【壓縮機(jī)網(wǎng)】空壓機(jī)振動(dòng)噪聲控制技術(shù)是一門“玄學(xué)”，其產(chǎn)生機(jī)理盤根錯(cuò)節(jié)，影響因素眾多，“剪不斷理還亂”，沒有一套簡(jiǎn)單實(shí)用的方案能包治“百病”。空壓機(jī)主要包括離心式、螺桿式、渦旋式等等，雖然結(jié)構(gòu)形式各異，但是其振動(dòng)噪聲產(chǎn)生機(jī)理和控制技術(shù)仍有諸多相通之處。

　　本文以螺桿空氣壓縮機(jī)為例，分析振動(dòng)噪聲產(chǎn)生原因，探討振動(dòng)噪聲控制技術(shù)，分享振動(dòng)噪聲改善案例。希望能對(duì)大家有所啟發(fā)，共同促進(jìn)壓縮機(jī)行業(yè)振動(dòng)噪聲控制技術(shù)持續(xù)進(jìn)步。

　　一、螺桿空壓機(jī)振動(dòng)噪聲源

　　1.1研究背景

　　2023年10月，生態(tài)環(huán)境部印發(fā)了《關(guān)于開展工業(yè)噪聲排污許可管理工作的通知》，明確將推動(dòng)“十四五”期間工業(yè)噪聲全部納入排污許可證管理。根據(jù)《通知》，凡是屬于《國民經(jīng)濟(jì)行業(yè)分類》中的工業(yè)行業(yè)，依據(jù)《固定污染源排污許可分類管理名錄（2019年版）》應(yīng)申請(qǐng)取得排污許可證或進(jìn)行排污登記的排污單位，都將納入工業(yè)噪聲排污許可管理。對(duì)未按照通知要求依法取得排污許可證排放工業(yè)噪聲的，或未安排污許可證規(guī)定排放工業(yè)噪聲的排污單位依法處罰。

　　工業(yè)噪聲包括泵、風(fēng)機(jī)、空壓機(jī)、冷卻塔、發(fā)電機(jī)、汽輪機(jī)和排氣放空設(shè)備等。噪聲排放限值低，要求嚴(yán)格，對(duì)空壓機(jī)出廠噪聲指標(biāo)提出了更加嚴(yán)苛的要求，如表1所示。

　　螺桿空壓機(jī)經(jīng)歷了從定頻到變頻，從單級(jí)壓縮到兩級(jí)壓縮的發(fā)展歷程。無油壓縮機(jī)的需求也越來越大，因此，小型高速化、高速無油化、高效節(jié)能以及大流量將成為行業(yè)發(fā)展新趨勢(shì)，這給壓縮機(jī)減振降噪帶來新挑戰(zhàn)。若不加強(qiáng)振動(dòng)噪聲控制技術(shù)研究與應(yīng)用，將不可避免增加壓縮機(jī)振動(dòng)噪聲，讓企業(yè)和產(chǎn)品在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中處于不利地位。

　　1.2螺桿空壓機(jī)振動(dòng)噪聲源

　　根據(jù)壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)原理，螺桿空壓機(jī)的振動(dòng)噪聲源包括主機(jī)、管道、油氣桶、通風(fēng)罩、風(fēng)機(jī)和空濾，見圖2。

　　主機(jī)振動(dòng)噪聲又可以分為機(jī)械振動(dòng)噪聲和流致振動(dòng)噪聲，見圖3。機(jī)械振動(dòng)噪聲主要是轉(zhuǎn)子嚙合過程以及軸承回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)過程中部件接觸摩擦產(chǎn)生的振動(dòng)噪聲。流致振動(dòng)噪聲主要是空壓機(jī)工作過程時(shí)，吸氣、壓縮和排氣過程產(chǎn)生的氣流脈動(dòng)所誘發(fā)的振動(dòng)噪聲。

　　二、主機(jī)振動(dòng)噪聲控制技術(shù)

　　2.1機(jī)械振動(dòng)噪聲控制技術(shù)

　?。?）轉(zhuǎn)子嚙合：嚙合間隙過小易導(dǎo)致異常接觸，產(chǎn)生顯著的邊帶頻，通過放大間隙或優(yōu)化工況可進(jìn)行驗(yàn)證。正常情況下，隨著加工技術(shù)的提升、裝配工藝的改善，嚙合間隙得到有效控制，但偶爾也會(huì)遇到一些轉(zhuǎn)子非正常接觸造成振動(dòng)噪聲異常的現(xiàn)象，在嚙合頻率兩側(cè)產(chǎn)生很多邊帶率。轉(zhuǎn)子嚙合異常主要與加工精度和嚙合間隙有關(guān)，間隙過大導(dǎo)致流量減小，產(chǎn)生流致噪聲；間隙過小，容易產(chǎn)生異常接觸。

　　針對(duì)轉(zhuǎn)子異常嚙合造成的振動(dòng)噪聲，可通過放大間隙或者改變工況如溫度和壓力等確認(rèn)。例如剛開機(jī)時(shí)溫度較低，運(yùn)行一段時(shí)間之后，溫度升高，轉(zhuǎn)子嚙合間隙因溫度變形發(fā)生變化，振動(dòng)噪聲將隨之改變。

　　（2）齒輪嚙合：齒輪的加工精度影響轉(zhuǎn)子軸系的動(dòng)平衡，誘發(fā)振動(dòng)噪聲。

　　齒輪是壓縮機(jī)機(jī)械振動(dòng)噪聲的另一個(gè)主要來源，齒輪加工精度和嚙合平穩(wěn)性是關(guān)鍵。相同的齒輪，不同的供應(yīng)商生產(chǎn)加工，齒輪振動(dòng)差異較大，如圖6所示。很多廠家采用螺桿轉(zhuǎn)子和電機(jī)直連的方式取消齒輪，可以徹底消除齒輪嚙合特征頻率，如圖7顯示。從圖中可以看出，采用電機(jī)直連后，齒輪嚙合特征頻率消失，軸向和徑向振動(dòng)均有改善。但是電機(jī)和轉(zhuǎn)子直連，并不能一勞永逸，當(dāng)電機(jī)軸與轉(zhuǎn)子軸不對(duì)中時(shí)也會(huì)出現(xiàn)異常振動(dòng)，尤其是2倍頻振動(dòng)特性顯著升高，見圖8。

　　2.2流致振動(dòng)噪聲控制技術(shù)

　　（1）內(nèi)壓縮共振腔：衰減內(nèi)壓縮過程中的氣流脈動(dòng)，從源頭上抑制氣流脈動(dòng)誘發(fā)的噪聲。壓縮機(jī)工作過程分為吸氣、壓縮和排氣三個(gè)環(huán)節(jié)，由于吸氣壓力較低，脈動(dòng)相對(duì)較小，噪聲不高，但是壓縮和排氣過程脈動(dòng)相對(duì)較大。針對(duì)內(nèi)壓縮過程流致噪聲，研發(fā)設(shè)計(jì)內(nèi)壓縮共振腔，可以起到良好的降噪效果。

　?。?）聲波干涉器：基于聲波干涉原理，將兩路相位差為180°的聲波相互疊加衰減。

　　針對(duì)排氣噪聲，可以設(shè)計(jì)聲波干涉器，在排氣端面上設(shè)計(jì)旁支流道，使兩路氣流脈動(dòng)的波峰和波谷相互疊加，聲波相互抵消，氣流脈動(dòng)會(huì)衰減，噪聲隨之降低。應(yīng)用聲波干涉器后，氣流脈動(dòng)可明顯改善。

　?。?）內(nèi)置消聲器：基于赫姆霍茲共振原理，設(shè)計(jì)穿孔板消聲器，衰減排氣過程中的氣流脈動(dòng)，降低氣流脈動(dòng)誘發(fā)的管道振動(dòng)噪聲。

　?。?）內(nèi)外壓比匹配性：嚴(yán)重的“過壓縮”與“欠壓縮”現(xiàn)象會(huì)誘發(fā)較大的振動(dòng)噪聲。

　　內(nèi)外壓力不匹配的情況下，導(dǎo)致振動(dòng)異常和能效惡化，因此通過永磁變頻電機(jī)降速調(diào)節(jié)流量可以使內(nèi)外壓力更匹配。相同流量下，相對(duì)于滑閥容量調(diào)節(jié)，采用變頻壓縮機(jī)后氣流脈動(dòng)幅值衰減50%，噪聲降低5dBA。

　　2.3減振降噪技術(shù)應(yīng)用

　　（1）兩級(jí)壓縮

　　在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，由于兩級(jí)壓縮機(jī)重心相對(duì)較高，在殼體和排氣座位置可增設(shè)加強(qiáng)筋，提升局部強(qiáng)度；考慮到左右擺動(dòng)，對(duì)支腳位置結(jié)構(gòu)可進(jìn)行優(yōu)化。在氣流脈動(dòng)控制方面，基于壓縮機(jī)的運(yùn)行工況和振動(dòng)噪聲特性，可分別在級(jí)間流道和排氣流道設(shè)計(jì)氣流脈動(dòng)衰減裝置。

　?。?）噴水螺桿壓縮機(jī)

　　對(duì)于噴水螺桿壓縮機(jī)減振降噪，在壓力和溫度作用下，基于壓力場(chǎng)和溫度場(chǎng)計(jì)算轉(zhuǎn)子變形量以及殼體的變形，可優(yōu)化轉(zhuǎn)子嚙合間隙和齒頂間隙。在軸承力和氣體力的作用下，建立振動(dòng)數(shù)值模型，預(yù)測(cè)并優(yōu)化殼體的振動(dòng)響應(yīng)。通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化，殼體振動(dòng)可改善40%。

　　三、機(jī)組振動(dòng)噪聲控制技術(shù)

　　3.1管路系統(tǒng)振動(dòng)噪聲控制技術(shù)

　?。?）管道優(yōu)化

　　優(yōu)化管道結(jié)構(gòu)，減小彎頭數(shù)量，增加彎管半徑有助于降低管道振動(dòng)噪聲。

　　從圖15可以看出，彎管半徑越大，β越小，氣流脈動(dòng)激勵(lì)降低。除了氣流脈動(dòng)激勵(lì)之外，我們還要考慮到管道的結(jié)構(gòu)模態(tài)，避免共振。因此，一方面要抑制氣流脈動(dòng)激勵(lì)源，另一方面要降低管道的振動(dòng)響應(yīng)，通過管道優(yōu)化降低管道噪音。

　?。?）小流量消聲器

　　消聲器應(yīng)用到管路系統(tǒng)后，氣流脈動(dòng)幅值衰減率可超過70%，機(jī)組噪聲改善效果超過8dBA。

　?。?）無油壓縮機(jī)消聲器

　　振動(dòng)噪聲是干式無油壓縮機(jī)的一個(gè)痛點(diǎn)，缺少了潤(rùn)滑油的潤(rùn)滑與吸聲，主機(jī)和管路系統(tǒng)噪聲容易暴露出來。由于主機(jī)壁厚相對(duì)較厚而管道壁厚較薄，排氣管路噪聲突出，甚至超過120dBA。工藝螺桿壓縮機(jī)對(duì)振動(dòng)的要求更高，一旦因?yàn)檎駝?dòng)導(dǎo)致管道出現(xiàn)故障，很可能會(huì)帶來致命的危險(xiǎn)。圖17是通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試分析之后，提出的一種管道消音器。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，振動(dòng)噪聲改善80%以上，噪聲降低20dBA，得到了客戶的認(rèn)可。

　　3.2油氣桶振動(dòng)噪聲控制技術(shù)

　?。?）油氣桶結(jié)構(gòu)優(yōu)化

　　油氣桶主要起分油的效果，但是也會(huì)產(chǎn)生一些異常的噪音。如圖18，含油的壓縮空氣直接吹到油氣桶下面的擋板上，會(huì)產(chǎn)生擾油噪聲，也會(huì)造成壓力損失。因此，提出了兩種避免擾油的結(jié)構(gòu)，一個(gè)是含油壓縮空氣從上面吹入，通過潤(rùn)滑油從中間油孔流出，收集到下面的集油室；另一個(gè)是含油壓縮空氣從邊緣進(jìn)，下面有個(gè)擋油板。經(jīng)此優(yōu)化，油分桶分油效果顯著提升，壓力損失得到改善，氣流擾油噪聲降低，油分桶噪聲可有效降低。

　　3.3風(fēng)機(jī)振動(dòng)噪聲控制技術(shù)

　　在風(fēng)機(jī)選型上，一般情況下，離心風(fēng)機(jī)比軸流風(fēng)機(jī)的噪聲要低。在風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)方面，可以從葉輪和蝸殼上進(jìn)行優(yōu)化。

　　3.4空濾噪聲控制技術(shù)

　　空濾噪聲主要是由于空氣流速過大導(dǎo)致，可以通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)，適當(dāng)增加過濾面積，降低流速，降低空濾的氣動(dòng)噪聲。

　　3.5隔聲罩噪聲優(yōu)化技術(shù)

　　隔聲罩設(shè)計(jì)，門板是一個(gè)著眼點(diǎn)，要加強(qiáng)密封設(shè)計(jì)，防止漏聲。另外，吸聲材料性能越好降噪效果越大。但是還需兼顧成本，不能一味增加吸聲材料的投入。因此，需要測(cè)試吸聲材料的吸聲性能，針對(duì)不同的噪聲特性，選擇合適的吸聲材料和門板厚度，實(shí)現(xiàn)降噪效果和成本的平衡。此外，隔聲罩需要考慮密封設(shè)計(jì)，減少漏聲現(xiàn)象；優(yōu)化通風(fēng)罩設(shè)計(jì)，也可降低漏聲量。

　　總結(jié)與展望

　　在“雙碳目標(biāo)”背景下，伴隨著壓縮機(jī)節(jié)能減排快速推進(jìn)，減振降噪的重要性也與日俱增?？諌簷C(jī)振動(dòng)噪聲主要來源于主機(jī)、進(jìn)氣系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、油路系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)，而主機(jī)振動(dòng)噪聲來源于轉(zhuǎn)子及齒輪嚙合過程中產(chǎn)生的機(jī)械性振動(dòng)噪聲和氣體壓縮過程中氣流脈動(dòng)誘發(fā)的流致性振動(dòng)噪聲，通過殼體向外傳遞與輻射。因此，優(yōu)化吸排氣流道，開發(fā)內(nèi)壓縮共振腔、聲波干涉器和穿孔管消聲器等措施可降低主機(jī)振動(dòng)噪聲；優(yōu)化管道結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)管路消聲器，改善氣路系統(tǒng)的振動(dòng)噪聲，優(yōu)化隔聲罩等措施，可從路徑上衰減振動(dòng)噪聲，實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)振動(dòng)噪聲的預(yù)期目標(biāo)。

　　無油鼓風(fēng)機(jī)、工藝螺桿壓縮機(jī)將是未來行業(yè)產(chǎn)品發(fā)展的趨勢(shì)之一，這些領(lǐng)域的振動(dòng)噪聲問題也非常突出。因此，在優(yōu)化氣流脈動(dòng)誘發(fā)的氣動(dòng)噪聲方面，還有很多工作值得我們一起去探討。

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