罗茨风机噪声源识别与控制综述

1、现代制造技术与装备2006第 1期 总第170期罗茨风机噪声源识别与控制综述王孚懋 赵丽芳 曾齐福 杨 龙(山东科技大学机械电子工程学院, 青岛 266510摘要:本文针对罗茨风机噪声污染问题, 系统分析了罗茨风机噪声源的特性及其产生机理, 概述了罗茨风机噪声的控制方法与基本措施, 阐述了低噪声罗茨风机的研究发展方向。关键词:罗茨风机噪声源噪声控制综述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 罗茨风机属于容积式鼓风机,是一种典型的 气体增压与输送机械, 在冶金、 煤炭、 石油化工、 食 品加工、 水产养殖、 污水处理、 矿山与造纸等行业 获得了广泛应用 1。与离心风机比较, 罗茨风机具 有压力高、 流量受阻力影响小、 供风稳定等优点, 但工程应用中存在效率低、 噪声高等缺点。 在风机 类动力机械中, 罗茨风机享有 “声老虎” 称号, 不仅 污染了环境, 也恶化了劳动条件, 引起人

4、们对低噪 声风机研究的广泛关注。本文针对罗茨风机噪声源特征,分析了罗茨 风机噪声的产生机理,综述了罗茨风机噪声控制 方法与基本措施,提出了低噪声罗茨风机的研究 发展方向。1罗茨风机噪声源分析 1.1噪声源分类罗茨风机噪声含有多种成分。从噪声产生机 理分析, 罗茨风机噪声主要由气动噪声、 机械噪声 和电磁噪声等几部分组成,其中气体动力性噪声 具有强度高、 危害大的特点, 是罗茨风机的主要噪 声污染源。 从噪声传播途径分析, 罗茨风机噪声由 空气噪声和结构噪声两部分组成,空气噪声通过 进气口、 排气口、 机壳、 管壁等辐射与传播, 结构噪 声通过机壳、 管壁与基础等传播, 结构噪声容易造 成物体振

5、动并激发二次空气噪声。罗茨风机噪声传播途径如图 1所示。图 1罗茨风机噪声传播途径示意图 Fig.1The radiation of roots blower noise 1. 基础结构噪声 2. 机壳与管壁噪声 3. 气流噪声罗茨风机的气动噪声主要由气体压力脉动、 气体紊流等原因产生,分别称为旋转噪声和涡流 噪声。旋转噪声是指由于风机叶轮 (转子 旋转引起 的周期性压力脉动所产生的噪声。在罗茨风机叶 轮旋转运动过程中,进气腔和排气腔不断发生由 大变小、 再由小变大的周期性变化, 此时气体流动 具有很大的不均匀性,这种不均匀气流作用于周32工 艺 与 装备 围介质造成了压力脉动, 形成了气动噪

6、声。 当风机 叶轮逐个扫过进气口与排气口时,气体受到周期 性扰动, 引起压力脉动, 同样产生了噪声。由于风 机叶轮与机壳之间围成封闭的基元容积,在基元 容积与排气口连通一瞬间,风机排气口的高压气 体向基元容积快速回流,使气流受到剧烈冲击与 压缩造成压力脉动, 形成了强烈的气动噪声。 旋转噪声具有确定的基频, 计算式为 f 1=Z n/30(Hz , 其中 Z 为叶轮数, n 为转速 (r/min 。涡流噪声又称紊流噪声,是气体涡流运动产 生的一种非稳定流动噪声。在叶轮及机壳流道表 面,尤其在气流突然减速或速度方向发生突变的 部位, 气体附面层发展到一定程度就会发生脱离, 形成漩涡。内泄漏气体的

7、流动方向与主气流方向 相反, 也会在泄漏间隙两端产生漩涡。 由于气体具 有粘滞性,气流漩涡产生后还会在流动过程中进 一步分裂, 形成一系列更小的涡流。除了上述旋转噪声和涡流噪声外,气动噪声 还包括共鸣声。由于叶轮旋转和气流涡流运动等 因素的影响, 气体压力在很宽的频率范围内脉动。 这种脉动与进 (排 气腔发生声学上的共振, 产生 共鸣声。当共鸣声通过进、 排气口辐射时, 显著增 强气动噪声的某些共振频率成分。机械噪声主要来源于机壳的振动,使机壳发 生振动的原因主要有两个:叶轮的转动不平衡 力, 通过传动构件转移到机壳上, 对机壳产生周期 性的激励;机壳内的涡流强度所决定的压力脉 动, 常与叶片

8、的基频 (即叶片通过频率 有联系, 也 对机壳产生周期性的激励。 风机的风压越高, 这一 激励源越不能忽视。此外, 电动机、 基础振动和管 路振动也会产生机械噪声。1.2噪声源频谱特性几种典型的罗茨风机噪声频谱特性如图 2所 示, 其特点是中低频噪声峰值突出, 高频噪声成分 逐渐减弱。 罗茨风机转速一般为 4903000r/min , 旋转噪声基频为 49300Hz , 使风机噪声呈现低 频特征。 涡流噪声以中高频成分为主, 具有宽频带 特性。共鸣声对中频噪声影响较大。罗茨风机噪声与风量、转速、压力等参数有 关。 一般情况下, 风机风量、 转速与压力升高, 噪声增大。 实验证明 4,当转速与压

9、力相同时, 风量增大 一倍, 噪声增强约 6dB(A ; 压力每升高一个大气压, 噪声增强约 34dB(A ;如果转速增加一倍, 则 噪声增强约 610dB (A 。1.3噪声测量测量罗茨风机噪声的目的就是为了对被测对 象进行噪声等级的分析、 评价或声源识别, 以便采 取适当的措施进行噪声控制。通常罗茨风机的噪 声识别方法有现场测量法、 声功率测量法、 表面振 动测量法等, 其中, 现场测量法是工程实际中常用 的方法。现场测量法通过对数据、频谱的分析确定主 要的噪声辐射源, 方法简便, 测量结果能真实反映 风机的振动与噪声水平, 但易受环境的影响。 声功 率测量法反映噪声源辐射强度与辐射特性,

10、避免 了声压级易受测量距离和测量环境影响的缺点。 振动测量法是根据罗茨风机的表面振动速度来估 计表面辐射声功率,主要困难在于罗茨风机零部 件辐射比的确定,需要测量较多的数据和进行大 量的计算。2罗茨风机噪声控制措施 2.1机械噪声控制方法罗茨风机机械噪声的主要控制方法有:提 高零部件加工与装配精度; 更换滚珠轴承, 或使 用滑动轴承代替滚珠轴承,使转子系统处于动平 衡; 优化基础的隔振支撑; 采用弹性联轴器联 接电动机; 加强对设备的安全维护与保养, 如添 加润滑油、 拧紧连接螺栓、 更换损坏的零部件等。2.2气动噪声控制方法图 2罗茨风机噪声频谱图 Fig.2The frequency of

11、 roots blower noise33现代制造技术与装备 2006第 1期 总第 170期罗茨风机气动噪声的主要控制方法有两种:一是对噪声源进行控制,即从噪声产生的机理出 发降低噪声; 二是控制噪声的传播途径, 通过设置 消声器和吸声材料耗散声波能量。(一 噪声源控制:通过研究转子结构、 进排气 口与管道形状、转子间隙等与气动性能之间的关 系, 设计噪声低、 效率高、 结构紧凑、 节能的新机 型, 也称低噪声结构设计。(1 异形排气口设计:冲破传统的矩形排气口 束缚, 采用具有良好声学性能的异形口, 将开口过 程由突变改为渐变,开口面积由零到最大逐渐过 渡, 延缓了排气口气体压差的变化率,

12、 降低了气体 的冲击噪声。(2 采用扭叶转子:作用与异形排气口类似, 气体的脉动幅度及不均匀度比直叶转子显著减 小, 具有延缓回流过程、 降低排气脉动的优点。 (3 采用三叶轮转子:与二叶型转子比较, 三 叶轮转子每旋转一周输出六个较小的排气容积, 气流脉动平缓, 噪声降低, 在小型机上应用提高了 效率。(二 噪声的传播途径控制:主要有消声和隔 声等措施, 是工程上普遍采用的降噪手段。(1 消声:通过在风机进、 排气管道上安装消 声器降低气流噪声。 消声器应根据风机噪声强度、 频谱特性和降噪要求等因素进行优化设计,具备 消声效果好、 消声频带宽、 阻力损失小、 体积小、 重 量轻、 安装维护方

13、便等特点。(2 隔声:利用隔声构件阻挡空气声传播。安 装消声器后,罗茨风机机械噪声和电动机噪声就 成为主要噪声源,采用隔声罩或隔声间将机组噪 声封闭在局部空间。2.3机械振动控制风机运转不平衡引起基础振动并沿地板和墙 体传播, 激发二次空气噪声。通过优化结构设计, 采用隔振器、 隔振垫、 挠性软接管控制机械振动与 结构噪声, 能够取得显著的减振降噪效果。3低噪声罗茨风机研究展望罗茨鼓风机的发展趋势,主要是进一步提高 效率、 降低噪声、 增强可靠性及扩大应用范围。实 践证明, 在探明罗茨风机噪声产生机理基础上, 采 用低噪声结构设计,是控制罗茨风机噪声有效措 施。 近几年, 国内就低噪声罗茨风机

14、结构设计开展 了很多研究, 主要进展有:(1 封闭容积预进气压缩设计 4:主要是为改 善风机的回流冲击特性提出来的。在基元容积由 进气口向排气口移动的过程中,通过开在机壳或 墙板上的导气孔口, 向其内部预先导入高压气体, 以便在基元容积与排气口连通之前,使其内部压 力逐渐与排气口的压力达到平衡。与传统的压缩 情形相比, 导入预进气后, 排气口的回流冲击强度 大为减弱, 鼓风机的气体动力性噪声得以降低。 实 际应用中,通常从鼓风机的排气口引回一部分气 体, 作为高压预进气导入机壳。 如果将排气口的高 温气体冷却之后再导入基元容积,则不仅可以减 缓排气口的回流冲击,而且还能降低鼓风机的排 气温度,

15、 这种降低排气温度的方法称为逆流冷却。 目前, 由于制造方面的限制, 国内应用极少。 (2 提高风机叶面加工精度 5:采用先进的数 控加工技术, 能够提高风机叶面加工精度, 保证转 子动平衡性能, 减小高速转子系统振动。此外, 还 能够保证啮合时叶面间间隙的均匀性,降低叶面 间气体流动的波动, 从而降低风机的气动噪声。 目 前, 国内在叶面加工方面还存在很多问题, 对影响 加工精度的各种因素理论分析较少,关于叶面叶 型加工的理论分析有待完善。(3 叶轮型线优化设计 4,6:叶轮作为罗茨风机 的心脏零件, 表面形状至关重要。目前, 国内有关 罗茨风机叶轮设计形式多种,包括渐开线、圆弧 线、 摆线

16、、 共轭圆弧线等多种线型组合, 涉及加工 问题, 需要优化设计。4结 语罗茨风机噪声以气动噪声和机械噪声影响为 主。 研究噪声源的特性和产生机理, 是正确选择噪 声控制措施的基本条件。 从声源传播途径考虑, 采 取消声、 隔声、 吸声和隔振等降噪方法, 能够有效 控制噪声污染, 但增加了设备成本与工程投资。 从 结构设计与生产工艺考虑, 通过优化结构设计、 改 进加工方法、 提高装配精度、 选用合理的型号和调 节方式, 能够从根本上消除噪声危害, 不仅降低噪 声, 而且提高风机效率、 降低设备能耗, 仍然是罗 茨风机的主要发展方向。参考文献34! 工 艺 与 装备 于左位,阀 FK 的输出又使

17、 FA 处于左位,阀 FA的输出推动活塞右行;当活塞右行到压下行程阀 a1时, 发出信号使 FK 处于右位, 阀 FK 的输出又 使阀 FA 处于右位,阀 FA 的输出推动活塞左行。 如此, 控制气缸连续往复运动, 使柱塞缸连续输出 压力油。 此回路的特点是采用全气动控制, 适用于 需要防爆防燃等场合。 另外, 该回路也可以采用电 磁阀控制, 此时使阀换向的也必须是电信号, 一般 可采用磁性开关来实现。3气液泵的应用实例 图 3气液泵的应用气液泵在丁基胶打胶机上应用已久,其简图 如图 3所示:当电磁阀的电磁铁断电时, 气液泵的输出压力油进入主油缸的无杆腔,活塞杆伸出推 动胶缸打胶,此时有杆腔的

18、油液经电磁阀至气液转换器; 当电磁阀的电磁铁通电时, 电磁阀换向处 于右位,气液泵的输出经电磁阀进入主油缸的有 杆腔, 活塞杆缩回, 无杆腔油液经换向阀回到气液 转换器。 由于主油缸左右两腔的容积不相等, 故设 气液转换器予以调节。4主要优缺点我们曾在丁基胶打胶机上分别使用过气液泵 和液压站作为动力源, 现针对其使用特点, 简要分 析它们各自的主要优缺点:4.1气液泵 (1 优点:气液泵的主要优点是结构紧凑、 体 积小、 成本较低、 节能、 使用与维护方便, 特别适用 于具有气源的场合;(2缺点:气液泵的输出压力油量较小, 由于 受不断地换向的影响, 故输出流量的连续性较差; 气动系统的排气有噪声。4.2液压站 (1 优点:液压站的压力、 流量参