臥螺離心機(jī)的減振降噪技術(shù)研究
技術(shù)支持
隨著工業(yè)機(jī)械化程度的日益提高，工業(yè)噪聲污染嚴(yán)重，不僅直接給工人健康和社會(huì)環(huán)境帶來危害，而且還會(huì)影響產(chǎn)品質(zhì)量、使用性能和年限。離心機(jī)在高速回轉(zhuǎn)中完成非均相分離和過濾工作，與一般回轉(zhuǎn)機(jī)械比，由于轉(zhuǎn)速高，振動(dòng)和噪聲問題顯得更加突出。要降低離心機(jī)的噪聲和振動(dòng)，除了從傳播途徑上采取隔振、隔聲和吸聲等手段外，還應(yīng)分析找出產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲的主要部位和原因，提出改進(jìn)措施，從根源上解決振動(dòng)和噪聲問題，對(duì)提高離心機(jī)產(chǎn)品質(zhì)量和技術(shù)水平具有重要的指導(dǎo)意義。
LW-380D并流型臥式螺旋卸料沉降離心機(jī)是我國(guó)中小型酒精企業(yè)進(jìn)行糟液固/液分離的理想設(shè)備，是一種節(jié)能型臥螺離心機(jī)，單位處理能力可達(dá)9m3/h，脫水后穩(wěn)定的濕糟含液率為75%～80%，有利于二次回用，可使每噸酒精節(jié)約10t投料水，且回用水溫度一般為60℃。該機(jī)的轉(zhuǎn)鼓直徑為380mm，轉(zhuǎn)鼓長(zhǎng)度為1140mm，轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速為3550r/min，主要由轉(zhuǎn)鼓、螺旋、差速器、機(jī)殼、機(jī)座等組成，并由電磁調(diào)速電機(jī)驅(qū)動(dòng)，是一個(gè)高轉(zhuǎn)速、多聲源的設(shè)備，實(shí)測(cè)機(jī)組噪聲聲壓級(jí)為91.0dB（A），聲功率級(jí)為104.9dB（A），振動(dòng)烈度為11.2，振動(dòng)和噪聲都比較大。因此有必要降低產(chǎn)品的振動(dòng)和噪聲，同時(shí)也是提高產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性的一個(gè)重要研究方向和內(nèi)容。
1 振動(dòng)、噪聲測(cè)量分析軟件系統(tǒng)
噪聲測(cè)量采用B & K聲級(jí)計(jì)，測(cè)量范圍為10～140dB。振動(dòng)則是采用B & K測(cè)振儀，頻率響應(yīng)在0.3Hz到1kHz或15kHz之間可以測(cè)量位移、速度、加速度，測(cè)量軸承座3個(gè)方向的振動(dòng)速度有效值，在規(guī)定測(cè)點(diǎn)和方向上測(cè)得的振動(dòng)速度有效值作為被測(cè)機(jī)器的參數(shù)，給出其振動(dòng)烈度值。聲強(qiáng)測(cè)量分析是采用兩只距離相近的傳聲器同時(shí)感應(yīng)聲壓信號(hào)，利用快速傅里葉分析把聲強(qiáng)和兩傳聲器信號(hào)的互譜的虛部相關(guān)聯(lián)。
對(duì)于機(jī)械噪聲的測(cè)量，一般要確定噪聲源及聲源所輻射的噪聲特性。其測(cè)量方法主要取決于聲源、環(huán)境類型和噪聲特性等。在離心機(jī)減振降噪的技術(shù)研究中，除使用了常規(guī)的振動(dòng)、噪聲測(cè)試分析儀器和方法外，還使用了某院開發(fā)的振動(dòng)、噪聲測(cè)量分析軟件。該軟件可以進(jìn)行振動(dòng)與噪聲的測(cè)試數(shù)據(jù)分析，包括譜分析、聲強(qiáng)測(cè)量分析和試驗(yàn)?zāi)B(tài)測(cè)量分析等多功能處理系統(tǒng)，滿足了通用機(jī)械振動(dòng)噪聲分析的需要。
（1）聲強(qiáng)測(cè)量分析。用于測(cè)量分析某點(diǎn)的聲強(qiáng)，得到該點(diǎn)的聲壓級(jí)，聲強(qiáng)級(jí)的量值，線性譜，A計(jì)權(quán)后的頻譜、倍頻程及1/3倍頻程譜圖等。
（2）聲功率測(cè)量分析。除具有聲強(qiáng)軟件包的功能外，可測(cè)量某臺(tái)機(jī)器或機(jī)器的某一部分的聲功率級(jí)，得到線性的聲功率級(jí)，A計(jì)權(quán)聲功率級(jí)、倍頻程及1/3倍頻程聲功率級(jí)。
（3）三維聲強(qiáng)圖及等聲強(qiáng)圖分析?？傻玫綑C(jī)器的三維聲強(qiáng)圖及等聲強(qiáng)圖，由圖形直觀地顯示出各點(diǎn)噪聲的大小。
（4）單通道FFT分析。對(duì)振動(dòng)、噪聲信號(hào)進(jìn)行FFT分析，可得到功率譜函數(shù)。
（5）雙通道FFT分析?？捎糜谡駝?dòng)、噪聲信號(hào)的FFT分析，得到自功率譜、互功率譜分析及噪聲與振動(dòng)信號(hào)之間的依賴關(guān)系的相干分析。
2 噪聲源分析及控制措施
根據(jù)機(jī)械噪聲源的不同，噪聲劃分為空氣動(dòng)力性噪聲和機(jī)械性噪聲?？諝鈩?dòng)力性噪聲主要是由高速氣流、不穩(wěn)定氣流等氣流與物體之間相互作用產(chǎn)生的；機(jī)械性噪聲主要是因?yàn)楣腆w的振動(dòng)而產(chǎn)生的。
2.1 空氣動(dòng)力性噪聲分析
為了分析離心機(jī)的噪聲源，首先使用聲強(qiáng)法對(duì)機(jī)組噪聲進(jìn)行測(cè)試分析，測(cè)定出機(jī)組噪聲頻譜。可以看出：噪聲明顯分為兩段，即500Hz以下的低頻段，這一段以350Hz分量較大，為87.5dB（A）；第二段為2000～3500Hz之間的高頻段，高峰為91.0dB（A），頻率為2200Hz。為了進(jìn)一步分析聲源，在測(cè)某點(diǎn)噪聲的同時(shí)，測(cè)其對(duì)應(yīng)的軸承部位的振動(dòng)，并進(jìn)行相干分析，可以確定其低頻段基本上是由振動(dòng)引起的，而高頻段則可能是高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)鼓所產(chǎn)生的空氣動(dòng)力性噪聲。
為找出機(jī)組空氣動(dòng)力性噪聲產(chǎn)生的根源，進(jìn)一步判斷分析的正確性，將機(jī)殼上蓋去掉，暴露轉(zhuǎn)鼓，以轉(zhuǎn)鼓軸線方向?yàn)?/span>X軸，從轉(zhuǎn)鼓大頭端軸承起，到轉(zhuǎn)鼓小頭端軸承，共取8個(gè)測(cè)點(diǎn)位置，在與水平面成0°、30°、60°、90°的表面上取4個(gè)測(cè)點(diǎn)位置，共取32個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)出離心機(jī)頂面的三維聲強(qiáng)圖和等聲強(qiáng)圖?？梢钥闯觯褐虚g共有3個(gè)明顯的高聲強(qiáng)區(qū)，分別對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)鼓溢流孔處和大頭法蘭、轉(zhuǎn)鼓柱、錐聯(lián)接法蘭和轉(zhuǎn)鼓小頭端的差速器部位。
轉(zhuǎn)鼓是高速轉(zhuǎn)動(dòng)的柱錐體，圓周線速度達(dá)82m/s。外表面上的螺釘頭和凹的螺釘孔洞產(chǎn)生的空氣動(dòng)力性噪聲由兩部分組成：16個(gè)柱錐法蘭聯(lián)接的圓形螺釘頭，在轉(zhuǎn)鼓的高速轉(zhuǎn)動(dòng)下打擊周圍的空氣介質(zhì)，引起氣體的壓力脈動(dòng)而產(chǎn)生噪聲；同時(shí)在圓柱的迎風(fēng)面，壓力高、流速較大，而在圓柱的背風(fēng)面，壓力和流速都急劇下降，形成渦流區(qū)，因而在轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中，使得周圍的空氣介質(zhì)產(chǎn)生壓力脈動(dòng)而形成噪聲。
另外，氣流流經(jīng)圓柱形螺釘頭的表面時(shí)，在表面上形成附面層，這些附面層在圓柱的背風(fēng)面脫離圓柱表面而形成旋渦。所產(chǎn)生的紊流附面層及旋渦與旋渦分裂脫體，同時(shí)在轉(zhuǎn)鼓大頭端的螺釘孔洞也將產(chǎn)生旋渦，而產(chǎn)生渦流噪聲。
旋轉(zhuǎn)噪聲和渦流噪聲的各階倍頻分量比較強(qiáng)。圓周速度越高，則噪聲越大。而分離因數(shù)決定了圓周速度，降低圓周速度不現(xiàn)實(shí)，但可以將轉(zhuǎn)鼓外表面做到盡可能的光滑，以減少對(duì)周圍空氣的擾動(dòng)，避免渦流的產(chǎn)生。因此，將轉(zhuǎn)鼓大頭法蘭盤上的16個(gè)螺釘孔填平，測(cè)量靠近轉(zhuǎn)鼓大頭端部的8個(gè)測(cè)點(diǎn)的聲強(qiáng)?？梢钥闯?，轉(zhuǎn)鼓大頭部位噪聲明顯下降。再將柱錐聯(lián)接法蘭處16個(gè)螺釘頭之間用填料填平，外部形成光滑表面，改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后，整機(jī)噪聲降低了6dB（A），噪聲聲功率級(jí)降至98.9dB（A），降噪效果顯著。
因此建議在離心機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，減小轉(zhuǎn)鼓大頭螺釘孔與螺釘頭裝配間隙，保證轉(zhuǎn)鼓大頭端面平整，避免產(chǎn)生渦流噪聲；同時(shí)將柱錐聯(lián)接法蘭的螺釘改為埋頭螺釘，保證外圓平整光滑，降低空氣動(dòng)力性噪聲。
測(cè)量中還發(fā)現(xiàn)機(jī)組傳動(dòng)部分噪聲較大，從頻譜圖中看出高頻噪聲仍較突出。為診斷該部分的噪聲源，采取了分步運(yùn)行法，首先單運(yùn)行脫離開的電機(jī)，在2000～3500Hz之間無明顯的峰值，可排除電機(jī)的影響；再將等聲強(qiáng)圖向差速器方向延伸，增加1組測(cè)點(diǎn)。差速器是由擺線輪組成的齒輪箱，一般齒輪噪聲頻率較高，將差速器皮帶輪的三角帶去除，讓螺旋和轉(zhuǎn)鼓同步運(yùn)行，齒輪箱不工作，發(fā)現(xiàn)噪聲譜圖無變化，說明并非齒輪箱影響。而差速器兩端各由16只內(nèi)六角螺釘將法蘭與殼體聯(lián)接，這32支螺釘也是高低不平，部分螺釘頭露出表面，在高速旋轉(zhuǎn)中產(chǎn)生氣流噪聲，覆蓋住這部分螺釘頭形成平滑過渡表面后，該部分的噪聲也得到了相應(yīng)控制。
綜上所述，高速旋轉(zhuǎn)體的表面光滑過渡，對(duì)控制空氣動(dòng)力性噪聲作用明顯。僅對(duì)轉(zhuǎn)鼓體和差速器表面采取措施，使得機(jī)組噪聲由104.9dB（A）降至98.7dB（A），降低了6.2dB（A）。機(jī)組噪聲聲壓級(jí)也降至84.4dB（A），效果顯著。
2.2 機(jī)械噪聲分析
消除高頻噪聲分量峰值后，500Hz以下低頻噪聲顯得突出，其中350Hz頻率分量噪聲為87.5dB（A）。為進(jìn)一步分析，在測(cè)定噪聲的同時(shí)測(cè)定該處的振動(dòng)信號(hào)，將兩路信號(hào)同時(shí)采集進(jìn)行相干分析，頻率為62.5、275、350Hz分量的相干系數(shù)都在0.85以上。說明低頻噪聲基本上是由振動(dòng)產(chǎn)生的，必須采取相應(yīng)措施降低機(jī)組振動(dòng)，才能進(jìn)一步降低機(jī)組的機(jī)械噪聲。
3 機(jī)組振動(dòng)分析與控制措施
按照分離機(jī)械振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)，臥式螺旋離心機(jī)振動(dòng)是以轉(zhuǎn)鼓兩端的軸承座振動(dòng)作為考核指標(biāo)。取離心機(jī)軸向?yàn)?/span>X軸，水平方向?yàn)閅軸，垂直方向?yàn)閆軸，轉(zhuǎn)鼓大頭端軸承編號(hào)為1，小頭端軸承座編號(hào)為2，進(jìn)行軸承座振動(dòng)速度有效值測(cè)量。兩軸承座振動(dòng)烈度均為11.2，62.5Hz的分量較為突出。主頻分量為59.5Hz，則可確定62.5Hz即為轉(zhuǎn)鼓同步的分量，說明是由轉(zhuǎn)鼓不平衡產(chǎn)生的振動(dòng)，因此，需對(duì)轉(zhuǎn)鼓重新進(jìn)行動(dòng)平衡，以降低機(jī)組振動(dòng)。
3.1 轉(zhuǎn)鼓動(dòng)平衡
臥式螺旋離心機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)體由轉(zhuǎn)鼓體和差轉(zhuǎn)速為20～25r/min的螺旋兩部分組成。測(cè)量軸承座的振動(dòng)時(shí)測(cè)振儀的指針擺動(dòng)較大，周期為2s多，與螺旋和轉(zhuǎn)鼓的轉(zhuǎn)速差為20～25r/min相符，說明轉(zhuǎn)鼓和螺旋均存在不平衡。對(duì)于這種復(fù)合轉(zhuǎn)子，將轉(zhuǎn)鼓與螺旋分別進(jìn)行動(dòng)平衡，采用振動(dòng)分析方法來進(jìn)行試平衡，即先讓螺旋與轉(zhuǎn)鼓同步運(yùn)行，確定整個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)體的不平衡量，然后轉(zhuǎn)動(dòng)螺旋，使之與轉(zhuǎn)鼓相差不同的角度，分別確定轉(zhuǎn)鼓與螺旋的不平衡量。經(jīng)過反復(fù)分析，確定轉(zhuǎn)鼓小頭端的不平衡量，在轉(zhuǎn)鼓小頭端法蘭盤上配重半徑為124mm處增加質(zhì)量40g，以此為0°位置，在差速器上半徑為63mm、與0°位置成135°處去除質(zhì)量16g，在螺旋大頭端配重半徑為152.5mm、與0°位置成180°處兩次焊接質(zhì)量塊59.5g（ 次為44g，第二次為15.5g），使得整個(gè)機(jī)組振動(dòng)明顯下降?？梢姴捎谜駝?dòng)分析手段，達(dá)到了預(yù)期減振效果。若采用高精度的動(dòng)平衡機(jī)對(duì)轉(zhuǎn)鼓和螺旋分別進(jìn)行高精度的動(dòng)平衡，機(jī)組振動(dòng)還會(huì)降低。
3.2 機(jī)組的隔振降噪
離心機(jī)主機(jī)和電機(jī)共用支承鋼板底座，這種結(jié)構(gòu)不僅要保證底座具有足夠的剛性和質(zhì)量，而且可適當(dāng)?shù)丶咏畎?，以增加底板剛性。另外機(jī)組支承鋼板下配置8只JG3-4減振器和1只JG3-6減振器?？紤]到各減振器需均勻受力，按隔振理論，應(yīng)使減振器的剛度中心、離心機(jī)的撓力中心和整個(gè)機(jī)組的重心在同一垂直線上。但由于機(jī)組形狀限制，難以保證3個(gè)中心的重合，也影響了機(jī)組的振動(dòng)。測(cè)得各減振器的壓縮量相差11mm，說明各減振器受力不均。為此在距機(jī)組出渣斗旁減振器250mm處增加1只JG3-4減振器，使得各減振器壓縮量之差不超過1mm，機(jī)組振動(dòng)得到改善，振動(dòng)烈度由11.2降至4.5以下。
4 結(jié)論
在臥螺離心機(jī)減震降噪技術(shù)研究中，除使用常規(guī)的振動(dòng)、噪聲測(cè)試分析儀器外，還采用了振動(dòng)、噪聲測(cè)量分析軟件以及譜分析和試驗(yàn)?zāi)B(tài)測(cè)量分析等技術(shù)，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行了較全面的振動(dòng)、噪聲分析，找出了振源和聲源，并在結(jié)構(gòu)上提出了相應(yīng)的改進(jìn)和控制措施，使得機(jī)組噪聲聲功率級(jí)由104.9dB（A）降至98.7dB（A）；聲壓級(jí)由91.0dB（A）降至84.4dB（A）；振動(dòng)烈度由11.2降至4.5以下，效果顯著，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品減振降噪的預(yù)期目標(biāo)。
此項(xiàng)技術(shù)對(duì)分離機(jī)械行業(yè)具有普遍性的指導(dǎo)意義，可推廣應(yīng)用于各類離心機(jī)。建議在離心機(jī)產(chǎn)品整機(jī)和零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上都應(yīng)注意減振降噪問題，如采取減振彈性基礎(chǔ)，對(duì)動(dòng)、靜零部件間的間距、布局、開孔大小和位置以及多轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)鼓復(fù)合振動(dòng)都需 的計(jì)算和試驗(yàn)等措施，同時(shí)還應(yīng)重視加工、裝配、動(dòng)平衡精度、配套件精度與質(zhì)量等，實(shí)現(xiàn)機(jī)組減振降噪目標(biāo)，為離心機(jī)的減振降噪及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化提供指導(dǎo)，研究成果具有良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。
