Роль вибропоглощения в снижении шума в источнике

РОЛЬ ВИБРОПОГЛОЩЕНИЯ В СНИЖЕНИИ
ШУМА В ИСТОЧНИКЕ
Кришневский Б.А.
ООО «ЭРГОС»
ergos@bk.ru
В 2011-12 г.г. целому ряду асинхронных электродвигателей (далее –
АЭ), которые должен был изготовить ООО «ПО «ЛЭЗ» г. Санкт-Петербург,
со стороны заказчиков одним из требований было обеспечить уровни
шума, не превышающие уровни требований ПС-80(85 дБА).
Особая специфика производства АЭ состоит в их многообразии , как по
конструктивному исполнению, так и по мощности, которые
изготавливаются малыми партиями, в основном, от одного до 10 штук.
На стадии запуска в производство АЭ типа ДАЗ-560 и АЗМА6300/62УХЛ4 (мощностью 6300 кВт) в июне 2011 г. для Белоярской атомной
электростанции, была поставлена задача - уровни шума должны быть не
выше 85 дБА, со сроком изготовления сентябрь-ноябрь 2011 г.
В поисках решения этой задачи по рекомендации ОАО «Сафроновский
электромеханический завод», где в 2010 г. было найдено частное решение
по снижению шума одного из электродвигателей для АЭС /1/, был
заключен договор со специалистами ООО «ЭРГОС».
Сложность состояла в том, что исходные характеристики шума АЭ
отсутствовали, а по мнению начальника конструкторского бюро АЭ
завода г. Лихтина А.Г. ожидаемые уровни шума (без принятия мер по
снижению шума) должны иметь величину порядка 95-98 дБА.
Конструкция ДАЗ-560 имела несущий корпус 1,25 х 1,8 х 1,8 (м3),
накрытый сверху кожухом высотой 0,55 м. Толщина стального листа
стенок корпуса: торцевых - 20 мм, боковых – 10 мм, а кожуха – 4 мм.
АЗМА 6300/6-2УХЛ4 имел два стояка в виде слегка усеченных кверху
параллелепипедов с размерами в основании 1,5 х 0,5 (м2) и высотой 1,5 м.
Между стояками - цилиндрическая статорная часть длиной 1,5 м
закрытая съемными кожухами – нижним, средним и верхним. Толщина
стенок стояков – 20 мм, а кожухов – 4-5 мм. Оба АЭ представляли собой
замкнутые оболочки, что равносильно бесконечной пластине.
Анализ предшествующих исследований показал, что в современных
электрических машинах имеет место как силовое, так и кинематическое
возбуждение вибраций. Причем основная роль в возбуждении вибраций и
шума принадлежит вынуждающим силам и (или) моментам /2/.
Поэтому авторами подробно рассматриваются виброзащитные системы,
которые позволяют разработать меры по снижению вибрации в источниках
вынуждающих сил, связанных с рабочим процессом. К конструктивным
мерам относятся: скос пазов ротора электродвигателя, уменьшение
размеров подшипников качения, замена подшипников качения на
подшипники скольжения, снижение отношения масс вращающихся и
неподвижных элементов машины, оптимизация профиля лопаток
вентилятора, уменьшение частоты вращения ротора.
Особое внимание обращается на совершенствование технологии
производства в целях повышения точности изготовления и качества сборки
машины. От этого зависят значения вынуждающих сил, которые
вызываются дисбалансом, овальностью шеек, двойной жесткостью ротора,
расцентровкой валов и другими причинами.
Так как ООО «ПО «ЛЭЗ» бывший филиал ОАО «Силовые машины» Электросила» с большой вероятностью можно было предположить, что все
вышеперечисленные меры были реализованы при изготовлении АЭ.
Из других мер шумозащиты в электрических машинах рассматриваются
возможности применения внутренней виброизоляции и вибропоглощения
конструктивных элементов с высокими уровнями вибрации. Когда
исчерпаны конструктивные меры защиты от шума внутри машины,
предлагается уменьшение внешнего шума способом капотирования.
Вышеизложенное позволило сделать заключение. Достаточно глубоко и
системно изложены меры по снижению шума электрических машин от
вибрационного шума методом виброизоляции; не рассмотрены меры, а
только упомянуты, по снижению шума, излучаемого машинами, методами
вибропоглощения, звукоизоляции и звукопоглощения.
По согласованию с заказчиком для получения характеристик шума АЭ
близких по конструкции к вышеуказанным, были обследованы АЭ типа
АК312-396, АЗМ 4008, «Второй КАМО» и ДАЗО-500-3-600УХЛ. Это
позволило установить: спектры шума широкополосные, постоянные во
времени и имеют средневысокочастотный характер.
Неравномерность звукового поля внутри АЭ выше граничной частоты
200 Гц не превышает 3 дБА, то есть это поле имеет «квазидиффузный»
характер, и анализ процесса шумообразования АЭ может быть основан на
статистической теории акустики, которая была в 80-х годах ХХ века
разработана д.т.н., проф. Ивановым Н.И..
Выше нижней граничной частоты 200 Гц звукоизоляция корпусов АЭ
должна подчиняться закону «масс». Относительно верхней граничной
частоты заметим, что частота «волнового» совпадения для стального листа
4-5 мм – 2500-3125 Гц, для 10 мм – 1250 Гц, для 20 мм – 625 Гц. То есть,
данное явление должно оказать влияние на процесс шумообразования АЭ.
Что касается спектров шума АЭ, то было установлено, что по закону
энергетического суммирования в формировании уровня звука в дБА
доминирует октавная полоса с частотой 2000 Гц. До 2-3 дБА могут
вносить октавные полосы с частотами 250 Гц, 500 Гц и 1000 Гц. Уровень
внутренней звуковой нагрузки на эти поверхности достигает 105 дБА. Но
это были АЭ не очень большой мощности, а для АЭ типа ДАЗ-560 и
АЗМА 6300/6-2УХЛ4 следует ожидать звуковую нагрузку на внутренние
поверхности порядка 120 дБА.
Корпуса АЭ – замкнутые оболочки из стальных пластин, в которых
возникают бегущие колебательные волны. Скорость изгибных волн –
примерно 3000 м/с. Так как длина периметров корпусов 7-8 м первая
гармоника таких волн находится в диапазоне 400-500 Гц, а вторая – в
диапазоне 800-1000 Гц. Измерения показали наибольшие уровни вибрации
ограждающих поверхностей корпусов на частотах 250 – 1000 Гц.
В ожидании изготовления АЭ типа ДАЗ-560 и АЗМА 6300/6-2УХЛ4
представилась возможность реального прогноза их шумовых
характеристик. На испытательном стенде завода проходил испытания АЭ
типа АЗМ-4000/6-2УХЛ4. Конструктивно АЗМ-4000/6-2УХЛ4 и АЗМА
6300/6-2УХЛ4 устроены одинаково, только АЗМ-4000/6-2УХЛ4 имеет
верхний кожух по аналогии с ДАЗ-560.
Шумовые характеристики АЗМ-4000/6-2УХЛ4 показаны на рис.1.
Lш, дБ
31,5
63
125
250
500
1000
2000
4000
8000 f, Гц
Рис.1. Шумовые характеристики АЗМ-4000/6-2УХЛ4
внутри электродвигателя;
•
в 0,5 м сбоку от корпуса на высоте 1 м от пола;
x
то же в 1 м сбоку от корпуса;
фоновый шум приводного агрегата стенда.
Уровень звука внутри АЭ - 124 дБА и доминирующее влияние на его
величину оказывает октавная полоса с частотой 2000 Гц и, если более
точно, – третьоктавная полоса с частотой 1600 Гц. Известно, что на этих
частотах шумовые характеристики электродвигателей, в основном,
формируются частотами «зубцовых» гармоник и «магнитного» шума /2/.
Частоты «зубцовых» гармоник рассчитываются по формуле 1.
Число пазов ротора электродвигателя АЗМ-4000/6-2УХЛ4 равно 34, а
число пар полюсов основного поля статора равно 1. Частота сетевого
напряжения – 50 Гц. Получается частота первой «зубцовой» гармоники –
около 1800 Гц.
f1 = f0 ∙ [2 ±
∙
Z
k
2*
∙
p
( 1 - s )],
(1)
где f1 - частоты «зубцовых» гармоник, Гц;
f0 - частота сетевого напряжения (первой гармоники
возбуждающих сил), Гц;
z2 - число пазов ротора;
p - число пар полюсов основного поля статора;
s - коэффициент проскальзывания (величина малая);
k = ± 1; ± 2; ± 3; …
Частота «магнитного» шума определяется по формуле 2.
f = Z∙ni / 60;
где Z - число зубцов якоря;
ni – частота вращения вала, об/мин;
(2)
i = 1; 2; 3; …
Число зубцов якоря равно 42, а частота вращения вала равна 3000
об/мин. Отсюда частота первой гармоники «магнитного» шума – 2100 Гц.
Внутри корпуса уровень звукового давления на 1600 Гц – 123 дБ, а на 2000
Гц ниже на 10 дБ и равен 113 дБ. Но на 2000 Гц уровень звукового
давления выше по отношению к соседней третьоктавной полосе с частотой
2500 Гц на 9 дБ. Таким образом, наибольший уровень звукового давления
на данном типе АЭ создает первая «зубцовая» гармоника (она доминирует),
а первая гармоника «магнитного» шума вносит небольшой вклад порядка
0,5 дБ.
Во внешнем звуковом поле уровень звука в дБА также предопределяется
частотой 1600 Гц, то есть частотой первой «зубцовой» гармоники, а первая
гармоника «магнитного» шума уже не оказывает влияния. Здесь 1000 Гц
увеличивает уровень звука на 2 дБА, а 500 Гц добавляет еще 1 дБА.
Толщина стального листа кожуха – 5 мм. Наблюдается «провал» в
звукоизоляции кожуха за счет эффекта «волнового» совпадения, как раз в
октавной полосе с частотой 2000 Гц.
Для оценки экранирующего эффекта корпуса АЭ был снят верхний
кожух. При этом уровень звука сбоку от корпуса увеличился только на 4
дБА. Уровни звукового давления на частотах 125-250 Гц увеличились на 8-
10 дБ. На остальных частотах эффект не превысил 2-4 дБ.
Это позволило сделать важные выводы. В средневысокочастотном
диапазоне излучение боковых поверхностей корпуса АЭ носит характер
«квазиплоской» волны. Необходимо вибродемпфирование верхнего кожуха
для устранения провала в звукоизоляции обусловленного эффектом
«волнового» совпадения.
Что касается вибрационных полей боковых ограждающих поверхностей
корпуса АЭ, то наибольшие уровни вибрации приходятся на низкие
частоты 125-250 Гц.
Разность в уровнях звукового давления внутри АЭ и снаружи, как видно
из рис.1, составляет на низких частотах 31-33 дБ, на частотах 500-1000 Гц
– 27-29 дБ, на 2000 Гц – 33 дБ, на более высоких частотах – 26-28 дБ.
Около 70% площади боковых ограждающих поверхностей сделаны из
стальных листов толщиной 5-8 мм, звукоизоляция которых от воздушного
шума имеет на низких частотах величину 25-33 дБ, в диапазоне частот 5002000 Гц - 33-37 дБ, а на более высоких частотах звукоизоляция снижается
на 7 дБ за счет эффекта волнового совпадения /3/.
Отсюда следует, что в спектре шума АЗМ-4000/6-2УХЛ4 в диапазоне
500-1000 Гц основную роль играет звукоизлучение корпуса.
Таким образом, непосредственно в условиях производства, благодаря
помощи со стороны конструкторского бюро завода, были исследованы
основные физические процессы шумообразования АЭ, которые позволили
придти к следующему выводу.
По мере изготовления конструкций ДАЗ-560 и АЗМА 6300/6-2УХЛ4,
необходимо вибродемпфировать их кожухи
вибропоглощающим
полимерным материалом ВПМ-1 (производитель ООО
«ЭРГОС»)
толщиной, равной удвоенной толщине стального листа. С одной стороны
это позволит увеличить звукоизоляцию кожухов на 4-6 дБ, а с другой –
уменьшить звукоизлучение кожухов на 6-8 дБ.
Правильность такого решения подтвердили измерения уровней шума
первого изготовленного ДАЗ-560. Их величина составила 86-87 дБА.
В поисках небольшого превышения уровней шума на 1-2 дБА были
выявлены места с пониженной звукоизоляцией. Ими оказались:
технологические люки, которые закрывались стальными листами
толщиной 4 мм (нанесли ВПМ-1), корпус ввода электрических кабелей,
где имелись кольцевые зазоры 10-15 мм (поставили манжеты из резины).
С АЗМА 6300/6-2УХЛ4 все оказалось сложнее. При испытаниях
первого АЭ с кожухами покрытыми ВПМ-1уровень шума имел величину
93,5 дБА. Как и на ДАЗ-560, меры по герметизации ввода электрокабелей
и увеличение звукоизоляции люков уменьшили уровень шума на 4 дБА.
Конструкторами была выдвинута версия, что следует проверить влияние
на уровень шума излучение диффузора внутренней системы вентиляции
АЭ. Исследования показали его высокую вибрацию на средних
и высоких частотах. Однако это излучение будет сказываться при задаче
снижения шума до уровня требований ПС-75.
Следующим шагом стало получение общей картины формирования
внешнего звукового поля АЭ воздушной составляющей спектра шума.
Это позволило бы оценить фактическую звукоизоляцию различных
участков корпуса АЭ. Результаты исследования показаны на рис.2.
На фоне невысокого потока звуковой энергии через боковую
поверхность среднего кожуха АЭ стал отчетливо виден поток энергии из
поперечных полостей, которые были образованы стояками и
поверхностями верхнего, среднего и нижнего кожухами. Полостей было
две: слева и справа от статорной части. В диапазоне 125-500 Гц
интенсивность этого потока была выше на 12-19 дБ, а на средних и
высоких частотах – на 4-5 дБ.
Последующими исследованиями методом локального объемного
экранирования удалось определить, что устранение излучения звука из
полостей, являющихся фактически волноводами, позволяет уменьшить
уровни шума в диапазоне 125-250 Гц на 8-13 дБ. Дополнительное
экранирование статорной части АЭ листовой резиной (4 мм) с зазором 50
мм в комплексе с кожухами (4-5 мм), покрытых ВПМ-1 (8-10 мм),
позволило в такой конструкции получить величину звукоизоляции
сопоставимую со звукоизоляцией стального листа толщиной 20 мм, из
которого сделаны торцевые несущие щиты.
В итоге, проведенной поэтапной акустической доводки АЭ подробно
описанной в работе /4/, были достигнуты уровни шума со стороны боковых
поверхностей корпуса 84 дБА, а со стороны торцевых поверхностей – 80,5
дБА. Приемочные измерения шумовых характеристик были сделаны под
контролем представителя заказчика немецкой фирмы «Сименс».
Таким образом было доказано, что вибропоглощение является
первоочередным средством снижения шума в источниках шума типа АЭ до
уровня требований ПС-80. При этом решаются сразу две важные задачи.
Первая - все ограждающие поверхности корпуса имеют одинаковую
величину звукоизоляции без изменения конструктивного исполнения.
Вторая уменьшается излучение корпуса АЭ под действием
возбуждающих сил.
Достигнутые результаты позволили сделать следующий прогноз.
Имеются реальные предпосылки путем дальнейшего повышения
эффективности применения метода вибропоглощения получить шумовые
характеристики АЭ на уровне ПС-75 (80 дБА).
Последний АЭ из серии АЗМА 6300/6-2УХЛ4 был передан заказчику
только в январе 2012 года. К этому времени выяснилось, что в середине
года будет изготавливаться серия из четырех АЭ типа АДЧР 1250-6-8У1,
где одним из условий заказчика было требование – уровни шума не
должны превышать 80 дБА (Рис.3).
Рис. 3. Асинхронный электродвигатель АДЧР 1250-6-8У1
В конструкторскую документацию на эти АЭ было внесено нанесение
вибропоглощающего материала ВПМ-1на весь корпус, кроме торцевых
щитов, имеющих толщину стального листа 20мм, и дополнительно на
диффузор и опорное кольцо внутренней вентиляционной системы.
В ноябре 2012 года на приемочных испытаниях АЭ были получены
шумовые характеристики со стороны боковых поверхностей 79 дБА, со
стороны торцевых поверхностей – 82-83 дБА. Данный тип АЭ имеет по
сравнению с предыдущими АЭ в верхнем кожухе дополнительный
внешний теплообменник, в который нагнетается воздух вентилятором,
закрепленным на задней торцевой поверхности.
Методом «прозвучивания» экспериментально было показано, что
отведение забора и выхода воздуха из теплообменника вверх позволяет
получить экранирующий эффект 7 дБА со стороны торцевых
поверхностей.
Результаты работы с ООО «ПО «ЛЭЗ» по созданию менее шумных АЭ
моделей серий ДАЗ, АДЧР и АЗМА были опубликованы в бюллетене
Российского электротехнического концерна «РУСЭЛПРОМ» /5/.
В феврале 2013 года стало известно, что в середине года будет заказ на
серию АЭ, где требования заказчика по уровню шума 77 дБА плюс 3 дБА.
1. Кришневский Б.А., Федорович М.А., Драганчев Х., Ягнятинскис А.Л.
Практика решения ряда текущих задач в прикладной акустике в ХХI веке.
Научно-технический
конгресс
«Экология
и
безопасность
жизнедеятельности промышленно-транспортных комплексов» ELPIT-2011
2.Исаков
В.М.,
Федорович
М.А.
Виброшумозащита
в
энергомашиностроении. Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1986, 208
с.: ил.
3.РТМ 212.0060-76 «Комплекс противошумовых мероприятий на судах
речного флота», Транспорт, ЛО, 1978.
4.Кришневский Б.А. Практика решения насущных задач в технической
акустике. III Всероссийская НПК «Защита населения от повышенного
шумового воздействия», Санкт-Петербург, 2011.
5.«Энергоэффект», №4 (2012), ООО « РУСЭЛПРОМ», www.ruselprom.ru