力华牌凸轮转子泵的降噪实践研究记录

2013/11/9 18:36:45      点击:
1引言

转子泵的噪声问题是振动噪声治理的重点,其产生的原因非常复杂。对凸轮转子泵噪音的产生从根源上进行了分析。针对噪声产生的机理和噪音特性,本文拟对力华凸轮转子泵从结构优化、加工制造、安装设计、动力修改等方面进行降噪处理。


2凸轮转子泵结构的低噪声设
对凸轮转子泵从结构上进行改进,可以从根本上减小排液口的回流冲击强度,消减液流脉动,从而降低转子泵液体动力性噪声,从根源上降低噪音的产生强度。
2.1转子的低噪声设计
(1)将二叶叶轮改为三叶叶轮。根据液流脉动分析,通过对三叶叶轮和两叶叶轮进行对比,发现通过增加了转子泵转子的头数,可以有效降低进液流量脉动,同时转子泵排液的不均匀度得到很好的改善,噪音明显降低。
图1串接转子
(2)串接转子。如图4—1所示,将几段具有相同叶型、直径、甚至长度的叶轮串接在同一根轴上,串接时,相邻两段之间相互错开一定的角度,形成串接转子。
同时在机壳内设置隔板,将其分割成不同的响应段,每一段的工作情况都与单台转子泵相似,可有效减少整台转子泵的液流脉动,但是结构比较复杂。
2.2进排液口的低噪声设计
(1)螺旋形排液口设计。如图4—2所示,叶轮顶端直线从A点转过角度西,构成以AAEF表示的排液口。从空间角度看,斜边A13(或CD)为环绕在圆柱面(即机壳内圆表面)上的螺旋线。如果将机壳内圆表面展成平面,AE将成为平面三角形AAEF的一条直边。
实践表明,螺旋形排液接口沿轴向由零变至最大,比矩形排液口的开启要平缓的多。因此噪音相对较小。
图2螺旋形排液口
(2)预进液结构。主要有两种预进液结构:以渐扩缝隙预进液,弧形槽预进液,螺旋槽预进液和曲折槽预进液为代表的内回流结构和以逆流冷却为代表的预进液流道结构。
图3是内回流结构的转子泵,这些结构转子泵排液缝隙的开启比普通回留缝隙的开启平缓的多。
图3内回流结构转子泵
2.3力华牌凸轮转子泵在转子泵结构的低噪声设计方面的改进尝试
正是基于上述对转子泵结构设计的分析,由于上述技术的种种优点,我们在力华牌凸轮转子泵在设计方面做了实践性尝试,并对加工工艺进行了探讨,下面将具体细节阐述如下:
(1)在研制扭叶凸轮转子泵样机时,为了能对样机性能检测对比的方便,样机采用LH200型三叶直叶凸轮转子泵的主参数。扭叶凸轮转子泵的主参数:理论流量49m3/min,额定升压50kPa,额定转速1070r/min,配套电机功率55kW。
扭叶凸轮转子泵转子的参数是LH200的转子外型尺寸:转子直径360ram;转子长度:360mm;中心距240mm;扭转转角60度(左右旋各一件)。
(2)扭叶凸轮转子泵转子的端面型线采用了圆弧线叶型。扭叶凸轮转子泵在机壳的进排液口的布置上采取了与螺杆式压缩机相似的布置方式。这种结构布置的最大特点就是避免了传统凸轮转子泵上呈对称布置的进排液口,它使基元容积的液体直接与排液口相通,结合扭叶转自逐渐啮合的特点,使扭叶转子在工作时不像直叶转子那样能使基元容积完全与排液口相通。这样在与排液口连通之前,使基元容积中的液体能在机壳内转子旋转时产生一定的内压缩。
(3)为了使排液压力脉动峰值平缓,扭叶凸轮转子泵在机壳结构设计时,在机壳上采用了内回流槽及预迸进液结构,以减小高压液体的回流强度,可明显降低噪声;还增加了散热筋板,并扩大了润滑和冷却油箱容积。扭叶凸轮转子泵采用模块化设计,能迅速实现立、卧式机座转换。装配图及零件图采用参数化绘图,这有利于产品系列化及变型设计。扭叶低噪声节能凸轮转子泵在外观设计上改变了传统造型,具有现代工业设计风格。
(4)扭叶凸轮转子泵样机的检测结果。样机完成后,对LH200扭叶型凸轮转子泵样机进行了测试:升压,轴功率,容积流量,容积效率,噪声测定等项目。
现将检测报告中的噪声结果介绍如下。
扭叶凸轮转子泵的噪声是按照《转子泵和凸轮转子泵噪声测量方法GB/T2888.91》测定的,进排液口均安装了消声器,测试现场的背景噪声为45dB(A)。噪声测量结果记录见表1所示。
表1 转子泵噪声的测量结果
检测报告的数据表明,扭叶转子的设计能比直叶转子降低噪音5%.10%。
(5)扭叶转子的加工工艺:目前已有的二轴数控刨床(包括从日本进口的数控龙I'-JN床)只能加工两叶三叶直叶转子。而不能完成扭叶转子的加工。LH型扭叶凸轮转子泵的样机扭叶转子的型面也只能在四轴二联动的加工中心上加工,并需采用球头铣刀,该刀具刃磨须用工具磨床,而且加工效率低。这种加工工艺的成本对于扭叶凸轮转子泵的批量生产是不利的。
由于扭叶转子的型面精度要求高,而且型号和规格多,传统的转子仿形加工工艺已不能适用,可采用下列数控加工工艺来实现扭叶转子型面的加工。
A)扭叶转子数控滚切工艺:加工机床为四轴二联动数控滚齿机。其机床结构复杂,制造成本及改造费用高;刀具为成型滚刀,刀具型号多,制造费用大,适合大批量,小规格的扭叶转子加工,生产效率高,但实施相当困难。
B)扭叶转子数控铣削工艺:加工机床为四轴二联动数控铣床。其机床结构较复杂,制造成本较高;刀具为盘形铣刀,刀具费用较高。铣削工艺适合中批量,不同规格的扭叶转子加工,生产效率较高,但实施困难。

C)扭叶转子数控刨削工艺:加工机床为三轴二联动数控刨床。其机床结构简单,制造成本较低;刀具采用可转位圆形硬质合金机夹刀片。刀具费用最低,刨削工艺适合中小批量,不同规格的扭叶转子加工生产。效率与目前国内凸轮转子泵厂家的直叶转子刨削加工工艺相当,容易实施,具有操作简单,便于推广应用等优点。


3消声器、隔声罩及管路设计
3.1消声器的设计
消声器是一种既允许液体通过,又能衰减或阻碍噪声传播的装置。采用消声器控制液体动力性噪声,既简便又有效。通常,在转子泵进液口或排液管路中安装消声器,可以大幅度的降低从进液口辐射或管路中传播的噪声。
为适应不同类型的凸轮转子泵及不同的工况,公司设计了阻性,抗性及阻抗复合式等多种类型的消声器,下面将分别对它们进行简单的介绍。
图4阻性消声器断面示意图
(a)直臂式 (b)片式 (c)固芯式 (d)环式
(1)阻性消声器:它利用吸声材料的吸声作用,使沿通道传播的噪声不断被吸收而逐渐衰减。
图4和图4—5是阻性消声器断面示意图和剖面示意图。把吸声材料固定在液流通过的管道周壁,或者按一定方式在管道中排列起来,构成阻性消声器。所选吸声材料为玻璃棉,泡沫塑料等多孔性材料。声波入射时,引起多孔材料中的介质及纤维振动,由于摩擦和粘滞阻力的作用,一部分声能转化为热能散耗掉,达到消声的目的。
图5阻性消声器剖面示意图
(a)直管式 (b)芯筒式
吸声层的厚度与消声频率有关。吸声材料的低频声系数很小,而中高频吸声系数较大。如果需要消除的是高频噪声,采用较薄的吸声层就可以了;如果要消除的是低频噪声,则需要增加吸声层的厚度。采用超细玻璃棉作吸声材料时,其容重一般为20.25kg/m3,厚度由噪声频谱特性决定。对于高频噪声,厚度一般为30.50mm,对于宽频噪声,厚度一般为80.100mm。消声器的外壳采用厚度为2mm以上的钢板制造,以保证有足够的机械强度和隔声值。由于凸轮转子泵的液流脉动较大,为了保护吸声材料不被液流带走,消声器采用了穿孔板和玻璃布作吸声材料的护面层,穿孔板的穿孔率为20%。
图6给出了某阻性消声器的消声频谱曲线。当频率在1000Hz以上时,其消声量高达40dB,低于1000Hz时,消声效果在25—30dB之间。
图6阻性消声器的消声频谱曲线图
(2)抗性消声器:通过控制声抗来进行消声。如下图7所示。
图7抗性消声器
(a)扩张式 (b)共振式 (c)微孔式
这种消声器不使用吸声材料直接吸收声能,而利用管道截面的突然扩张和收缩,使沿管道传播的噪声在突变处向声源反射回去;或者借助管道旁边的共振腔,使沿管道传播的某种频率的噪声在该共振腔短路,从而得以降低。
抗性消声器主要适用于宽频带噪声的消声,而凸轮转子泵进排液噪声都具有明显的宽频特性(进液噪声的低频特性显得稍微强烈一点),因此抗性消声器的消声效果不及阻性消声器的好,且尺寸体积也相对大一些。
图8阻抗复合型消声器
(a)-(b)扩张式阻抗复合型 
(c)-(d)共振式阻抗复合型
(3)阻抗复合型消声器:阻性消声器对中高频噪声的消声效果好,抗性消声器适用于消除低中频范围内的窄频带噪声,两者结合可以构成阻抗复合型消声器,如图8所示。凸轮转子泵具有高强度的宽频噪声时,采用这种消声器。
加装消声器是降低液流噪声的有效手段,根据转子泵噪声频谱,设计了阻抗复合式消声器,该消声器有下列技术特点:
①为方便制造和维护,消声器分为阻性、抗性两段,中间以标准法兰相连。
②吸声材料选用离心玻璃棉毡,为提高低频消声效果,消声器阻性段离心玻璃棉毡厚度设计为1 50mm。
③消声器有效长度增加,可以提高消声量。由于上部汇流管高度不能变动,
设计时将原转子泵排液口逆止阀到流量调节阀之间“S”形管道改为“L”形,降低了流量调节阀高度,从而使消声器长度增加,消声器有效长度已达1800mm。
④消声器出口直径大于进口直径,有效通道截面积增加近1倍,使进入汇流管的液流速度降低,减少了对汇流管的撞击,达到降低再生噪声目的。
图9为本公司设计的专用力华牌凸轮转子泵消声器图。
图9凸轮转子泵消声器
3.2隔声罩与隔音房的设计
根据内部及外部结构,设计隔声罩整体结构图如下图10所示。
图10隔声罩罩体结构图
从结构上,隔声罩通常分为单层和双层两种构造。单层隔声构件主要有罩板,阻尼涂料,吸声层及护面层组合而成,其隔声量一般可达20.30dB(A),双层隔声构件在两个单层构件中间夹有一定厚度的介质层,其隔声量比单层的更高。本隔声罩采用单层结构。
本隔声罩采用可拆式拼装结构,设有能敞开的小门及玻璃观察窗。拼缝及门窗是隔声的薄弱环节,应尽量将数量控制到最少,尺寸控制到最小,本隔声罩采用了一个门,并在接缝处垫衬乳胶或者橡胶条密封。图11为现场LH.200凸轮转子泵隔声罩图片,从图中可以很清晰的看到设计中对隔声罩门窗的处理。
在吸声、消声结构处理上,主要做了如下工作:
(1)吸声材料的选择
隔声罩内不安装吸声材料,罩内辐射噪声的声能就会不断积聚,导致最后辐射噪声与从隔声罩内透射的声能相等,隔声罩就会失去隔声作用,因此隔声罩内部必须安装吸声材料,设计中选用密度为32kg/m3,厚度为40mm的玻璃棉作为吸声材料。
图11 LH.200凸轮转子泵隔声罩
(2)吸声材料背后空腔设计
吸声材料背后介质层对于吸声特性的影响,其规律是随着介质层厚度的增大,最大吸声系数峰值频率向低频移动。隔声罩内龙骨架采用10号热轧槽钢,下图为槽钢截面图,h=100mm,b=48mm,d=5.3mm,理论质量10.007kg/m。在实际生产中,在保证刚度的情况下,可选用2mm或2.5mm厚的钢板折叠而成。
(3)罩体钢板选择及内部阻尼层设计
隔声罩外壳采用Q235A普通碳素钢,厚度为2mm,其弹性模量E=210GPa,切变模量G=81GPa,泊松比为0.25-0.3,密度p=7850kg/m3,其面密度为15.7kg/m 2为减弱声波传到大面积钢板时发生共振和吻合效应,需在罩壁内表面粘贴一层阻尼层,以降低其噪声辐射。阻尼层和金属板的粘合形式有自由阻尼层和约束阻尼层,设计过程中,采用自由阻尼层方式。阻尼层厚度为钢板厚度的2"-'3倍。厚度
太小,起不到应有的阻尼效果,但厚度也不宜太大,因为厚度超过一定值后,其阻尼效果的增加便不明显,同时还浪费材料,因此本设计取阻尼层厚度为5mm。
(4)穿孔板选择和设计
穿孔板的吸声原理是亥姆霍兹共振理论,声波传到共振器时,小孔径中的液体在声波压力下往返运动,运动液体具有一定质量,它抗拒运动速度的变化。声波进入小孔时,因为孔壁的摩擦和阻尼,使部分声能转化为热能而消耗掉。分析噪声数据可以看出,转子泵噪声分为较明显的低、中、高频段,多孔吸声材料对于中高频噪声的吸收较好,因此可以利用穿孔板的亥姆霍兹共振原理吸收或减弱中低频噪声。穿孔板采用穿孔镀锌钢板,在孔径d=-5mm,板厚度t--0.5mm,板后介质层厚度D=95mm时,穿孔板共振频率和穿孔率有如下图所示关系,可以看出,穿孔率越小,共振频率越低,穿孔率越大,共振频率越高,类似于抛物线关系。转子泵的中频噪声主要集中在1100Hz附近,由于当穿孔板的穿孔率大于20%时,不论穿孔以何种几何形状排列,其隔声质量都很小,其声学作用降低,它已不起共振吸声作用,而主要起护面或罩面作用,这时所保护的吸声材料层是整个吸声结构的主体。穿孔板后面的材料的吸声系数一般随穿孔率的提高而上升,但是当穿孔率大于20%时,穿孔板的吸声性能将下降。 
图12力华凸轮转子泵排液消声箱墙体
图12为力华凸轮转子泵排液消声箱墙体结构图,墙体上穿孔板的穿孔率为20%,圆孔排列为三角形排列方式,孔径为5mm。
另外为保证噪声不从消声箱上的开孔处直接漏出,进排液消声箱上的开孔与墙体上的开孔按错开了一定的距离进行设计,这样就保证了液流形成了曲折形流道,而不至于直接从开孔处直接流出。
(5)护面玻璃布
为防止岩棉脱落,岩棉的两个表面都用护面材料进行了保护,同时穿孔板和吸声材料后面都紧贴了一层玻璃布,这样可以展宽吸声频带的宽度,使得穿孔板在较宽的频带范围内都能获得较高的吸声系数。
(6)薄板共振
利用微穿孔板消除低频噪声虽然有较好的效果,但费用较高,因此考虑采用薄板共振吸声结构。薄板共振吸声结构的共振频率/o一般在80"--300Hz2_间。厂。可用下式估算
f0=600/(mD)1/2   (1)
式中m,D分别表示薄板面密度和板后介质层厚度。
由上式可知,增加薄板的面密度m或介质层厚度D,皆可使共振频率下移,反之则升高。选用三合板,龙骨间距45cm×45cm的薄板共振吸声结构,介质层厚度为5cm。此种薄板振动结构在250Hz附近具有较好的吸声效果,利于消除转子泵噪声中250Hz附近的低频噪声。
(7)管道设计和补救措施
为防止噪声从堵板和管道的缝隙中传出来影响隔声和消声效果,对部件和管道的联接进行了精心的设计,各部件相互搭接处粘贴AN.200密封条,在隔声罩堵板开口处的管道外周都贴有AF.200管道密封条,增大阻尼,隔断噪声传播。
除此之外,还可以在转子泵上采用矩形管与底座连接,或采用软管连接,以便消除机器与机组之间的刚性连接,从而达到降低固体振动噪声的目的。
表2安装隔声罩前后噪声对比(1500r/min)

噪音值dB(A)  9.8
19.6
29.4
39.2
49.0
58.8
加隔声罩前
84
85
 86
87
 89
90
加隔声罩后
75
75 
75 
75 
76
76

3.3隔声、消声效果评价
上面通过对消声器和隔声罩的设计,将力华凸轮转子泵产生的噪声进行了吸收和隔离,在一定程度上降低了转子泵噪声,表2和表3分别为对LH-200凸轮转子泵加隔声罩和消声器前后的噪音值比较。结果表明,通过对LH-200凸轮转子泵安装消声器和隔声罩,其噪声值降低了10-15dB(A),成功将其噪声值降到了80dB(A)以下。

表3安装隔声罩前后噪声对比(49kPa的情况下)


4本文小

本文以LH-200凸轮转子泵为研究对象,从改善转子泵自身结构、加消声器和隔声罩等几个方面左手,对其进行了全面的综合的降噪处理。结果表明:通过改变转子泵自身结构、加合适的隔声罩都能将转子泵噪声降低10.15dB(A),通过现场测试数据表明,降噪后的LH-200凸轮转子泵的噪音成功降低到了80dB(A)以下。


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