离心机振动噪声控制实例分析

郑深根,黄城宝,俞 键,王伟杰,黄敏冰,王 飞,闫 锦,黄朝明 ,廖建彬▲

(1.福建金闽再造烟叶发展有限公司,福建 福州 350600;2.集美大学 轮机工程学院,福建 厦门 361021)

0 引言

近年来,工业机械化、设备大型化程度日益提高,随之产生的噪声污染也变得严重,直接危害工人身心健康和社会环境[1]。因此,如何减少生产车间的环境噪声成为急需解决的问题[2]。离心机是一种将非均相分离的设备,在高速旋转时产生的振动和噪声更加突出[3]。目前,对车间减振降噪的措施主要是被动的,多数采用隔声罩的方式将设备整体包裹,但是该措施不利于设备检修,并对空间有一定的要求。同时,国内外对离心机振动噪声研究较少,从设备本身降低其振动噪声的研究更是少之又少。

为了降低离心机的振动噪声,除了从传播途径上采取隔振、隔声和吸声等措施外[4-5],还要分析找出振动噪声产生的原因,提出改进措施和方法,从根源上解决离心机的振动噪声问题[6-7],对离心机的工作效率和能耗具有指导意义。

1 离心机的结构和工作原理

本文以某型卧式离心机为例,对其振动噪声问题进行研究。该型离心机能满足化工、酿酒、选矿、环保等领域存在比重差的各种固、液相分离要求。它的滚筒直径为620 mm,滚筒长度为2294 mm,工作转速为2700转/分,分离因数为2531,处理能力可达20～50 m3/h 。从图1可以看出,离心机主要由辅电机、差速器、螺旋、滚筒、机罩、机座、润滑系统、主电机等部件组成。

图1 某型离心机结构原理示意图

离心机工作时,悬浮液经进料管从螺旋出料口进入滚筒。由于滚筒的高速旋转产生较大的离心力,将固液两相进行分离,比重较大的固相颗粒沉积在滚筒内壁上,与滚筒作相对运动的螺旋叶片将固相颗粒推至排渣口,从排渣口将固相颗粒排出,分离后的液相经堰板开口流出滚筒。螺旋与滚筒之间的相对运动是由差速器来实现的。差速器的外壳与滚筒联接,输出轴与螺旋联接,输入轴与辅电机轴联接。主电机带动滚筒旋转的同时也带动了差速器外壳的旋转。辅电机通过联轴器的联接来控制差速器输入轴的转速,使差速器能按一定的速比将扭矩传递给螺旋,实现了离心机对物料的连续分离。

从它的结构尺寸、工作参数和工作原理可以判断,它工作时会产生较大的振动和噪声,实测数据也证实了这一推断。正常工作时,该离心机的最大振动烈度为24.45 mm/s,最大声压级可达96 dB。离心机产生的振动噪声严重影响着现场工作人员的身心健康,因此降低其振动噪声是非常必要的,也是提高产品质量的一个重要研究内容。

2 振动噪声测试与分析

2.1 测试系统

振动测试系统采用的是比利时LMS测试系统,该系统为40通道的单机箱,每通道最高采样率可达204.8 kHz,拥有150 dB的动态范围和每秒14 M采样点的传输速率。

噪声测试系统采用的是挪威的Norsonic声学相机及噪声源定位系统,可以进行130 Hz～20 kHz的低频噪声源测量,也可以做70 Hz～1 kHz超低频部分测量,并能将声音影像化,精准、迅速地查出被测物的噪声源。

2.2 测试结果与分析

2.2.1 离心机振动测试分析

根据相关标准要求,使用三轴向传感器在辅电机基座、差速器与滚筒之间的轴承座、距离左侧轴承0.77 m处、距离左侧轴承1.53 m处、滚筒与主电机之间的轴承座、主电机基座等6个测点进行振动测试。传感器布置方向如图2中左下角所示。

图2 离心机振动测试的测点布置

图3 空载和负载工况下各测点三轴向的振动烈度幅值

位置1:辅电机机座处;

位置2:差速器与滚筒之间的轴承座处;

位置3:距离图2左侧轴承座1/3处;

位置4:距离图2左侧轴承座2/3处;

位置5:滚筒与主电机之间轴承座处;

位置6:主电机机座处。

在离心机空载与负载工况下进行振动测试,采样频率为12800 Hz,采集时间为120 s,每个位置测量3个方向的振动加速度,通过计算获得其各个测试位置三轴向的振动烈度。

表1为空载和负载工况下离心机的6个测点三轴向的振动烈度,图4-图6为各测试位置在10～1000 Hz的振动速度幅值。从空载工况下离心机的振动烈度来看,主电机机座的竖直方向振动烈度最大,其振动烈度为24.45 mm/s。从负载工况下的振动烈度可以看出,主电机机座在竖直方向上的振动烈度最大,其振动烈度为23.51 mm/s。

表1 在空载和负载两种工况下离心机各测试位置三轴向的振动烈度

图4 空载工况下离心机滚筒左端轴承座的振动速度

图5 空载工况下离心机滚筒右端轴承座的振动速度

图6 负载工况下离心机滚筒左端轴承座的振动速度

图7 负载工况下离心机滚筒右端轴承座的振动速度

其中,负载工况下,距离左侧轴承座1/3处的Z方向和距离左侧轴承座2/3处Y、Z方向的振动过大而超出传感器的量程,故表1中未给出相应的振动烈度数值。

根据分离机械振动标准,卧式螺旋离心机振动是以滚筒两端的轴承座振动作为考核指标。对采集到的滚筒两端轴承座的时域信号进行傅里叶分析,得到相应的频域信号。从10～1000 Hz范围内的振动加速度频谱图可以看出,离心机的主频为43.15 Hz。在空载和负载工况下频谱峰值均出现在离心机滚筒转速的倍频位置,说明离心机滚筒高速旋转是引起离心机振动的主要原因。

离心机的转动体由滚筒和螺旋两部分组成,由于螺旋本身结构原因,很难从本质上解决螺旋的动平衡问题。离心机负载工况下,滚筒内充满非均匀介质,滚筒处于高速转动状态,故离心机转滚筒平衡问题无法从根本上解决。

从表1可以看出,主电机的振动超过标准要求,主要是因为离心机本体与主电机共用支撑钢板底座。虽然保证主电机底座具有足够的刚度,但是该结构将离心机本体振动传递到主电机,导致电机振动较大,严重影响主电机的工作状态。因此将主电机从离心机本体支撑底座拆除,并为主电机单独设立底座,主电机钢结构支撑下配置4只隔振器。改造后机组如图8所示,主电机与离心机之间通过三角带进行传动,同时主电机下设有隔振器,故电机会受到皮带的侧向拉力后侧倾,而影响三角带的张紧力。为确保三角带的张紧力,且保证隔振元件不受较大的侧向力,在离心机主体和钢结构平台之间设置横向支撑半活顶杆。图8改造后的图给出了半活顶杆位置。

图8 改造前后离心机主电机的位置图

表2为主电机基座改造前后的振动烈度。从表2中可以看出,改造后主电机基座的振动烈度得到有效改善,Y方向的振动烈度降幅高达48.71%,进而提高了离心机的工作效率。

表2 改造前后主电机振动烈度对比

2.2.2 离心机噪声测试分析

两个传声器布置在距离离心机两个端部各三分之一处,垂直方向(X方向)距离离心机0.5 m,高度为1.5 m,测试时间为120 s。图9为离心机噪声测点布置位置的俯视图。

图9 离心机噪声测点位置

表3为离心机空载与负载工况下的多项噪声指标。

表3 离心机的噪声指标(单位:dB)

从图10和图11可以看出,空载及负载工况下两个传声器的A计权三分之一倍频程声压级。

图10 离心机空载工况下A计权声压级

图11 离心机负载工况下A计权声压级

离心机噪声测试结果表明:离心机处于空载状态,两侧点的声压级分别为93.5 dB、94.2 dB;在负载状态下,两侧点的声压级分别为96.0 dB、95.5 dB。

机械噪声是指由于机械设备运转时,部件间的摩擦力、撞击力或非平衡力,使机械部件和壳体等发声体产生无规律振动而辐射出的噪声。按照机械噪声源的不同,噪声划分为空气动力性噪声、机械性噪声和电磁性噪声[8]。空气动力性噪声主要是由高速气流、不稳定气流等气流与物体之间相互作用产生的;机械性噪声主要是因为固体的振动而产生的;电磁性噪声主要是电磁信号由于电磁场而引起某些杂乱信号产生的。

为了确定离心机的噪声源,使用声学照相机对机组进行噪声测试分析,测定出离心机噪声源位置,如图12所示。通过声学照相机计算分析,得出滚筒位置为低频噪声源,排渣口位置为高频噪声源。滚筒是高速转动的不均匀锥体,圆周线速度达96.9 m/s。外表面的沟槽和法兰尤其是法兰螺钉会产生空气动力性噪声。滚筒高速旋转时,在滚筒的迎风面,空气压力高、流速较大,而滚筒的背风面,空气压力和流速迅速下降,形成涡流,使空气介质产生压力脉动而产生空气性噪声。同时,在滚筒高速转动时,法兰螺钉会敲击周围空气介质而引起压力脉动产生噪声。法兰螺钉形成的空气性噪声的频率与螺钉数量有关,即

图12 离心机噪声源

其中,n为滚筒转速,r/min;x为法兰螺钉数量;i=1,2,3,…。

滚筒转速为2700 r/min,法兰螺钉数量为16枚,故计算得到法兰螺钉产生的空气噪声的基频为720 Hz,为高频空气性噪声。

从图13可以看出,离心机的保护罩分三部分:差速器保护罩、滚筒保护罩、排渣口保护罩。针对滚筒产生的空气性噪声,将滚筒保护罩改为隔声吸音罩。隔声吸音罩主要采用内层壁开孔结构,将滚筒的迎风面和背风面进行联通,降低压差,进而减小涡流的形成。同时,在隔声吸音罩内增设吸音材料,有效减弱空气噪声。

图13 离心机的保护罩

负载工况下的噪声比空载工况下的噪声声压级高1.3～2.5 dB,除了滚筒因动平衡产生的振动噪声外,排渣口处因固相分离物敲击导流板而产生的敲击声也是声压级升高的重要因素。因此,在离心机导流板结构设计中,增设阻尼层和全包裹式吸音层,如图14所示。

图14 排渣口隔声吸声结构设计图

改造后,对离心机进行声压级测试。表4给出了离心机改造前后声压级,从表4可以看出,技术改造后声压级有大幅降低,均降至85 dB以下。从图15可以看出,噪声源位置由排渣口转移到差速器附近。

表4 改造前后离心机的声压级(单位:dB)

图15 改造后离心机噪声源

3 结论

1)研究分析表明,离心机的滚筒动平衡是造成机械噪声的主要原因;滚筒周边空气的压力波动是产生空气噪声的主要原因;负载工况下,排渣口的敲击声也是主要的噪声源。

2)增加滚筒的光洁度,减小滚筒周边空气阻力是降低空气噪声的有效措施。全包裹式吸音层可以有效提高隔声罩的吸声效率,具有实际的工程推广意义。

3)改造后,离心机的振动烈度有明显降低,空载和负载工况下声压级降低10 dB左右,且均在85 dB以下。