基于半波長管原理，周明龍等[8]針對螺桿壓縮機(jī)氣流脈動(dòng)的周期特性，結(jié)合壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)的內(nèi)部空間，在排氣端面上設(shè)計(jì)氣流脈動(dòng)衰減裝置，從排氣源頭上衰減氣流脈動(dòng)幅值，降低氣流脈動(dòng)誘發(fā)的氣動(dòng)噪聲。圖4是應(yīng)用在螺桿壓縮機(jī)排氣端面的一種具體結(jié)構(gòu)。
【壓縮機(jī)網(wǎng)】②赫姆霍茲氣流脈動(dòng)衰減腔
赫姆霍茲共振器是聲學(xué)中一個(gè)比較常見的降噪裝置，其主要由短管和腔體組成，如圖5所示，在一定條件下可用其來消減螺桿壓縮機(jī)排氣腔內(nèi)的氣流脈動(dòng)幅值[9,10,11,12]。
根據(jù)赫姆霍茲共振器的結(jié)構(gòu)尺寸可以計(jì)算出赫姆霍茲共振器的固有頻率 fr：
式中 c—流體介質(zhì)聲速；
S—短管截面積；
L—短管有效長度；
V—腔體體積。
當(dāng)入射聲波pi的頻率接近赫姆霍茲共振器的固有頻率時(shí)，在赫姆霍茲共振器的短管中產(chǎn)生強(qiáng)烈振動(dòng)，通過克服摩擦阻力而消耗聲能，從而降低下游聲波的幅值。
基于赫姆霍茲共振器原理，武曉昆等[13]在螺桿壓縮機(jī)的排氣軸承座上設(shè)計(jì)赫姆霍茲氣流脈動(dòng)衰減腔，排氣氣流脈動(dòng)幅值衰減30%以上，氣流脈動(dòng)基頻下的機(jī)腳振動(dòng)加速度可降低36.2%-40.9%。
③ 穿孔板脈動(dòng)衰減器
穿孔板脈動(dòng)衰減器結(jié)構(gòu)如圖6所示，其脈動(dòng)衰減機(jī)理是穿孔板上每個(gè)穿孔與其對應(yīng)的腔體組成的系統(tǒng)類似赫姆霍茲氣流脈動(dòng)衰減腔，穿孔板脈動(dòng)衰減器可以看成許多赫姆霍茲氣流脈動(dòng)衰減腔的并聯(lián)。
按照馬大猷院士經(jīng)典理論[14]，穿孔板脈動(dòng)衰減器的衰減頻率fMPA可以表示為
式中 c—流體介質(zhì)聲速；
t—穿孔板厚度；
d—穿孔孔徑；
D—穿孔板腔體深度；
P—穿孔率（穿孔面積/全面積100%）。
基于穿孔板設(shè)計(jì)原理，劉華等[15]針對變頻螺桿壓縮機(jī)排氣氣流脈動(dòng)誘發(fā)的氣動(dòng)噪聲設(shè)計(jì)寬頻帶穿孔板氣流脈動(dòng)衰減器。應(yīng)用氣流脈動(dòng)衰減器后，在運(yùn)行轉(zhuǎn)速3000～4500rpm區(qū)間，氣流脈動(dòng)基頻排氣噪聲值下降3.0dBA以上；在排氣噪聲較大的高轉(zhuǎn)速運(yùn)行區(qū)間4500～5100rpm，排氣噪聲值下降5.0dBA到7.5dBA，實(shí)現(xiàn)了變頻螺桿壓縮機(jī)全頻率段的降噪。
4.2 噪聲傳遞路徑隔聲
① 機(jī)殼雙層壁設(shè)計(jì)
螺桿壓縮機(jī)機(jī)殼采用雙層壁結(jié)構(gòu)，可以阻礙振動(dòng)噪聲的傳遞，降低壓縮機(jī)的整體噪聲。格力，大冷等企業(yè)將機(jī)體外殼采用雙層壁結(jié)構(gòu)，減弱噪聲向外輻射的能力，起到隔離噪聲的作用。此外，壓縮機(jī)采用液體冷卻方式（如油冷、水冷等），不僅可阻礙噪聲的傳遞，而且采用液冷方式后可取消風(fēng)冷方式的風(fēng)扇，也有助于降低螺桿壓縮機(jī)的整體噪聲。
② 隔聲罩設(shè)計(jì)
根據(jù)螺桿壓縮機(jī)的噪聲頻譜特性，設(shè)計(jì)隔聲罩結(jié)構(gòu)，優(yōu)化隔聲罩的吸聲材料，可以有效降低壓縮機(jī)的遠(yuǎn)場噪聲。程雙靈等[16]通過對隔聲罩結(jié)構(gòu)和吸聲材料的優(yōu)化，螺桿壓縮機(jī)噪聲下降了近10dBA。
4.3 氣流脈動(dòng)衰減
目前氣流脈動(dòng)衰減與抑制主要針對特定運(yùn)行工況，當(dāng)壓縮機(jī)運(yùn)行工況變化較大時(shí)，尤其是變頻螺桿壓縮機(jī)變轉(zhuǎn)速工況，氣流脈動(dòng)衰減裝置的衰減效果減弱甚至消失。為了滿足不同運(yùn)行工況下氣流脈動(dòng)衰減效果，拓寬氣流脈動(dòng)衰減頻率范圍，往往只能被動(dòng)的采用多個(gè)衰減裝置并聯(lián)或者串聯(lián)，不僅會(huì)犧牲衰減效果，還會(huì)帶來衰減裝置體積過大無法安裝甚至被動(dòng)增加壓縮機(jī)體積。因此，根據(jù)壓縮機(jī)的運(yùn)行工況和氣流脈動(dòng)特性，自動(dòng)調(diào)節(jié)氣流脈動(dòng)衰減裝置的衰減頻率，有效降低壓螺桿縮機(jī)氣流脈動(dòng)的衰減裝置迫在眉睫。周明龍等[17]等根據(jù)壓縮機(jī)運(yùn)行特性設(shè)計(jì)的一種可調(diào)頻自適應(yīng)氣流脈動(dòng)衰減器將成為一種新的趨勢。
4.4 主動(dòng)減振
在螺桿壓縮機(jī)運(yùn)行過程中，根據(jù)所檢測到的壓縮機(jī)振動(dòng)信號，振動(dòng)數(shù)據(jù)經(jīng)過實(shí)時(shí)處理，通過一定的控制策略，驅(qū)動(dòng)作動(dòng)器對壓縮機(jī)施加外部激勵(lì)（如力，力矩等），最終達(dá)到抑制螺桿壓縮機(jī)振動(dòng)，降低機(jī)械振動(dòng)輻射噪聲的目的。目前國內(nèi)主動(dòng)減振技術(shù)還處于機(jī)理的研究階段，離實(shí)際應(yīng)用還有較大距離。但是基于主動(dòng)減振降噪技術(shù)的良好發(fā)展前景，以及螺桿壓縮機(jī)振動(dòng)產(chǎn)生機(jī)理的深入研究，主動(dòng)減振降噪技術(shù)將逐步應(yīng)用到螺桿壓縮機(jī)減振降噪領(lǐng)域。
4.5 有源降噪
有源降噪是利用聲波的相消干涉原理，通過引入電聲裝置產(chǎn)生額外的噪聲源與不希望的原始噪聲進(jìn)行疊加，從而達(dá)到降低或者抑制噪聲的目的。
有源降噪具有良好的低頻降噪效果，最適用于控制低頻諧波噪聲，目前主要集中應(yīng)用在耳機(jī)和汽車等領(lǐng)域。隨著有源技術(shù)的發(fā)展，以及螺桿壓縮機(jī)噪聲的深入研究，有源降噪將逐步應(yīng)用到螺桿壓縮機(jī)降噪領(lǐng)域。
五、振動(dòng)噪聲發(fā)展趨勢
5.1 轉(zhuǎn)子材料
① 轉(zhuǎn)子材質(zhì)替換。隨著非金屬材料性能的改善和加工精度的提高，其良好的減振降噪性能逐漸顯現(xiàn)出來。在滿足使用要求的情況下，螺桿壓縮機(jī)的陽轉(zhuǎn)子可采用金屬鋼芯上注塑非金屬材料的結(jié)構(gòu)，陰轉(zhuǎn)子采用金屬材料，降低陰陽轉(zhuǎn)子嚙合過程中產(chǎn)生的機(jī)械性振動(dòng)噪聲。
② 轉(zhuǎn)子表面處理。在轉(zhuǎn)子表面噴涂自潤滑封嚴(yán)涂層，一方面涂層的封嚴(yán)特性可減小轉(zhuǎn)子間的嚙合間隙，降低齒間容積的泄露通道內(nèi)流體流動(dòng)誘發(fā)的流體動(dòng)力性噪聲；另一方面涂層的自潤滑特性可降低轉(zhuǎn)子嚙合的摩擦系數(shù)，降低轉(zhuǎn)子嚙合過程中產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)噪聲。
5.2 轉(zhuǎn)子型線
① 增加轉(zhuǎn)子齒數(shù)。螺桿壓縮機(jī)隨著轉(zhuǎn)子齒數(shù)的增加，增加了轉(zhuǎn)子嚙合過程中的重合系數(shù)，使嚙合載荷平均分配在較多的齒面上，減小單位齒面壓力，降低轉(zhuǎn)子嚙合過程中產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)噪聲。此外，轉(zhuǎn)子齒數(shù)較少時(shí)，轉(zhuǎn)子嚙合頻率低，低頻噪聲波長較長，其衍射能力強(qiáng)，傳播距離更遠(yuǎn)，低頻噪聲控制較難；而轉(zhuǎn)子齒數(shù)增多，轉(zhuǎn)子嚙合頻率向高頻偏移，在傳播過程中容易被吸收衰減，高頻噪聲容易控制，使壓縮機(jī)遠(yuǎn)場噪聲值更低。
② 優(yōu)化齒型設(shè)計(jì)。在理論研究和實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上優(yōu)化轉(zhuǎn)子的齒型設(shè)計(jì)，如增大扭轉(zhuǎn)角增加重合系數(shù)，增加嚙合線長度減小單位嚙合線上的載荷等措施減小轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)過程中的齒面接觸力，降低轉(zhuǎn)子嚙合過程中產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)噪聲，使運(yùn)行過程中轉(zhuǎn)子的振動(dòng)平穩(wěn)，噪聲穩(wěn)定。
六、結(jié)論
對于螺桿壓縮機(jī)的振動(dòng)噪聲問題，本文全面地介紹了螺桿壓縮機(jī)振動(dòng)噪聲產(chǎn)生的機(jī)理及相應(yīng)的控制措施。西安交通大學(xué)一直致力于螺桿壓縮機(jī)的研究，在螺桿壓縮機(jī)熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)計(jì)算、轉(zhuǎn)子型線優(yōu)化、噴油優(yōu)化、排氣氣流脈動(dòng)研究的基礎(chǔ)上，目前對螺桿壓縮機(jī)振動(dòng)噪聲的研究也取得了一定的成果，但是振動(dòng)噪聲影響因素眾多，且互相影響，互相制約，給螺桿壓縮機(jī)的減振降噪增加了難度，導(dǎo)致理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果還存在一定差距，工程應(yīng)用中還沒有形成系統(tǒng)的減振降噪的設(shè)計(jì)理論和方法。因此，從理論研究上降低壓縮機(jī)振動(dòng)噪聲并應(yīng)用于實(shí)踐還需要進(jìn)一步的努力。
參考文獻(xiàn)
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[14] 馬大猷. 噪聲與振動(dòng)控制工程手冊[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.
[16]程雙靈, 李國良, 張秋菊. 螺桿壓縮機(jī)噪聲控制的研究[J]. 流體機(jī)械, 2007, 35(2):43-45.
[17] 周明龍,陳文卿,楊僑明,邢子文.一種可調(diào)頻自適應(yīng)氣流脈動(dòng)衰減器:中國, 201810860811 .7[P].2018-08-01.
作者簡介
周明龍，碩士，中級工程師，長期從事螺桿壓縮機(jī)振動(dòng)噪聲控制新技術(shù)研究。
陳文卿，博士，研究員，長期從事螺桿壓縮機(jī)新技術(shù)研究。
【壓縮機(jī)網(wǎng)】②赫姆霍茲氣流脈動(dòng)衰減腔
赫姆霍茲共振器是聲學(xué)中一個(gè)比較常見的降噪裝置，其主要由短管和腔體組成，如圖5所示，在一定條件下可用其來消減螺桿壓縮機(jī)排氣腔內(nèi)的氣流脈動(dòng)幅值[9,10,11,12]。
根據(jù)赫姆霍茲共振器的結(jié)構(gòu)尺寸可以計(jì)算出赫姆霍茲共振器的固有頻率 fr：
式中 c—流體介質(zhì)聲速；
S—短管截面積；
L—短管有效長度；
V—腔體體積。
當(dāng)入射聲波pi的頻率接近赫姆霍茲共振器的固有頻率時(shí)，在赫姆霍茲共振器的短管中產(chǎn)生強(qiáng)烈振動(dòng)，通過克服摩擦阻力而消耗聲能，從而降低下游聲波的幅值。
基于赫姆霍茲共振器原理，武曉昆等[13]在螺桿壓縮機(jī)的排氣軸承座上設(shè)計(jì)赫姆霍茲氣流脈動(dòng)衰減腔，排氣氣流脈動(dòng)幅值衰減30%以上，氣流脈動(dòng)基頻下的機(jī)腳振動(dòng)加速度可降低36.2%-40.9%。
③ 穿孔板脈動(dòng)衰減器
穿孔板脈動(dòng)衰減器結(jié)構(gòu)如圖6所示，其脈動(dòng)衰減機(jī)理是穿孔板上每個(gè)穿孔與其對應(yīng)的腔體組成的系統(tǒng)類似赫姆霍茲氣流脈動(dòng)衰減腔，穿孔板脈動(dòng)衰減器可以看成許多赫姆霍茲氣流脈動(dòng)衰減腔的并聯(lián)。
按照馬大猷院士經(jīng)典理論[14]，穿孔板脈動(dòng)衰減器的衰減頻率fMPA可以表示為
式中 c—流體介質(zhì)聲速；
t—穿孔板厚度；
d—穿孔孔徑；
D—穿孔板腔體深度；
P—穿孔率（穿孔面積/全面積100%）。
基于穿孔板設(shè)計(jì)原理，劉華等[15]針對變頻螺桿壓縮機(jī)排氣氣流脈動(dòng)誘發(fā)的氣動(dòng)噪聲設(shè)計(jì)寬頻帶穿孔板氣流脈動(dòng)衰減器。應(yīng)用氣流脈動(dòng)衰減器后，在運(yùn)行轉(zhuǎn)速3000～4500rpm區(qū)間，氣流脈動(dòng)基頻排氣噪聲值下降3.0dBA以上；在排氣噪聲較大的高轉(zhuǎn)速運(yùn)行區(qū)間4500～5100rpm，排氣噪聲值下降5.0dBA到7.5dBA，實(shí)現(xiàn)了變頻螺桿壓縮機(jī)全頻率段的降噪。
4.2 噪聲傳遞路徑隔聲
① 機(jī)殼雙層壁設(shè)計(jì)
螺桿壓縮機(jī)機(jī)殼采用雙層壁結(jié)構(gòu)，可以阻礙振動(dòng)噪聲的傳遞，降低壓縮機(jī)的整體噪聲。格力，大冷等企業(yè)將機(jī)體外殼采用雙層壁結(jié)構(gòu)，減弱噪聲向外輻射的能力，起到隔離噪聲的作用。此外，壓縮機(jī)采用液體冷卻方式（如油冷、水冷等），不僅可阻礙噪聲的傳遞，而且采用液冷方式后可取消風(fēng)冷方式的風(fēng)扇，也有助于降低螺桿壓縮機(jī)的整體噪聲。
② 隔聲罩設(shè)計(jì)
根據(jù)螺桿壓縮機(jī)的噪聲頻譜特性，設(shè)計(jì)隔聲罩結(jié)構(gòu)，優(yōu)化隔聲罩的吸聲材料，可以有效降低壓縮機(jī)的遠(yuǎn)場噪聲。程雙靈等[16]通過對隔聲罩結(jié)構(gòu)和吸聲材料的優(yōu)化，螺桿壓縮機(jī)噪聲下降了近10dBA。
4.3 氣流脈動(dòng)衰減
目前氣流脈動(dòng)衰減與抑制主要針對特定運(yùn)行工況，當(dāng)壓縮機(jī)運(yùn)行工況變化較大時(shí)，尤其是變頻螺桿壓縮機(jī)變轉(zhuǎn)速工況，氣流脈動(dòng)衰減裝置的衰減效果減弱甚至消失。為了滿足不同運(yùn)行工況下氣流脈動(dòng)衰減效果，拓寬氣流脈動(dòng)衰減頻率范圍，往往只能被動(dòng)的采用多個(gè)衰減裝置并聯(lián)或者串聯(lián)，不僅會(huì)犧牲衰減效果，還會(huì)帶來衰減裝置體積過大無法安裝甚至被動(dòng)增加壓縮機(jī)體積。因此，根據(jù)壓縮機(jī)的運(yùn)行工況和氣流脈動(dòng)特性，自動(dòng)調(diào)節(jié)氣流脈動(dòng)衰減裝置的衰減頻率，有效降低壓螺桿縮機(jī)氣流脈動(dòng)的衰減裝置迫在眉睫。周明龍等[17]等根據(jù)壓縮機(jī)運(yùn)行特性設(shè)計(jì)的一種可調(diào)頻自適應(yīng)氣流脈動(dòng)衰減器將成為一種新的趨勢。
4.4 主動(dòng)減振
在螺桿壓縮機(jī)運(yùn)行過程中，根據(jù)所檢測到的壓縮機(jī)振動(dòng)信號，振動(dòng)數(shù)據(jù)經(jīng)過實(shí)時(shí)處理，通過一定的控制策略，驅(qū)動(dòng)作動(dòng)器對壓縮機(jī)施加外部激勵(lì)（如力，力矩等），最終達(dá)到抑制螺桿壓縮機(jī)振動(dòng)，降低機(jī)械振動(dòng)輻射噪聲的目的。目前國內(nèi)主動(dòng)減振技術(shù)還處于機(jī)理的研究階段，離實(shí)際應(yīng)用還有較大距離。但是基于主動(dòng)減振降噪技術(shù)的良好發(fā)展前景，以及螺桿壓縮機(jī)振動(dòng)產(chǎn)生機(jī)理的深入研究，主動(dòng)減振降噪技術(shù)將逐步應(yīng)用到螺桿壓縮機(jī)減振降噪領(lǐng)域。
4.5 有源降噪
有源降噪是利用聲波的相消干涉原理，通過引入電聲裝置產(chǎn)生額外的噪聲源與不希望的原始噪聲進(jìn)行疊加，從而達(dá)到降低或者抑制噪聲的目的。
有源降噪具有良好的低頻降噪效果，最適用于控制低頻諧波噪聲，目前主要集中應(yīng)用在耳機(jī)和汽車等領(lǐng)域。隨著有源技術(shù)的發(fā)展，以及螺桿壓縮機(jī)噪聲的深入研究，有源降噪將逐步應(yīng)用到螺桿壓縮機(jī)降噪領(lǐng)域。
五、振動(dòng)噪聲發(fā)展趨勢
5.1 轉(zhuǎn)子材料
① 轉(zhuǎn)子材質(zhì)替換。隨著非金屬材料性能的改善和加工精度的提高，其良好的減振降噪性能逐漸顯現(xiàn)出來。在滿足使用要求的情況下，螺桿壓縮機(jī)的陽轉(zhuǎn)子可采用金屬鋼芯上注塑非金屬材料的結(jié)構(gòu)，陰轉(zhuǎn)子采用金屬材料，降低陰陽轉(zhuǎn)子嚙合過程中產(chǎn)生的機(jī)械性振動(dòng)噪聲。
② 轉(zhuǎn)子表面處理。在轉(zhuǎn)子表面噴涂自潤滑封嚴(yán)涂層，一方面涂層的封嚴(yán)特性可減小轉(zhuǎn)子間的嚙合間隙，降低齒間容積的泄露通道內(nèi)流體流動(dòng)誘發(fā)的流體動(dòng)力性噪聲；另一方面涂層的自潤滑特性可降低轉(zhuǎn)子嚙合的摩擦系數(shù)，降低轉(zhuǎn)子嚙合過程中產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)噪聲。
5.2 轉(zhuǎn)子型線
① 增加轉(zhuǎn)子齒數(shù)。螺桿壓縮機(jī)隨著轉(zhuǎn)子齒數(shù)的增加，增加了轉(zhuǎn)子嚙合過程中的重合系數(shù)，使嚙合載荷平均分配在較多的齒面上，減小單位齒面壓力，降低轉(zhuǎn)子嚙合過程中產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)噪聲。此外，轉(zhuǎn)子齒數(shù)較少時(shí)，轉(zhuǎn)子嚙合頻率低，低頻噪聲波長較長，其衍射能力強(qiáng)，傳播距離更遠(yuǎn)，低頻噪聲控制較難；而轉(zhuǎn)子齒數(shù)增多，轉(zhuǎn)子嚙合頻率向高頻偏移，在傳播過程中容易被吸收衰減，高頻噪聲容易控制，使壓縮機(jī)遠(yuǎn)場噪聲值更低。
② 優(yōu)化齒型設(shè)計(jì)。在理論研究和實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上優(yōu)化轉(zhuǎn)子的齒型設(shè)計(jì)，如增大扭轉(zhuǎn)角增加重合系數(shù)，增加嚙合線長度減小單位嚙合線上的載荷等措施減小轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)過程中的齒面接觸力，降低轉(zhuǎn)子嚙合過程中產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)噪聲，使運(yùn)行過程中轉(zhuǎn)子的振動(dòng)平穩(wěn)，噪聲穩(wěn)定。
六、結(jié)論
對于螺桿壓縮機(jī)的振動(dòng)噪聲問題，本文全面地介紹了螺桿壓縮機(jī)振動(dòng)噪聲產(chǎn)生的機(jī)理及相應(yīng)的控制措施。西安交通大學(xué)一直致力于螺桿壓縮機(jī)的研究，在螺桿壓縮機(jī)熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)計(jì)算、轉(zhuǎn)子型線優(yōu)化、噴油優(yōu)化、排氣氣流脈動(dòng)研究的基礎(chǔ)上，目前對螺桿壓縮機(jī)振動(dòng)噪聲的研究也取得了一定的成果，但是振動(dòng)噪聲影響因素眾多，且互相影響，互相制約，給螺桿壓縮機(jī)的減振降噪增加了難度，導(dǎo)致理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果還存在一定差距，工程應(yīng)用中還沒有形成系統(tǒng)的減振降噪的設(shè)計(jì)理論和方法。因此，從理論研究上降低壓縮機(jī)振動(dòng)噪聲并應(yīng)用于實(shí)踐還需要進(jìn)一步的努力。
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作者簡介
周明龍，碩士，中級工程師，長期從事螺桿壓縮機(jī)振動(dòng)噪聲控制新技術(shù)研究。
陳文卿，博士，研究員，長期從事螺桿壓縮機(jī)新技術(shù)研究。
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