山东锦工有限公司是一家专业生产罗茨鼓风机、罗茨真空泵、回转风机等机械设备公司，位于有“铁匠之乡”之称的山东省章丘市相公镇，近年来，锦工致力于新产品的研发，新产品双油箱罗茨风机、水冷罗茨风机、油驱罗茨风机、低噪音罗茨风机，赢得了市场好评和认可。
罗茨鼓风机每次吸入、排出的风量很大并有突变现象,从而产生较大的噪声,被称之为机械产品的“声老虎”,特别是在高压的情况下尤甚,且风量越大、压力越高、转速越快,则噪声就越大,而现代化大生产又希望罗茨鼓风机能提供更高的压力和更大的风量。为了提高风机性能、降低噪声污染、满足环保要求,工程师们想尽了各种对策。本文从噪声源着手,在设计与制造方面提出降低噪声的一些方法。
噪声分析
机械噪声主要来源于机壳的振动, 使机壳发生振动的原因主要有两个:①叶轮的转动不平衡力,通过传动构件转移到机壳上,对机壳产生周期性的激励;②机壳内的涡流强度所决定的压力脉动,常与叶片的基频(即叶片通过频率)有联系,也对机壳产生周期性的激励。风机的风压越高,这一激励源越不能忽视。噪声测量测量罗茨风机噪声的目的就是为了对被测对象进行噪声等级的分析、评价或声源识别,以便采取适当的措施进行噪声控制。通常罗茨风机的噪声识别方法有现场测量法、声功率测量法、表面振动测量法等,其中,现场测量法是工程实际中常用的方法。现场测量法通过对数据、频谱的分析确定主要的噪声辐射源,方法简便,测量结果能真实反映风机的振动与噪声水平,但易受环境的影响。声功率测量法反映噪声源辐射强度与辐射特性,避免了声压级易受测量距离和测量环境影响的缺点。振动测量法是根据罗茨风机的表面振动速度来估计表面辐射声功率,主要困难在于罗茨风机零部件辐射比的确定,需要测量较多的数据和进行大量的计算。
结构设计
设计回流孔
在机壳出风端未过转子中心处开一定的U形条孔, 可以减轻出风口端的压力爆发,在叶轮与机壳、墙板所形成的容腔即将进入密闭状态时,使出风口的高压气体有少量部分能回流入容腔,并使容腔与出风口气室形成一定的压力平衡。同时,当叶轮继续旋转时,容腔体积变小,压力增加,又可使得密闭容腔在大量排出气体前能通过回流孔预排,这样既可减少“死角”气体的涡流噪声,又可减少排气时由于压力过于释放造成的冲击噪声 。
设计异形进出风口
传统罗茨鼓风机的进出风口为矩形口,吸气时,整个叶轮外圆同时进入密封区,使气体突然关闭,排气时叶轮外圆又同时打开,则高压气体突然释放,使得吸入和排出气体时都会产生高噪声并伴有较大振动。将进出风口设计成异形口,吸入时的密封和排出时的打开基于开口面积由最大到零和由零到最大,均为渐变,从而延缓了进排气口气体压差的变化率,起到削减周期性排气冲击噪声的作用,因此使噪声低而平稳。。
转子串接设计法
叶轮一般作为一个整体与轴联接,若将叶轮沿轴向分成几段,则构成串接转子。每段叶轮具有相同的叶型、直径,甚至相同的长度。串接时,相邻两段叶轮周向错开一定的角度(两叶错开90°,三叶错开60°) ,并在机壳内或叶轮段间设置隔板,将其隔成相应的段,每一段的工作情况都与单台鼓风机相似。由于各段叶轮的工作过程有一定的时间差,使气流脉冲减少,与同长度的单一叶轮相比总排气流量不变而脉动变得更加平稳,噪声也相对较低。
设计扭曲叶轮
罗茨鼓风机叶轮轮齿一般与轴线平行,即直齿状,这样加工、检测就比较方便,但随着加工技术的发展,还是应设计成扭曲叶轮,即斜齿状,因为这样可以增加啮合线长度。扭叶罗茨鼓风机工作平稳、输气脉动小、噪声低,而且工作时具有内压缩过程,与直叶罗茨鼓风机相比效率高、能耗低,是罗茨鼓风机传统的替代产品。
叶轮曲线的CAD 设计法
叶轮作为罗茨鼓风机的心脏零件,表面形状至关重要,气体是通过两个叶轮表面的啮合,来进行吸气与排气的。为了使这对叶轮能正常啮合,叶轮曲线一般都设计成渐开线、摆线或圆包络线。基于设计及制造工艺,传统叶轮一般设计成单一型线,通过数学方法计算出各种参数,包括中心距、基圆、压力角、起始啮合角等。随着计算机及数控技术的发展,CAD 设计软件和数控编程软件功能也越来越强大,应充分利用软件资源,对叶轮曲线进行分段、组合设计,改掉以往的单一曲线,通过CAD 进行模拟、仿真,保证叶轮在任何情况下啮合时均可有相对固定的间隙。因为这种组合曲线在现代的数控机床上编程、加工已不是难事。均匀的叶轮间隙不仅能大大提高平稳性、降低噪声,而且还能保证风量、振动、寿命等重要的机械性能。
制造精度
精度的提高意味着产品成本的增加,但为了满足所需性能,又不得不提高相应方面的精度。下面就为满足低噪性能方面提出应提高的精度。
叶轮表面质量及平衡
叶轮表面质量主要取决于材质及加工质量。对于小叶轮,一般选择铸钢或球墨铸铁,并与轴铸成一体,大叶轮选择HT200 ,粗糙度为Ra3. 2 ,在数控机床上加工,取较小的走刀量,可获得较低的粗糙度;转子平衡至少应保证G6. 3 ,最好提高到G5. 6 。
轴承精度
轴承作为易损件,一般的企业都不愿提高其精度使产品成本增加,这样往往得不偿失。因为低精度轴承产生较大的振动和摩擦,且其作为整个机器的装配基准,对整机性能及其它零部件的寿命都有至关重要的影响。国外风机的轴承精度一般至少相当于我国的C 级标准。
齿轮精度
齿轮间隙、运动准确性、齿向精度等直接决定着叶轮啮合的均匀性及平稳性,齿面粗糙度又是摩擦噪声的主要来源之一。因此,按国标要求齿轮精度应保证在7 级以上,而一般机械加工厂的齿轮加工、检测手段往往不强, 使精度不能满足要求。所以齿轮加工最好是与专业的齿轮加工厂协作。
风道质量
光滑的风道表面能让气流顺利通过,不仅有利于减少损失,而且能大大减少因气流流动受阻而带来的啸叫声,因此,管道内壁应尽量降低粗糙度,减少弯道数量;进出风口不宜处于急变流场,应由方变圆光滑过渡。若系统中有多个管件,如弯头、支管等,则它们之间的距离应拉开5~10 倍管径。
采用消声、隔声、隔振等措施
除了在结构及制造精度方面控制噪声外,在轴承、齿轮、密封处应使用优质的润滑油,进出风口配设消声器,整机及配套设备外围设计隔声罩,有条件的地方可将风机置于地下室工作或选择水下罗茨鼓风机进行隔声、隔振等。
创新结构设计与噪声治理
“一种低噪声罗茨鼓风机”就是针对降低二叶罗茨鼓风机气动噪声，在噪声声源降噪的产品。其主要结构就是将罗茨鼓风机的排气口设计为双螺旋气口，并设有变径消声腔。当基元容积与排气口相通时，高压回流气体同时从双螺旋气口两侧进入基元容积腔内，与单螺旋气口相比，相同时间内回流气体的体积增加一倍，回流流速降低一半，故回流冲击脉动强度降低，从而降低了噪声。
不仅如此，双螺旋气口使的高压回流气体从两封口同时回流，其冲击作用在基元容积腔内相互作用、相互抵消，最终对风机侧板基本不形成冲击力，能很好的降低噪声。与此同时，双螺旋风口降低高压气体对叶轮轴的挠度影响，使得运行更可靠，这样的结构，还提高了抗超负荷的能力。而且，鼓风机内部联成整体，使其的抗挤压能力和抗拉伸能力得到很大提高。最后，除了采用以上办法降低启动噪声和机械噪声外，还设计有变径消声腔干涉消声，使得噪声大大降低。
罗茨风机噪声以气动噪声和机械噪声影响为主。研究噪声源的特性和产生机理,是正确选择噪声控制措施的基本条件。从声源传播途径考虑,采取消声、隔声、吸声和隔振等降噪方法,能够有效控制噪声污染,但增加了设备成本与工程投资。从结构设计与生产工艺考虑,通过优化结构设计、改进加工方法、提高装配精度、选用合理的型号和调节方式,能够从根本上消除噪声危害,不仅降低噪声,而且提高风机效率、降低设备能耗,仍然是罗茨风机的主要发展方向。
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