小型制氧機(jī)振動噪聲研究及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

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1、萬方數(shù)據(jù)第8卷第2期2009年6月寧夏工程技術(shù)NingxiaEngineeringTechnologyV01．8No．2Jun．2009文章編號：1671—7244(2009)02—0144-05小型制氧機(jī)振動噪聲研究及結(jié)構(gòu)優(yōu)化丁文捷，金濤，宮延明，劉金玲，馬宇山(浙江大學(xué)化工機(jī)械研究所，浙江杭州310027)摘要：為降低一家用小型制氧機(jī)的振動噪聲，首先建立制氧機(jī)殼體結(jié)構(gòu)的有限元模型，通過結(jié)構(gòu)模態(tài)分析、聲模態(tài)分析和聲固耦舍模態(tài)分析，得到其固有頻率，同時計(jì)算了制氧機(jī)在無油壓縮機(jī)工作情況下的結(jié)構(gòu)動力諧響應(yīng)．然后利

2、用SYSNOISE軟件，對制氧機(jī)殼體聲固耦舍模型的輻射噪聲、ATv聲傳遞向量進(jìn)行計(jì)算，得出其單元貢獻(xiàn)度．最后，應(yīng)用噪聲振動測試儀進(jìn)行了試驗(yàn)測量，根據(jù)理論和試驗(yàn)結(jié)果，制定了制氧機(jī)整體降噪方案及結(jié)構(gòu)優(yōu)化。并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了方案的可行性．關(guān)鍵詞：制氧機(jī)；有限元；邊界元；近場聲全息；降噪中圖分類號：TB53文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A小型制氧機(jī)是需氧病人、高度用腦及老年呼吸不暢者的新型氧療設(shè)備．但這種制氧機(jī)的噪聲通常在50dB左右，夜晚置于室內(nèi)時，其噪聲會使人煩躁，影響睡眠，嚴(yán)重影響氧療效果．因此，降低制氧機(jī)噪聲成為提高產(chǎn)品質(zhì)量，增

3、強(qiáng)市場競爭力的迫切需要．小型制氧機(jī)的壓縮機(jī)是主要的噪聲源，由于其所采用的螺桿壓縮機(jī)為國外進(jìn)El，因此，降低振動噪聲的方法只能采取對制氧機(jī)進(jìn)行隔振和隔音．而改變壓縮機(jī)殼體結(jié)構(gòu)和加裝隔音棉是可選的主要技術(shù)措施【lI．本文采用有限元技術(shù)，從制氧機(jī)模態(tài)分析、噪聲邊界元分析出發(fā)，研究其固有頻率、共振頻率、殼體輻射噪聲傳遞路徑以及特征信號對于振動噪聲形成的作用，通過對制氧機(jī)的殼體進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以達(dá)到降低振動和噪聲的目標(biāo)．研究成果對于制氧機(jī)設(shè)計(jì)具有參考價(jià)值．1制氧機(jī)的振動噪聲模態(tài)分析1．1制氧機(jī)殼體有限元模態(tài)分析制氧機(jī)總體

4、尺寸為1．1mxl．0mx0．9m，由厚約2mm的壁板組成封閉空腔，材料屬性見表1．采用ANSYS殼單元(sHELL63)建立圖l所示的有限元分析模型．ANSYS的殼體模態(tài)分析(表2)及振型圖(圖2)表明，模態(tài)局部化問題突出，主要部位為側(cè)壁板和部分前壁板，其振動與制氧機(jī)輻射噪聲關(guān)系密切．1．2制氧機(jī)的聲學(xué)模態(tài)分析利用SYSNOISE聲學(xué)分析軟件，求解制氧機(jī)空表1材料屬性圖l制氧機(jī)網(wǎng)格示意圖表2外殼體模態(tài)分析結(jié)果階次123456頻率／Hz58．378．6693．94106．8122．7136．4頻率，Hz154

5、．7179．7190．4193．1197．0203．6(a)一階模態(tài)(b)二階模態(tài)圖2制氧機(jī)外殼體模態(tài)振型示意圖收稿日期：2009-03—20作者簡介：丁文捷(1968一)，男，副教授，主要從事過程裝備與控制技術(shù)、企業(yè)信息化研究．萬方數(shù)據(jù)第2期丁文捷等：小型制氧機(jī)振動噪聲研究及結(jié)構(gòu)優(yōu)化145腔受到壁板振動激勵時的聲音共鳴狀態(tài)．模型分析結(jié)果(圖3)表明，制氧機(jī)聲腔第一階固有頻率為197Hz，振型為縱向一階振動，發(fā)生共鳴時制氧機(jī)底部和頂部噪聲將較大，中部較小；第二階固有頻率為260Hz，振型為縱向二階振動．制氧機(jī)

6、內(nèi)低頻噪聲將在這2個頻率上得到放大，引發(fā)低頻共鳴．(a)一階聲學(xué)模態(tài)(197Hz)(b)----階聲學(xué)模態(tài)(260Hz)圖3制氧機(jī)聲腔聲學(xué)模態(tài)陣形圖1．3制氧機(jī)的聲固耦合模態(tài)分析將制氧機(jī)結(jié)構(gòu)振動和制氧機(jī)空腔流體介質(zhì)(空氣)耦合起來，考慮其耦合系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)，分析表明，聲固耦合和結(jié)構(gòu)模型的固有頻率接近，均呈線性增加趨勢，局部振型基本相同，對振動的主要貢獻(xiàn)都是局部模態(tài)．1．4制氧機(jī)動態(tài)響應(yīng)有限元分析制氧機(jī)的主振動源為無油壓縮機(jī)的激勵，因此需對制氧機(jī)底板上的壓縮機(jī)振動處施加正弦激振力來考察制氧機(jī)的結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)．分析

7、結(jié)點(diǎn)取在制氧機(jī)每一塊壁板的中心部位，考察各點(diǎn)的位移頻率響應(yīng)與能量峰值，并采用完全法(Full)和稀疏矩陣直接法求解器(Sparse)來計(jì)算整機(jī)在設(shè)定激勵下的諧響應(yīng)[21．結(jié)合模態(tài)分析可知，(1)各壁板節(jié)點(diǎn)的激起振動頻率基本一致，頻率為85，95，195Hz時3處出現(xiàn)較大波峰，其中195Hz處共振顯著；(2)在3個方向的振幅不同，其中前壁板、后壁板主要激起z向振動；(3)結(jié)構(gòu)對稱的左右壁板，振動情況基本相似，制氧機(jī)底部節(jié)點(diǎn)的頻率響應(yīng)最大，故可認(rèn)為底板是振動最大的壁板，輻射噪聲最大．2制氧機(jī)噪聲邊界元分析制氧機(jī)殼

8、體輻射噪聲主要是由制氧機(jī)殼體振動輻射的固體聲以及固體聲在殼內(nèi)進(jìn)行多次反射而形成的混響聲疊加的結(jié)果{3l，該結(jié)果與振動相位、聲壓頻響相關(guān)，需要通過聲貢獻(xiàn)度、輻射聲場來評價(jià)．2．1聲貢獻(xiàn)度分析制氧機(jī)噪聲是由組成制氧機(jī)的各個殼體板件振動引起的，由于各個區(qū)域內(nèi)部板件不同，對于制氧機(jī)任意位置聲壓的貢獻(xiàn)是不同的，且與振動相位相關(guān)，量化指標(biāo)即為聲貢獻(xiàn)度．2．1．1ATv(AcousticTransferVecto