降低羅茨風(fēng)機(jī)噪音的設(shè)計探討

山東錦工有限公司是一家專業(yè)生產(chǎn)羅茨鼓風(fēng)機(jī)、羅茨真空泵、回轉(zhuǎn)風(fēng)機(jī)等機(jī)械設(shè)備公司，位于有“鐵匠之鄉(xiāng)”之稱的山東省章丘市相公鎮(zhèn)，近年來，錦工致力于新產(chǎn)品的研發(fā)，新產(chǎn)品雙油箱羅茨風(fēng)機(jī)、水冷羅茨風(fēng)機(jī)、油驅(qū)羅茨風(fēng)機(jī)、低噪音羅茨風(fēng)機(jī)，贏得了市場好評和認(rèn)可。

羅茨鼓風(fēng)機(jī)每次吸入、排出的風(fēng)量很大并有突變現(xiàn)象,從而產(chǎn)生較大的噪聲,被稱之為機(jī)械產(chǎn)品的“聲老虎”,特別是在高壓的情況下尤甚,且風(fēng)量越大、壓力越高、轉(zhuǎn)速越快,則噪聲就越大,而現(xiàn)代化大生產(chǎn)又希望羅茨鼓風(fēng)機(jī)能提供更高的壓力和更大的風(fēng)量。為了提高風(fēng)機(jī)性能、降低噪聲污染、滿足環(huán)保要求,工程師們想盡了各種對策。本文從噪聲源著手,在設(shè)計與制造方面提出降低噪聲的一些方法。
噪聲分析
機(jī)械噪聲主要來源于機(jī)殼的振動, 使機(jī)殼發(fā)生振動的原因主要有兩個:①葉輪的轉(zhuǎn)動不平衡力,通過傳動構(gòu)件轉(zhuǎn)移到機(jī)殼上,對機(jī)殼產(chǎn)生周期性的激勵;②機(jī)殼內(nèi)的渦流強(qiáng)度所決定的壓力脈動,常與葉片的基頻(即葉片通過頻率)有聯(lián)系,也對機(jī)殼產(chǎn)生周期性的激勵。風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓越高,這一激勵源越不能忽視。噪聲測量測量羅茨風(fēng)機(jī)噪聲的目的就是為了對被測對象進(jìn)行噪聲等級的分析、評價或聲源識別,以便采取適當(dāng)?shù)拇胧┻M(jìn)行噪聲控制。通常羅茨風(fēng)機(jī)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(jié)果能真實反映風(fēng)機(jī)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(qiáng)度與輻射特性,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(fēng)機(jī)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(fēng)機(jī)零部件輻射比的確定,需要測量較多的數(shù)據(jù)和進(jìn)行大量的計算。
結(jié)構(gòu)設(shè)計
設(shè)計回流孔
在機(jī)殼出風(fēng)端未過轉(zhuǎn)子中心處開一定的U形條孔, 可以減輕出風(fēng)口端的壓力爆發(fā),在葉輪與機(jī)殼、墻板所形成的容腔即將進(jìn)入密閉狀態(tài)時,使出風(fēng)口的高壓氣體有少量部分能回流入容腔,并使容腔與出風(fēng)口氣室形成一定的壓力平衡。同時,當(dāng)葉輪繼續(xù)旋轉(zhuǎn)時,容腔體積變小,壓力增加,又可使得密閉容腔在大量排出氣體前能通過回流孔預(yù)排,這樣既可減少“死角”氣體的渦流噪聲,又可減少排氣時由于壓力過于釋放造成的沖擊噪聲 。
設(shè)計異形進(jìn)出風(fēng)口
傳統(tǒng)羅茨鼓風(fēng)機(jī)的進(jìn)出風(fēng)口為矩形口,吸氣時,整個葉輪外圓同時進(jìn)入密封區(qū),使氣體突然關(guān)閉,排氣時葉輪外圓又同時打開,則高壓氣體突然釋放,使得吸入和排出氣體時都會產(chǎn)生高噪聲并伴有較大振動。將進(jìn)出風(fēng)口設(shè)計成異形口,吸入時的密封和排出時的打開基于開口面積由最大到零和由零到最大,均為漸變,從而延緩了進(jìn)排氣口氣體壓差的變化率,起到削減周期性排氣沖擊噪聲的作用,因此使噪聲低而平穩(wěn)。。
轉(zhuǎn)子串接設(shè)計法
葉輪一般作為一個整體與軸聯(lián)接,若將葉輪沿軸向分成幾段,則構(gòu)成串接轉(zhuǎn)子。每段葉輪具有相同的葉型、直徑,甚至相同的長度。串接時,相鄰兩段葉輪周向錯開一定的角度(兩葉錯開90°,三葉錯開60°) ,并在機(jī)殼內(nèi)或葉輪段間設(shè)置隔板,將其隔成相應(yīng)的段,每一段的工作情況都與單臺鼓風(fēng)機(jī)相似。由于各段葉輪的工作過程有一定的時間差,使氣流脈沖減少,與同長度的單一葉輪相比總排氣流量不變而脈動變得更加平穩(wěn),噪聲也相對較低。
設(shè)計扭曲葉輪
羅茨鼓風(fēng)機(jī)葉輪輪齒一般與軸線平行,即直齒狀,這樣加工、檢測就比較方便,但隨著加工技術(shù)的發(fā)展,還是應(yīng)設(shè)計成扭曲葉輪,即斜齒狀,因為這樣可以增加嚙合線長度。扭葉羅茨鼓風(fēng)機(jī)工作平穩(wěn)、輸氣脈動小、噪聲低,而且工作時具有內(nèi)壓縮過程,與直葉羅茨鼓風(fēng)機(jī)相比效率高、能耗低,是羅茨鼓風(fēng)機(jī)傳統(tǒng)的替代產(chǎn)品。
葉輪曲線的CAD 設(shè)計法
葉輪作為羅茨鼓風(fēng)機(jī)的心臟零件,表面形狀至關(guān)重要,氣體是通過兩個葉輪表面的嚙合,來進(jìn)行吸氣與排氣的。為了使這對葉輪能正常嚙合,葉輪曲線一般都設(shè)計成漸開線、擺線或圓包絡(luò)線。基于設(shè)計及制造工藝,傳統(tǒng)葉輪一般設(shè)計成單一型線,通過數(shù)學(xué)方法計算出各種參數(shù),包括中心距、基圓、壓力角、起始嚙合角等。隨著計算機(jī)及數(shù)控技術(shù)的發(fā)展,CAD 設(shè)計軟件和數(shù)控編程軟件功能也越來越強(qiáng)大,應(yīng)充分利用軟件資源,對葉輪曲線進(jìn)行分段、組合設(shè)計,改掉以往的單一曲線,通過CAD 進(jìn)行模擬、仿真,保證葉輪在任何情況下嚙合時均可有相對固定的間隙。因為這種組合曲線在現(xiàn)代的數(shù)控機(jī)床上編程、加工已不是難事。均勻的葉輪間隙不僅能大大提高平穩(wěn)性、降低噪聲,而且還能保證風(fēng)量、振動、壽命等重要的機(jī)械性能。
制造精度
精度的提高意味著產(chǎn)品成本的增加,但為了滿足所需性能,又不得不提高相應(yīng)方面的精度。下面就為滿足低噪性能方面提出應(yīng)提高的精度。
葉輪表面質(zhì)量及平衡
葉輪表面質(zhì)量主要取決于材質(zhì)及加工質(zhì)量。對于小葉輪,一般選擇鑄鋼或球墨鑄鐵,并與軸鑄成一體,大葉輪選擇HT200 ,粗糙度為Ra3. 2 ,在數(shù)控機(jī)床上加工,取較小的走刀量,可獲得較低的粗糙度;轉(zhuǎn)子平衡至少應(yīng)保證G6. 3 ,最好提高到G5. 6 。
軸承精度
軸承作為易損件,一般的企業(yè)都不愿提高其精度使產(chǎn)品成本增加,這樣往往得不償失。因為低精度軸承產(chǎn)生較大的振動和摩擦,且其作為整個機(jī)器的裝配基準(zhǔn),對整機(jī)性能及其它零部件的壽命都有至關(guān)重要的影響。國外風(fēng)機(jī)的軸承精度一般至少相當(dāng)于我國的C 級標(biāo)準(zhǔn)。
齒輪精度
齒輪間隙、運(yùn)動準(zhǔn)確性、齒向精度等直接決定著葉輪嚙合的均勻性及平穩(wěn)性,齒面粗糙度又是摩擦噪聲的主要來源之一。因此,按國標(biāo)要求齒輪精度應(yīng)保證在7 級以上,而一般機(jī)械加工廠的齒輪加工、檢測手段往往不強(qiáng), 使精度不能滿足要求。所以齒輪加工最好是與專業(yè)的齒輪加工廠協(xié)作。
風(fēng)道質(zhì)量
光滑的風(fēng)道表面能讓氣流順利通過,不僅有利于減少損失,而且能大大減少因氣流流動受阻而帶來的嘯叫聲,因此,管道內(nèi)壁應(yīng)盡量降低粗糙度,減少彎道數(shù)量;進(jìn)出風(fēng)口不宜處于急變流場,應(yīng)由方變圓光滑過渡。若系統(tǒng)中有多個管件,如彎頭、支管等,則它們之間的距離應(yīng)拉開5~10 倍管徑。
采用消聲、隔聲、隔振等措施
除了在結(jié)構(gòu)及制造精度方面控制噪聲外,在軸承、齒輪、密封處應(yīng)使用優(yōu)質(zhì)的潤滑油,進(jìn)出風(fēng)口配設(shè)消聲器,整機(jī)及配套設(shè)備外圍設(shè)計隔聲罩,有條件的地方可將風(fēng)機(jī)置于地下室工作或選擇水下羅茨鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)行隔聲、隔振等。
創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計與噪聲治理
“一種低噪聲羅茨鼓風(fēng)機(jī)”就是針對降低二葉羅茨鼓風(fēng)機(jī)氣動噪聲，在噪聲聲源降噪的產(chǎn)品。其主要結(jié)構(gòu)就是將羅茨鼓風(fēng)機(jī)的排氣口設(shè)計為雙螺旋氣口，并設(shè)有變徑消聲腔。當(dāng)基元容積與排氣口相通時，高壓回流氣體同時從雙螺旋氣口兩側(cè)進(jìn)入基元容積腔內(nèi)，與單螺旋氣口相比，相同時間內(nèi)回流氣體的體積增加一倍，回流流速降低一半，故回流沖擊脈動強(qiáng)度降低，從而降低了噪聲。
不僅如此，雙螺旋氣口使的高壓回流氣體從兩封口同時回流，其沖擊作用在基元容積腔內(nèi)相互作用、相互抵消，最終對風(fēng)機(jī)側(cè)板基本不形成沖擊力，能很好的降低噪聲。與此同時，雙螺旋風(fēng)口降低高壓氣體對葉輪軸的撓度影響，使得運(yùn)行更可靠，這樣的結(jié)構(gòu)，還提高了抗超負(fù)荷的能力。而且，鼓風(fēng)機(jī)內(nèi)部聯(lián)成整體，使其的抗擠壓能力和抗拉伸能力得到很大提高。最后，除了采用以上辦法降低啟動噪聲和機(jī)械噪聲外，還設(shè)計有變徑消聲腔干涉消聲，使得噪聲大大降低。
羅茨風(fēng)機(jī)噪聲以氣動噪聲和機(jī)械噪聲影響為主。研究噪聲源的特性和產(chǎn)生機(jī)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(shè)備成本與工程投資。從結(jié)構(gòu)設(shè)計與生產(chǎn)工藝考慮,通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計、改進(jìn)加工方法、提高裝配精度、選用合理的型號和調(diào)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(fēng)機(jī)效率、降低設(shè)備能耗,仍然是羅茨風(fēng)機(jī)的主要發(fā)展方向。

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