螺杆空气压缩机振动噪声控制技术
【买空压机网】空压机振动噪声控制技术是一门“玄学”，其产生机理盘根错节，影响因素众多，“剪不断理还乱”，没有一套简单实用的方案能包治“百病”。空压机主要包括离心式、螺杆式、涡旋式等等，虽然结构形式各异，但是其振动噪声产生机理和控制技术仍有诸多相通之处。
本文以螺杆空气压缩机为例，分析振动噪声产生原因，探讨振动噪声控制技术，分享振动噪声改善案例。希望能对大家有所启发，共同促进压缩机行业振动噪声控制技术持续进步。
一、螺杆空压机振动噪声源
1.1研究背景
2023年10月，生态环境部印发了《关于开展工业噪声排污许可管理工作的通知》，明确将推动“十四五”期间工业噪声全部纳入排污许可证管理。根据《通知》，凡是属于《国民经济行业分类》中的工业行业，依据《固定污染源排污许可分类管理名录（2019年版）》应申请取得排污许可证或进行排污登记的排污单位，都将纳入工业噪声排污许可管理。对未按照通知要求依法取得排污许可证排放工业噪声的，或未安排污许可证规定排放工业噪声的排污单位依法处罚。
工业噪声包括泵、风机、空压机、冷却塔、发电机、汽轮机和排气放空设备等。噪声排放限值低，要求严格，对空压机出厂噪声指标提出了更加严苛的要求，如表1所示。
螺杆空压机经历了从定频到变频，从单级压缩到两级压缩的发展历程。无油压缩机的需求也越来越大，因此，小型高速化、高速无油化、高效节能以及大流量将成为行业发展新趋势，这给压缩机减振降噪带来新挑战。若不加强振动噪声控制技术研究与应用，将不可避免增加压缩机振动噪声，让企业和产品在市场竞争中处于不利地位。
1.2螺杆空压机振动噪声源
根据压缩机结构原理，螺杆空压机的振动噪声源包括主机、管道、油气桶、通风罩、风机和空滤，见图2。
主机振动噪声又可以分为机械振动噪声和流致振动噪声，见图3。机械振动噪声主要是转子啮合过程以及轴承回转运动过程中部件接触摩擦产生的振动噪声。流致振动噪声主要是空压机工作过程时，吸气、压缩和排气过程产生的气流脉动所诱发的振动噪声。
二、主机振动噪声控制技术
2.1机械振动噪声控制技术
（1）转子啮合：啮合间隙过小易导致异常接触，产生显著的边带频，通过放大间隙或优化工况可进行验证。正常情况下，随着加工技术的提升、装配工艺的改善，啮合间隙得到有效控制，但偶尔也会遇到一些转子非正常接触造成振动噪声异常的现象，在啮合频率两侧产生很多边带率。转子啮合异常主要与加工精度和啮合间隙有关，间隙过大导致流量减小，产生流致噪声；间隙过小，容易产生异常接触。
针对转子异常啮合造成的振动噪声，可通过放大间隙或者改变工况如温度和压力等确认。例如刚开机时温度较低，运行一段时间之后，温度升高，转子啮合间隙因温度变形发生变化，振动噪声将随之改变。
（2）齿轮啮合：齿轮的加工精度影响转子轴系的动平衡，诱发振动噪声。
齿轮是压缩机机械振动噪声的另一个主要来源，齿轮加工精度和啮合平稳性是关键。相同的齿轮，不同的供应商生产加工，齿轮振动差异较大，如图6所示。很多厂家采用螺杆转子和电机直连的方式取消齿轮，可以彻底消除齿轮啮合特征频率，如图7显示。从图中可以看出，采用电机直连后，齿轮啮合特征频率消失，轴向和径向振动均有改善。但是电机和转子直连，并不能一劳永逸，当电机轴与转子轴不对中时也会出现异常振动，尤其是2倍频振动特性显著升高，见图8。
2.2流致振动噪声控制技术
（1）内压缩共振腔：衰减内压缩过程中的气流脉动，从源头上抑制气流脉动诱发的噪声。压缩机工作过程分为吸气、压缩和排气三个环节，由于吸气压力较低，脉动相对较小，噪声不高，但是压缩和排气过程脉动相对较大。针对内压缩过程流致噪声，研发设计内压缩共振腔，可以起到良好的降噪效果。
（2）声波干涉器：基于声波干涉原理，将两路相位差为180°的声波相互叠加衰减。
针对排气噪声，可以设计声波干涉器，在排气端面上设计旁支流道，使两路气流脉动的波峰和波谷相互叠加，声波相互抵消，气流脉动会衰减，噪声随之降低。应用声波干涉器后，气流脉动可明显改善。
（3）内置消声器：基于赫姆霍兹共振原理，设计穿孔板消声器，衰减排气过程中的气流脉动，降低气流脉动诱发的管道振动噪声。
（4）内外压比匹配性：严重的“过压缩”与“欠压缩”现象会诱发较大的振动噪声。
内外压力不匹配的情况下，导致振动异常和能效恶化，因此通过永磁变频电机降速调节流量可以使内外压力更匹配。相同流量下，相对于滑阀容量调节，采用变频压缩机后气流脉动幅值衰减50%，噪声降低5dBA。
2.3减振降噪技术应用
（1）两级压缩
在结构设计方面，由于两级压缩机重心相对较高，在壳体和排气座位置可增设加强筋，提升局部强度；考虑到左右摆动，对支脚位置结构可进行优化。在气流脉动控制方面，基于压缩机的运行工况和振动噪声特性，可分别在级间流道和排气流道设计气流脉动衰减装置。
（2）喷水螺杆压缩机
对于喷水螺杆压缩机减振降噪，在压力和温度作用下，基于压力场和温度场计算转子变形量以及壳体的变形，可优化转子啮合间隙和齿顶间隙。在轴承力和气体力的作用下，建立振动数值模型，预测并优化壳体的振动响应。通过结构优化，壳体振动可改善40%。
三、机组振动噪声控制技术
3.1管路系统振动噪声控制技术
（1）管道优化
优化管道结构，减小弯头数量，增加弯管半径有助于降低管道振动噪声。
从图15可以看出，弯管半径越大，β越小，气流脉动激励降低。除了气流脉动激励之外，我们还要考虑到管道的结构模态，避免共振。因此，一方面要抑制气流脉动激励源，另一方面要降低管道的振动响应，通过管道优化降低管道噪音。
（2）小流量消声器
消声器应用到管路系统后，气流脉动幅值衰减率可超过70%，机组噪声改善效果超过8dBA。
（3）无油压缩机消声器
振动噪声是干式无油压缩机的一个痛点，缺少了润滑油的润滑与吸声，主机和管路系统噪声容易暴露出来。由于主机壁厚相对较厚而管道壁厚较薄，排气管路噪声突出，甚至超过120dBA。工艺螺杆压缩机对振动的要求更高，一旦因为振动导致管道出现故障，很可能会带来致命的危险。图17是通过现场测试分析之后，提出的一种管道消音器。实验结果表明，振动噪声改善80%以上，噪声降低20dBA，得到了客户的认可。
3.2油气桶振动噪声控制技术
（1）油气桶结构优化
油气桶主要起分油的效果，但是也会产生一些异常的噪音。如图18，含油的压缩空气直接吹到油气桶下面的挡板上，会产生扰油噪声，也会造成压力损失。因此，提出了两种避免扰油的结构，一个是含油压缩空气从上面吹入，通过润滑油从中间油孔流出，收集到下面的集油室；另一个是含油压缩空气从边缘进，下面有个挡油板。经此优化，油分桶分油效果显著提升，压力损失得到改善，气流扰油噪声降低，油分桶噪声可有效降低。
3.3风机振动噪声控制技术
在风机选型上，一般情况下，离心风机比轴流风机的噪声要低。在风机设计方面，可以从叶轮和蜗壳上进行优化。
3.4空滤噪声控制技术
空滤噪声主要是由于空气流速过大导致，可以通过优化结构，适当增加过滤面积，降低流速，降低空滤的气动噪声。
3.5隔声罩噪声优化技术
隔声罩设计，门板是一个着眼点，要加强密封设计，防止漏声。另外，吸声材料性能越好降噪效果越大。但是还需兼顾成本，不能一味增加吸声材料的投入。因此，需要测试吸声材料的吸声性能，针对不同的噪声特性，选择合适的吸声材料和门板厚度，实现降噪效果和成本的平衡。此外，隔声罩需要考虑密封设计，减少漏声现象；优化通风罩设计，也可降低漏声量。
总结与展望
在“双碳目标”背景下，伴随着压缩机节能减排快速推进，减振降噪的重要性也与日俱增。空压机振动噪声主要来源于主机、进气系统、排气系统、油路系统和冷却系统，而主机振动噪声来源于转子及齿轮啮合过程中产生的机械性振动噪声和气体压缩过程中气流脉动诱发的流致性振动噪声，通过壳体向外传递与辐射。因此，优化吸排气流道，开发内压缩共振腔、声波干涉器和穿孔管消声器等措施可降低主机振动噪声；优化管道结构，设计管路消声器，改善气路系统的振动噪声，优化隔声罩等措施，可从路径上衰减振动噪声，实现空压机振动噪声的预期目标。
无油鼓风机、工艺螺杆压缩机将是未来行业产品发展的趋势之一，这些领域的振动噪声问题也非常突出。因此，在优化气流脉动诱发的气动噪声方面，还有很多工作值得我们一起去探讨。
以上为正文!
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