【壓縮機網(wǎng)】摘要：本文首先深入淺出的介紹了空氣壓縮機振動(dòng)噪聲的誘發(fā)機理；然后通過(guò)幾個(gè)實(shí)際應用案例，系統的分析了空氣壓縮機振動(dòng)噪聲產(chǎn)生機理與減振降噪控制技術(shù)解決方案；最后總結了空壓機減振降噪技術(shù)，并展望了空氣壓縮機減振降噪的重點(diǎn)方向。
文/西安交通大學(xué)蘇州研究院 陳文卿
一、振動(dòng)噪聲機理
眾所周知，輕輕敲擊下音叉就能發(fā)聲，雙手一拍也能發(fā)聲，這是因為運動(dòng)的物體或者部件偏離原來(lái)位置，就會(huì )產(chǎn)生振動(dòng)，導致周?chē)目諝饨橘|(zhì)產(chǎn)生壓差，產(chǎn)生噪聲。聲音在我們日常生活中隨處可見(jiàn)，低至樹(shù)葉飄落沙沙時(shí)非常安靜的聲音；高到嫦娥5號點(diǎn)火升空瞬間發(fā)出讓人難以忍受的轟鳴聲。
空壓機噪聲一般屬于較吵和很吵的范圍內，長(cháng)時(shí)間處于很吵的環(huán)境內工作，將對聽(tīng)覺(jué)系統產(chǎn)生不可逆的傷害，其產(chǎn)生機理如圖1所示。
一方面，空壓機轉子等運動(dòng)部件在做回轉運動(dòng)中受力產(chǎn)生振動(dòng)，振動(dòng)又會(huì )通過(guò)軸承和機殼等結構支撐部件向外傳遞，通過(guò)殼體向外輻射噪聲，產(chǎn)生機械性振動(dòng)噪聲。另一方面空壓機工作過(guò)程中，氣體壓力升高，壓力就偏離了原來(lái)的位置，誘發(fā)壓力波動(dòng)（壓差），通過(guò)機殼和管道等部件向外傳遞振動(dòng)，輻射噪聲，產(chǎn)生流致性振動(dòng)噪聲。因此，根據振動(dòng)噪聲的產(chǎn)生機理，空壓機可以劃分為機械性振動(dòng)噪聲和流致性振動(dòng)噪聲，主要來(lái)源于轉子等運動(dòng)部件和氣流脈動(dòng)的誘發(fā)激勵。
高?？蒲袉挝缓托袠I(yè)同仁對空壓機振動(dòng)噪聲控制做了很多研究，從轉子剛度設計、轉子嚙合狀態(tài)、機械部件加工精度，運動(dòng)部件間的裝配間隙等方面入手，降低機械振動(dòng)噪聲源；進(jìn)行結構模態(tài)分析避免共振，采用雙層壁或者加水套或者油套，應用減振墊和選用吸聲效果好的吸聲棉等措施進(jìn)一步阻礙振動(dòng)噪聲的傳遞，機械性振動(dòng)噪聲得到有效控制，相反流致性振動(dòng)噪聲逐漸暴露出來(lái)，成為制約空壓機振動(dòng)噪聲的關(guān)鍵因素。
二、減振降噪技術(shù)
空壓機減振降噪技術(shù)路線(xiàn)是通過(guò)理論計算與試驗研究相結合，持續迭代，不斷優(yōu)化。首先，基于空壓機工作過(guò)程流場(chǎng)計算，將流場(chǎng)的計算結果作為聲學(xué)的激勵，進(jìn)行流場(chǎng)-聲場(chǎng)聯(lián)合仿真，分析預測壓縮機振動(dòng)噪聲特性。其次，通過(guò)試驗研究來(lái)驗證并完善流場(chǎng)及聲場(chǎng)的數值模型，分析壓縮機幾何特性對流場(chǎng)及聲場(chǎng)的影響，將結果反饋到壓縮機減振降噪設計上，如轉子/葉輪型線(xiàn)和間隙、吸排氣流道等部件的優(yōu)化設計，源頭上抑制流致性振動(dòng)噪聲。最后，針對已經(jīng)研發(fā)定型的空壓機產(chǎn)品，開(kāi)發(fā)氣流脈動(dòng)衰減腔、聲波干涉器和穿孔管消聲器等，路徑上衰減流致性振動(dòng)噪聲。
2.1 噴油螺桿空壓機
噴油螺桿壓縮機振動(dòng)噪聲主要來(lái)源于陰陽(yáng)轉子嚙合過(guò)程中產(chǎn)生的機械振動(dòng)，通過(guò)齒輪、軸承和殼體向外傳遞振動(dòng)，輻射噪聲。壓縮機屬于容積式壓縮機，存在內壓縮過(guò)程，不可避免的產(chǎn)生氣流脈動(dòng)，通過(guò)吸氣孔口和排氣孔口向外輻射。隨著(zhù)機械加工裝配精度的提升，機械性振動(dòng)噪聲得到控制，流致性振動(dòng)噪聲成為制約著(zhù)壓縮機振動(dòng)噪聲的主要因素。噴油空壓機噪聲以低頻為主，主要集中在陰陽(yáng)轉子嚙合頻率的前6倍頻，尤其是前4倍頻更為顯著(zhù)。
根據噴油螺桿機振動(dòng)噪聲的特點(diǎn)，基于聲波干涉技術(shù)，在排氣端面上設計一款氣流脈動(dòng)衰減裝置，即利用旁支流道與主流道的流程差，產(chǎn)生兩路幅值相等、相位相反的氣流脈動(dòng)，相互抵消，從排氣源頭上衰減排氣氣流脈動(dòng)，如圖2所示。通過(guò)壓縮機的振動(dòng)噪聲測試分析，結合理論研究，設計出一套定制化的減振降噪技術(shù)方案，使200kW機組法蘭面振動(dòng)下降到10m/s^2以?xún)?，改善?0%，空壓機遠場(chǎng)1m距離處噪聲改善5.0dBA，降低到80dBA以?xún)取?/div>
2.2 無(wú)油螺桿空壓機
相對于噴油壓縮機，無(wú)油壓縮機采用同步齒輪驅動(dòng)，轉子間不接觸，避免了轉子嚙合過(guò)程中機械振動(dòng)噪聲的產(chǎn)生，以氣動(dòng)噪聲為主。但無(wú)油空壓機缺少了潤滑油對波長(cháng)較短的中高頻聲波的衰減，導致中高頻噪聲突出，噪聲頻帶寬，整機噪聲偏大，壓縮機近表噪聲甚至超過(guò)120dBA。此外，無(wú)油機排氣壓力相對較小，需要從型線(xiàn)齒形，排氣流場(chǎng)內壓力變化曲線(xiàn)、溫度變形等方面進(jìn)行優(yōu)化設計，調整齒頂間隙、嚙合間隙和吸排氣端面間隙，力求受力更小，氣流脈動(dòng)更低，從正向設計上抑制噪聲。
因此，根據無(wú)油螺桿空壓機振動(dòng)噪聲特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)內壓縮降噪技術(shù)，在壓縮機升壓過(guò)程中就開(kāi)始衰減氣流脈動(dòng)，降低氣動(dòng)噪聲，此外在排氣管路上研發(fā)出一種寬頻穿孔消聲器，進(jìn)一步衰減空壓機排氣噪聲，如圖3所示。通過(guò)某款無(wú)油壓縮機的振動(dòng)噪聲測試分析，結合理論研究，制定出一套定制化的減振降噪技術(shù)方案。試驗結果表明，應用減振降噪技術(shù)方案后，某款無(wú)油壓縮機應用減振降噪技術(shù)方案后，全轉速下噪聲降低11～16dBA，將所有轉速下噪聲值在85dBA以下。
2.3 離心空壓機
離心壓縮機葉輪與汽缸無(wú)接觸，運動(dòng)部件少，機械噪聲低，氣動(dòng)噪聲成為主要噪聲源。離心機屬于速度式壓縮機，無(wú)內壓縮過(guò)程，氣流脈動(dòng)小，因此，相對于螺桿壓縮機，噪聲值更低。離心機的運行轉速高，噪聲頻率高，尖銳刺耳，主要以轉子轉頻噪聲為主。針對離心壓縮機的振動(dòng)噪聲控制，首先要進(jìn)行正向低噪設計，除了必要的轉子動(dòng)力學(xué)的分析，還要建立全流道的CFD的模型進(jìn)行流場(chǎng)計算，然后把流場(chǎng)的結果和聲場(chǎng)進(jìn)行流場(chǎng)-聲場(chǎng)耦合計算，預測空壓機的噪聲特性。通過(guò)流場(chǎng)和聲場(chǎng)的反復迭代，進(jìn)行結構優(yōu)化設計，確定最佳的氣動(dòng)設計，最小的噪聲設計。
例如葉輪氣動(dòng)設計方面，在葉片的壓力面和吸力面，不能有明顯的低速流團出現，特別是葉輪吸力面容易出現低速流團，這對離心壓縮機噪聲有非常大的不利影響，同樣對性能也有不利影響，如圖4所示。在流道設計方面的一個(gè)基本原則就是在整個(gè)全流道內既不能誘發(fā)新的脈動(dòng)源，又不能放大氣流脈動(dòng)。通過(guò)對離心壓縮機CFD仿真計算的結果分析，蝸舌附近位置處的壓力脈動(dòng)往往較大，需要重點(diǎn)關(guān)注與優(yōu)化。
根據離心空壓機的噪聲特點(diǎn)，基于流場(chǎng)和聲場(chǎng)分析的結果，首先優(yōu)化設計葉輪與蝸殼間的間隙，尤其是葉輪與蝸舌的間隙，從源頭上抑制氣流脈動(dòng)降低氣動(dòng)噪聲，其次設計一款寬頻低阻消聲器，從路徑上進(jìn)一步衰減噪聲，實(shí)驗結果表明，離心機在5～9.6萬(wàn)rpm，降噪10dBA以上。
三、結論與展望
3.1 結論
空壓機振動(dòng)噪聲主要來(lái)源于機轉子旋轉過(guò)程中帶動(dòng)運動(dòng)部件產(chǎn)生的機械性振動(dòng)噪聲和壓縮機升壓過(guò)程中產(chǎn)生氣流脈動(dòng)誘發(fā)的流致性振動(dòng)噪聲；在振動(dòng)噪聲特點(diǎn)上，噴油壓縮機以低頻為主，傳播距離遠，降噪難度大，無(wú)油壓縮機以中高頻噪聲凸顯，頻帶寬，噪聲大；離心壓縮機運行轉速高，以高頻為主。
通過(guò)轉子動(dòng)力學(xué)優(yōu)化設計和關(guān)鍵部件間隙優(yōu)化設計，抑制升壓過(guò)程誘發(fā)的流致性振動(dòng)噪聲，是空壓機減振降噪的有效途徑。研發(fā)氣流脈動(dòng)衰減裝置，設計寬頻消聲器等減振降噪技術(shù)方案有助于進(jìn)一步降低空壓機振動(dòng)噪聲。
3.2 展望
減振降噪是實(shí)現空壓機環(huán)境友好型的一種手段，相信未來(lái)空壓機生產(chǎn)企業(yè)中這是會(huì )經(jīng)常遇到的問(wèn)題和常見(jiàn)被討論的話(huà)題，需要引起更多的關(guān)注，尤其是噪聲問(wèn)題突出的無(wú)油螺桿鼓風(fēng)機。
螺桿鼓風(fēng)機流量大，氣動(dòng)噪聲高，排氣噪聲甚至超過(guò)120dBA，是主要噪聲源。目前常用的阻式消聲器低頻效果差，壓損大，還會(huì )污染潔凈的介質(zhì)；而抗式消聲器管徑大，波長(cháng)較短的中高頻聲波直接通過(guò)排氣管而達不到的降噪效果?；?a href="http://www.668qz.com" target="_blank" class="keylink">鼓風(fēng)機低中高頻噪聲均較突出，針對6000rpm以?xún)葻o(wú)油機研發(fā)一種低阻寬頻的抗式消聲器，綜合降噪效果預計達到30～40dBA。
來(lái)源：本站原創(chuàng )
文/西安交通大學(xué)蘇州研究院 陳文卿
一、振動(dòng)噪聲機理
眾所周知，輕輕敲擊下音叉就能發(fā)聲，雙手一拍也能發(fā)聲，這是因為運動(dòng)的物體或者部件偏離原來(lái)位置，就會(huì )產(chǎn)生振動(dòng)，導致周?chē)目諝饨橘|(zhì)產(chǎn)生壓差，產(chǎn)生噪聲。聲音在我們日常生活中隨處可見(jiàn)，低至樹(shù)葉飄落沙沙時(shí)非常安靜的聲音；高到嫦娥5號點(diǎn)火升空瞬間發(fā)出讓人難以忍受的轟鳴聲。
空壓機噪聲一般屬于較吵和很吵的范圍內，長(cháng)時(shí)間處于很吵的環(huán)境內工作，將對聽(tīng)覺(jué)系統產(chǎn)生不可逆的傷害，其產(chǎn)生機理如圖1所示。
一方面，空壓機轉子等運動(dòng)部件在做回轉運動(dòng)中受力產(chǎn)生振動(dòng)，振動(dòng)又會(huì )通過(guò)軸承和機殼等結構支撐部件向外傳遞，通過(guò)殼體向外輻射噪聲，產(chǎn)生機械性振動(dòng)噪聲。另一方面空壓機工作過(guò)程中，氣體壓力升高，壓力就偏離了原來(lái)的位置，誘發(fā)壓力波動(dòng)（壓差），通過(guò)機殼和管道等部件向外傳遞振動(dòng)，輻射噪聲，產(chǎn)生流致性振動(dòng)噪聲。因此，根據振動(dòng)噪聲的產(chǎn)生機理，空壓機可以劃分為機械性振動(dòng)噪聲和流致性振動(dòng)噪聲，主要來(lái)源于轉子等運動(dòng)部件和氣流脈動(dòng)的誘發(fā)激勵。
高?？蒲袉挝缓托袠I(yè)同仁對空壓機振動(dòng)噪聲控制做了很多研究，從轉子剛度設計、轉子嚙合狀態(tài)、機械部件加工精度，運動(dòng)部件間的裝配間隙等方面入手，降低機械振動(dòng)噪聲源；進(jìn)行結構模態(tài)分析避免共振，采用雙層壁或者加水套或者油套，應用減振墊和選用吸聲效果好的吸聲棉等措施進(jìn)一步阻礙振動(dòng)噪聲的傳遞，機械性振動(dòng)噪聲得到有效控制，相反流致性振動(dòng)噪聲逐漸暴露出來(lái)，成為制約空壓機振動(dòng)噪聲的關(guān)鍵因素。
二、減振降噪技術(shù)
空壓機減振降噪技術(shù)路線(xiàn)是通過(guò)理論計算與試驗研究相結合，持續迭代，不斷優(yōu)化。首先，基于空壓機工作過(guò)程流場(chǎng)計算，將流場(chǎng)的計算結果作為聲學(xué)的激勵，進(jìn)行流場(chǎng)-聲場(chǎng)聯(lián)合仿真，分析預測壓縮機振動(dòng)噪聲特性。其次，通過(guò)試驗研究來(lái)驗證并完善流場(chǎng)及聲場(chǎng)的數值模型，分析壓縮機幾何特性對流場(chǎng)及聲場(chǎng)的影響，將結果反饋到壓縮機減振降噪設計上，如轉子/葉輪型線(xiàn)和間隙、吸排氣流道等部件的優(yōu)化設計，源頭上抑制流致性振動(dòng)噪聲。最后，針對已經(jīng)研發(fā)定型的空壓機產(chǎn)品，開(kāi)發(fā)氣流脈動(dòng)衰減腔、聲波干涉器和穿孔管消聲器等，路徑上衰減流致性振動(dòng)噪聲。
2.1 噴油螺桿空壓機
噴油螺桿壓縮機振動(dòng)噪聲主要來(lái)源于陰陽(yáng)轉子嚙合過(guò)程中產(chǎn)生的機械振動(dòng)，通過(guò)齒輪、軸承和殼體向外傳遞振動(dòng)，輻射噪聲。壓縮機屬于容積式壓縮機，存在內壓縮過(guò)程，不可避免的產(chǎn)生氣流脈動(dòng)，通過(guò)吸氣孔口和排氣孔口向外輻射。隨著(zhù)機械加工裝配精度的提升，機械性振動(dòng)噪聲得到控制，流致性振動(dòng)噪聲成為制約著(zhù)壓縮機振動(dòng)噪聲的主要因素。噴油空壓機噪聲以低頻為主，主要集中在陰陽(yáng)轉子嚙合頻率的前6倍頻，尤其是前4倍頻更為顯著(zhù)。
根據噴油螺桿機振動(dòng)噪聲的特點(diǎn)，基于聲波干涉技術(shù)，在排氣端面上設計一款氣流脈動(dòng)衰減裝置，即利用旁支流道與主流道的流程差，產(chǎn)生兩路幅值相等、相位相反的氣流脈動(dòng)，相互抵消，從排氣源頭上衰減排氣氣流脈動(dòng)，如圖2所示。通過(guò)壓縮機的振動(dòng)噪聲測試分析，結合理論研究，設計出一套定制化的減振降噪技術(shù)方案，使200kW機組法蘭面振動(dòng)下降到10m/s^2以?xún)?，改善?0%，空壓機遠場(chǎng)1m距離處噪聲改善5.0dBA，降低到80dBA以?xún)取?/div>
2.2 無(wú)油螺桿空壓機
相對于噴油壓縮機，無(wú)油壓縮機采用同步齒輪驅動(dòng)，轉子間不接觸，避免了轉子嚙合過(guò)程中機械振動(dòng)噪聲的產(chǎn)生，以氣動(dòng)噪聲為主。但無(wú)油空壓機缺少了潤滑油對波長(cháng)較短的中高頻聲波的衰減，導致中高頻噪聲突出，噪聲頻帶寬，整機噪聲偏大，壓縮機近表噪聲甚至超過(guò)120dBA。此外，無(wú)油機排氣壓力相對較小，需要從型線(xiàn)齒形，排氣流場(chǎng)內壓力變化曲線(xiàn)、溫度變形等方面進(jìn)行優(yōu)化設計，調整齒頂間隙、嚙合間隙和吸排氣端面間隙，力求受力更小，氣流脈動(dòng)更低，從正向設計上抑制噪聲。
因此，根據無(wú)油螺桿空壓機振動(dòng)噪聲特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)內壓縮降噪技術(shù)，在壓縮機升壓過(guò)程中就開(kāi)始衰減氣流脈動(dòng)，降低氣動(dòng)噪聲，此外在排氣管路上研發(fā)出一種寬頻穿孔消聲器，進(jìn)一步衰減空壓機排氣噪聲，如圖3所示。通過(guò)某款無(wú)油壓縮機的振動(dòng)噪聲測試分析，結合理論研究，制定出一套定制化的減振降噪技術(shù)方案。試驗結果表明，應用減振降噪技術(shù)方案后，某款無(wú)油壓縮機應用減振降噪技術(shù)方案后，全轉速下噪聲降低11～16dBA，將所有轉速下噪聲值在85dBA以下。
2.3 離心空壓機
離心壓縮機葉輪與汽缸無(wú)接觸，運動(dòng)部件少，機械噪聲低，氣動(dòng)噪聲成為主要噪聲源。離心機屬于速度式壓縮機，無(wú)內壓縮過(guò)程，氣流脈動(dòng)小，因此，相對于螺桿壓縮機，噪聲值更低。離心機的運行轉速高，噪聲頻率高，尖銳刺耳，主要以轉子轉頻噪聲為主。針對離心壓縮機的振動(dòng)噪聲控制，首先要進(jìn)行正向低噪設計，除了必要的轉子動(dòng)力學(xué)的分析，還要建立全流道的CFD的模型進(jìn)行流場(chǎng)計算，然后把流場(chǎng)的結果和聲場(chǎng)進(jìn)行流場(chǎng)-聲場(chǎng)耦合計算，預測空壓機的噪聲特性。通過(guò)流場(chǎng)和聲場(chǎng)的反復迭代，進(jìn)行結構優(yōu)化設計，確定最佳的氣動(dòng)設計，最小的噪聲設計。
例如葉輪氣動(dòng)設計方面，在葉片的壓力面和吸力面，不能有明顯的低速流團出現，特別是葉輪吸力面容易出現低速流團，這對離心壓縮機噪聲有非常大的不利影響，同樣對性能也有不利影響，如圖4所示。在流道設計方面的一個(gè)基本原則就是在整個(gè)全流道內既不能誘發(fā)新的脈動(dòng)源，又不能放大氣流脈動(dòng)。通過(guò)對離心壓縮機CFD仿真計算的結果分析，蝸舌附近位置處的壓力脈動(dòng)往往較大，需要重點(diǎn)關(guān)注與優(yōu)化。
根據離心空壓機的噪聲特點(diǎn)，基于流場(chǎng)和聲場(chǎng)分析的結果，首先優(yōu)化設計葉輪與蝸殼間的間隙，尤其是葉輪與蝸舌的間隙，從源頭上抑制氣流脈動(dòng)降低氣動(dòng)噪聲，其次設計一款寬頻低阻消聲器，從路徑上進(jìn)一步衰減噪聲，實(shí)驗結果表明，離心機在5～9.6萬(wàn)rpm，降噪10dBA以上。
三、結論與展望
3.1 結論
空壓機振動(dòng)噪聲主要來(lái)源于機轉子旋轉過(guò)程中帶動(dòng)運動(dòng)部件產(chǎn)生的機械性振動(dòng)噪聲和壓縮機升壓過(guò)程中產(chǎn)生氣流脈動(dòng)誘發(fā)的流致性振動(dòng)噪聲；在振動(dòng)噪聲特點(diǎn)上，噴油壓縮機以低頻為主，傳播距離遠，降噪難度大，無(wú)油壓縮機以中高頻噪聲凸顯，頻帶寬，噪聲大；離心壓縮機運行轉速高，以高頻為主。
通過(guò)轉子動(dòng)力學(xué)優(yōu)化設計和關(guān)鍵部件間隙優(yōu)化設計，抑制升壓過(guò)程誘發(fā)的流致性振動(dòng)噪聲，是空壓機減振降噪的有效途徑。研發(fā)氣流脈動(dòng)衰減裝置，設計寬頻消聲器等減振降噪技術(shù)方案有助于進(jìn)一步降低空壓機振動(dòng)噪聲。
3.2 展望
減振降噪是實(shí)現空壓機環(huán)境友好型的一種手段，相信未來(lái)空壓機生產(chǎn)企業(yè)中這是會(huì )經(jīng)常遇到的問(wèn)題和常見(jiàn)被討論的話(huà)題，需要引起更多的關(guān)注，尤其是噪聲問(wèn)題突出的無(wú)油螺桿鼓風(fēng)機。
螺桿鼓風(fēng)機流量大，氣動(dòng)噪聲高，排氣噪聲甚至超過(guò)120dBA，是主要噪聲源。目前常用的阻式消聲器低頻效果差，壓損大，還會(huì )污染潔凈的介質(zhì)；而抗式消聲器管徑大，波長(cháng)較短的中高頻聲波直接通過(guò)排氣管而達不到的降噪效果?；?a href="http://www.668qz.com" target="_blank" class="keylink">鼓風(fēng)機低中高頻噪聲均較突出，針對6000rpm以?xún)葻o(wú)油機研發(fā)一種低阻寬頻的抗式消聲器，綜合降噪效果預計達到30～40dBA。
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