螺杆空压机振动噪声控制技术探索

螺杆空压机振动噪声控制技术探索

螺杆空压机具有结构简单、操作方便和运行可靠等一系列独特的优点，被广泛应用于空气动力、制冷、石油、化工、冶金和医药等各领域，但是其带来的振动噪声问题日益突出，尤其是噪声污染非常严重，降噪需求日益旺盛。一方面，伴随着我国工业化和城市化的发展，对于螺杆压缩机的振动噪声要求与标准更加严格;另一方面，随着螺杆压缩机的不断更新换代，性能得到了持续提升，压缩机的振动噪声改善已逐渐成为 螺杆空压机技术发展需要面临的新挑战，同时也成为了各生产厂家提升其自身产品竞争力的一个重要“卖点”，尤其是对于螺杆空压机及其系统的振动噪声有着极其严苛要求的一些特殊应用场合。此外， 螺杆空压机的振动噪声问题，不仅会造成噪声污染，而且还会影响机器性能和可靠性[1,2]。因此螺杆压缩机减振降噪技术逐渐成为压缩机的核心技术，振动小噪声低是螺杆 空压机未来发展的一个重大趋势。

一、振动噪声产生机理

图1所示为双螺杆压缩机的典型结构，它主要由机体以及包含在机体内的一对平行配置的螺旋转子和吸排气孔口组成。压缩机与电动机封装在同一壳体内，电动机与阳转子同轴。在电动机的驱动下，阴、阳转子像齿轮一样啮合旋转，由转子齿顶与机体内壁面围成的工作容积周期性扩大和缩小，实现吸气、压缩和排气过程[3]。

根据螺杆压缩机的工作原理，可以将螺杆压缩机的振动噪声产生机理分为机械接触产生的机械性振动噪声和气流脉动诱发的流体性振动噪声。

2.1 机械性振动噪声

机械性噪声是固体振动所产生的，机械部件运行时在冲击、摩擦、交变应力或磁性应力的作用下，各部件互相碰撞、摩擦、振动，从而发声。螺杆压缩机中机械性振动噪声源来源于转动部件，主要为啮合的转子和支撑的轴承，尤其是阴阳转子啮合过程中产生的振动噪声是螺杆压缩机机械性振动噪声的主要根源。

① 啮合转子振动噪声

阴、阳转子是螺杆压缩机的核心部件，在工作过程中既受到径向和轴向的气体作用力，又受到传动机构的作用力以及轴承的支撑力。这些力在螺杆压缩机工作过程中周期性的变化，是压缩机机械性振动噪声的激励源。在螺杆压缩机中，阳转子通过齿面接触直接驱动阴转子同步旋转，啮合过程中不可避免的产生机械振动，辐射机械噪声，是主要的机械性振动噪声激励源。在实际运行过程中，由于转子是金属部件，本身存在挠性，由于加工或者装配误差导致的不对中、不平衡，往往会引起转动过程中的径向振动，产生异响，也都可能成为阴阳转子运动过程中振动噪声的激励源。

② 支撑轴承振动噪声

螺杆空压机所用的轴承主要分为滑动轴承和滚动轴承。滑动轴承的振动主要是由于润滑不充分或出现异常的摩擦使得油膜破裂而引起金属间“粘滑”激振导致的;滚动轴承的振动主要是因为离散的滚动体对滚道的周期性冲击导致[4]。相比而言，滚动轴承的振动噪声大于滑动轴承，但滚动轴承能够提供精确的运转精度和承受较高的转速，因此在螺杆压缩机中主要采用滚动轴承来承受轴向和径向力，而滑动轴承一般只应用于一些大型的螺杆压缩机中。

在机械零部件加工精度和装配误差得到有效控制的前提下，螺杆压缩机的机械性振动噪声得到有效控制，相反流体性振动噪声逐渐暴露出来，成为主要的振动噪声源。

2.2 流体性振动噪声

流体动力性噪声是指流体的流动或固体在流体中运动，引起流体振动而产生的噪声。随着机械性振动噪声的深入研究和机械加工装配精度的提升，机械性振动噪声得到有效控制，而气流脉动诱发的流体性噪声已经成为螺杆压缩机的主要噪声源，按照其产生的位置和特点可以分为齿间容积噪声、排气噪声和吸气噪声。

① 齿间容积噪声

当螺杆压缩机处于吸气结束后、排气开始前的状态时，齿间容积并未与吸、排气孔口连通，在此过程内齿间容积与外界的连通通道仅有泄漏三角形、齿顶间隙、啮合间隙和端面间隙。齿间容积内的气体介质随着齿间容积的减小而不断被压缩，同时少部分介质会通过上述泄漏通道进入到相邻齿间容积或吸气侧齿间容积，在此过程内不仅会产生流体流动噪声，而且在压差作用下气体介质通过各间隙内的流动也会产生一定的噪声。当齿间容积与喷油、喷液或补气孔口连通时，额外的气液流动甚至会导致更为剧烈的流动噪声。泄漏三角形的面积较其他泄漏通道的面积而言相对较大，同时泄漏三角形前后连接着两个压力不等的齿间容积，这两个相对独立的声学元件还会受到外界的激励而产生共鸣，导致更大的流体动力性噪声。

② 排气噪声

在转子啮合腔与排气孔口连通的初期，在压差的作用下排气腔中的高压气体会很快地倒流入啮合腔导致腔内压力快速升高。在惯性力的作用下会形成过冲，使得啮合腔中的压力要大于排气压力，而排气腔中的压力则处于低谷。随着排气孔口的开度迅速增加和排气容积的减小，气体开始向排气腔流动。此时，流入排气腔中的气体速度和排气腔中气体压力的变化较平稳，主要受排气容积变化率和孔口流通面积的影响。

排气过程中，转子啮合腔相继进行排气，导致容积周期性的变化，而每个周期内速度和压力也在各种作用力下产生周期性的变化，形成排气气流脉动，诱发气动噪声。

③ 吸气噪声

吸气噪声和排气噪声具有一定的相似性，工作容积与吸、排气孔口连通过程中，工作容积周期性的增加或减小，同时伴随着工作容积与吸、排气孔口间连通面积的周期性变化，使得流体流动特性变化剧烈，产生较大的气流脉动，诱发气动噪声。

Sangfors[5]等对辨识螺杆压缩机主要的振动噪声源开展了大量的研究工作，均指出处于气流脉动基频及其整数倍频率的振动噪声值较大，由于工作容积与吸、排气孔口周期性连通所引起的气流脉动是螺杆压缩机振动噪声的主要诱因。此外，由于处于排气腔内的气体密度远大于吸气腔内的气体密度，导致排气气流脉动所诱发的气动噪声更为显著。

二、振动控制技术

螺杆空压机运行中阴阳转子相互啮合，产生机械振动，通过轴承将振动传递到机壳和机脚。因此，提高转子加工精度，减小轴系装配误差，优化支撑轴承游隙等措施可以从振动激励源头上抑制 螺杆空压机振动的产生，设计安装减振垫等措施从振动传递路径上进一步隔离振动的传递，从而达到减小螺杆压缩机振动的目的。

3.1 振动激励源头减振

① 提高加工精度，减小装配误差

提高转子加工精度降低转子表面粗糙度和改善装配工艺减小轴系装配误差等措施减小转子啮合过程中产生的机械振动，从源头上控制压缩机的振动激励源，可以有效降低压缩机运行过程中产生的机械振动。靳春梅等[6]通过实验研究指出，提高转子的加工精度，由铣削改为磨削，降低了表面粗糙度，使压缩机运行过程中振动得到有效控制，中、高频噪声也得到一定程度的降低。

② 减小支撑轴承游隙

减小支撑轴承游隙，可以提高转子旋转精度，缩小转子啮合过程中偏心量，降低高速运转过程中转子不平衡质量诱发的振动噪声。殷玉枫等[7]通过理论与实验研究得出滚动轴承的径向游隙对轴承振动噪声的影响最为显著。随着径向游隙的加大，振动噪声随之增强，并呈现很好的线性关系。