山東錦工有限公司是一家專業生產羅茨鼓風機、羅茨真空泵、回轉風機等機械設備公司，位于有“鐵匠之鄉”之稱的山東省章丘市相公鎮，近年來，錦工致力于新產品的研發，新產品雙油箱羅茨風機、水冷羅茨風機、油驅羅茨風機、低噪音羅茨風機，贏得了市場好評和認可。
羅茨鼓風機每次吸入、排出的風量很大并有突變現象,從而產生較大的噪聲,被稱之為機械產品的“聲老虎”,特別是在高壓的情況下尤甚,且風量越大、壓力越高、轉速越快,則噪聲就越大,而現代化大生產又希望羅茨鼓風機能提供更高的壓力和更大的風量。為了提高風機性能、降低噪聲污染、滿足環保要求,工程師們想盡了各種對策。本文從噪聲源著手,在設計與制造方面提出降低噪聲的一些方法。
噪聲分析
機械噪聲主要來源于機殼的振動, 使機殼發生振動的原因主要有兩個:①葉輪的轉動不平衡力,通過傳動構件轉移到機殼上,對機殼產生周期性的激勵;②機殼內的渦流強度所決定的壓力脈動,常與葉片的基頻(即葉片通過頻率)有聯系,也對機殼產生周期性的激勵。風機的風壓越高,這一激勵源越不能忽視。噪聲測量測量羅茨風機噪聲的目的就是為了對被測對象進行噪聲等級的分析、評價或聲源識別,以便采取適當的措施進行噪聲控制。通常羅茨風機的噪聲識別方法有現場測量法、聲功率測量法、表面振動測量法等,其中,現場測量法是工程實際中常用的方法。現場測量法通過對數據、頻譜的分析確定主要的噪聲輻射源,方法簡便,測量結果能真實反映風機的振動與噪聲水平,但易受環境的影響。聲功率測量法反映噪聲源輻射強度與輻射特性,避免了聲壓級易受測量距離和測量環境影響的缺點。振動測量法是根據羅茨風機的表面振動速度來估計表面輻射聲功率,主要困難在于羅茨風機零部件輻射比的確定,需要測量較多的數據和進行大量的計算。
結構設計
設計回流孔
在機殼出風端未過轉子中心處開一定的U形條孔, 可以減輕出風口端的壓力爆發,在葉輪與機殼、墻板所形成的容腔即將進入密閉狀態時,使出風口的高壓氣體有少量部分能回流入容腔,并使容腔與出風口氣室形成一定的壓力平衡。同時,當葉輪繼續旋轉時,容腔體積變小,壓力增加,又可使得密閉容腔在大量排出氣體前能通過回流孔預排,這樣既可減少“死角”氣體的渦流噪聲,又可減少排氣時由于壓力過于釋放造成的沖擊噪聲 。
設計異形進出風口
傳統羅茨鼓風機的進出風口為矩形口,吸氣時,整個葉輪外圓同時進入密封區,使氣體突然關閉,排氣時葉輪外圓又同時打開,則高壓氣體突然釋放,使得吸入和排出氣體時都會產生高噪聲并伴有較大振動。將進出風口設計成異形口,吸入時的密封和排出時的打開基于開口面積由最大到零和由零到最大,均為漸變,從而延緩了進排氣口氣體壓差的變化率,起到削減周期性排氣沖擊噪聲的作用,因此使噪聲低而平穩。。
轉子串接設計法
葉輪一般作為一個整體與軸聯接,若將葉輪沿軸向分成幾段,則構成串接轉子。每段葉輪具有相同的葉型、直徑,甚至相同的長度。串接時,相鄰兩段葉輪周向錯開一定的角度(兩葉錯開90°,三葉錯開60°) ,并在機殼內或葉輪段間設置隔板,將其隔成相應的段,每一段的工作情況都與單臺鼓風機相似。由于各段葉輪的工作過程有一定的時間差,使氣流脈沖減少,與同長度的單一葉輪相比總排氣流量不變而脈動變得更加平穩,噪聲也相對較低。
設計扭曲葉輪
羅茨鼓風機葉輪輪齒一般與軸線平行,即直齒狀,這樣加工、檢測就比較方便,但隨著加工技術的發展,還是應設計成扭曲葉輪,即斜齒狀,因為這樣可以增加嚙合線長度。扭葉羅茨鼓風機工作平穩、輸氣脈動小、噪聲低,而且工作時具有內壓縮過程,與直葉羅茨鼓風機相比效率高、能耗低,是羅茨鼓風機傳統的替代產品。
葉輪曲線的CAD 設計法
葉輪作為羅茨鼓風機的心臟零件,表面形狀至關重要,氣體是通過兩個葉輪表面的嚙合,來進行吸氣與排氣的。為了使這對葉輪能正常嚙合,葉輪曲線一般都設計成漸開線、擺線或圓包絡線。基于設計及制造工藝,傳統葉輪一般設計成單一型線,通過數學方法計算出各種參數,包括中心距、基圓、壓力角、起始嚙合角等。隨著計算機及數控技術的發展,CAD 設計軟件和數控編程軟件功能也越來越強大,應充分利用軟件資源,對葉輪曲線進行分段、組合設計,改掉以往的單一曲線,通過CAD 進行模擬、仿真,保證葉輪在任何情況下嚙合時均可有相對固定的間隙。因為這種組合曲線在現代的數控機床上編程、加工已不是難事。均勻的葉輪間隙不僅能大大提高平穩性、降低噪聲,而且還能保證風量、振動、壽命等重要的機械性能。
制造精度
精度的提高意味著產品成本的增加,但為了滿足所需性能,又不得不提高相應方面的精度。下面就為滿足低噪性能方面提出應提高的精度。
葉輪表面質量及平衡
葉輪表面質量主要取決于材質及加工質量。對于小葉輪,一般選擇鑄鋼或球墨鑄鐵,并與軸鑄成一體,大葉輪選擇HT200 ,粗糙度為Ra3. 2 ,在數控機床上加工,取較小的走刀量,可獲得較低的粗糙度;轉子平衡至少應保證G6. 3 ,最好提高到G5. 6 。
軸承精度
軸承作為易損件,一般的企業都不愿提高其精度使產品成本增加,這樣往往得不償失。因為低精度軸承產生較大的振動和摩擦,且其作為整個機器的裝配基準,對整機性能及其它零部件的壽命都有至關重要的影響。國外風機的軸承精度一般至少相當于我國的C 級標準。
齒輪精度
齒輪間隙、運動準確性、齒向精度等直接決定著葉輪嚙合的均勻性及平穩性,齒面粗糙度又是摩擦噪聲的主要來源之一。因此,按國標要求齒輪精度應保證在7 級以上,而一般機械加工廠的齒輪加工、檢測手段往往不強, 使精度不能滿足要求。所以齒輪加工最好是與專業的齒輪加工廠協作。
風道質量
光滑的風道表面能讓氣流順利通過,不僅有利于減少損失,而且能大大減少因氣流流動受阻而帶來的嘯叫聲,因此,管道內壁應盡量降低粗糙度,減少彎道數量;進出風口不宜處于急變流場,應由方變圓光滑過渡。若系統中有多個管件,如彎頭、支管等,則它們之間的距離應拉開5~10 倍管徑。
采用消聲、隔聲、隔振等措施
除了在結構及制造精度方面控制噪聲外,在軸承、齒輪、密封處應使用優質的潤滑油,進出風口配設消聲器,整機及配套設備外圍設計隔聲罩,有條件的地方可將風機置于地下室工作或選擇水下羅茨鼓風機進行隔聲、隔振等。
創新結構設計與噪聲治理
“一種低噪聲羅茨鼓風機”就是針對降低二葉羅茨鼓風機氣動噪聲，在噪聲聲源降噪的產品。其主要結構就是將羅茨鼓風機的排氣口設計為雙螺旋氣口，并設有變徑消聲腔。當基元容積與排氣口相通時，高壓回流氣體同時從雙螺旋氣口兩側進入基元容積腔內，與單螺旋氣口相比，相同時間內回流氣體的體積增加一倍，回流流速降低一半，故回流沖擊脈動強度降低，從而降低了噪聲。
不僅如此，雙螺旋氣口使的高壓回流氣體從兩封口同時回流，其沖擊作用在基元容積腔內相互作用、相互抵消，最終對風機側板基本不形成沖擊力，能很好的降低噪聲。與此同時，雙螺旋風口降低高壓氣體對葉輪軸的撓度影響，使得運行更可靠，這樣的結構，還提高了抗超負荷的能力。而且，鼓風機內部聯成整體，使其的抗擠壓能力和抗拉伸能力得到很大提高。最后，除了采用以上辦法降低啟動噪聲和機械噪聲外，還設計有變徑消聲腔干涉消聲，使得噪聲大大降低。
羅茨風機噪聲以氣動噪聲和機械噪聲影響為主。研究噪聲源的特性和產生機理,是正確選擇噪聲控制措施的基本條件。從聲源傳播途徑考慮,采取消聲、隔聲、吸聲和隔振等降噪方法,能夠有效控制噪聲污染,但增加了設備成本與工程投資。從結構設計與生產工藝考慮,通過優化結構設計、改進加工方法、提高裝配精度、選用合理的型號和調節方式,能夠從根本上消除噪聲危害,不僅降低噪聲,而且提高風機效率、降低設備能耗,仍然是羅茨風機的主要發展方向。
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