极难得汽蚀现象，它发生在一台试制的H-150AB型滑阀泵上，它的几何抽 速为150 L/s,设计转速

16、为 880 r/min,而实际转速 达到920 r/ min。当时该泵在极限压力时的噪声比样 机高了 5 dB（ A）,功率也高了 1.5 kW,因而引起了 我们的重视，经拆检发现在滑阀的排气侧圆柱面的 整个长度上，宽度在30 mm左右的范围内，出现了 许许多多的海绵状针孔（见图5）。因为运转时间仅 只6 h,所以针孔的深度比较浅。当时就认为，它出现的损坏现象与水泵汽蚀所造成的破坏情况完全一 样,应该是在该台滑阀泵上发生了罕见的汽蚀。但必竟是第一次见到，也没有见到过有关油封泵发生汽 蚀的报导，所以必须进一步证实。我们用锉刀把滑阀 上的针孔全部修去，再运转数小时，拆检又发现在滑 阀同一部位重新出

17、现许多海绵状针孔。以后又反复 二次上述过程，所发生的损坏现象完全一致，这样我 们终于证实了在滑阀泵上确实发生了汽蚀。图5滑阀汽蚀损坏部位Fig - 5 Parts d isabled by cavitation in plung er滑阀泵（旋片泵）的汽蚀过程可以这样描述：泵在达到或接近极限压力时，进气侧的泵腔中，真空油 在低压下不断汽化，产生充满油蒸汽的汽泡；溶解在 泵油中的空气和其它气体也不断分析出来，并把油的蒸汽也带出来，形成充满泵油蒸汽和气体的汽泡 ； 由于滑阀、偏心轮的不平衡惯性力产生周期性激励 振动,使泵液压力作周期性波浪变化 ,滑阀表面上泵 液压力也作周期性升高和降低,当压力降低

18、到汽化 压力以下时，在滑阀表面上的泵液将汽化为汽泡。在这三种情况的共同作用下 ，不断产生汽泡、长大，并 被滑阀带到泵的排气侧，而汽泡又最容易附着于运 动零件（滑阀）的表面，当排气侧压力升高，并超过临 界压力以后，汽泡迅速缩小并破灭，因为汽泡中的压 力始终等于或接近临界值（汽化压力），而汽泡外面泵 液的压力则比较大，故泵液以很高的速度向汽泡中心 冲去，在汽泡消失的同时产生强烈的油锤现象。因为汽 泡不断产生，数量又多，破灭的时间也不一致，并发生 了强烈的撞击和振动，所以汽蚀的振动和噪声也是属 于中、高频的宽频带振动和噪声，如图3（a）所示。油封泵的汽蚀既然与水泵的汽蚀相似，那么影响汽蚀程度的因素也

19、应基本相似，也就是说应与油封泵的转速和转动部件（滑阀、转子）的尺寸有关，而 且有可能与油封泵的转速平方成正比，当然这有待于以后进一步验证。至于为什么在 H-150AB泵上会 发生汽蚀破坏，就因为它的转动部件（滑阀）够大，而 转速又特别高。其它大泵则转速低，转速高的又都是 小泵，所以发生汽蚀的条件不充分 ，发生的汽蚀就不 严重，不可能造成零件的损坏。为了防止产生严重汽蚀，从设计角度考虑，小型 油封泵可以设计成高速，大中型泵的转速则不可过 高，泵越大转速应该越低。在运转过程中为了消除汽 蚀和汽蚀噪声，可以向泵内掺入微量气体。4机械撞击滑阀在沿着泵腔内壁滑动，经过排气口以后便会脱离内壁，这时滑阀突然

20、卸荷，导致偏心轮与滑阀 环产生冲击。它与这二者之间的间隙有关，间隙越大，冲击力也越大，产生的噪声就大。在滑阀转过一 角度后又将重新与泵腔内壁接触，就会产生滑阀与泵 腔内壁的撞击，产生撞击噪声，如图3（c） 所示，所以必 须严格控制滑阀与偏心轮、滑阀与泵缸之间的间隙。 5结论油封泵的油气排出过程中的油气冲击（油 锤）是泵的主要噪声源，油气冲击噪声属于中、高频 噪声，可以用改善排气流道和降低流速的方法来减 少冲击，掺气可以产生气垫以降低油气冲击，从而降低冲击噪声。汽蚀也是油封泵的重要噪声源，它属于中、高频噪声，在一般情况下它低于冲击噪声 ，但当泵比 较大，转速又很高的条件下，就会成为主要噪声源， 可以用掺入微量气体的方法来消除。滑阀泵的机械撞击噪声也必须引起注意，如果相关零部件之间间隙控制不严，往往在上述二个主要声源的噪声降低后，它会上升为主要噪声源。 参考文献:1 李志远，陈心昭，等.滑阀真空泵噪声机理研 究J.真空科学与技术，1990, （6）.2 胡焕林,等.油封机械真空 泵油