羅茨真空泵振動噪聲機理的研究

2010-02-28 陳曉東合肥工業大學機械與汽車工程學院

　　羅茨真空泵因其高抽速而得以廣泛的應用。日益增高的環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生的機理, 查明了泵體振動噪聲在各優勢頻率處產生的原因、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。

　　在前期的研究(更多詳細文章請見羅茨真空泵專欄)中, 已經對ZJ-150A 型羅茨真空泵的主要噪聲源進行了識別和排隊, 從中發現在采取隔振措施和改善聯接支撐方式后, 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對泵體進行聲功率測試和表面噪聲輻射分布的研究,發現泵體輻射噪聲的優勢頻率為530 Hz、1000 Hz 及1620 Hz, 而且這3 個優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鍵。

　　通過聲源定位分析知道, 1620 Hz 處的噪聲由端蓋1 軸側表面振動聲輻射產生, 530 Hz 和1000 Hz處的噪聲由泵體上、下表面振動聲輻射產生, 且以端蓋1上、下表面最為突出。但是, 這些優頻率處噪聲峰值產生的原因尚不清楚, 有待于進一步的分析驗證。本文在真空技術網前文研究的基礎上, 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。

1、振動噪聲機理分析的理論依據

　　通過分析ZJ-150A 型羅茨真空泵的結構和抽、排氣工作原理可知, 羅茨真空泵在正常工作運行時, 其封閉結構內部可能存在的振動激勵源有: 轉子不平衡慣性力、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生一次空氣聲輻射, 另一方面激勵引起的振動通過各構件間的聯接進行傳遞, 形成所謂的“固體聲”傳遞。

　　由于羅茨真空泵為全封閉結構, 機組運行穩定時泵體內部空氣稀薄, 故其內部激勵源產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生。

　　羅茨真空泵表面振動與噪聲產生的機理可用圖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構上; H1(f ) , H2(f ) , ⋯, Hq(f ) 表示各激勵源到振動表面的傳遞函數; 激勵傳遞到主要發聲表面所產生的振動為V(f) , 并由此產生的輻射噪聲P(f) 還與該表面的聲輻射效率R(f) 有關;M(f) 和N(f) 分別為振動和噪聲測量時的隨機干擾。

振動、噪聲產生機理的描述

圖1　振動、噪聲產生機理的描述

　　根據系統中多輸入與單輸出的基本關系 , 并假設Xi(f) 與M(f)、N(f) 之間互不相關, 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)、結構輻射的噪聲信號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) 為彼此不相關的獨立輸入, 亦即S_xixj(f)=0(i≠j 時) , 則(1)式和(2)式可寫成

　　由(3) 式和(4) 式可知, 在結構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

　　羅茨真空泵振動和噪聲測量系統示意, 如圖2 所示。噪聲信號由傳聲器B&K4155 接收, 經聲級計B&K2230 放大, 計權后以模擬量輸出。振動信號由加速度計B&K4384 拾取, 經電荷放大器B&K2635 放大后輸出。輸出的振動和噪聲信號經模擬低通濾波器濾波后接到信號處理分析系統的A/D 輸入端口,進行各種信號分析與處理。調速電機在變頻器控制下, 不僅可以進行額定工作轉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(250 s) 以恒定的轉速間隔升速, 以便以等時間或等轉速間隔采樣進行振動和噪聲的譜陣分析。

羅茨泵結構簡圖和測量系統示意圖