罗茨真空泵的噪声机理及控制(1)

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)浙江真空设备集团有限公司 作者:许涛

  对直排大气罗茨真空泵独特的排气噪声机理-“声波堆集”进行初步探讨,提出新的消声理论-“缝隙消声”,根据该理论,设计的缝隙式复合消声器,取得了较好的消声效果。

  罗茨真空泵(以下简称罗茨泵)是一种抽速大、起动快、体积小、运行和维护方便,在航空航天、电器、化工、医药、轻工等各领域得到广泛应用的真空泵。它有四种类型,即普通罗茨泵、气冷式罗茨泵、多级罗茨泵和湿式罗茨泵。普通罗茨泵不允许直排大气,必须配备前级泵才能工作,它的工作压差不大,故泵温不高;气冷式罗茨泵可以直排大气,工作时要承受很大的压差,压缩过程中产生的热量将使罗茨泵、尤其是转子严重发热,为此在泵体进口与出口的中间二侧充入经冷却的气体或大气去直接冷却热态的转子,因此称之为气冷式罗茨泵; 多级罗茨泵是气冷式罗茨泵的多级组合,可以直排大气,但因每级压差相对较小,不需再用气体去冷却转子;湿式罗茨泵也属直排大气的泵,它的特点是在泵腔内注入少量水,一方面起冷却作用,更重要的是起水封作用,提高了泵的容积效率,因此被称为湿式罗茨泵。由于上述四种罗茨的工作原理并不完全一样,工作范围和用途也不一样,因此它们的噪声机理也有所不同,控制和消除噪声的方法也各有侧重。

1、普通罗茨泵

1.1、电机噪声

  目前电机质量良莠不一,电机噪声往往掩盖了罗茨泵的噪声,一是风扇噪声普遍都比较大,据分析应该是塑料风扇变形所致;二是使用了质量不好的轴承所引起的轴承噪声。

1.2、罗茨泵噪声

1.2.1、转子碰撞噪声

  它包括转子与转子、转子与泵体和转子与侧盖的碰撞噪声。产生的主要原因是: 轴的刚度不足,转子和齿轮在轴上定位的径向移位,齿轮间隙过大或过小,轴承的轴向游隙过大等。

1.2.2、齿轮噪声

  影响齿轮噪声的因素除齿轮本身的加工精度外,还有安装齿轮的二个转子轴的平行度和中心距。

1.2.3、轴承噪声

  除了轴承本身的精度外,设计不足也可能造成轴承噪声的增加,如轴承内、外圈安装过盈量过大,轴刚度不足,润滑油供应不足,以及受到粉尘、水、腐蚀性气体和液体污染等。

2、气冷式罗茨泵

  气冷式罗茨泵是利用气体来冷却压缩过程中产生的热量,由于散热均匀,可以在高压差和高压缩比的情况下工作。如果泵所排出的气体比较清洁,则可以利用泵排出的气体经冷却后返回(通过返冷气管)泵内进行冷却,这时泵出口已配置有复合消声器(图1) ,故返冷气不会产生大的噪声。如泵排出的气体含有其它有害物质,返回泵内将对泵的工作产生不利的影响,则必须用清洁的气体或大气通过返冷气管进入泵内进行冷却,这时就会产生进气噪声,由于进气量大、压差大,故噪声也很大,高达100 - 110dB (A) ,属于中、高频噪声,且以高频为主,它比较简单,可以很方便的使用阻性消声器(图1中虚线)来消声。

气冷式罗茨泵配置图

1. 气冷式罗茨泵 2. 冷却器 3. 返冷气管 4. 复合消声器 5. 阻性消声器

图1 气冷式罗茨泵配置图

2.1、噪声机理与消声

  气冷式罗茨泵有二种功能:一是可配备前级泵像普通罗茨泵那样在高真空下工作,这时它的噪声就跟普通罗茨泵一样; 二是可以不带前级泵,直接排大气,这是它最大的特点,此时它的排气噪声很高,尤其是泵在极限压力下运转时,它的噪声完全掩盖了其它噪声,高达110 - 135dB (A) ,以中频为主,在低频和高频段也都有很高的噪声,是一个宽频带噪声。

  气冷式罗茨泵的排气噪声机理可以这样认为,在极限压力工况下运转的罗茨泵,由于泵出口与入口之差存在着较大压差,出口的气体必然要通过转子与转子之间的间隙和转子与泵体之间的间隙,向入口返流,并不断撞击高速运转的转子,产生撞击噪声, 由于这时排出的气体量很少,声波来不及传播出去而形成声波的堆集,声能很快加强形成强噪声,不过这个声波的堆集并不很稳定,边堆集边破坏,所以只能是相对稳定,因此泵的噪声是在一定范围内稳定,有波动,这就是“声波堆集”理论。由于声波的堆集作用,所以气冷式罗茨泵的噪声特别大。

  通常高频噪声用阻性消声器完全可以解决,对于低、中频噪声则需用抗性消声器,但扩张型和共振型消声器仅在某一较窄频率范围内有较好消声效果,所以对宽频噪声必须多节串联,这样结构必然复杂,体积膨大,消声效果也并不很好。

  根据气冷式罗茨泵的工作特点,它在极限压力下工作时,噪声最大,排出的气体量最小,随着泵入口压力的提高,噪声会逐渐降低。对此我们设计了一种缝隙式复合消声器(图2) ,它应用了一种全新概念-称之谓“缝隙消声”,达到了较好的消声效果,消声量达30dB (A)以上。(已申请了专利) 。

缝隙式复合消声器 柔性消声膜片

1. 阀式缝隙消声器 2. 阻性消声器 3. 膜片式缝隙消声器

图2 缝隙式复合消声器  图3 柔性消声膜片

2.2、“缝隙消声”的原理

  当声波沿管道传播到消声器的缝隙处,由于管道截面突然收缩,使沿管道传播的噪声在突变处有一部分向声源方向反射回去,还有一部分声能由于声波在缝隙处发生剧烈磨擦而转化为热能被吸收,只有一小部分声波通过缝隙成为透射波继续传播下去,从而达到消声目的。从原理看它也属于抗性消声,可消除低、中频噪声。

  缝隙式复合消声器的消声流程是噪声首先通过阀式缝隙消声器的阀板与法兰缝隙,消除低、中频噪声,再经过阻性消声器,消除中、高频噪声,最后通过膜片式缝隙消声器柔性消声膜片的米字形或十字型缝隙,进一步消除低、中频噪声,因此消声效果好。

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