罗茨真空泵振动噪声机理的研究

　　在前期的研究和文献[1]中,已经对ZJ-150A型罗茨真空泵的主要噪声源进行了识别和排队,从中发现在采取隔振措施和改善联接支撑方式后,罗茨泵的支架和电机噪声可以得到有效控制。罗茨泵的泵体已成为最主要的噪声源,泵体是由多个部件组成的封闭腔体,其中包含了泵的主要运动和传动部件,即包含了主要振动激励源。通过采用声强测量技术对泵体进行声功率测试和表面噪声辐射分布的研究,发现泵体辐射噪声的优势频率为530Hz、1000Hz及1620Hz,而且这3个优势频率处噪声的能量约占总能量的70%。因此,解决泵体振动声辐射问题是进行罗茨真空泵低噪声设计的关键。

　　通过声源定位分析[1]知道,1620Hz处的噪声由端盖1轴侧表面振动声辐射产生,530Hz和1000Hz处的噪声由泵体上、下表面振动声辐射产生,且以端盖1上、下表面最为突出。但是,这些优势频率处噪声峰值产生的原因尚不清楚,有待于进一步的分析验证。本文在文献[1]研究的基础上,采用多种信号测试和分析处理的方法,研究罗茨泵振动和噪声产生的机理,即查清引起泵体表面振动和声辐射的主要激励源及其传递途径,为罗茨真空泵的低噪声设计提供依据[2]。

　　1　振动噪声机理分析的理论依据

　　通过分析ZJ-150A型罗茨真空泵的结构和抽、排气工作原理[3]可知,罗茨真空泵在正常工作运行时,其封闭结构内部可能存在的振动激励源有:转子不平衡惯性力、轴承激励力、齿轮激励力及高速冷却油液冲击4种。这些激励源一方面本身产生一次空气声辐射,另一方面激励引起的振动通过各构件间的联接进行传递,形成所谓的“固体声”传递。

　　由于罗茨真空泵为全封闭结构,机组运行稳定时泵体内部空气稀薄,故其内部激励源产生的一次空气声辐射引起的泵体表面振动是非常微弱的,罗茨真空泵向外部空间辐射的噪声主要是由激励源传递出来的固体声引起泵体外壳表面振动声辐射所产生。

　　罗茨真空泵表面振动与噪声产生的机理可用图1所示的一个多输入单输出模型来描述。图1中X1(f),X2(f),…,Xq(f)表示各种激励力,这些激励力作用在泵的结构上;H1(f),H2(f),…,Hq(f)表示各激励源到振动表面的传递函数;激励传递到主要发声表面所产生的振动为V(f),并由此产生的辐射噪声P(f)还与该表面的声辐射效率σ(f)有关;M(f)和N(f)分别为振动和噪声测量时的随机干扰。

　　根据系统中多输入与单输出的基本关系[4],并假设Xi(f)与M(f)、N(f)之间互不相关,则测量的振动或噪声的自谱有

　　其中,上标*表示共轭;Svv(f)、Spp(f)、Smm(f)和Snn(f)分别是表面振动信号v(t)、结构辐射的噪声信号p(t)和振动测量中随机干扰m(t)或噪声测量中的随机干扰n(t)的自功率谱;Sxixj(f)包括激励输入的自功率谱(i=j时)和输入间的互功率谱(i≠时)。如果各激励信号xi(t)为彼此不相关的独立输入,亦即Sxixj(f)=0(i≠j时),则(1)式和(2)式可写成