摘要：螺桿壓縮機(jī)的振動噪聲問題是目前的研究熱點(diǎn)，本文介紹了螺桿壓縮機(jī)振動噪聲產(chǎn)生的機(jī)理，然后從機(jī)械振動噪聲和氣流脈動兩方面總結(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、氣流脈動抑制、主動振動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，伴隨著我國工業(yè)化和城市化的發(fā)展，對于螺桿壓縮機(jī)的振動噪聲要求與標(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)，同時也成為了各生產(chǎn)廠家提升其自身產(chǎn)品競爭力的一個重要“賣點(diǎn)”，尤其是對于螺桿壓縮機(jī)及其系統(tǒng)的振動噪聲有著極其嚴(yán)苛要求的一些特殊應(yīng)用場合。此外，螺桿壓縮機(jī)的振動噪聲問題，不僅會造成噪聲污染，而且還會影響機(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)，振動小噪聲低是螺桿壓縮機(jī)未來發(fā)展的一個重大趨勢。

 

　　二、振動噪聲產(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)與電動機(jī)封裝在同一殼體內(nèi)，電動機(jī)與陽轉(zhuǎn)子同軸。在電動機(jī)的驅(qū)動下，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)械性振動噪聲和氣流脈動誘發(fā)的流體性振動噪聲。

 

　　2.1 機(jī)械性振動噪聲

　　機(jī)械性噪聲是固體振動所產(chǎn)生的，機(jī)械部件運(yùn)行時在沖擊、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，從而發(fā)聲。螺桿壓縮機(jī)中機(jī)械性振動噪聲源來源于轉(zhuǎn)動部件，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)生的振動噪聲是螺桿壓縮機(jī)機(jī)械性振動噪聲的主要根源。

　　① 嚙合轉(zhuǎn)子振動噪聲

　　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)械性振動噪聲的激勵源。在螺桿壓縮機(jī)中，陽轉(zhuǎn)子通過齒面接觸直接驅(qū)動陰轉(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，輻射機(jī)械噪聲，是主要的機(jī)械性振動噪聲激勵源。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)致的不對中、不平衡，往往會引起轉(zhuǎn)動過程中的徑向振動，產(chǎn)生異響，也都可能成為陰陽轉(zhuǎn)子運(yùn)動過程中振動噪聲的激勵源。

　　② 支撐軸承振動噪聲

　　螺桿壓縮機(jī)所用的軸承主要分為滑動軸承和滾動軸承?；瑒虞S承的振動主要是由于潤滑不充分或出現(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；滾動軸承的振動主要是因?yàn)殡x散的滾動體對滾道的周期性沖擊導(dǎo)致[4]。相比而言，滾動軸承的振動噪聲大于滑動軸承，但滾動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)中主要采用滾動軸承來承受軸向和徑向力，而滑動軸承一般只應(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)械性振動噪聲得到有效控制，相反流體性振動噪聲逐漸暴露出來，成為主要的振動噪聲源。

　　2.2 流體性振動噪聲

　　流體動力性噪聲是指流體的流動或固體在流體中運(yùn)動，引起流體振動而產(chǎn)生的噪聲。隨著機(jī)械性振動噪聲的深入研究和機(jī)械加工裝配精度的提升，機(jī)械性振動噪聲得到有效控制，而氣流脈動誘發(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。

　　① 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，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，同時少部分介質(zhì)會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)不僅會產(chǎn)生流體流動噪聲，而且在壓差作用下氣體介質(zhì)通過各間隙內(nèi)的流動也會產(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，額外的氣液流動甚至?xí)?dǎo)致更為劇烈的流動噪聲。泄漏三角形的面積較其他泄漏通道的面積而言相對較大，同時泄漏三角形前后連接著兩個壓力不等的齒間容積，這兩個相對獨(dú)立的聲學(xué)元件還會受到外界的激勵而產(chǎn)生共鳴，導(dǎo)致更大的流體動力性噪聲。

　?、?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。此時，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，誘發(fā)氣動噪聲。

　?、?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，使得流體流動特性變化劇烈，產(chǎn)生較大的氣流脈動，誘發(fā)氣動噪聲。

　　Sangfors[5]等對辨識螺桿壓縮機(jī)主要的振動噪聲源開展了大量的研究工作，均指出處于氣流脈動基頻及其整數(shù)倍頻率的振動噪聲值較大，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是螺桿壓縮機(jī)振動噪聲的主要誘因。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)致排氣氣流脈動所誘發(fā)的氣動噪聲更為顯著。

 

　　三、振動控制技術(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，通過軸承將振動傳遞到機(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激勵源頭上抑制螺桿壓縮機(jī)振動的產(chǎn)生，設(shè)計(jì)安裝減振墊等措施從振動傳遞路徑上進(jìn)一步隔離振動的傳遞，從而達(dá)到減小螺桿壓縮機(jī)振動的目的。

　　3.1 振動激勵源頭減振

　　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，從源頭上控制壓縮機(jī)的振動激勵源，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。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)的振動噪聲。殷玉楓等[7]通過理論與實(shí)驗(yàn)研究得出滾動軸承的徑向游隙對軸承振動噪聲的影響最為顯著。隨著徑向游隙的加大，振動噪聲隨之增強(qiáng)，并呈現(xiàn)很好的線性關(guān)系。

　　3.2 振動傳遞路徑隔振

　?、?提高結(jié)構(gòu)件剛度

　　提高機(jī)殼剛度，降低機(jī)殼振動響應(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)殼振動響應(yīng)，阻礙壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子和軸承的振動激勵傳遞到機(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。

 

　　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產(chǎn)生氣流脈動，進(jìn)而誘發(fā)氣動噪聲。隨著機(jī)械性振動噪聲的深入研究和機(jī)械加工裝配精度的提升，機(jī)械性振動噪聲得到有效控制，而氣流脈動誘發(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、赫姆霍茲氣流脈動衰減腔和穿孔板脈動衰減器等措施可以從氣流脈動源頭上衰減氣流脈動幅值，降低氣流脈動誘發(fā)的氣動噪聲，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氣流脈動誘發(fā)的氣動噪聲源頭控制

　?、?排氣端面氣流脈動衰減裝置

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