化纤卷绕机的噪声测试与分析

苏 振，马晓建，王生泽，过名言，陈 斌，段隆江

(1.东华大学机械工程学院，上海 201620；2.上海太平洋机电(集团)有限公司,上海 201620)

化纤卷绕机是化纤生产行业的主要生产设备之一，用来将以熔体纺丝法制成的化纤长丝卷绕成一定容量的卷装。其工作转速高(大都在10 000 r/min 以上)，而且尺寸较大，因此工作时常常会产生较大的振动和噪声。过大的振动不但影响到化纤的质量而且会对环境造成污染，影响其它设备的精度及操作人员的身心健康。对卷绕机的噪声加以分析，有助于卷绕机结构的改进，降低卷绕机的噪声，提高化纤质量。

1 卷绕机机构及产生噪声成因

化纤卷绕机是一个参数时变的、多界面耦合的、典型的复杂机电系统。它主要由高速横动装置、接触辊、锭轴(筒管夹头)、传动机构及其它功能装置(如断丝检测装置、刹车控制装置、落筒装置、生头装置、尾丝卷绕装置等)组成[1]。

筒管夹头轴是卷绕机的关键部件，也是影响卷绕机振动和噪声特性的主要因素。它主要由夹紧、支承、刹车、松筒、动力输入等结构组成。在正常工作时，随着丝饼半径逐渐增大，其转速、卷装质量与刚度在变，外在的激励也在变，所以筒管夹头轴是一个变质量、变刚度、变转速、柔性支撑的悬臂细长薄壁高速转子系统[2]。其结构如图1所示。

图1 卷绕机筒管夹头结构示意图

化纤卷绕机的噪声主要是由其结构本身振动产生的，振动主要是由于筒管夹头旋转时的质量不平衡引起的。这种不平衡包括两方面因素：一是机构本身的加工及装配误差，如锭轴的加工和装配误差等[3]；二是生产中随着卷装质量的逐渐增加，卷装密度局部不均匀、卷装质量分配不均匀。上述两因素都会导致卷装质量的主惯性轴与旋转轴线不重合，旋转时产生不平衡离心力而产生振动。

2 卷绕机噪声测试系统

PULSE系统平台包括硬件系统和软件系统两部分，硬件系统为3560B型智能数据采集前端，软件系统为7700型平台软件(包括7700型FFT分析和7771型CPB分析)。本次试验采用的PULSE平台其额定功率为30 W，电源为电压值10～32 V的电池或直流供电，频率范围0～25.6 kHz，转换精度为ADC/DAC24位，传声器声音灵敏度达到50 mV/P,频率响应3.15～2 000(+/-2 dB)，动态范围为15～147 dB。

噪声测试系统如图2所示。

图2 卷绕机噪声测试系统示意图

3 化纤卷绕机噪声测试与分析

根据国家颁布的《工业企业厂界噪声标准》(GB12348-1990)Ⅲ类标准，化纤工厂的噪声白天不超过65 dB(A)，夜间不能超过55 dB(A)。基于此标准对某种型号卷绕机进行噪声测试分析，以采取有效减震、隔声、消音等降噪措施确保厂界噪声达到此要求。

本试验所采用某型号卷绕机的筒管长1 500 mm，可装夹10丝饼，最高工作转速6 000 m/min，筒管直径为134 mm。

从7 500 r/min开始，在不同转速下测试了该型号化纤卷绕机的噪声，结果如图3所示。

图3 不同转速下试验用化纤卷绕机的噪声

从图3可以看出，该卷绕机的噪声随着转速的升高逐渐增强，在转速达到13 000 r/min-1后噪声增强的速度变得比较平缓，为了分析主导该卷绕机噪声的主要因素，分别对9 500 r/min、10 000 r/min、10 500 r/min和12 500 r/min转速下的噪声进行频谱分析，见图4、图5、图6、图7。

图4 9 500 r/min的噪声频谱

图5 10 000 r/min的噪声频谱

图6 10 500 r/min的噪声频谱

图7 12 500 r/min的噪声频谱

从图4至图7可以看出，所有这几张频谱图都存在两个位置比较稳定的谱峰，它们位于低频段，对应于卷绕机工作转速和它的倍频，同时也存在一个比较明显的变化趋势，那就是随着转速的升高，转速所对应的谱峰的高度也随之增高，在前半过程上升较慢，在10 500 r/min以后上升速度加快。

比较图4和图5，在1 kHz左右有一个十分明显的谱峰，该谱峰随着转速的升高而变小，转速增加到10 500 r/min(对应于图6)后，相应位置已经没有明显的谱峰。

在转速达到10 500 r/min时，频谱(图6)中出现一个550 Hz左右的谱峰，当转速增加到12 500 r/min后该谱峰消失。

噪声是由振动在空气中的传播所引起，对于该试验用的化纤卷绕机来说，引起它振动的主要因素就是筒管夹头及其组件的偏心、变形等造成的不平衡在旋转时所引起的激励，转速越高，激励越强烈，卷绕机的噪声就越强，在频谱上所对应的谱峰就越高。对于550 Hz和1 000 Hz所出现的两个谱峰，并不是始终存在的，它们只存在于若干转速下，也就是说只有在特定的激励下才有，因此，它们对应于装置的某个固有频率。除此之外，还存在一些幅值不大的谱峰簇，它们主要是由气流和摩擦所引起。

4 结论

影响化纤卷绕机噪声的主要因素是旋转速度以及筒管夹头的结构。对于该试验用卷绕机，随着转速的升高，噪声逐步增强，10 500 r/min以后噪声快速加剧。对不同转速下测得的噪声进行频谱分析，结果表明：整个机构在550 Hz和1 000 Hz两处存在固有频率。为了降低卷绕机的噪声，除了可以采用被动降噪措施以外，还可以改变结构尺寸、支承形式以改变固有频率或改变工作转速使它避开共振。

[1]郭英.合成纤维机械原理与设计[M].北京：纺织工业出版社,1990：149-200.

[2](美)金斯伯格.机械与结构振动：理论与应用[M].白化同、李俊宝译.北京：中国宇航出版社，2005：471-495.

[3]徐斌.SW46/D型高速卷绕机转动件平衡分析[J].合成纤维工业，2000,23(5):60-61.