螺桿壓縮機噪聲研究與控制6步驟

    圖1是一臺典型的噴油螺桿空氣壓縮機。螺桿壓縮機屬于容積式旋轉壓縮機，它的基本工作原理是靠相互嚙合的一對齒的分開與咬合來改變齒間容積的變化，以達到輸送和壓縮氣體的目的，其工作原理如圖2。

圖1 噴油螺桿空氣壓縮機結構圖

  
圖2 螺桿壓縮機工作原理示意圖 

    由這種工作原理可知，氣體狀態在機體內是不斷的循環變化的，同時旋轉部件的轉動和相互作用不可避免的存在，這些因素不僅會造成機體和系統的振動，同時還產生不同頻率和強度的壓力波。因此螺桿壓縮機的噪聲必然是與之共存的，不可能完全消除，而只能盡量減少工作過程中產生的振動和壓力波所帶來的噪聲或者將之限制在系統之內。活塞壓縮機 噪聲  空氣壓縮機  制冷壓縮機  壓縮機噪音  空調壓縮機  螺桿壓縮機 
    就噪聲形成機制而言，必不可少的三個環節是聲形成、聲傳播、聲輻射。因此，噪聲控制必須針對每個環節分別采取相應的措施。前提是必須對所研究機器的主要噪聲源形成機制、傳播途徑和輻射特性建立較為完整的認識，然后分析每個環節的特性、規律以及對噪聲的貢獻大小。其中，最根本的是對噪聲源的識別，和對其產生機制的認識與規律的把握。
    對于一個完整的螺桿壓縮系統來說，動力的轉換是在壓縮機內進行的，一切的噪聲都源于壓縮機本身，因此螺桿壓縮機本身噪聲源的辨別、噪聲產生機制和特性的研究是螺桿壓縮機噪聲控制的基礎。
研究回顧
    螺桿壓縮機開始廣泛使用的時間并不長，因此對于其噪聲的研究時間相對活塞機來說不長。總體看，國內外專門從事這方面深入研究的人還比較少。
    國外對于螺桿壓縮機噪聲的研究起步較早，伴隨著螺桿壓縮機設計理論的發展就已經逐步開始對其振動和噪聲進行研究，研究的主體是制造廠家和研究機構。主要的研究方法是憑借自身的檢測手段優勢進行了廣泛、大量的實驗，在此基礎上編制噪聲模擬和預測軟件，并以模擬計算輔以實驗驗證展開深入的研究，同時針對螺桿壓縮機噪聲的特點進行了降低噪聲的工作，取得了良好的效果。文獻[1]對螺桿制冷壓縮機進行了廣泛的振動與噪聲測試，文獻[2, 3]對螺桿壓縮機排氣脈動噪聲進行了模擬，并用實驗的方法來驗證。
    國內對螺桿壓縮機噪聲的研究工作以企業為主，他們迫于市場競爭的需要紛紛開始重視壓縮機系統的噪聲控制。總體來說，國內的螺桿壓縮機噪聲研究和控制還處在初級階段，對噪聲形成機理、特性的認識還很少，采用的降噪方法還比較單一。以下分幾個方面對這些工作進行總結概括。 
    
測量分析方法
    對噪聲研究的基礎是必須有足夠的方法和手段來獲得盡可能多的原始數據，并對這些數據進行有效的加工處理。螺桿壓縮機存在于壓縮系統中，如圖3所示典型的螺桿空氣壓縮系統包括，電動機、傳動機構、壓縮機、吸氣過濾器、排氣管道路、油分離器、冷卻器等。要對壓縮機本身進行噪聲分析，首先就要能夠將壓縮機產生的噪聲從整個系統噪聲中分離出來。

 
圖3 螺桿空氣壓縮系統

    噪聲信號的測量與分析的方法有很多，但是對于螺桿壓縮機來說，大多數的測量場所沒有辦法嚴格的滿足理想的聲學測量要求。目前主要采取的測量和信號分析方法有近場測量法、頻譜分析法、相關性分析法。 
    近場測量法是用聲級計貼近壓縮機表面掃描，根據聲級計的指示值大小來確定噪聲源的部位。這種方法簡單易行，使用廣泛，但是它的正確性是有條件的。傳聲器測得的聲級主要是最靠近的某個噪聲源的貢獻，其它噪聲源對測量值的影響很小。由于靠近總是相對的，一個聲場總是要受到附近生源的影響（尤其是在較強的混響場內），因此這種方法不能夠提供精確的測量值，通常用作噪聲源和主要發生部位的一般識別或精確測量前的粗定位。
    螺桿壓縮機噪聲包含著許多不同頻率的分量，這些分量按頻率連續分布。為了更細致的分析噪聲源，需要掌握噪聲隨頻率的分布情況，即頻譜，這就是頻譜分析法。常用的是倍頻分析和基于傅立葉變換的頻域分析。倍頻分析儀一般與聲級計結合，能夠實時進行噪聲的頻譜分析，通常使用的是倍頻程和1/3倍頻程分析儀。但是倍頻分析較為粗糙，對于高頻范圍的噪聲仍然不能夠確切的分析。對噪聲信號最有效的頻率分析方法是基于快速傅立葉變換（FFT）的頻譜分析。螺桿壓縮機的噪聲頻譜中可以找到與轉速和轉子齒數相關的純音峰值，并且這個峰值存在一系列的諧波，因此對測得的噪聲信號進行純音峰值的分析，可以識別其主要的噪聲源并對其進行跟蹤研究。這種方法可以對連續的噪聲信號在整個頻率范圍內進行分析。圖4是一臺螺桿空氣壓縮系統的頻譜圖[4]。

 
　圖4 螺桿空氣壓縮系統噪聲頻譜

    相關性分析就是同時采集噪聲信號和其它信號，如振動信號、壓力信號，通過對比噪聲信號與它們的相關性來判斷噪聲源及其特性的方法。螺桿壓縮機的動態壓力變化、振動和噪聲是相互關聯的，通過綜合聯系對比，能夠更好的判斷和掌握噪聲源及其規律。
    另外，基于時域和頻域的小波分析、更簡便的聲強分析法也正在發展中，它們的出現不但提供了更多的噪聲分析手段，同時為壓縮機的實時監控和故障診斷提供了工具。無論是哪種方法，對螺桿壓縮機噪聲的測量與分析都是不是一蹴而就的，它需要將各種手段、方法綜合的運用，取長補短。 
   

噪聲的產生
    螺桿壓縮機的噪聲按產生機理可以分為流體動力性噪聲和機械性噪聲。流體動力性噪聲是流體的流動或物體在流體中運動而引起流體振動而產生的。機械性噪聲是由固體振動產生的，在沖擊、摩擦、交變應力或磁性應力等作用下，引起機械設備中構件及部件碰撞、摩擦、振動等產生的。
1。螺桿壓縮機流體動力性噪聲
    流體動力性噪聲主要有吸氣孔口氣流脈動噪聲、排氣孔口氣流脈動噪聲、氣體在機體內流動和氣柱共鳴噪聲。
    吸氣過程中，相互嚙合的轉子脫離嚙合使得齒間容積擴大，吸氣腔內的壓力低于吸氣壓力，氣體快速填充進來。隨著轉子的旋轉進入下一個過程，當下一對齒開始脫嚙時這個過程再次重復，這就造成了吸氣孔口周期性的壓力脈動，從而產生噪聲。
    排氣孔口與吸氣孔口的情況類似，當排氣孔口打開的時候，齒間容積與排氣腔存在壓力差，而這個過程由于轉子齒的間歇性的掃過而重復，造成排氣壓力脈動，從而產生噪聲。排氣孔口的壓力脈動與吸氣孔口不同的是，齒間容積內的壓力可能大于排氣壓力，也可能會小于排氣壓力，因此它的情況比較復雜。
    吸、排氣的脈動不但本身產生噪聲，同時會使轉子——軸承產生振動，并可能引發其它部件的共振，從而激勵新的噪聲源。尤其是排氣脈動，向下游排放的過程中它會激勵管道系統，形成多個噪聲源。文獻[ 2, 3, 4, 5]都認為排氣脈動是螺桿壓縮機最主要的噪聲源，圖5 [4]。此外，隨著轉子的快速旋轉，齒間容積內氣體的高速流動以及機殼內的氣柱共鳴也會產生噪聲。

 
圖5 螺桿空氣壓縮機吸、排氣孔口噪聲頻譜

2 。螺桿壓縮機機械性性噪聲
    機械性噪聲主要是由壓縮機內固體振動引發，包括轉子系統轉動不平衡引起的振動、轉子碰撞和摩擦引起的振動、軸承引起的振動、傳動或同步齒輪引起的振動、滑閥的振動等。這些振動同時會通過軸承傳遞到殼體，進一步激發殼體的振動，從而向外部輻射聲能。
    螺桿壓縮機中一對轉子在動平衡不好的情況下旋轉中會引起較大的振動，嚴重時甚至可能導致轉子的損壞。轉子齒的分度精度、表面粗糙度和缺陷都會帶來相應的振動，文獻[1]提到六齒陰轉子中三個齒厚度不均造成的噪聲圖6。

    在運行過程中，陰陽轉子齒面間的作用力是周期變化的，在整個轉子齒面非均勻分布，陰、陽轉子齒面會相互碰撞、摩擦引起振動而產生噪聲。
    軸承的振動與軸承本身精度、裝配質量等相關。尤其是滾動軸承，由于其內的滾動體是不連續，在滾動過程中交變力作用下必然會發生振動，誘發噪聲。
    無油壓縮機都帶有同步齒輪，而有些螺桿壓縮機自身帶增速齒輪箱。齒輪的情況與螺桿轉子類似，也會產生與轉速和齒數相關的振動和噪聲。另外齒輪的裝配精度及其與轉子配合后轉動系統的動平衡精度都可能引起相應的振動。
    文獻[1]的測試表明，制冷壓縮機內滑閥有時會在基頻處振動，通過作用于殼體，這種振動極端情況下會造成巨大的噪聲。
    總之，螺桿壓縮機內誘發噪聲的因素很多，它們交織在一起，相互影響，不過所有的因素最終向外界輻射能量的途徑主要是機體表面振動和吸、排氣脈動。

噪聲特性
    總的來說，壓力脈動和轉子振動是螺桿壓縮機主要的噪聲來源，脈動和振動越強烈產生的噪聲越大，并且都與轉子轉動的基頻（主動轉子轉速與齒數的乘積）和其諧波相關，其中前兩次諧波影響最大[1, 2, 3, 6]。因為研究者們一致認為螺桿壓縮機最主要的噪聲源是氣流脈動，尤其是排氣孔口的脈動，因此許多研究工作都側重于排氣孔口壓力脈動以及各種參數對它的影響。關于螺桿壓縮機噪聲特性研究主要的結論如下：
    轉子的齒數越多噪聲就越小；扭轉角改變50度排氣噪聲就減小越1dB；長/徑比的變化不會對噪聲的大小產生影響[3]。
    當壓縮過程開始，齒間容積內壓力上升的時候，會在局部區域引起轉子碰撞振動的加劇，從而增大噪聲[7]。
    轉子之間及轉子與殼體之間間隙的變化會影響泄漏，從而對噪聲產生影響。間隙的減小會造成排氣口噪聲的增加，但是這種影響并不是很大[3]。
    壓縮工質的類型的改變會對壓縮機噪聲產生顯著的影響[1]。
    轉子腔內的油對噪聲油衰減作用，但主要是對三次以上的高次諧波[1, 3]。噴油量對大型螺桿制冷壓縮機整體噪聲的影響有時會達到幾個分貝[1]。
    排氣孔口處少許的欠壓縮會減小氣流脈動，而過壓縮越大則脈動越強烈，但是當欠壓縮達到一定程度時，其產生的影響將會和過壓縮一樣[5]。總的來說，隨著排氣壓力的升高，齒間容積內壓力與排氣孔口壓力差增大，噪聲會加強[3]。
    在不同的負荷下，螺桿壓縮機主要的噪聲源有所變化。在較高的負荷下，轉子的振動有所降低，排氣脈動是主要的噪聲源；在較低的負荷下，轉子振動加強，成為主要的噪聲源[6]。

噪聲的控制
    螺桿壓縮機噪聲控制的工作主要
    以生產廠家為主，針對自己的產品進行實驗改進，見于文獻介紹的較少。主要的方法：
    （1）減小或阻斷噪聲通過機殼向外界的傳播，這是目前較為普遍采用的方法。一般是在機體外部加隔聲罩，國外一些公司在殼體噪聲模擬的基礎上采用雙層殼體結構來阻斷噪聲的輻射。文獻[8]通過增加殼體剛度和加裝減震器降低殼體的振動，從而降低了噪聲。
    （2）優化排氣結構、在排氣管路上安裝消聲裝置，以減小排氣壓力脈動產生的噪聲。如文獻[9]利用小孔消聲的原理將半封螺桿壓縮機排氣管的消聲結構改為多孔結構，從而降低了壓縮機整體噪聲，并使得該壓縮機在部分負荷和滿負荷時噪聲基本一致。
    （3）通過改變轉子幾何參數、提高轉子制造和裝配精度等措施減小轉子運轉過程中的振動，達到減小噪聲的目的。文獻[10]在實驗研究的基礎上改變轉子的齒型，減小轉子轉動過程中的齒面接觸力，使得各負荷下轉子的振動平穩，噪聲穩定。文獻[9, 11]提高轉子的加工精度，由銑削改為磨削，降低了表面粗糙度，使壓縮機的中、高頻噪聲得到一定程度的降低。

研究展望
    以上只是關于螺桿壓縮機噪聲研究與控制狀況的概述，目前國內外的研究依然在進行，而且越來越多的研究者開始對這個問題感興趣。我們國內對于螺桿壓縮機噪聲的研究與控制目前仍處于起步階段，不過壓縮機行業內的企業對這個問題重視的程度開始加深，更加注意與研究機構的聯合研究。
    西安交通大學一直致力于螺桿壓縮機的研究，取得了一系列的成績。在螺桿壓縮機熱力學和動力學模擬、噴油研究、排氣壓力脈動研究的基礎上，將會在螺桿壓縮機噪聲控制方面發揮自己的特長，相信會取得一定的成績。
    螺桿壓縮機的主要噪聲源是排氣脈動和轉子振動，而排氣脈動與轉子幾何參數和運行工況息息相關，同時又與熱力性能相互影響。因此，研究工作必須在幾何和熱力學模擬的基礎上細化，對排氣脈動展開進一步深入的研究，把模擬與實驗相結合，目標是建立結合幾何參數、與運行工況相關的排氣脈動預測模型。另一方面，開發新的轉子型線，以減小轉子間的接觸力，并使其在不同工況下更平穩。如果能夠將排氣脈動產生的噪聲用軟件來模擬預測，那么將會對壓縮機的設計產生重大的影響，因此在排氣脈動研究的基礎上將進一步開發脈動噪聲預測軟件。

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