羅茨真空泵振動噪聲機理的研究
羅茨真空泵因其高抽速而得以廣泛的應用。日益增高的環(huán)境要求迫切需要低噪聲羅茨真空泵, 而其振動噪聲機理的研究是進行羅茨真空泵低噪聲設計的前提, 文章以ZJ-150A 羅茨真空泵為研究對象, 綜合采用多種信號測試和分析處理方法, 分析羅茨真空泵振動噪聲產(chǎn)生的機理, 查明了泵體振動噪聲在各優(yōu)勢頻率處產(chǎn)生的原因、振動的主要激勵源及其傳遞路徑, 為羅茨真空泵的低噪聲設計提供了依據(jù)。
在前期的研究(更多詳細文章請見羅茨真空泵專欄)中, 已經(jīng)對ZJ-150A 型羅茨真空泵的主要噪聲源進行了識別和排隊, 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, 泵體是由多個部件組成的封閉腔體, 其中包含了泵的主要運動和傳動部件,即包含了主要振動激勵源。通過采用聲強測量技術(shù)對泵體進行聲功率測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)勢頻率為530 Hz、1000 Hz 及1620 Hz, 而且這3 個優(yōu)勢頻率處噪聲的能量約占總能量的70%。因此, 解決泵體振動聲輻射問題是進行羅茨真空泵低噪聲設計的關(guān)鍵。
通過聲源定位分析知道, 1620 Hz 處的噪聲由端蓋1 軸側(cè)表面振動聲輻射產(chǎn)生, 530 Hz 和1000 Hz處的噪聲由泵體上、下表面振動聲輻射產(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, 有待于進一步的分析驗證。本文在真空技術(shù)網(wǎng)前文研究的基礎(chǔ)上, 采用多種信號測試和分析處理的方法, 研究羅茨泵振動和噪聲產(chǎn)生的機理, 即查清引起泵體表面振動和聲輻射的主要激勵源及其傳遞途徑, 為羅茨真空泵的低噪聲設計提供依據(jù)。
1、振動噪聲機理分析的理論依據(jù)
通過分析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行時, 其封閉結(jié)構(gòu)內(nèi)部可能存在的振動激勵源有: 轉(zhuǎn)子不平衡慣性力、軸承激勵力、齒輪激勵力及高速冷卻油液沖擊4 種。這些激勵源一方面本身產(chǎn)生一次空氣聲輻射, 另一方面激勵引起的振動通過各構(gòu)件間的聯(lián)接進行傳遞, 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), 機組運行穩(wěn)定時泵體內(nèi)部空氣稀薄, 故其內(nèi)部激勵源產(chǎn)生的一次空氣聲輻射引起的泵體表面振動是非常微弱的, 羅茨真空泵向外部空間輻射的噪聲主要是由激勵源傳遞出來的固體聲引起泵體外殼表面振動聲輻射所產(chǎn)生。
羅茨真空泵表面振動與噪聲產(chǎn)生的機理可用圖1所示的一個多輸入單輸出模型來描述。圖1中X1(f ) , X2(f ) , ⋯, Xq(f ) 表示各種激勵力, 這些激勵力作用在泵的結(jié)構(gòu)上; H1(f ) , H2(f ) , ⋯, Hq(f ) 表示各激勵源到振動表面的傳遞函數(shù); 激勵傳遞到主要發(fā)聲表面所產(chǎn)生的振動為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) 分別為振動和噪聲測量時的隨機干擾。
圖1 振動、噪聲產(chǎn)生機理的描述
根據(jù)系統(tǒng)中多輸入與單輸出的基本關(guān)系 , 并假設Xi(f) 與M(f)、N(f) 之間互不相關(guān), 則測量的振動或噪聲的自譜有
其中, 上標3表示共軛; Svv(f)、Spp(f)、Smm(f)和Snn(f)分別是表面振動信號v(t)、結(jié)構(gòu)輻射的噪聲信號p(t) 和振動測量中的隨機干擾m ( t) 或噪聲測量中的隨機干擾n(t)的自功率譜; Sxixj(f) 包括激勵輸入的自功率譜(i=j時) 和輸入間的互功率譜( i≠j時)。如果各激勵信號xi(t) 為彼此不相關(guān)的獨立輸入, 亦即Sxixj(f)=0(i≠j 時) , 則(1)式和(2)式可寫成
由(3) 式和(4) 式可知, 在結(jié)構(gòu)表面振動譜和噪聲譜中都包含著各個激勵源的豐富信息, 因此可以通過羅茨泵表面振動和噪聲的測試分析識別出振動噪聲的主要來源。
2、測試系統(tǒng)
羅茨真空泵振動和噪聲測量系統(tǒng)示意, 如圖2 所示。噪聲信號由傳聲器B&K4155 接收, 經(jīng)聲級計B&K2230 放大, 計權(quán)后以模擬量輸出。振動信號由加速度計B&K4384 拾取, 經(jīng)電荷放大器B&K2635 放大后輸出。輸出的振動和噪聲信號經(jīng)模擬低通濾波器濾波后接到信號處理分析系統(tǒng)的A/D 輸入端口,進行各種信號分析與處理。調(diào)速電機在變頻器控制下, 不僅可以進行額定工作轉(zhuǎn)速下的振動噪聲測試分析, 也可以使泵在啟動時, 在設定的時間內(nèi)(250 s) 以恒定的轉(zhuǎn)速間隔升速, 以便以等時間或等轉(zhuǎn)速間隔采樣進行振動和噪聲的譜陣分析。
1. 端蓋1 2. 軸承座1 3. 腔體 4. 軸承座2 5. 端蓋2 6. 電機支架 7. 電機
圖2 羅茨泵結(jié)構(gòu)簡圖和測量系統(tǒng)示意圖
3、實驗與分析
振動是產(chǎn)生噪聲的根本原因, 泵體表面聲輻射來源于泵體表面的振動, 而表面振動一方面與某個或某些振動的激勵源有關(guān), 同時也和構(gòu)件間的傳遞特性以及構(gòu)件本身的動特性密切相關(guān)。因此, 機器振動噪聲的機理分析就是要查清噪聲中的主要頻率成分與各振動激勵源和結(jié)構(gòu)特性之間的關(guān)系。
3.1、泵體振動的主要激勵源及其特征頻率
(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。ZJ-150 型羅茨泵有一對傳動比為1 的斜齒輪, 且屬厚類齒輪, 故其激勵主要受嚙合頻率影響, 激勵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。該泵一對嚙合轉(zhuǎn)子上裝有兩種型號的滾動軸承, 滾動軸承的振動激勵主要是由軸承內(nèi)外圈、滾動體的加工誤差和缺陷所引起, 它們可能產(chǎn)生若干離散激勵頻率。若轉(zhuǎn)軸的回轉(zhuǎn)頻率為f r, 則保持架的轉(zhuǎn)動頻率ft 為
滾動體的自轉(zhuǎn)頻率fs為
其中, d為滾動體直徑; E為軸承節(jié)徑; B為接觸角。由于滾動體表面不規(guī)則引起激勵基頻為fB= 2fs, 由于軸承內(nèi)、外圈的軌道不規(guī)則引起激勵基頻為fir= N ·f t,N 為滾動體數(shù)目。
(4) 齒輪冷卻油液沖擊。高速嚙合旋轉(zhuǎn)的齒輪帶動和擠壓冷卻油液沖擊密封端蓋1。由于沖擊作用時間很短, 其激勵頻率呈寬帶分布。
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, 各激勵源的激勵頻率見表1 所列。
表1 JZ-150 型羅茨泵主要激勵源的激勵基頻 Hz
