羅茨真空泵的噪聲機理及控制

2010-02-28 許濤浙江真空設備集團有限公司

　　對直排大氣羅茨真空泵獨特的排氣噪聲機理-“聲波堆集”進行初步探討,提出新的消聲理論-“縫隙消聲”,根據該理論,設計的縫隙式復合消聲器,取得了較好的消聲效果。

　　羅茨真空泵(以下簡稱羅茨泵)是一種抽速大、起動快、體積小、運行和維護方便,在航空航天、電器、化工、醫藥、輕工等各領域得到廣泛應用的真空泵。它有四種類型,即普通羅茨泵、氣冷式羅茨泵、多級羅茨泵和濕式羅茨泵。普通羅茨泵不允許直排大氣,必須配備前級泵才能工作,它的工作壓差不大,故泵溫不高;氣冷式羅茨泵可以直排大氣,工作時要承受很大的壓差,壓縮過程中產生的熱量將使羅茨泵、尤其是轉子嚴重發熱,為此在泵體進口與出口的中間二側充入經冷卻的氣體或大氣去直接冷卻熱態的轉子,因此稱之為氣冷式羅茨泵; 多級羅茨泵是氣冷式羅茨泵的多級組合,可以直排大氣,但因每級壓差相對較小,不需再用氣體去冷卻轉子;濕式羅茨泵也屬直排大氣的泵,它的特點是在泵腔內注入少量水,一方面起冷卻作用,更重要的是起水封作用,提高了泵的容積效率,因此被稱為濕式羅茨泵。由于上述四種羅茨的工作原理并不完全一樣,工作范圍和用途也不一樣,因此它們的噪聲機理也有所不同,控制和消除噪聲的方法也各有側重。

1、普通羅茨泵

1.1、電機噪聲

　　目前電機質量良莠不一,電機噪聲往往掩蓋了羅茨泵的噪聲,一是風扇噪聲普遍都比較大,據分析應該是塑料風扇變形所致;二是使用了質量不好的軸承所引起的軸承噪聲。

1.2、羅茨泵噪聲

1.2.1、轉子碰撞噪聲

　　它包括轉子與轉子、轉子與泵體和轉子與側蓋的碰撞噪聲。產生的主要原因是: 軸的剛度不足,轉子和齒輪在軸上定位的徑向移位,齒輪間隙過大或過小,軸承的軸向游隙過大等。

1.2.2、齒輪噪聲

　　影響齒輪噪聲的因素除齒輪本身的加工精度外,還有安裝齒輪的二個轉子軸的平行度和中心距。

1.2.3、軸承噪聲

　　除了軸承本身的精度外,設計不足也可能造成軸承噪聲的增加,如軸承內、外圈安裝過盈量過大,軸剛度不足,潤滑油供應不足,以及受到粉塵、水、腐蝕性氣體和液體污染等。

2、氣冷式羅茨泵

　　氣冷式羅茨泵是利用氣體來冷卻壓縮過程中產生的熱量,由于散熱均勻,可以在高壓差和高壓縮比的情況下工作。如果泵所排出的氣體比較清潔,則可以利用泵排出的氣體經冷卻后返回(通過返冷氣管)泵內進行冷卻,這時泵出口已配置有復合消聲器(圖1) ,故返冷氣不會產生大的噪聲。如泵排出的氣體含有其它有害物質,返回泵內將對泵的工作產生不利的影響,則必須用清潔的氣體或大氣通過返冷氣管進入泵內進行冷卻,這時就會產生進氣噪聲,由于進氣量大、壓差大,故噪聲也很大,高達100 - 110dB (A) ,屬于中、高頻噪聲,且以高頻為主,它比較簡單,可以很方便的使用阻性消聲器(圖1中虛線)來消聲。

氣冷式羅茨泵配置圖

1. 氣冷式羅茨泵　2. 冷卻器　3. 返冷氣管　4. 復合消聲器　5. 阻性消聲器

圖1　氣冷式羅茨泵配置圖

2.1、噪聲機理與消聲

　　氣冷式羅茨泵有二種功能:一是可配備前級泵像普通羅茨泵那樣在高真空下工作,這時它的噪聲就跟普通羅茨泵一樣; 二是可以不帶前級泵,直接排大氣,這是它最大的特點,此時它的排氣噪聲很高,尤其是泵在極限壓力下運轉時,它的噪聲完全掩蓋了其它噪聲,高達110 - 135dB (A) ,以中頻為主,在低頻和高頻段也都有很高的噪聲,是一個寬頻帶噪聲。

　　氣冷式羅茨泵的排氣噪聲機理可以這樣認為,在極限壓力工況下運轉的羅茨泵,由于泵出口與入口之差存在著較大壓差,出口的氣體必然要通過轉子與轉子之間的間隙和轉子與泵體之間的間隙,向入口返流,并不斷撞擊高速運轉的轉子,產生撞擊噪聲, 由于這時排出的氣體量很少,聲波來不及傳播出去而形成聲波的堆集,聲能很快加強形成強噪聲,不過這個聲波的堆集并不很穩定,邊堆集邊破壞,所以只能是相對穩定,因此泵的噪聲是在一定范圍內穩定,有波動,這就是“聲波堆集”理論。由于聲波的堆集作用,所以氣冷式羅茨泵的噪聲特別大。

　　通常高頻噪聲用阻性消聲器完全可以解決,對于低、中頻噪聲則需用抗性消聲器,但擴張型和共振型消聲器僅在某一較窄頻率范圍內有較好消聲效果,所以對寬頻噪聲必須多節串聯,這樣結構必然復雜,體積膨大,消聲效果也并不很好。

　　根據氣冷式羅茨泵的工作特點,它在極限壓力下工作時,噪聲最大,排出的氣體量最小,隨著泵入口壓力的提高,噪聲會逐漸降低。對此我們設計了一種縫隙式復合消聲器(圖2) ,它應用了一種全新概念-稱之謂“縫隙消聲”,達到了較好的消聲效果,消聲量達30dB (A)以上。(已申請了專利) 。