羅茨真空泵振動(dòng)噪聲機(jī)理的研究
羅茨真空泵因其高抽速而得以廣泛的應(yīng)用。日益增高的環(huán)境要求迫切需要低噪聲羅茨真空泵, 而其振動(dòng)噪聲機(jī)理的研究是進(jìn)行羅茨真空泵低噪聲設(shè)計(jì)的前提, 文章以ZJ-150A 羅茨真空泵為研究對(duì)象, 綜合采用多種信號(hào)測(cè)試和分析處理方法, 分析羅茨真空泵振動(dòng)噪聲產(chǎn)生的機(jī)理, 查明了泵體振動(dòng)噪聲在各優(yōu)勢(shì)頻率處產(chǎn)生的原因、振動(dòng)的主要激勵(lì)源及其傳遞路徑, 為羅茨真空泵的低噪聲設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。
在前期的研究(更多詳細(xì)文章請(qǐng)見羅茨真空泵專欄)中, 已經(jīng)對(duì)ZJ-150A 型羅茨真空泵的主要噪聲源進(jìn)行了識(shí)別和排隊(duì), 從中發(fā)現(xiàn)在采取隔振措施和改善聯(lián)接支撐方式后, 羅茨泵的支架和電機(jī)噪聲可以得到有效控制。羅茨泵的泵體已成為最主要的噪聲源, 泵體是由多個(gè)部件組成的封閉腔體, 其中包含了泵的主要運(yùn)動(dòng)和傳動(dòng)部件,即包含了主要振動(dòng)激勵(lì)源。通過(guò)采用聲強(qiáng)測(cè)量技術(shù)對(duì)泵體進(jìn)行聲功率測(cè)試和表面噪聲輻射分布的研究,發(fā)現(xiàn)泵體輻射噪聲的優(yōu)勢(shì)頻率為530 Hz、1000 Hz 及1620 Hz, 而且這3 個(gè)優(yōu)勢(shì)頻率處噪聲的能量約占總能量的70%。因此, 解決泵體振動(dòng)聲輻射問(wèn)題是進(jìn)行羅茨真空泵低噪聲設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。
通過(guò)聲源定位分析知道, 1620 Hz 處的噪聲由端蓋1 軸側(cè)表面振動(dòng)聲輻射產(chǎn)生, 530 Hz 和1000 Hz處的噪聲由泵體上、下表面振動(dòng)聲輻射產(chǎn)生, 且以端蓋1上、下表面最為突出。但是, 這些優(yōu)頻率處噪聲峰值產(chǎn)生的原因尚不清楚, 有待于進(jìn)一步的分析驗(yàn)證。本文在真空技術(shù)網(wǎng)前文研究的基礎(chǔ)上, 采用多種信號(hào)測(cè)試和分析處理的方法, 研究羅茨泵振動(dòng)和噪聲產(chǎn)生的機(jī)理, 即查清引起泵體表面振動(dòng)和聲輻射的主要激勵(lì)源及其傳遞途徑, 為羅茨真空泵的低噪聲設(shè)計(jì)提供依據(jù)。
1、振動(dòng)噪聲機(jī)理分析的理論依據(jù)
通過(guò)分析ZJ-150A 型羅茨真空泵的結(jié)構(gòu)和抽、排氣工作原理可知, 羅茨真空泵在正常工作運(yùn)行時(shí), 其封閉結(jié)構(gòu)內(nèi)部可能存在的振動(dòng)激勵(lì)源有: 轉(zhuǎn)子不平衡慣性力、軸承激勵(lì)力、齒輪激勵(lì)力及高速冷卻油液沖擊4 種。這些激勵(lì)源一方面本身產(chǎn)生一次空氣聲輻射, 另一方面激勵(lì)引起的振動(dòng)通過(guò)各構(gòu)件間的聯(lián)接進(jìn)行傳遞, 形成所謂的“固體聲”傳遞。
由于羅茨真空泵為全封閉結(jié)構(gòu), 機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定時(shí)泵體內(nèi)部空氣稀薄, 故其內(nèi)部激勵(lì)源產(chǎn)生的一次空氣聲輻射引起的泵體表面振動(dòng)是非常微弱的, 羅茨真空泵向外部空間輻射的噪聲主要是由激勵(lì)源傳遞出來(lái)的固體聲引起泵體外殼表面振動(dòng)聲輻射所產(chǎn)生。
羅茨真空泵表面振動(dòng)與噪聲產(chǎn)生的機(jī)理可用圖1所示的一個(gè)多輸入單輸出模型來(lái)描述。圖1中X1(f ) , X2(f ) , ⋯, Xq(f ) 表示各種激勵(lì)力, 這些激勵(lì)力作用在泵的結(jié)構(gòu)上; H1(f ) , H2(f ) , ⋯, Hq(f ) 表示各激勵(lì)源到振動(dòng)表面的傳遞函數(shù); 激勵(lì)傳遞到主要發(fā)聲表面所產(chǎn)生的振動(dòng)為V(f) , 并由此產(chǎn)生的輻射噪聲P(f) 還與該表面的聲輻射效率R(f) 有關(guān);M(f) 和N(f) 分別為振動(dòng)和噪聲測(cè)量時(shí)的隨機(jī)干擾。
圖1 振動(dòng)、噪聲產(chǎn)生機(jī)理的描述
根據(jù)系統(tǒng)中多輸入與單輸出的基本關(guān)系 , 并假設(shè)Xi(f) 與M(f)、N(f) 之間互不相關(guān), 則測(cè)量的振動(dòng)或噪聲的自譜有
其中, 上標(biāo)3表示共軛; Svv(f)、Spp(f)、Smm(f)和Snn(f)分別是表面振動(dòng)信號(hào)v(t)、結(jié)構(gòu)輻射的噪聲信號(hào)p(t) 和振動(dòng)測(cè)量中的隨機(jī)干擾m ( t) 或噪聲測(cè)量中的隨機(jī)干擾n(t)的自功率譜; Sxixj(f) 包括激勵(lì)輸入的自功率譜(i=j時(shí)) 和輸入間的互功率譜( i≠j時(shí))。如果各激勵(lì)信號(hào)xi(t) 為彼此不相關(guān)的獨(dú)立輸入, 亦即Sxixj(f)=0(i≠j 時(shí)) , 則(1)式和(2)式可寫成
由(3) 式和(4) 式可知, 在結(jié)構(gòu)表面振動(dòng)譜和噪聲譜中都包含著各個(gè)激勵(lì)源的豐富信息, 因此可以通過(guò)羅茨泵表面振動(dòng)和噪聲的測(cè)試分析識(shí)別出振動(dòng)噪聲的主要來(lái)源。
2、測(cè)試系統(tǒng)
羅茨真空泵振動(dòng)和噪聲測(cè)量系統(tǒng)示意, 如圖2 所示。噪聲信號(hào)由傳聲器B&K4155 接收, 經(jīng)聲級(jí)計(jì)B&K2230 放大, 計(jì)權(quán)后以模擬量輸出。振動(dòng)信號(hào)由加速度計(jì)B&K4384 拾取, 經(jīng)電荷放大器B&K2635 放大后輸出。輸出的振動(dòng)和噪聲信號(hào)經(jīng)模擬低通濾波器濾波后接到信號(hào)處理分析系統(tǒng)的A/D 輸入端口,進(jìn)行各種信號(hào)分析與處理。調(diào)速電機(jī)在變頻器控制下, 不僅可以進(jìn)行額定工作轉(zhuǎn)速下的振動(dòng)噪聲測(cè)試分析, 也可以使泵在啟動(dòng)時(shí), 在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)(250 s) 以恒定的轉(zhuǎn)速間隔升速, 以便以等時(shí)間或等轉(zhuǎn)速間隔采樣進(jìn)行振動(dòng)和噪聲的譜陣分析。
1. 端蓋1 2. 軸承座1 3. 腔體 4. 軸承座2 5. 端蓋2 6. 電機(jī)支架 7. 電機(jī)
圖2 羅茨泵結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖和測(cè)量系統(tǒng)示意圖
3、實(shí)驗(yàn)與分析
振動(dòng)是產(chǎn)生噪聲的根本原因, 泵體表面聲輻射來(lái)源于泵體表面的振動(dòng), 而表面振動(dòng)一方面與某個(gè)或某些振動(dòng)的激勵(lì)源有關(guān), 同時(shí)也和構(gòu)件間的傳遞特性以及構(gòu)件本身的動(dòng)特性密切相關(guān)。因此, 機(jī)器振動(dòng)噪聲的機(jī)理分析就是要查清噪聲中的主要頻率成分與各振動(dòng)激勵(lì)源和結(jié)構(gòu)特性之間的關(guān)系。
3.1、泵體振動(dòng)的主要激勵(lì)源及其特征頻率
(1) 轉(zhuǎn)子不平衡慣性力。由轉(zhuǎn)子上的不平衡量所產(chǎn)生, 激勵(lì)頻率為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)基頻f r及其高次諧頻。即
其中, n 為電機(jī)的轉(zhuǎn)速( r/min) , 高次諧頻為旋轉(zhuǎn)基頻f r 的整數(shù)倍。
(2) 齒輪激勵(lì)。ZJ-150 型羅茨泵有一對(duì)傳動(dòng)比為1 的斜齒輪, 且屬厚類齒輪, 故其激勵(lì)主要受嚙合頻率影響, 激勵(lì)頻率為嚙合頻率及其倍頻和分頻。若齒數(shù)為z , 則其嚙合頻率為
(3) 軸承激勵(lì)。該泵一對(duì)嚙合轉(zhuǎn)子上裝有兩種型號(hào)的滾動(dòng)軸承, 滾動(dòng)軸承的振動(dòng)激勵(lì)主要是由軸承內(nèi)外圈、滾動(dòng)體的加工誤差和缺陷所引起, 它們可能產(chǎn)生若干離散激勵(lì)頻率。若轉(zhuǎn)軸的回轉(zhuǎn)頻率為f r, 則保持架的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率ft 為
滾動(dòng)體的自轉(zhuǎn)頻率fs為
其中, d為滾動(dòng)體直徑; E為軸承節(jié)徑; B為接觸角。由于滾動(dòng)體表面不規(guī)則引起激勵(lì)基頻為fB= 2fs, 由于軸承內(nèi)、外圈的軌道不規(guī)則引起激勵(lì)基頻為fir= N ·f t,N 為滾動(dòng)體數(shù)目。
(4) 齒輪冷卻油液沖擊。高速嚙合旋轉(zhuǎn)的齒輪帶動(dòng)和擠壓冷卻油液沖擊密封端蓋1。由于沖擊作用時(shí)間很短, 其激勵(lì)頻率呈寬帶分布。
該泵的工作轉(zhuǎn)速n 為2 970 r/min, 齒輪的齒數(shù)Z 為47, 電機(jī)側(cè)軸承座2 上為2307 型單列滾柱軸承, 齒輪側(cè)軸承座1 上為3065307 型雙列角接觸球軸承, 各激勵(lì)源的激勵(lì)頻率見表1 所列。
表1 JZ-150 型羅茨泵主要激勵(lì)源的激勵(lì)基頻 Hz
