螺桿式制冷機(jī)組振動(dòng)噪聲特性分析

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(1. 海軍駐431廠軍代表室，遼寧 葫蘆島 125004；2.武漢第二艦船設(shè)計(jì)研究所，武漢 430064)

螺桿式制冷機(jī)組因其結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、易損件少、使用可靠，且在高壓縮比工況下仍能保持較高的輸汽系數(shù)和較低的排氣溫度，在空調(diào)冷水系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用[1]。由于螺桿式壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速和運(yùn)行功率高，使螺桿式制冷機(jī)組成為重要的系統(tǒng)振動(dòng)噪聲源[2]，其振動(dòng)和噪聲對周圍環(huán)境和工作人員產(chǎn)生不利的影響，因而對螺桿式制冷機(jī)組振動(dòng)和噪聲的控制引起了人們的重視。當(dāng)前對螺桿式制冷機(jī)組振動(dòng)噪聲特性的研究多集中于對螺桿式制冷壓縮機(jī)振動(dòng)噪聲特性的研究[3-6]，而缺少制冷壓縮機(jī)安裝于機(jī)組后對機(jī)組總體振動(dòng)噪聲特性的系統(tǒng)研究。因此，考慮以某型螺桿式制冷機(jī)組為例，通過理論研究和試驗(yàn)測試，對制冷機(jī)組振動(dòng)噪聲的產(chǎn)生機(jī)理、頻譜特性、傳遞路徑等進(jìn)行綜合分析。

1 機(jī)組組成及其振動(dòng)噪聲特性

1.1 機(jī)組組成

螺桿式制冷機(jī)組由兩臺(tái)半封閉螺桿式制冷壓縮機(jī)、一臺(tái)組合式冷凝器、一臺(tái)組合式蒸發(fā)器、一個(gè)底部機(jī)架等部件組成，見圖1。制冷壓縮機(jī)通過減振橡膠墊安裝于冷凝器、蒸發(fā)器支架上，壓縮機(jī)進(jìn)排氣管路與機(jī)組蒸發(fā)器、冷凝器之間為剛性連接；冷凝器、蒸發(fā)器剛性安裝在機(jī)組公共底部機(jī)腳上；機(jī)組側(cè)向采用減振器與背向基座連接，機(jī)組底部剛性安裝于地基基座上。

圖1 螺桿式制冷機(jī)組組成示意圖

1.2 機(jī)組振動(dòng)噪聲分析

螺桿式制冷機(jī)組振動(dòng)和噪聲主要來源于機(jī)組唯一的運(yùn)動(dòng)部件——制冷壓縮機(jī)。制冷機(jī)組產(chǎn)生的噪聲主要有氣流噪聲、耦合噪聲、電機(jī)噪聲。

1) 氣流噪聲。由于制冷介質(zhì)在壓縮機(jī)中周期性吸入-壓縮-排出，當(dāng)螺桿壓縮單元內(nèi)的制冷介質(zhì)與排出管道相通時(shí)，由于二者之間的壓差，會(huì)導(dǎo)致氣流的噴注噪聲的產(chǎn)生。

2) 耦合噪聲。在壓縮機(jī)的排出管道，氣流壓力高、流速快，在氣流流態(tài)發(fā)生改變的地方(如彎頭等)，氣流與管道產(chǎn)生相互作用，誘發(fā)耦合噪聲。

3) 電機(jī)噪聲。種類繁多，主要有①電機(jī)軸承本身結(jié)構(gòu)、制造和安裝偏差而導(dǎo)致的軸承噪聲；②徑向交變的電磁力激發(fā)的電磁噪聲。

制冷機(jī)組中，壓縮機(jī)是機(jī)組的主要振動(dòng)源，引發(fā)振動(dòng)的主要原因如下。

1) 動(dòng)不平衡。制冷機(jī)組中，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子螺桿及其聯(lián)接軸的動(dòng)不平衡會(huì)對機(jī)組的振動(dòng)產(chǎn)生較大的影響。

2) 螺桿的嚙合。當(dāng)壓縮機(jī)做功時(shí)，陰陽螺桿轉(zhuǎn)子高速嚙合，對制冷介質(zhì)壓縮做功。在這一過程中，壓縮制冷介質(zhì)力的周期性變化通過氣固耦合作用傳遞給螺桿，再經(jīng)過支撐部件傳遞給機(jī)組。

3) 管道的耦合振動(dòng)。在制冷介質(zhì)的高壓輸送管路，存在著較強(qiáng)的制冷介質(zhì)與管路之間的相互作用，引發(fā)管路的振動(dòng)，從而導(dǎo)致機(jī)組的振動(dòng)。

1.3 傳播途徑

螺桿式制冷機(jī)組噪聲傳播途徑為：壓縮機(jī)→隔聲罩→艙室；其振動(dòng)傳播途徑為：壓縮機(jī)→壓縮機(jī)機(jī)腳和進(jìn)排氣管路→冷凝器、蒸發(fā)器→設(shè)備底部機(jī)架→地基基座。

1.4 機(jī)組振動(dòng)噪聲測試

通過試驗(yàn)測試，可以獲得螺桿式制冷機(jī)組的振動(dòng)和噪聲頻譜特性，結(jié)合理論分析和機(jī)組的運(yùn)行方式、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等，就能全面掌握機(jī)組的振動(dòng)噪聲特性，為機(jī)組的振動(dòng)噪聲控制提供客觀的依據(jù)。

螺桿式制冷機(jī)組振動(dòng)噪聲測試布置如圖2，振動(dòng)測試布置于機(jī)組機(jī)腳、壓縮機(jī)機(jī)腳和壓縮機(jī)進(jìn)排氣管法蘭上，噪聲測點(diǎn)布置于距離機(jī)組包絡(luò)面1 m的中心高度處，分別采用振動(dòng)加速度計(jì)和傳聲器測量機(jī)組的振動(dòng)和噪聲。

圖2 螺桿式制冷機(jī)組振動(dòng)噪聲測試布置

通過測試，得到螺桿式制冷機(jī)組典型的機(jī)腳振動(dòng)加速度峰值譜和輻射噪聲聲壓峰值譜，見圖3。

圖3 螺桿式制冷機(jī)組振動(dòng)噪聲峰值譜

從螺桿式制冷機(jī)組振動(dòng)噪聲的峰值譜曲線可以看出，制冷機(jī)組的振動(dòng)噪聲特性與螺桿壓縮機(jī)的運(yùn)行特性密切相關(guān)，機(jī)組的振動(dòng)噪聲頻譜具有顯著的相似性，呈現(xiàn)出明顯的離散頻率峰值。該離散頻率峰值多分布在壓縮機(jī)的軸頻、倍頻及轉(zhuǎn)子的嚙合頻率等處。這表明機(jī)組的振動(dòng)噪聲很大程度上決定于壓縮機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)平衡、轉(zhuǎn)子嚙合、進(jìn)排氣脈動(dòng)以及軸承支撐等狀態(tài)。機(jī)組加速度的測試數(shù)據(jù)表明，壓縮機(jī)機(jī)腳和壓縮機(jī)進(jìn)排氣管法蘭上的振動(dòng)加速度級遠(yuǎn)大于機(jī)組機(jī)腳的振動(dòng)加速度級(高20～30dB)，因此，要控制機(jī)組的振動(dòng)噪聲必須從控制螺桿壓縮機(jī)及其傳播路徑上的振動(dòng)噪聲入手。

2 控制措施

1) 優(yōu)選振動(dòng)噪聲水平低的螺桿壓縮機(jī)，從源頭降低機(jī)組的振動(dòng)噪聲。

2) 為壓縮機(jī)選擇合適的減振器，把壓縮機(jī)的安裝方式改為彈性安裝形式，減少壓縮機(jī)振動(dòng)沿機(jī)組支架的傳遞。

3) 在壓縮機(jī)進(jìn)排氣口增裝金屬減振接管，減少壓縮機(jī)振動(dòng)沿管路的傳遞。

4) 增強(qiáng)機(jī)組底座的剛度，根據(jù)底座的模態(tài)計(jì)算結(jié)果，適當(dāng)增加底座材料厚度。

5) 從增加密封性和內(nèi)壁吸聲性能的角度設(shè)計(jì)壓縮機(jī)隔音罩，提高隔音罩的隔音效果。

6) 機(jī)組內(nèi)部支架結(jié)構(gòu)敷設(shè)阻尼材料，抑制結(jié)構(gòu)件振動(dòng)的傳遞。

7) 優(yōu)化機(jī)組制冷管系的布置，防止管路的“聲短路”。

3 結(jié)束語

由于螺桿式制冷機(jī)組振動(dòng)噪聲的復(fù)雜性，文中應(yīng)用理論分析和試驗(yàn)測試兩種研究方法分析螺桿式制冷機(jī)組振動(dòng)噪聲源及傳遞路徑特性，并據(jù)此提出相應(yīng)的控制措施，可為此類制冷機(jī)組的振動(dòng)噪聲控制提供指導(dǎo)。在后續(xù)的工作中，還需結(jié)合機(jī)組振動(dòng)噪聲控制措施的應(yīng)用測試，開展機(jī)組振動(dòng)噪聲特性與其控制措施的針對性定量研究。

[1] 陳仲智.螺桿式制冷機(jī)的應(yīng)用技術(shù)[J].制冷設(shè)備,1994(3):20-22.

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