【壓縮機網(wǎng)】空壓機振動噪聲控制技術(shù)是一門“玄學”，其產(chǎn)生機理盤根錯節(jié)，影響因素眾多，“剪不斷理還亂”，沒有一套簡單實用的方案能包治“百病”。空壓機主要包括離心式、螺桿式、渦旋式等等，雖然結(jié)構(gòu)形式各異，但是其振動噪聲產(chǎn)生機理和控制技術(shù)仍有諸多相通之處。
本文以螺桿空氣壓縮機為例，分析振動噪聲產(chǎn)生原因，探討振動噪聲控制技術(shù)，分享振動噪聲改善案例。希望能對大家有所啟發(fā)，共同促進壓縮機行業(yè)振動噪聲控制技術(shù)持續(xù)進步。
一、螺桿空壓機振動噪聲源
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“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）》應申請取得排污許可證或進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、風機、空壓機、冷卻塔、發(fā)電機、汽輪機和排氣放空設(shè)備等。噪聲排放限值低，要求嚴格，對空壓機出廠噪聲指標提出了更加嚴苛的要求，如表1所示。
螺桿空壓機經(jīng)歷了從定頻到變頻，從單級壓縮到兩級壓縮的發(fā)展歷程。無油壓縮機的需求也越來越大，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，這給壓縮機減振降噪帶來新挑戰(zhàn)。若不加強振動噪聲控制技術(shù)研究與應用，將不可避免增加壓縮機振動噪聲，讓企業(yè)和產(chǎn)品在市場競爭中處于不利地位。
1.2螺桿空壓機振動噪聲源
根據(jù)壓縮機結(jié)構(gòu)原理，螺桿空壓機的振動噪聲源包括主機、管道、油氣桶、通風罩、風機和空濾，見圖2。
主機振動噪聲又可以分為機械振動噪聲和流致振動噪聲，見圖3。機械振動噪聲主要是轉(zhuǎn)子嚙合過程以及軸承回轉(zhuǎn)運動過程中部件接觸摩擦產(chǎn)生的振動噪聲。流致振動噪聲主要是空壓機工作過程時，吸氣、壓縮和排氣過程產(chǎn)生的氣流脈動所誘發(fā)的振動噪聲。
二、主機振動噪聲控制技術(shù)
2.1機械振動噪聲控制技術(shù)
?。?）轉(zhuǎn)子嚙合：嚙合間隙過小易導致異常接觸，產(chǎn)生顯著的邊帶頻，通過放大間隙或優(yōu)化工況可進行驗證。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，但偶爾也會遇到一些轉(zhuǎn)子非正常接觸造成振動噪聲異常的現(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。
針對轉(zhuǎn)子異常嚙合造成的振動噪聲，可通過放大間隙或者改變工況如溫度和壓力等確認。例如剛開機時溫度較低，運行一段時間之后，溫度升高，轉(zhuǎn)子嚙合間隙因溫度變形發(fā)生變化，振動噪聲將隨之改變。
?。?）齒輪嚙合：齒輪的加工精度影響轉(zhuǎn)子軸系的動平衡，誘發(fā)振動噪聲。
齒輪是壓縮機機械振動噪聲的另一個主要來源，齒輪加工精度和嚙合平穩(wěn)性是關(guān)鍵。相同的齒輪，不同的供應商生產(chǎn)加工，齒輪振動差異較大，如圖6所示。很多廠家采用螺桿轉(zhuǎn)子和電機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，采用電機直連后，齒輪嚙合特征頻率消失，軸向和徑向振動均有改善。但是電機和轉(zhuǎn)子直連，并不能一勞永逸，當電機軸與轉(zhuǎn)子軸不對中時也會出現(xiàn)異常振動，尤其是2倍頻振動特性顯著升高，見圖8。
2.2流致振動噪聲控制技術(shù)
?。?）內(nèi)壓縮共振腔：衰減內(nèi)壓縮過程中的氣流脈動，從源頭上抑制氣流脈動誘發(fā)的噪聲。壓縮機工作過程分為吸氣、壓縮和排氣三個環(huán)節(jié)，由于吸氣壓力較低，脈動相對較小，噪聲不高，但是壓縮和排氣過程脈動相對較大。針對內(nèi)壓縮過程流致噪聲，研發(fā)設(shè)計內(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。
針對排氣噪聲，可以設(shè)計聲波干涉器，在排氣端面上設(shè)計旁支流道，使兩路氣流脈動的波峰和波谷相互疊加，聲波相互抵消，氣流脈動會衰減，噪聲隨之降低。應用聲波干涉器后，氣流脈動可明顯改善。
?。?）內(nèi)置消聲器：基于赫姆霍茲共振原理，設(shè)計穿孔板消聲器，衰減排氣過程中的氣流脈動，降低氣流脈動誘發(fā)的管道振動噪聲。
?。?）內(nèi)外壓比匹配性：嚴重的“過壓縮”與“欠壓縮”現(xiàn)象會誘發(fā)較大的振動噪聲。
內(nèi)外壓力不匹配的情況下，導致振動異常和能效惡化，因此通過永磁變頻電機降速調(diào)節(jié)流量可以使內(nèi)外壓力更匹配。相同流量下，相對于滑閥容量調(diào)節(jié)，采用變頻壓縮機后氣流脈動幅值衰減50%，噪聲降低5dBA。
2.3減振降噪技術(shù)應用
?。?）兩級壓縮
在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，由于兩級壓縮機重心相對較高，在殼體和排氣座位置可增設(shè)加強筋，提升局部強度；考慮到左右擺動，對支腳位置結(jié)構(gòu)可進行優(yōu)化。在氣流脈動控制方面，基于壓縮機的運行工況和振動噪聲特性，可分別在級間流道和排氣流道設(shè)計氣流脈動衰減裝置。
?。?）噴水螺桿壓縮機
對于噴水螺桿壓縮機減振降噪，在壓力和溫度作用下，基于壓力場和溫度場計算轉(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，建立振動數(shù)值模型，預測并優(yōu)化殼體的振動響應。通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化，殼體振動可改善40%。
三、機組振動噪聲控制技術(shù)
3.1管路系統(tǒng)振動噪聲控制技術(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噪聲。
從圖15可以看出，彎管半徑越大，β越小，氣流脈動激勵降低。除了氣流脈動激勵之外，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激勵源，另一方面要降低管道的振動響應，通過管道優(yōu)化降低管道噪音。
?。?）小流量消聲器
消聲器應用到管路系統(tǒng)后，氣流脈動幅值衰減率可超過70%，機組噪聲改善效果超過8dBA。
?。?）無油壓縮機消聲器
振動噪聲是干式無油壓縮機的一個痛點，缺少了潤滑油的潤滑與吸聲，主機和管路系統(tǒng)噪聲容易暴露出來。由于主機壁厚相對較厚而管道壁厚較薄，排氣管路噪聲突出，甚至超過120dBA。工藝螺桿壓縮機對振動的要求更高，一旦因為振動導致管道出現(xiàn)故障，很可能會帶來致命的危險。圖17是通過現(xiàn)場測試分析之后，提出的一種管道消音器。實驗結(jié)果表明，振動噪聲改善80%以上，噪聲降低20dBA，得到了客戶的認可。
3.2油氣桶振動噪聲控制技術(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，會產(chǎn)生擾油噪聲，也會造成壓力損失。因此，提出了兩種避免擾油的結(jié)構(gòu)，一個是含油壓縮空氣從上面吹入，通過潤滑油從中間油孔流出，收集到下面的集油室；另一個是含油壓縮空氣從邊緣進，下面有個擋油板。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風機振動噪聲控制技術(shù)
在風機選型上，一般情況下，離心風機比軸流風機的噪聲要低。在風機設(shè)計方面，可以從葉輪和蝸殼上進行優(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致，可以通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)，適當增加過濾面積，降低流速，降低空濾的氣動噪聲。
3.5隔聲罩噪聲優(yōu)化技術(shù)
隔聲罩設(shè)計，門板是一個著眼點，要加強密封設(shè)計，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，需要測試吸聲材料的吸聲性能，針對不同的噪聲特性，選擇合適的吸聲材料和門板厚度，實現(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，減少漏聲現(xiàn)象；優(yōu)化通風罩設(shè)計，也可降低漏聲量。
總結(jié)與展望
在“雙碳目標”背景下，伴隨著壓縮機節(jié)能減排快速推進，減振降噪的重要性也與日俱增?？諌簷C振動噪聲主要來源于主機、進氣系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、油路系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)，而主機振動噪聲來源于轉(zhuǎn)子及齒輪嚙合過程中產(chǎn)生的機械性振動噪聲和氣體壓縮過程中氣流脈動誘發(fā)的流致性振動噪聲，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振動噪聲；優(yōu)化管道結(jié)構(gòu)，設(shè)計管路消聲器，改善氣路系統(tǒng)的振動噪聲，優(yōu)化隔聲罩等措施，可從路徑上衰減振動噪聲，實現(xiàn)空壓機振動噪聲的預期目標。
無油鼓風機、工藝螺桿壓縮機將是未來行業(yè)產(chǎn)品發(fā)展的趨勢之一，這些領(lǐng)域的振動噪聲問題也非常突出。因此，在優(yōu)化氣流脈動誘發(fā)的氣動噪聲方面，還有很多工作值得我們一起去探討。
來源：本站原創(chuàng)
【壓縮機網(wǎng)】空壓機振動噪聲控制技術(shù)是一門“玄學”，其產(chǎn)生機理盤根錯節(jié)，影響因素眾多，“剪不斷理還亂”，沒有一套簡單實用的方案能包治“百病”。空壓機主要包括離心式、螺桿式、渦旋式等等，雖然結(jié)構(gòu)形式各異，但是其振動噪聲產(chǎn)生機理和控制技術(shù)仍有諸多相通之處。
本文以螺桿空氣壓縮機為例，分析振動噪聲產(chǎn)生原因，探討振動噪聲控制技術(shù)，分享振動噪聲改善案例。希望能對大家有所啟發(fā)，共同促進壓縮機行業(yè)振動噪聲控制技術(shù)持續(xù)進步。
一、螺桿空壓機振動噪聲源
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“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）》應申請取得排污許可證或進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、風機、空壓機、冷卻塔、發(fā)電機、汽輪機和排氣放空設(shè)備等。噪聲排放限值低，要求嚴格，對空壓機出廠噪聲指標提出了更加嚴苛的要求，如表1所示。
螺桿空壓機經(jīng)歷了從定頻到變頻，從單級壓縮到兩級壓縮的發(fā)展歷程。無油壓縮機的需求也越來越大，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，這給壓縮機減振降噪帶來新挑戰(zhàn)。若不加強振動噪聲控制技術(shù)研究與應用，將不可避免增加壓縮機振動噪聲，讓企業(yè)和產(chǎn)品在市場競爭中處于不利地位。
1.2螺桿空壓機振動噪聲源
根據(jù)壓縮機結(jié)構(gòu)原理，螺桿空壓機的振動噪聲源包括主機、管道、油氣桶、通風罩、風機和空濾，見圖2。
主機振動噪聲又可以分為機械振動噪聲和流致振動噪聲，見圖3。機械振動噪聲主要是轉(zhuǎn)子嚙合過程以及軸承回轉(zhuǎn)運動過程中部件接觸摩擦產(chǎn)生的振動噪聲。流致振動噪聲主要是空壓機工作過程時，吸氣、壓縮和排氣過程產(chǎn)生的氣流脈動所誘發(fā)的振動噪聲。
二、主機振動噪聲控制技術(shù)
2.1機械振動噪聲控制技術(shù)
?。?）轉(zhuǎn)子嚙合：嚙合間隙過小易導致異常接觸，產(chǎn)生顯著的邊帶頻，通過放大間隙或優(yōu)化工況可進行驗證。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，但偶爾也會遇到一些轉(zhuǎn)子非正常接觸造成振動噪聲異常的現(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。
針對轉(zhuǎn)子異常嚙合造成的振動噪聲，可通過放大間隙或者改變工況如溫度和壓力等確認。例如剛開機時溫度較低，運行一段時間之后，溫度升高，轉(zhuǎn)子嚙合間隙因溫度變形發(fā)生變化，振動噪聲將隨之改變。
?。?）齒輪嚙合：齒輪的加工精度影響轉(zhuǎn)子軸系的動平衡，誘發(fā)振動噪聲。
齒輪是壓縮機機械振動噪聲的另一個主要來源，齒輪加工精度和嚙合平穩(wěn)性是關(guān)鍵。相同的齒輪，不同的供應商生產(chǎn)加工，齒輪振動差異較大，如圖6所示。很多廠家采用螺桿轉(zhuǎn)子和電機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，采用電機直連后，齒輪嚙合特征頻率消失，軸向和徑向振動均有改善。但是電機和轉(zhuǎn)子直連，并不能一勞永逸，當電機軸與轉(zhuǎn)子軸不對中時也會出現(xiàn)異常振動，尤其是2倍頻振動特性顯著升高，見圖8。
2.2流致振動噪聲控制技術(shù)
?。?）內(nèi)壓縮共振腔：衰減內(nèi)壓縮過程中的氣流脈動，從源頭上抑制氣流脈動誘發(fā)的噪聲。壓縮機工作過程分為吸氣、壓縮和排氣三個環(huán)節(jié)，由于吸氣壓力較低，脈動相對較小，噪聲不高，但是壓縮和排氣過程脈動相對較大。針對內(nèi)壓縮過程流致噪聲，研發(fā)設(shè)計內(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。
針對排氣噪聲，可以設(shè)計聲波干涉器，在排氣端面上設(shè)計旁支流道，使兩路氣流脈動的波峰和波谷相互疊加，聲波相互抵消，氣流脈動會衰減，噪聲隨之降低。應用聲波干涉器后，氣流脈動可明顯改善。
?。?）內(nèi)置消聲器：基于赫姆霍茲共振原理，設(shè)計穿孔板消聲器，衰減排氣過程中的氣流脈動，降低氣流脈動誘發(fā)的管道振動噪聲。
?。?）內(nèi)外壓比匹配性：嚴重的“過壓縮”與“欠壓縮”現(xiàn)象會誘發(fā)較大的振動噪聲。
內(nèi)外壓力不匹配的情況下，導致振動異常和能效惡化，因此通過永磁變頻電機降速調(diào)節(jié)流量可以使內(nèi)外壓力更匹配。相同流量下，相對于滑閥容量調(diào)節(jié)，采用變頻壓縮機后氣流脈動幅值衰減50%，噪聲降低5dBA。
2.3減振降噪技術(shù)應用
?。?）兩級壓縮
在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，由于兩級壓縮機重心相對較高，在殼體和排氣座位置可增設(shè)加強筋，提升局部強度；考慮到左右擺動，對支腳位置結(jié)構(gòu)可進行優(yōu)化。在氣流脈動控制方面，基于壓縮機的運行工況和振動噪聲特性，可分別在級間流道和排氣流道設(shè)計氣流脈動衰減裝置。
?。?）噴水螺桿壓縮機
對于噴水螺桿壓縮機減振降噪，在壓力和溫度作用下，基于壓力場和溫度場計算轉(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，建立振動數(shù)值模型，預測并優(yōu)化殼體的振動響應。通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化，殼體振動可改善40%。
三、機組振動噪聲控制技術(shù)
3.1管路系統(tǒng)振動噪聲控制技術(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噪聲。
從圖15可以看出，彎管半徑越大，β越小，氣流脈動激勵降低。除了氣流脈動激勵之外，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激勵源，另一方面要降低管道的振動響應，通過管道優(yōu)化降低管道噪音。
?。?）小流量消聲器
消聲器應用到管路系統(tǒng)后，氣流脈動幅值衰減率可超過70%，機組噪聲改善效果超過8dBA。
?。?）無油壓縮機消聲器
振動噪聲是干式無油壓縮機的一個痛點，缺少了潤滑油的潤滑與吸聲，主機和管路系統(tǒng)噪聲容易暴露出來。由于主機壁厚相對較厚而管道壁厚較薄，排氣管路噪聲突出，甚至超過120dBA。工藝螺桿壓縮機對振動的要求更高，一旦因為振動導致管道出現(xiàn)故障，很可能會帶來致命的危險。圖17是通過現(xiàn)場測試分析之后，提出的一種管道消音器。實驗結(jié)果表明，振動噪聲改善80%以上，噪聲降低20dBA，得到了客戶的認可。
3.2油氣桶振動噪聲控制技術(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，會產(chǎn)生擾油噪聲，也會造成壓力損失。因此，提出了兩種避免擾油的結(jié)構(gòu)，一個是含油壓縮空氣從上面吹入，通過潤滑油從中間油孔流出，收集到下面的集油室；另一個是含油壓縮空氣從邊緣進，下面有個擋油板。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風機振動噪聲控制技術(shù)
在風機選型上，一般情況下，離心風機比軸流風機的噪聲要低。在風機設(shè)計方面，可以從葉輪和蝸殼上進行優(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致，可以通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)，適當增加過濾面積，降低流速，降低空濾的氣動噪聲。
3.5隔聲罩噪聲優(yōu)化技術(shù)
隔聲罩設(shè)計，門板是一個著眼點，要加強密封設(shè)計，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，需要測試吸聲材料的吸聲性能，針對不同的噪聲特性，選擇合適的吸聲材料和門板厚度，實現(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，減少漏聲現(xiàn)象；優(yōu)化通風罩設(shè)計，也可降低漏聲量。
總結(jié)與展望
在“雙碳目標”背景下，伴隨著壓縮機節(jié)能減排快速推進，減振降噪的重要性也與日俱增?？諌簷C振動噪聲主要來源于主機、進氣系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、油路系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)，而主機振動噪聲來源于轉(zhuǎn)子及齒輪嚙合過程中產(chǎn)生的機械性振動噪聲和氣體壓縮過程中氣流脈動誘發(fā)的流致性振動噪聲，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振動噪聲；優(yōu)化管道結(jié)構(gòu)，設(shè)計管路消聲器，改善氣路系統(tǒng)的振動噪聲，優(yōu)化隔聲罩等措施，可從路徑上衰減振動噪聲，實現(xiàn)空壓機振動噪聲的預期目標。
無油鼓風機、工藝螺桿壓縮機將是未來行業(yè)產(chǎn)品發(fā)展的趨勢之一，這些領(lǐng)域的振動噪聲問題也非常突出。因此，在優(yōu)化氣流脈動誘發(fā)的氣動噪聲方面，還有很多工作值得我們一起去探討。
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