消防排烟轴流风机的振动噪声分析与控制研究

2013年第39卷第10期

O ct ober 2013

工业安全与环保

I ndus t r i al Saf et y a nd Envi r onm e nt al Pr ot ec t i on

83

消防排烟轴流风机的振动噪声分析与控制研究

*

金旭星

(无锡职业技术学院机械系江苏无锡214121)

摘要为了分析消防排烟轴流风机噪声污染的主要来源，以风机机壳为研究对象，建立了动力学模型，并利用M a t l ab 软件获取风机振动的幅频特性，最后提出了振动及噪声的改善策略。结果表明，叶轮的转速是

激励风机振动及产生噪声的关键因素，通过调整风机的刚度系数和阻尼比，可以达到降噪的目的。

关键词轴流风机振动及噪声激励频率振幅

St udy

on

A nays i s and C ont r ol of V

i br a t i on and N oi se s for 陆eaghang Snm

ke A xi a l Fa n

／IN X uxi ng

(DE 粥删ofM w ．han ／ca ／凸鲴咖，IVux ／Ina ／m 船o ／Tedmo ／ogy

W a x ／，J ／anO u 214121)

A l m a'act 。n 砖nlaj or

80ur (地of pol l ut i on f or t he fa n noi s e i s f ir st ly 卸a 蜘ed ，then a

dynam i c m

odel 0f f a n ch888i s is est a b-l i s bed

by 嘲M at l ab

sof t w a r e a nd t he

vl bl 砸on

am p l i t ud e 缶，q I 圮I l cy char ac t e ri st i cs 《fa n i s obt B j I l ed and f i nal l y

m 明s 嘲

t o

il 哪ye

t he ci r cm m t ances 0f vi b r at i on a nd noi ses

at e

put f or w

anl ．The r es u l t s s how t hat t he rot ati onal 删of

t he i r a-

pel 】￡r

is t he key f ac t or d gone raf i ng

vi brat i on a nd

noi se s a nd noi ses re duc t i on

c an

be addeved by

adj 惦她fan st i f f ness and

山峨rat io ．

K ey

W or ds

axi al f a n vi b r at i on and noi se i nci t ed

ffequoncy 跚叩砒

0引言

消防排烟风机普遍用于高层建筑、地下建筑及隧道、企业厂房等通风换气或高温排烟。由于风速快、风压高，所以产生的噪声很大，使周边环境遭受噪声污染。消防排烟风机的噪声源有多种，如风机叶片旋转时与空气产生的摩擦、空气在流动时碰到尖锐障碍物形成的乱流、风管与风机外壳接头处的振动、机壳装配不当等…1。其主要的噪声源为叶片和机壳，一是叶片与空气发生的摩擦或冲击噪声，叶片在工作时会受到自身运动过程中产生的离心力以及稳态和非稳态的气流力作用，其中非稳态的气流力是激振力的主要来源。如果叶片在激振力作用下发生弯曲和扭转变形，这些变形将会导致叶片上气动力的改变，从而产生振动和噪声【2】2。二是机壳的受迫振动，由于叶片的质量分布及安装位置的误差，叶片的材质不均匀，粉尘或结垢的累积，加工及装配中产生的误差，甚至设计时就具有非对称的几何形状等多种因素，叶片在旋转时，其上每个微小质点产生的离心惯性力不能相互抵消，从而产生了不平衡的离心力，这种动态的不平衡最终将传递到机壳上，

而风机装配体为刚性连接，其引发的振动和噪声非常剧烈，对环境污染最为严重L 引。

消防排烟风机的噪声是由结构的振动引起，属于动力学范畴。通过分析结构的固有频率和振型，可预测风机在外载荷作用下的动力学响应，其目标

是使机壳噪声源激励频率远离固有频率，避免发生

共振，从而达到降噪的目的。对于机壳的动力学分析，可通过分析风机的惯性力传递规律建立机壳的动力学模型以此获取机壳的激励频率的幅频特性，为消防排烟风机的降噪策略提供理论支持。1风机的动力学模型

如图1所示为消防排烟风机的实物图及其动力学模型，考虑到结构的对称性，将动力学模型中的机

壳由4个按照矩形分布的螺旋弹簧k 支承，同时对

应布置4个阻尼器拿。设叶轮的总偏心质量为m ，偏心距离为r ，叶轮角速度为∞，机壳质量为肘，则偏心质量在垂直方向的惯性力为

F(t )=m ／t 02si n “

(1)

利用动力平衡法可建立机壳的动力学方程。

*基金项目：江苏省首批高校优秀中青年骨干教师和校长境外研修项目资助。

84

菇+2&u岳+哪2=警si n叫f，1、2风机噪声源的幅频特性

消防排烟风机的惯性力属于简谐载荷，而任何

式(2)中，叫。为机壳的固有频率，且‰=√蠢。

由式(2)可得其稳态部分的受迫振动响应值石为

髫：一竺垒型竺三!些(3)

√0一，——-—--——————----------——————-—．———-一、．，，

k~／(1一A2)2+(20)2一其中，A=ro／ou。垆=am t an≠％。式(3)表明，当叶轮的角速度在接近‰的区域时，机壳将产生共振。

∞仁、、彭

＼／

f申妻k

图1消防排烟风机及其动力学模型持续的周期载荷将在结构系统中产生持续的谐响应l4|。幅频特性分析是用于确定线性结构在承受随时间按简谐规律变化载荷时的稳态响应的一种技术。分析的目的是计算出结构在几种频率下的响应并得到一些响应值对频率的曲线。从这些曲线上可以找到“峰值”响应。该技术只计算结构的稳态受迫振动，而不考虑发生在激励开始时的瞬态振动，这种分析方法对风机的工作动力状态是适用的。因此，从谐响应分析结果中可以预测风机机壳的持续动力特陡，从而使设计人员能够验证其设计能否成功地克服噪音、疲劳及其他受迫振动引起的有害效果。

为量化研究风机的振动及噪声特性，以型号为册(A)一Ⅱ一7消防排烟风机为例进行具体解析，

该风机具有两档转速，经实测后的部分结构及性能参数如表1所示。

表1消防排烟风机结构及性能参数

将表1中的参数代人式(3)，可得机壳的固有频率为

叫。=√啬=N^f4．3205x8106=144．6ra d／s

叫n2√面。N20828

当转速为960r／m i n时，叫=100．5r ad／s，叉= 0．695，妒=0．755r ad，振动响应为

4．58×242×100．52cos(100．5t一0．755)

1

4．35×106×~／(1—0．6952)2+(2×0．35x0．695)2 =2．62cos(100．5t一0．755)(4)

式(4)说明，此时机壳将作振幅为2．62m iTt、周期为O．063s的简谐振动。

当转速为1450r／m i n时，∞=151．8r ad／s，A= 1．05，p=一1．43r ad，振动响应为石，：—立墅型垒望堡型望些型坠

‘4．35X106×√(1—1．052)2+(2×0．35×1．05)2

=7．91cos(151．8t一1．43)(5)

同理，在转速为1450r／m i n时，机壳将作振幅为7．91m m、周期为0．041s的简谐振动。

两种转速下的机壳响应效果比较如图2所示，显然，当转速为1450r／r ai n时，振幅大，频率高，因而引起的噪声大。

根据式(3)，还可得到激励响应的最大值A与激励频率叫之间的关系，即幅频特性A：戈。。：——————了===兰篁=====一

3924．7×√E1一(赢)2]2+(赢)2

(6)

g

g

翅

翅

唇

矧

喇

时l司／s

图2两种转速下的激励响应比较

图3为以M at l ab软件分析得到的幅频特性曲线，可以看出，在激励频率t at)=165r ad／s时机壳将产生共振，机壳的响应幅值最大，为8．12t oni，产生的噪声也将达到最大分贝值。至于该激励频率与机壳固有频率叫。之问的差距是因为阻尼的存在引起，这也从另一方面体现了所建立动力学模型的合理性。此时风机叶轮的转速为

n：竽：坐堕：1576

r

／

m

i

n

314

’‘一

丌

一

．

一

很明显，转速1450r／r ai n与960r／m i n相比，前者离共振点1576r／r ai n更近，风机的振动及噪声更大。对于该型号的消防排烟风机，实际应用中建议