造纸厂空压机噪声分析与治理.docx

Analysis and harnessing of air compressor noise in paper mills WU Wei-zhi1, HAN Jian-chao2, LIU Xiao-yan2(1. Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430062, China; 2. Hubei Jiangfeng Paper Company, Wuhan 430074, China)造纸厂空压机噪声分析与治理 吴伟志1 韩建超2 刘小燕2（1.武汉理工大学，武汉，430062；2.湖北江风纸业有限公司，武汉，430074）摘 要：分析了造纸厂空压机噪声声源的组成及频率特性。介绍了空压机噪声控制与治理的基本方法，即根据不同的声源部位，采取消声、吸声、隔声等综合控制措施。通过造纸厂 空压机噪声治理的实例，说明了空压机噪声治理的必要性和有效性。关键词：空压机；造纸；噪声；治理Abstract: The composition of noise source of paper mill compressor and the characteristic of noise spectrum were ana- lyzed. The basic control methods of compressor noise were introduced, namely noise reducing, noise absorption, noise insulation should be used in a comprehensive way according to different places of noise source. The necessity and effect of noise harnessing of air compressor in paper mills were verified with an practical example of compressor noise control.Key words: air compressor; papermaking; noise; harnessing中图分类号:TS737+.1文献标志码:B文章编号:1007-9211(2008)20-0083-05空气压缩机是造纸企业必备的生产辅助设施，在造纸生产中发挥着重 要的作用，但运转时产生的强烈噪声 恶化了工作条件和生活环境。空压机 噪声的特点为：噪声声级高，低频突 出，传播距离远，污染范围大。特别是 某些噪声的频率与人的内脏器官固有 频率相接近，引起共振，使人产生头 晕、恶心、心律过速、高血压等症状， 不仅导致人们的工作和生活质量下 降，而且容易引发安全事故。因此，控制空压机噪声是劳动保护和环境保护的重要问题。脉动而传送到空气中形成空气动力噪声。随着空压机气缸进气阀门的间断 开启，气流在间断吸入气缸的时候，在 进气口附近产生压力波动，以声波的 形式从进气口辐射出来，从而产生进 气噪声。1.1.2 排气噪声气体从气缸阀门间断地排出时， 气流产生扰动所形成的噪声。空压机 产生的高压气体通过管路进入储气 罐，随着排气量的变化产生压力脉1特点空压机噪声声源的组成及1.1空压机噪声声源的组成空压机是一个多声源发声体，其 噪声主要为进气噪声、排气噪声、机械 噪声、电磁噪声。831.1.1进气噪声进气口间歇吸入空气，产生压力作者简介：吴伟志，硕士研究生；研究方向：机械设计与设备节能。China Pulp & Paper Industry No.20 2008生产实践Production动，使管路产生振动，储气罐产生巨大声响，形成噪声；压缩气体通过阀的 小孔时，以声速喷射，冲击阀门出口处 或阀门接管出口处，形成阀门噪声。阀 门噪声的大小与阀门的形状、尺寸及 压缩空气压力和流量有关；空压机放 空时，由于压缩空气压力突变，体积急 剧膨胀并以很高的流速进入大气，从 而在管道的出口处产生强烈的涡流噪 声，这种噪声虽然是间断性出现的，但 由于其频率和声级都比较高，而且， 排气口往往都在室外，所以对周围的 环境影响很大。1.1.3 机械噪声机械性噪声主要由摩擦、磨损以 及机构间的力传递不均匀产生的。空 压机运行时很多部件快速旋转和往复 运动，产生摩擦、冲击，引起机件振动 而产生的噪声，主要有活塞往复运动 与气缸壁摩擦，使气缸壁以固有频率 强烈振动；曲杆、连杆、“十字头”等部 件在运动时也发生摩擦撞击；转子及 其装配件的不平衡、转子啮合、转子 转速波动引起的冲击噪声；开启式螺 杆压缩机的电动机与联轴器不对中引 起的振动与噪声；轴承振动与噪声； 机体外部包括机壳、支撑结构、底座 的振动与噪声；油分离器、蒸发器、冷 却系统的振动与噪声；还包括电动机 运转时轴承的噪声、转子不平衡引起 的机壳振动发出的噪声；在滑动轴承 中会产生滑动粘滞作用，激励压缩机 的其他部件产生高频振动。1.1.4 电磁噪声由驱动电机的磁场脉动引起的噪 声。空压机驱动机为同步电机，电动 机运转时，定子和转子之间基波磁通 和高次谐波磁通沿径向进入气隙，在 定子和转子上产生径向力，由此而引 起径向的振动和噪声。此外，产生的 切向力矩和轴向力也引起切向和轴向的振动噪声，电机的冷却风扇还引起气流噪声。1.2空压机噪声的特性1.2.1进气口噪声空压 机（5L -4 0/8 型、最 大转速为600r/m i n）进气口噪声的基频 f=2n /60(n为空压机每分钟的转数)。 除了基频之外，还有2f、3f等谐波，但 高频谐波的声级比基频声级要低。图1为测得的空压机进气口噪声及频谱， 其基频f =2n /60=20H z，噪声在90120dB(A)。 从图1可看出，进气口噪声是一种宽频带连续谱，呈低频特性。声压级 由低频逐渐向高频降低，即低频强、 频带宽，总声压级高。进气噪声一般 随负荷的增加而增加，也与进气阀的 尺寸、调速机构和气门通路结构等因 素有关。空压机进气口噪声比其他部 件的噪声要高710d B(A)，是空压机 的主要噪声源。图1 进气口及排气噪声频谱性噪声具有随机性质，频谱窄，频率相对固定。机械噪声是由空压机的运 动精度和零部件的制造精度即机械性 能决定的，并随空压机转速的大小、 冲击的速度、轴承间隙的大小、机体 与基础的连接状况变化而变化。1.2.4 电磁噪声电磁噪声的特点是频带宽，声级 比较稳定。电机切向振动产生的噪声 频率fi为1.2.2排气口噪声排气噪声也是一种宽频带连续谱(如图1)。从图1可以看出，噪声频谱明 显呈中高频特性，噪声频率较复杂， 噪声在80110d B(A)。排气噪声峰值1k H z较突出，在峰值左侧，低频噪声 声压级较弱，在峰值右侧高频噪声声 压级较强。排气噪声的大小与压缩气 体的流量、压力、空压机的转速有关， 流量越大，压力越高，转速越高，噪声 越大。式中，m =2，4，6，（偶数）；f-转子的基频；f1一电网频率。 电机径向振动引起的噪声频率f r为式中，k =1，2，3，（整数）；z转子槽数；p 磁极对数；s转差 率。电磁噪声声功率级可用下式估 算：LA=a+20lgP+13.3lgn1.2.3机械性噪声由于产生机械噪声的主要原因是转子系统不平衡产生的振动，因此， 该噪声频率是转子转动频率的整数 倍，其基频与进气噪声基频相同，频 谱也呈低频特性。表1为测得的机械 噪声及频谱，噪声一般在2084式中：L 电机噪声A声功率级，A表1 机械噪声及频率90110dB(A)。从表1中可见，机械第期2 0 0 8 频率 Hz63125 2505001k2k4k8k声级 dB(A) 91.7 97.0 104.0 100.6 98.4 91.1 88.3 82.6生产实践Production声。对于流量小于20m3/m i n空压机，噪声不高且主要为高频，一般可采用 阻性消声器。阻性消声器的优点是能 在较宽的中高频范围内消声，特别对 高频声波有突出的消声作用。阻性消 声器利用气流管道内不同结构形式 的多孔吸声材料(常称阻性材料)吸收 声能，降低噪声的消声器，是各类消 声器中形式最多、应用最广的一种消 声器，且具有较宽的消声频率范围， 在中、高频率段消声性能尤为显著， 声波进入消声器时，大部分声能被吸 收，起到消声作用。阻性消声器有下 列几种类型：管式消声器、弯头式消声 器、小室式消声器、圆盘式消声器。但 对于排气压力高和流量大的空压机， 由于噪声声压级较大，既有中低频噪 声又有高频噪声，仅靠阻性消声器效 果是不理想的。复合消声器是解决问 题的有效途径，复合式消声器的形式 有：阻抗复合式、阻性及共振复合式、 抗性及微穿孔板复合式等。阻抗复合 消声器综合前种优点，由于阻性消声 器虽有优良的中高频消声性能，而低 频消声性能则较差，且难以提高，而 扩张式及共振式消声器则相反，在低 中频具有较好的消声性能，高频消声 效果一般都较差。若将阻性与抗性两 种消声原理合成一种消声器，就可在 较宽的频率范围内得到满意的消声效 果。这种消声器有共振腔、扩张室、 穿孔屏等声学滤波元件又有孔吸声材 料，对不同频率的噪声均有消声作用。 阻性消声器(圆筒式)的消声量计算公 式为：d B(A)；a常数，a=（192）d B(A)；P 电动机功率，k W；n 电动机转 速，r/min。到稍低于机体的噪声，进气消声器的消声量应在15d B(A)左右；空压机进 气口在室外时，应根据机房周围的环 境条件，将空压机进气口噪声降低到 环境噪声标准的要求，消声器的消声 量一般应在20d B(A)以上。为了保证 消音器的消音效果，进气消声器一般 应采用无纤维、无泡沫塑料等疏松材 料的抗性消声器，抗性微穿孔板复合 消声器或微穿孔板消声器等，而不宜 采用纤维或泡沫塑料等疏松材料作 吸声材料的阻性消声器。因为纤维材 料的护面层，在空压机进气脉动气流 的作用下很容易损坏，使纤维逸出、 泡沫塑料老化成为粉状，逸出的纤维 或粉状材料进入空气压缩机的气缸， 易损坏气缸壁，使机器发生故障，不 能正常运行。空压机进气抗性消声器 是在进气口的一段管路壁上开一些 均匀小孔，并在这段管路上外接其直 径34倍的闭合空腔。小孔中空心气 柱与空腔构成共振动系统，在共振频 率下，空气柱振动速度很大，克服摩 擦阻力消耗较大的声能，形成一个抗 性共振，有较好的降噪声效果。有些 空压机的进气口装有空气滤清器，对 进气口气流噪声有一定衰减，但不能 满足降噪要求，故仍需要增加消声装 置。一般可利用滤清器钢架设置消声 百页进行消声，消声百页用铝合金板 制作，主要为了防锈；百页采用竖向， 有利于防尘；消声百页中吸声材料用 离心玻璃棉，其吸声性能好且为憎水 材料，适用于室外。2.2 排气口噪声控制排气压力高、流量大的空压机 因产生的排气噪声较高，在排气系统 需要设置专用的消声器进行控制。排 气口消声器要求消声量大、消声频段 宽，具有减压扩容、减小排气放空的 压力落差的作用，以降低排气放空噪空压机噪声控制方法空压机噪声控制一般采用吸声、隔声、消声3种方法及措施。吸声是指 声波入射到物体表面时，部分声能被 物体吸收转化为其他形式的能量而降 低噪声；隔声是将噪声源封闭起来， 把噪声控制在一个小的空间内，阻隔 声音的传播；消声是将多孔材料按一 定方式固定在气流通道内壁中，以达 到削弱空气动力性噪声的目的。目前， 国内外空压机消声器的结构形式有6 种：抗性消声器、阻抗复合消声器、微 穿孔板消声器、抗性微穿孔板复合消 声器、文丘里消声器和组行消声器。在 实际工作中，可根据噪声源类型采取 一种或几种措施同时进行控制。根据 噪声源频率的特点及噪声控制要求和 现场条件，空压机各部分噪声治理可 采取以下措施。2.1进气口噪声控制 控制空压机的进气噪声，一般可采取安装消声器的方法。由于空压机 进气口的噪声为低频特性，峰值出现 在31.5H z、63H z、125H z三个频带上，200H z以下声能占98%99%，200H z 以上仅占1%2%，630H z以上中高频 噪声只占总声能的0.2%左右。根据对 进气口噪声测得的频率分析知，宜采 用抗性消声器。抗性消声器是通过管 道内声学特征的突变处将部分声波反 射回声源方向，达到消声目的。其消声 性能是低频、低中频的宽频带，主要 适用于降低低频及低中频段的噪声。 其形式有：膨胀式、共振式、扩张室 式、微穿孔板式、干涉式等。固定式空 压机通常安装在室内地面，空压机进 气口在室内时，应将进气口的噪声降285式中：消声器内部饰面的吸声系数；P 消声器内部饰面的周长， m；S 消声器通 道 横 截面积，m 2； L消声器的有效长度，m。China Pulp & Paper Industry No.20 2008生产实践Production组成罩壁的第i个构件的面积，m2；内饰吸声材料的吸声系数。隔声罩、隔声间要考虑散热问 题，通常在隔声体上设置进气消声器 和排气消声器。隔声设备要考虑维修 的方便性，设置隔声门和观察窗，方便 拆卸，并且注意在装后保证接缝处严 密。隔声门、隔声窗、进气消声器与罩 体保持隔声量匹配相近。为提高隔声 罩降噪效果，隔声罩的设计应满足： 隔声罩板要选择具有足够隔声量的材 料制成，如薄金属板；处理好门、窗、 洞口等隔声薄弱环节；内壁做强吸声 处理，选择合适的吸声材料。贮气罐噪声的消除常用悬挂吸 声体的办法。当压缩空气进入罐内 时，在罐内的吸声体吸收声能，从而 达到降噪效果。降低排气管道噪声， 采用管道包扎的办法或将管道埋在 地下，采用包扎阻尼的方法是：内层 选用沥青油毡裹紧原管道，其阻尼作 用可以消弱管道震动从而降低管道 再生噪音；外层选用3 m m 厚的镀锌 钢板，中间层选用50 m m厚、容重为150k g/m3的岩棉毡。隔声包扎获得了 近20dB(A)的降噪量。2.4控制机体的振动控制空压机噪声就必须控制振 动。空压机的振动主要通过基础和管 道系统向外传递。振动的控制主要是 采取隔振控制。主要措施如下：(1)使用隔振器。隔振器把空气压 缩机与基础之间形成弹性联结，减少 振幅实现隔振，这是隔振的最关键的 环节。(2)采用隔振缝悬浮基础。隔振缝 悬浮地基切断空压机振动向土壤传递 的途径。隔振缝宽150200m m，充干 砂，在基础下面铺干砂和工业毡，毡 厚2040mm。(3)采用隔振沟。有些情况可采取阻性消声器的高频失效频率计算公式为：地面挖沟，用以切断沿地面传播表面波为主的振动。2.5控制管道的振动 在空压机的噪声控制中管道通常存在振动和辐射噪声两个问题要解 决。空压机管道振动原因是空压机振 动传递给管道的；另一个原因是管内 的气流脉冲引起振动。当这振动频率 超过20k H z时，就与声联系起来，形成 了管道的声辐射。控制管道振动与声 辐射的措施如下：(1)避开共振管长度。当空压机激 发频率与管件系统的固有频率相吻合 时引起共振，此时管的长度为共振管 长度。计算公式如下：L=(0.81.2)Ck /4f(k =1，3，5，)式中：C 声速，m/s；f激发主 频率，Hz。(2)在管道中加设孔板。孔板是阻 力元件，可以降低脉冲气流，孔板的 孔径与管 道径之比 D 孔 /D管 =0.430.50。孔板厚度H=35m m。孔板安装在脉冲较大且空积足够大的进出口 处。(3)加软胶管连接，将沿管路的振 动切断。即将一段金属管改为胶管， 通常长度0.5m即可。(4)在管路固定处采取弹性固定， 以免振动传递给支撑。(5)设置缓冲式消音器。 (6)用减振材料包裹管路，例如，用沥青布包裹空压机管路，可以有效 降低辐射噪声。式中：系数，与消声器内部尺寸有关，=1.21.6；C声速，m/s， 常温常压可取340m/s；D 消声器通 道截面边长(圆形通道直径)，m。消声量计算公式为式中：A内部饰面的总吸声值，m2(A =aS，其中，S为扩张室内用吸声 材料饰面的总表面积，m2，a为饰面的 吸声系数)；F进气或排气管道的横 截面面积，m2。2.3 本体噪声控制控制空 压机的机体噪声、电动 机噪声，常采用隔声加吸声的控制技 术。措施是给压缩机加装隔声罩或制 隔声间，以阻止噪声的传播。这是因 为仅用消声措施无法控制辐射噪声和 机电噪声。在空压机进气口噪声下降1020d B以后，机壳的辐射噪声将变 为主要声源。对于小型移动式空压机 常采用隔声罩的控制措施；对于大型 或多台数空压机可在机房及操作间制 作隔声间。为了提高隔声罩的隔声效 果，通常在其内附设吸声层。如果隔 声罩内没有吸声材料，那么，噪声源 通过钢板连续反射而不被吸收，罩内 将形成一个混响场，导致罩内声级增 大。材料的吸声系数越大，它的吸声 能力就越好，吸声系数随频率、厚度 以及密度而变化。隔声罩的降噪效果 用插入损失IL表示，计算如下：20空压机噪声治理实例分析以某造纸厂空压站5L-40/8型空压机为例。原吸气系统采用孔板消除 气流压力脉动与小孔进气消声方案； 排气放空系统采用空气过滤器与小孔 排气消声器降噪。系统最大噪声超过30.1TLIL=10lg(1+10)86式中，TL 罩壁的平均隔声量，d B；TL i 该构件的隔声量，d B；S i 第期2 0 0 8 生产实践Production100d B(A)。采用改进空压机噪声治理方案如下：(1)进气口采用抗性复合消 声器(如图2所示)，消声器的外层选用2m m厚的钢板，内衬薄层聚氨酯泡沫 材料。根据抗性消声器的消声特性， 避免在许多通过频率消声量为零的 缺点，在扩张室内插入内接管。为改 善空气动力性能，用穿孔率大于25% 的穿孔管，把两根内插管连接起来， 形成两个扩张室，动态特性好、消声 量大。(2)在贮气罐进口加装能消减气流压力脉动的孔板，用孔板消减气流脉动，不需改动管道，费用低。(3)排气 放空口采用阻抗性复合型消声器(见图3)。阻抗复合消声器是在圆筒抗性消 声器一端内插穿空管而成，以抗性为 主、阻性为辅。阻性段具有减压扩容， 减小排气放空的压力落差的作用，从 而有效降低低频噪声。抗性消声器 内、外管间填充厚玻璃棉毡，对高频 噪声有较好消声作用。通过上述综合 方法治理后，降噪效果显著，空压机 进气最大噪声小于70d B(A)，有效降 噪31d B(A)；排气放空声最大噪声小 于60dB(A)，有效降噪28dB(A)。声、吸