對(duì)直排大氣羅茨真空泵獨(dú)特的排氣噪聲機(jī)理-“聲波堆集”進(jìn)行初步探討,提出新的消聲理論-“縫隙消聲”,根據(jù)該理論,設(shè)計(jì)的縫隙式復(fù)合消聲器,取得了較好的消聲效果。

　　羅茨真空泵(以下簡(jiǎn)稱(chēng)羅茨泵)是一種抽速大、起動(dòng)快、體積小、運(yùn)行和維護(hù)方便,在航空航天、電器、化工、醫(yī)藥、輕工等各領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用的真空泵。它有四種類(lèi)型,即普通羅茨泵、氣冷式羅茨泵、多級(jí)羅茨泵和濕式羅茨泵。普通羅茨泵不允許直排大氣,必須配備前級(jí)泵才能工作,它的工作壓差不大,故泵溫不高;氣冷式羅茨泵可以直排大氣,工作時(shí)要承受很大的壓差,壓縮過(guò)程中產(chǎn)生的熱量將使羅茨泵、尤其是轉(zhuǎn)子嚴(yán)重發(fā)熱,為此在泵體進(jìn)口與出口的中間二側(cè)充入經(jīng)冷卻的氣體或大氣去直接冷卻熱態(tài)的轉(zhuǎn)子,因此稱(chēng)之為氣冷式羅茨泵; 多級(jí)羅茨泵是氣冷式羅茨泵的多級(jí)組合,可以直排大氣,但因每級(jí)壓差相對(duì)較小,不需再用氣體去冷卻轉(zhuǎn)子;濕式羅茨泵也屬直排大氣的泵,它的特點(diǎn)是在泵腔內(nèi)注入少量水,一方面起冷卻作用,更重要的是起水封作用,提高了泵的容積效率,因此被稱(chēng)為濕式羅茨泵。由于上述四種羅茨的工作原理并不完全一樣,工作范圍和用途也不一樣,因此它們的噪聲機(jī)理也有所不同,控制和消除噪聲的方法也各有側(cè)重。

1、普通羅茨泵

1.1、電機(jī)噪聲

　　目前電機(jī)質(zhì)量良莠不一,電機(jī)噪聲往往掩蓋了羅茨泵的噪聲,一是風(fēng)扇噪聲普遍都比較大,據(jù)分析應(yīng)該是塑料風(fēng)扇變形所致;二是使用了質(zhì)量不好的軸承所引起的軸承噪聲。

1.2、羅茨泵噪聲

1.2.1、轉(zhuǎn)子碰撞噪聲

　　它包括轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)子與泵體和轉(zhuǎn)子與側(cè)蓋的碰撞噪聲。產(chǎn)生的主要原因是: 軸的剛度不足,轉(zhuǎn)子和齒輪在軸上定位的徑向移位,齒輪間隙過(guò)大或過(guò)小,軸承的軸向游隙過(guò)大等。

1.2.2、齒輪噪聲

　　影響齒輪噪聲的因素除齒輪本身的加工精度外,還有安裝齒輪的二個(gè)轉(zhuǎn)子軸的平行度和中心距。

1.2.3、軸承噪聲

　　除了軸承本身的精度外,設(shè)計(jì)不足也可能造成軸承噪聲的增加,如軸承內(nèi)、外圈安裝過(guò)盈量過(guò)大,軸剛度不足,潤(rùn)滑油供應(yīng)不足,以及受到粉塵、水、腐蝕性氣體和液體污染等。

2、氣冷式羅茨泵

　　氣冷式羅茨泵是利用氣體來(lái)冷卻壓縮過(guò)程中產(chǎn)生的熱量,由于散熱均勻,可以在高壓差和高壓縮比的情況下工作。如果泵所排出的氣體比較清潔,則可以利用泵排出的氣體經(jīng)冷卻后返回(通過(guò)返冷氣管)泵內(nèi)進(jìn)行冷卻,這時(shí)泵出口已配置有復(fù)合消聲器(圖1) ,故返冷氣不會(huì)產(chǎn)生大的噪聲。如泵排出的氣體含有其它有害物質(zhì),返回泵內(nèi)將對(duì)泵的工作產(chǎn)生不利的影響,則必須用清潔的氣體或大氣通過(guò)返冷氣管進(jìn)入泵內(nèi)進(jìn)行冷卻,這時(shí)就會(huì)產(chǎn)生進(jìn)氣噪聲,由于進(jìn)氣量大、壓差大,故噪聲也很大,高達(dá)100 - 110dB (A) ,屬于中、高頻噪聲,且以高頻為主,它比較簡(jiǎn)單,可以很方便的使用阻性消聲器(圖1中虛線)來(lái)消聲。

1. 氣冷式羅茨泵　2. 冷卻器　3. 返冷氣管　4. 復(fù)合消聲器　5. 阻性消聲器

圖1　氣冷式羅茨泵配置圖

2.1、噪聲機(jī)理與消聲

　　氣冷式羅茨泵有二種功能:一是可配備前級(jí)泵像普通羅茨泵那樣在高真空下工作,這時(shí)它的噪聲就跟普通羅茨泵一樣; 二是可以不帶前級(jí)泵,直接排大氣,這是它最大的特點(diǎn),此時(shí)它的排氣噪聲很高,尤其是泵在極限壓力下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),它的噪聲完全掩蓋了其它噪聲,高達(dá)110 - 135dB (A) ,以中頻為主,在低頻和高頻段也都有很高的噪聲,是一個(gè)寬頻帶噪聲。

　　氣冷式羅茨泵的排氣噪聲機(jī)理可以這樣認(rèn)為,在極限壓力工況下運(yùn)轉(zhuǎn)的羅茨泵,由于泵出口與入口之差存在著較大壓差,出口的氣體必然要通過(guò)轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)子之間的間隙和轉(zhuǎn)子與泵體之間的間隙,向入口返流,并不斷撞擊高速運(yùn)轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子,產(chǎn)生撞擊噪聲, 由于這時(shí)排出的氣體量很少,聲波來(lái)不及傳播出去而形成聲波的堆集,聲能很快加強(qiáng)形成強(qiáng)噪聲,不過(guò)這個(gè)聲波的堆集并不很穩(wěn)定,邊堆集邊破壞,所以只能是相對(duì)穩(wěn)定,因此泵的噪聲是在一定范圍內(nèi)穩(wěn)定,有波動(dòng),這就是“聲波堆集”理論。由于聲波的堆集作用,所以氣冷式羅茨泵的噪聲特別大。

　　通常高頻噪聲用阻性消聲器完全可以解決,對(duì)于低、中頻噪聲則需用抗性消聲器,但擴(kuò)張型和共振型消聲器僅在某一較窄頻率范圍內(nèi)有較好消聲效果,所以對(duì)寬頻噪聲必須多節(jié)串聯(lián),這樣結(jié)構(gòu)必然復(fù)雜,體積膨大,消聲效果也并不很好。

　　根據(jù)氣冷式羅茨泵的工作特點(diǎn),它在極限壓力下工作時(shí),噪聲最大,排出的氣體量最小,隨著泵入口壓力的提高,噪聲會(huì)逐漸降低。對(duì)此我們?cè)O(shè)計(jì)了一種縫隙式復(fù)合消聲器(圖2) ,它應(yīng)用了一種全新概念-稱(chēng)之謂“縫隙消聲”,達(dá)到了較好的消聲效果,消聲量達(dá)30dB (A)以上。(已申請(qǐng)了專(zhuān)利) 。

1. 閥式縫隙消聲器　2. 阻性消聲器　3. 膜片式縫隙消聲器

圖2　縫隙式復(fù)合消聲器　　圖3　柔性消聲膜片

2.2、“縫隙消聲”的原理

　　當(dāng)聲波沿管道傳播到消聲器的縫隙處,由于管道截面突然收縮,使沿管道傳播的噪聲在突變處有一部分向聲源方向反射回去,還有一部分聲能由于聲波在縫隙處發(fā)生劇烈磨擦而轉(zhuǎn)化為熱能被吸收,只有一小部分聲波通過(guò)縫隙成為透射波繼續(xù)傳播下去,從而達(dá)到消聲目的。從原理看它也屬于抗性消聲,可消除低、中頻噪聲。

　　縫隙式復(fù)合消聲器的消聲流程是噪聲首先通過(guò)閥式縫隙消聲器的閥板與法蘭縫隙,消除低、中頻噪聲,再經(jīng)過(guò)阻性消聲器,消除中、高頻噪聲,最后通過(guò)膜片式縫隙消聲器柔性消聲膜片的米字形或十字型縫隙,進(jìn)一步消除低、中頻噪聲,因此消聲效果好。