摘要：螺桿壓縮機(jī)的振動(dòng)噪聲問題是目前的研究熱點(diǎn)，本文介紹了螺桿壓縮機(jī)振動(dòng)噪聲產(chǎn)生的機(jī)理，然后從機(jī)械振動(dòng)噪聲和氣流脈動(dòng)兩方面總結(jié)了一些主流的減振降噪方法和技術(shù)。螺桿壓縮機(jī)振動(dòng)噪聲的進(jìn)一步改善，主要應(yīng)在轉(zhuǎn)子材料、轉(zhuǎn)子型線、氣流脈動(dòng)抑制、主動(dòng)振動(dòng)控制和有源降噪等方面深入研究。

 

　　【壓縮機(jī)網(wǎng)】一、引言

　　螺桿壓縮機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便和運(yùn)行可靠等一系列獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于空氣動(dòng)力、制冷、石油、化工、冶金和醫(yī)藥等各領(lǐng)域，但是其帶來的振動(dòng)噪聲問題日益突出，尤其是噪聲污染非常嚴(yán)重，降噪需求日益旺盛。一方面，伴隨著我國(guó)工業(yè)化和城市化的發(fā)展，對(duì)于螺桿壓縮機(jī)的振動(dòng)噪聲要求與標(biāo)準(zhǔn)更加嚴(yán)格；另一方面，隨著螺桿壓縮機(jī)的不斷更新?lián)Q代，性能得到了持續(xù)提升，壓縮機(jī)的振動(dòng)噪聲改善已逐漸成為螺桿壓縮機(jī)技術(shù)發(fā)展需要面臨的新挑戰(zhàn)，同時(shí)也成為了各生產(chǎn)廠家提升其自身產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力的一個(gè)重要“賣點(diǎn)”，尤其是對(duì)于螺桿壓縮機(jī)及其系統(tǒng)的振動(dòng)噪聲有著極其嚴(yán)苛要求的一些特殊應(yīng)用場(chǎng)合。此外，螺桿壓縮機(jī)的振動(dòng)噪聲問題，不僅會(huì)造成噪聲污染，而且還會(huì)影響機(jī)器性能和可靠性[1,2]。因此螺桿壓縮機(jī)減振降噪技術(shù)逐漸成為壓縮機(jī)的核心技術(shù)，振動(dòng)小噪聲低是螺桿壓縮機(jī)未來發(fā)展的一個(gè)重大趨勢(shì)。

 

　　二、振動(dòng)噪聲產(chǎn)生機(jī)理

　　圖1所示為雙螺桿壓縮機(jī)的典型結(jié)構(gòu)，它主要由機(jī)體以及包含在機(jī)體內(nèi)的一對(duì)平行配置的螺旋轉(zhuǎn)子和吸排氣孔口組成。壓縮機(jī)與電動(dòng)機(jī)封裝在同一殼體內(nèi)，電動(dòng)機(jī)與陽轉(zhuǎn)子同軸。在電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，陰、陽轉(zhuǎn)子像齒輪一樣嚙合旋轉(zhuǎn)，由轉(zhuǎn)子齒頂與機(jī)體內(nèi)壁面圍成的工作容積周期性擴(kuò)大和縮小，實(shí)現(xiàn)吸氣、壓縮和排氣過程[3]。

　　根據(jù)螺桿壓縮機(jī)的工作原理，可以將螺桿壓縮機(jī)的振動(dòng)噪聲產(chǎn)生機(jī)理分為機(jī)械接觸產(chǎn)生的機(jī)械性振動(dòng)噪聲和氣流脈動(dòng)誘發(fā)的流體性振動(dòng)噪聲。

 

　　2.1 機(jī)械性振動(dòng)噪聲

　　機(jī)械性噪聲是固體振動(dòng)所產(chǎn)生的，機(jī)械部件運(yùn)行時(shí)在沖擊、摩擦、交變應(yīng)力或磁性應(yīng)力的作用下，各部件互相碰撞、摩擦、振動(dòng)，從而發(fā)聲。螺桿壓縮機(jī)中機(jī)械性振動(dòng)噪聲源來源于轉(zhuǎn)動(dòng)部件，主要為嚙合的轉(zhuǎn)子和支撐的軸承，尤其是陰陽轉(zhuǎn)子嚙合過程中產(chǎn)生的振動(dòng)噪聲是螺桿壓縮機(jī)機(jī)械性振動(dòng)噪聲的主要根源。

　?、?嚙合轉(zhuǎn)子振動(dòng)噪聲

　　陰、陽轉(zhuǎn)子是螺桿壓縮機(jī)的核心部件，在工作過程中既受到徑向和軸向的氣體作用力，又受到傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的作用力以及軸承的支撐力。這些力在螺桿壓縮機(jī)工作過程中周期性的變化，是壓縮機(jī)機(jī)械性振動(dòng)噪聲的激勵(lì)源。在螺桿壓縮機(jī)中，陽轉(zhuǎn)子通過齒面接觸直接驅(qū)動(dòng)陰轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)，嚙合過程中不可避免的產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，輻射機(jī)械噪聲，是主要的機(jī)械性振動(dòng)噪聲激勵(lì)源。在實(shí)際運(yùn)行過程中，由于轉(zhuǎn)子是金屬部件，本身存在撓性，由于加工或者裝配誤差導(dǎo)致的不對(duì)中、不平衡，往往會(huì)引起轉(zhuǎn)動(dòng)過程中的徑向振動(dòng)，產(chǎn)生異響，也都可能成為陰陽轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)過程中振動(dòng)噪聲的激勵(lì)源。

　?、?支撐軸承振動(dòng)噪聲

　　螺桿壓縮機(jī)所用的軸承主要分為滑動(dòng)軸承和滾動(dòng)軸承。滑動(dòng)軸承的振動(dòng)主要是由于潤(rùn)滑不充分或出現(xiàn)異常的摩擦使得油膜破裂而引起金屬間“粘滑”激振導(dǎo)致的；滾動(dòng)軸承的振動(dòng)主要是因?yàn)殡x散的滾動(dòng)體對(duì)滾道的周期性沖擊導(dǎo)致[4]。相比而言，滾動(dòng)軸承的振動(dòng)噪聲大于滑動(dòng)軸承，但滾動(dòng)軸承能夠提供精確的運(yùn)轉(zhuǎn)精度和承受較高的轉(zhuǎn)速，因此在螺桿壓縮機(jī)中主要采用滾動(dòng)軸承來承受軸向和徑向力，而滑動(dòng)軸承一般只應(yīng)用于一些大型的螺桿壓縮機(jī)中。

　　在機(jī)械零部件加工精度和裝配誤差得到有效控制的前提下，螺桿壓縮機(jī)的機(jī)械性振動(dòng)噪聲得到有效控制，相反流體性振動(dòng)噪聲逐漸暴露出來，成為主要的振動(dòng)噪聲源。

　　2.2 流體性振動(dòng)噪聲

　　流體動(dòng)力性噪聲是指流體的流動(dòng)或固體在流體中運(yùn)動(dòng)，引起流體振動(dòng)而產(chǎn)生的噪聲。隨著機(jī)械性振動(dòng)噪聲的深入研究和機(jī)械加工裝配精度的提升，機(jī)械性振動(dòng)噪聲得到有效控制，而氣流脈動(dòng)誘發(fā)的流體性噪聲已經(jīng)成為螺桿壓縮機(jī)的主要噪聲源，按照其產(chǎn)生的位置和特點(diǎn)可以分為齒間容積噪聲、排氣噪聲和吸氣噪聲。

　?、?齒間容積噪聲

　　當(dāng)螺桿壓縮機(jī)處于吸氣結(jié)束后、排氣開始前的狀態(tài)時(shí)，齒間容積并未與吸、排氣孔口連通，在此過程內(nèi)齒間容積與外界的連通通道僅有泄漏三角形、齒頂間隙、嚙合間隙和端面間隙。齒間容積內(nèi)的氣體介質(zhì)隨著齒間容積的減小而不斷被壓縮，同時(shí)少部分介質(zhì)會(huì)通過上述泄漏通道進(jìn)入到相鄰齒間容積或吸氣側(cè)齒間容積，在此過程內(nèi)不僅會(huì)產(chǎn)生流體流動(dòng)噪聲，而且在壓差作用下氣體介質(zhì)通過各間隙內(nèi)的流動(dòng)也會(huì)產(chǎn)生一定的噪聲。當(dāng)齒間容積與噴油、噴液或補(bǔ)氣孔口連通時(shí)，額外的氣液流動(dòng)甚至?xí)?dǎo)致更為劇烈的流動(dòng)噪聲。泄漏三角形的面積較其他泄漏通道的面積而言相對(duì)較大，同時(shí)泄漏三角形前后連接著兩個(gè)壓力不等的齒間容積，這兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的聲學(xué)元件還會(huì)受到外界的激勵(lì)而產(chǎn)生共鳴，導(dǎo)致更大的流體動(dòng)力性噪聲。

　?、?排氣噪聲

　　在轉(zhuǎn)子嚙合腔與排氣孔口連通的初期，在壓差的作用下排氣腔中的高壓氣體會(huì)很快地倒流入嚙合腔導(dǎo)致腔內(nèi)壓力快速升高。在慣性力的作用下會(huì)形成過沖，使得嚙合腔中的壓力要大于排氣壓力，而排氣腔中的壓力則處于低谷。隨著排氣孔口的開度迅速增加和排氣容積的減小，氣體開始向排氣腔流動(dòng)。此時(shí)，流入排氣腔中的氣體速度和排氣腔中氣體壓力的變化較平穩(wěn)，主要受排氣容積變化率和孔口流通面積的影響。

　　排氣過程中，轉(zhuǎn)子嚙合腔相繼進(jìn)行排氣，導(dǎo)致容積周期性的變化，而每個(gè)周期內(nèi)速度和壓力也在各種作用力下產(chǎn)生周期性的變化，形成排氣氣流脈動(dòng)，誘發(fā)氣動(dòng)噪聲。

　?、?吸氣噪聲

　　吸氣噪聲和排氣噪聲具有一定的相似性，工作容積與吸、排氣孔口連通過程中，工作容積周期性的增加或減小，同時(shí)伴隨著工作容積與吸、排氣孔口間連通面積的周期性變化，使得流體流動(dòng)特性變化劇烈，產(chǎn)生較大的氣流脈動(dòng)，誘發(fā)氣動(dòng)噪聲。

　　Sangfors[5]等對(duì)辨識(shí)螺桿壓縮機(jī)主要的振動(dòng)噪聲源開展了大量的研究工作，均指出處于氣流脈動(dòng)基頻及其整數(shù)倍頻率的振動(dòng)噪聲值較大，由于工作容積與吸、排氣孔口周期性連通所引起的氣流脈動(dòng)是螺桿壓縮機(jī)振動(dòng)噪聲的主要誘因。此外，由于處于排氣腔內(nèi)的氣體密度遠(yuǎn)大于吸氣腔內(nèi)的氣體密度，導(dǎo)致排氣氣流脈動(dòng)所誘發(fā)的氣動(dòng)噪聲更為顯著。

 

　　三、振動(dòng)控制技術(shù)

　　螺桿壓縮機(jī)運(yùn)行中陰陽轉(zhuǎn)子相互嚙合，產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，通過軸承將振動(dòng)傳遞到機(jī)殼和機(jī)腳。因此，提高轉(zhuǎn)子加工精度，減小軸系裝配誤差，優(yōu)化支撐軸承游隙等措施可以從振動(dòng)激勵(lì)源頭上抑制螺桿壓縮機(jī)振動(dòng)的產(chǎn)生，設(shè)計(jì)安裝減振墊等措施從振動(dòng)傳遞路徑上進(jìn)一步隔離振動(dòng)的傳遞，從而達(dá)到減小螺桿壓縮機(jī)振動(dòng)的目的。

　　3.1 振動(dòng)激勵(lì)源頭減振

　　① 提高加工精度，減小裝配誤差

　　提高轉(zhuǎn)子加工精度降低轉(zhuǎn)子表面粗糙度和改善裝配工藝減小軸系裝配誤差等措施減小轉(zhuǎn)子嚙合過程中產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)，從源頭上控制壓縮機(jī)的振動(dòng)激勵(lì)源，可以有效降低壓縮機(jī)運(yùn)行過程中產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)。靳春梅等[6]通過實(shí)驗(yàn)研究指出，提高轉(zhuǎn)子的加工精度，由銑削改為磨削，降低了表面粗糙度，使壓縮機(jī)運(yùn)行過程中振動(dòng)得到有效控制，中、高頻噪聲也得到一定程度的降低。

　?、?減小支撐軸承游隙

　　減小支撐軸承游隙，可以提高轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)精度，縮小轉(zhuǎn)子嚙合過程中偏心量，降低高速運(yùn)轉(zhuǎn)過程中轉(zhuǎn)子不平衡質(zhì)量誘發(fā)的振動(dòng)噪聲。殷玉楓等[7]通過理論與實(shí)驗(yàn)研究得出滾動(dòng)軸承的徑向游隙對(duì)軸承振動(dòng)噪聲的影響最為顯著。隨著徑向游隙的加大，振動(dòng)噪聲隨之增強(qiáng)，并呈現(xiàn)很好的線性關(guān)系。

　　3.2 振動(dòng)傳遞路徑隔振

　　① 提高結(jié)構(gòu)件剛度

　　提高機(jī)殼剛度，降低機(jī)殼振動(dòng)響應(yīng)。螺桿壓縮機(jī)機(jī)殼徑向和圓周方向上增加加強(qiáng)筋，可以提高機(jī)殼的剛度，降低機(jī)殼振動(dòng)響應(yīng)，阻礙壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子和軸承的振動(dòng)激勵(lì)傳遞到機(jī)殼上。

　?、?設(shè)計(jì)安裝減振墊

　　設(shè)計(jì)安裝減振墊，隔離螺桿壓縮機(jī)的振動(dòng)傳遞。根據(jù)螺桿壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)子型線、電機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速、自身重量和實(shí)際減振需求，設(shè)計(jì)減振器，安裝到螺桿壓縮機(jī)機(jī)腳上，可以阻礙機(jī)腳振動(dòng)傳遞到安裝基礎(chǔ)面上，有效降低壓縮機(jī)安裝基礎(chǔ)上的振動(dòng)。

 

　　四、噪聲控制技術(shù)

　　螺桿壓縮機(jī)運(yùn)行過程中周期性的吸氣、壓縮和排氣過程不可避免的會(huì)產(chǎn)生氣流脈動(dòng)，進(jìn)而誘發(fā)氣動(dòng)噪聲。隨著機(jī)械性振動(dòng)噪聲的深入研究和機(jī)械加工裝配精度的提升，機(jī)械性振動(dòng)噪聲得到有效控制，而氣流脈動(dòng)誘發(fā)的流體性噪聲已經(jīng)成為螺桿壓縮機(jī)的主要噪聲源。因此，應(yīng)用排氣端面衰減裝置、赫姆霍茲氣流脈動(dòng)衰減腔和穿孔板脈動(dòng)衰減器等措施可以從氣流脈動(dòng)源頭上衰減氣流脈動(dòng)幅值，降低氣流脈動(dòng)誘發(fā)的氣動(dòng)噪聲，設(shè)計(jì)具有雙層壁結(jié)構(gòu)的機(jī)殼和安裝隔聲罩等措施在傳遞路徑上阻礙噪聲的傳遞，可有效降低壓縮機(jī)的整體噪聲。

　　4.1氣流脈動(dòng)誘發(fā)的氣動(dòng)噪聲源頭控制

　?、?排氣端面氣流脈動(dòng)衰減裝置

　　基于聲波干涉原理，設(shè)計(jì)旁支流道產(chǎn)生與管道內(nèi)氣流脈動(dòng)幅值相等，相位相反的旁支氣流脈動(dòng)，兩者相互疊加抵消，從而達(dá)到衰減氣流脈動(dòng)的目的，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。當(dāng)旁支流道長(zhǎng)度為流體介質(zhì)半波長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí)，排氣管內(nèi)氣流脈動(dòng)幅值最小，其衰減效果如圖3所示。