宋藝偉，李 躍，李 強，胡友志，熊延松，黃克傳

（1.合肥工業(yè)大學(xué) 機械工程學(xué)院，合肥 230009；2.中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院 智能機械研究所，合肥 230031；3.安徽智泓凈化科技股份有限公司，合肥 230088；4.常州柏繁電氣有限公司，江蘇常州 213100）

0 引言

反滲透隔膜增壓泵是凈水機中反滲透過濾前端入水增壓的功能核心部件，近年來隨著人們對凈水機大通量化、低噪聲、高穩(wěn)定性要求迫切，大通量下反滲透隔膜增壓泵的振動噪聲突出問題亟待解決。目前使用的凈水器主要為反滲透凈水機，通常采用RO膜（反滲透膜）對原水進行的過濾，RO膜是一種模擬生物半透膜的人工膜，其能夠阻隔無機鹽、重金屬、病菌等雜質(zhì)［1-2］，為使原水能夠?qū)崿F(xiàn)逆滲透，需要進行膜前增壓，反滲透隔膜增壓泵是凈水機內(nèi)提供膜前增壓的主要核心設(shè)備。

現(xiàn)階段，大通量型凈水機成為家庭凈水器使用的主要需求型號，凈水機的大通量需要配備功率更高、流量更大的反滲透隔膜增壓泵，隨著功率和流量的提高，因反滲透隔膜增壓泵內(nèi)部結(jié)構(gòu)及流動特點帶來的振動噪聲問題愈發(fā)凸顯，因此也影響了凈水器使用的品質(zhì)。為了降低其振動噪聲，左杰［3］通過帶一體化鐵殼的無刷電機增壓泵設(shè)計降低振動噪聲；李文明等［4］通過降低電機轉(zhuǎn)速、在電機與底板之間設(shè)置隔振及設(shè)置消聲裝置等方法減小泵體振動噪聲。盡管現(xiàn)有方法對反滲透隔膜增壓泵的減振降噪方法上取得了一些進展，但對其振動噪聲源和相關(guān)產(chǎn)生機理方面的研究較少。本文通過對反滲透隔膜增壓泵結(jié)構(gòu)及原理進行分析，搭建測試實驗平臺，在額定工況下進行噪聲測試、變轉(zhuǎn)速激勵測試等測試方法進行振動噪聲試驗分析，了解振動噪聲的主要誘發(fā)因素。

1 反滲透隔膜增壓泵的工作原理

反滲透隔膜增壓泵又稱RO增壓泵、RO隔膜泵，是屬于往復(fù)式容積泵的一種，通過活塞（柱塞）在液缸工作腔內(nèi)的往復(fù)運動（或者利用隔膜、波紋管等撓性部件在工作液腔內(nèi)的周期性變形）使得腔室內(nèi)部存液容積發(fā)生周期性變化。在結(jié)構(gòu)上，往復(fù)泵的工作容腔為封閉空間，通過所設(shè)置的泵閥（單向的進水閥、出水閥）與管路溝通或閉合［5-6］。

以直流有刷電機反滲透隔膜增壓泵為例，其結(jié)構(gòu)主體分為直流有刷電機和泵頭2個部分，泵頭結(jié)構(gòu)主要為泵殼、閥座、進水閥、出水閥、隔膜片、活塞、偏心輪、凸輪支架、深溝球軸承軸承、連接架組成。在反滲透隔膜增壓泵中，隔膜起到承壓密封及撓曲變形的作用，腔室內(nèi)設(shè)置活塞并安裝于凸輪支架。正常運行時，電機提供動力，通過連接在轉(zhuǎn)軸處的軸心與電機轉(zhuǎn)軸中心偏移的偏心輪在轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生的高度差，使腔室內(nèi)活塞受到傳動機構(gòu)也即凸輪支架循環(huán)的推拉力，各個活塞繞設(shè)計擺動中點做繞擺往復(fù)運動，并帶動隔膜發(fā)生變形，在過程中將原水進行增壓并排出。腔室的數(shù)目、電機轉(zhuǎn)速以及偏心輪偏移角度的設(shè)計與反滲透隔膜增壓泵的流量有直接關(guān)系。圖1示出某型號反滲透隔膜增壓泵的結(jié)構(gòu)示意。

2 反滲透隔膜增壓泵的振動、噪聲源分析

反滲透隔膜增壓泵的噪聲主要為機械噪聲、液力噪聲，所產(chǎn)生的機械噪聲主要為內(nèi)部激勵導(dǎo)致部件產(chǎn)生摩擦、撞擊、以及結(jié)構(gòu)共振引起的振動及噪聲。泵內(nèi)的每個腔室，周期內(nèi)的流量隨偏心輪轉(zhuǎn)動角度而變化，因而泵的流量時刻變化，瞬時流量為每個腔室排液的疊加，形成脈動流量。液力噪聲則由壓力波動流體的激勵下使殼體、管線等結(jié)構(gòu)發(fā)生強迫振動，從而引起偶極子聲并通過周圍空氣向外輻射。設(shè)備噪聲的產(chǎn)生與振動有直接的關(guān)聯(lián)，泵體表面所輻射的噪聲由泵體表面的振動所產(chǎn)生，而泵體表面的振動一方面與某個或某些振動的激勵源有關(guān)，同時也和構(gòu)件間的傳遞特性以及構(gòu)件本身的動特性密切相關(guān)。因此，對設(shè)備進行振動、噪聲的研究分析，就是要查明主要的噪聲頻率成分與各個振動激勵源和結(jié)構(gòu)特性之間的關(guān)聯(lián)［7］。

2.1 結(jié)構(gòu)特性分析

通過圖1可知，在泵體的機構(gòu)中，分為驅(qū)動端及液力端2個部分，液力端設(shè)置多個腔室，出水管路流量由多腔室流量疊加。驅(qū)動模塊中能夠?qū)㈦姍C轉(zhuǎn)動力矩轉(zhuǎn)化為活塞軸向位移的核心部件為偏心輪及軸承，為了使凸輪支架產(chǎn)生軸向位移，偏心輪所設(shè)計偏心角為σ，進而產(chǎn)生高度差。通過對反滲透隔膜增壓泵工作原理、結(jié)構(gòu)特性的分析可以推出以下信息：

（1）偏心輪安裝固定于軸承內(nèi)圈，軸承和偏心輪軸心相同，因此，軸承在安裝后，運轉(zhuǎn)時會由于其承重中心與轉(zhuǎn)動軸心的偏移而產(chǎn)生不平衡力作用于軸承，激發(fā)軸承產(chǎn)生振動。設(shè)軸承的重心與和旋轉(zhuǎn)軸心之間的距離為λ，由此偏移所導(dǎo)致的不平衡位移表示為［8］：

偏心所引起的激勵并引起的振動頻率fμ和電機轉(zhuǎn)頻fω相等，由式（1）可知，不平衡位移隨時間的變化為一個余弦信號。

另外，在軸承轉(zhuǎn)動的過程中，由于其旋轉(zhuǎn)中心與電機軸心并非在相同直線上，當(dāng)軸承隨著轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時，軸承外圈上的點將產(chǎn)生一個偏斜的位移［8］：

L為外圈半徑，它的基頻為電機轉(zhuǎn)頻2倍，因此，需要合理設(shè)計偏心輪角度。

（2）驅(qū)動端和液力端的一體化設(shè)計使結(jié)構(gòu)中的振動發(fā)生傳遞，某些振動單元在隨著電機轉(zhuǎn)動時其頻率相等或者相近，使振動單元之間發(fā)生相互影響，形成耦合振動。

（3）凸輪支架上設(shè)置的多個活塞座在隨轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時繞中點上下偏擺，在自身的重力及變化的壓力產(chǎn)生的作用力下使凸輪支架受到不平衡的慣性力，這一慣性力在連接部件之間傳遞。結(jié)構(gòu)在這一周期性激勵的作用下激發(fā)出較高頻率的振動，當(dāng)受到激勵的零部件的固有頻率等于周期性不平衡力頻率的整數(shù)倍時，就會導(dǎo)致零部件產(chǎn)生強烈的共振，從而產(chǎn)生較大的振動和噪聲［9］。

2.2 主要激勵頻率分析

2.2.1 轉(zhuǎn)子不平衡

電機轉(zhuǎn)軸安裝不對中以及受力不平衡導(dǎo)致的振動，激勵頻率為電機旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)頻fω及高次諧頻，即：

式中 ω——電機的轉(zhuǎn)速，r/min。

2.2.2 運動沖擊

活塞在進行上下行運動時，因隔膜的變形、內(nèi)部部件慣性沖擊等產(chǎn)生的激勵，頻率為：

式中 k——腔室的數(shù)目。

2.2.3 軸承頻率［10］

當(dāng)電機軸轉(zhuǎn)動帶動偏心輪，偏心輪由于軸心與轉(zhuǎn)動軸心偏移，發(fā)生扭轉(zhuǎn)，偏心輪最高點經(jīng)過活塞對應(yīng)位置時，活塞上行對液體進行壓縮，此時下方對應(yīng)的滾動體受力發(fā)生變化，內(nèi)圈與偏心輪及軸徑、外圈及凸輪支架受到一次激勵。軸承激勵主要與來自于內(nèi)外圈、滾動體、保持架的缺陷有關(guān)，這些頻率表現(xiàn)為各自頻率上的窄帶尖峰、整數(shù)倍轉(zhuǎn)頻的窄帶峰、整數(shù)倍轉(zhuǎn)頻的寬帶峰。

滾動體在內(nèi)環(huán)的通過頻率為：

滾動體在外環(huán)的通過頻率為：

滾動體自轉(zhuǎn)頻率：

式中 Z——滾動體個數(shù)；

d——滾動體直徑；

D——軸承節(jié)徑；

θ——滾動體與座圈間的接觸角，（°）。

2.2.4 液體沖擊

單個腔室內(nèi)，活塞在腔室的位置隨偏心輪轉(zhuǎn)動角度變化，當(dāng)轉(zhuǎn)動角度處于偏心輪低點到高點范圍，工作腔聯(lián)通出水腔，活塞將吸入液體進行擠壓，由于系統(tǒng)阻抗，使出水腔室、管路處于高壓。而當(dāng)轉(zhuǎn)動角度處于偏心輪高點到低點范圍，工作腔聯(lián)通進水腔，出水閥關(guān)閉，出水腔室、管路壓力發(fā)生突變。波動的流量及壓力傳播到殼體及各元件上，使結(jié)構(gòu)發(fā)生振動。流量脈動率是衡量流量脈動程度的指標(biāo)，反滲透隔膜增壓泵流量脈動率可根據(jù)以下計算公式［11］：

其中，當(dāng)腔室數(shù)s是奇數(shù)時，脈動率為δ1，s為偶數(shù)時，脈動率為δ2。

3 振動噪聲測試

通過對設(shè)備進行試驗測試是研究其振動噪聲特性的常用手段［12-13］。本文所涉及的反滲透隔膜增壓泵為400 G直流有刷電機驅(qū)動反滲透隔膜增壓泵，額定電壓為24 V、額定負(fù)載下電機轉(zhuǎn)速1 000 r/min，出水流量約2.8 L/min，測試出水壓力設(shè)定為0.62 MPa。反滲透隔膜增壓泵具有自吸和增壓的作用，為了減少進水壓力變化造成的影響，采用封閉式水箱供水。測試場地為消聲室，基本無空氣流動（認(rèn)定空氣流動為0 m/s），經(jīng)測試背景噪聲小于被測試設(shè)備A聲級10 dB，因此無需進行修正。

3.1 試驗測試系統(tǒng)

聲振測試采用AVANT數(shù)據(jù)采集與信號分析系統(tǒng)，是基于DSP的高精度分析系統(tǒng)，主要由數(shù)據(jù)采集與分析儀與運行于計算機的軟件兩部分所組成，振動測試采用EA-YD-1181壓電式加速度傳感器，噪聲測試采用AWA14425電容式傳聲器以及前置放大器組成，測試系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 測試系統(tǒng)示意Fig.2 Schematic diagram of test system

3.2 試驗測試臺系統(tǒng)

設(shè)計反滲透隔膜增壓泵測試系統(tǒng)，在反滲透隔膜增壓泵安裝于凈水機進行膜片增壓時，水路下級為反滲透膜，為了進行膜前壓力模擬及改變出水壓力，在出水管路中接入針閥進行調(diào)控，調(diào)節(jié)壓力范圍為0～1 MPa。流量測試采用比例轉(zhuǎn)子流量計進行測試，通過PWM直流電機調(diào)速器對電機進行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，模擬反滲透隔膜增壓泵進行自吸運行時工況，將進水端直接連接供液水箱。

測試臺儀器主要包括：水箱、反滲透隔膜增壓泵、進出口水閥、針閥、管路、壓力表、流量計等，如圖3所示。通過反滲透隔膜增壓泵的自吸，將供水由水箱吸入管路至泵體，并對供水進行增壓，后經(jīng)過壓力表、流量計針閥后回到水箱形成閉環(huán)回路。

圖3 試驗裝置示意Fig.3 Schematic diagram of the test setup

3.3 振動噪聲測點

聲振測試需要激勵被檢測的設(shè)備對象，使其產(chǎn)生機械振動，出現(xiàn)聲波特性上的變化，再通過儀器對所產(chǎn)生的聲音和振動信號進行采集、處理，通過分析，判斷被測試對象的質(zhì)量、性能。為了解反滲透隔膜增壓泵振動噪聲特性，對本文所涉及的反滲透隔膜增壓泵在不同工況下進行振動與噪聲的測試，測試內(nèi)容包括空氣噪聲聲壓級測試、振動加速度測試，測試作用樣本為同一批次且相同型號規(guī)格的新泵，在模擬同樣負(fù)載下，單獨測試反滲透隔膜增壓泵所帶電機A計權(quán)聲壓級較低因此可以忽略。試驗對同一臺泵進行了3次測試，試驗條件及測試方法均相同。

3.3.1 振動測試監(jiān)測點

為了更好地了解振動特性，測點的選擇也很重要，加速度傳感器放置以3個互相垂直的方向上進行測量，規(guī)定泵電機軸線為Y向，水平并與Y向相交為X向，垂直與Y向相交為Z向。圖1由結(jié)構(gòu)示意可知，傳動模塊的激勵主要集中在在凸輪支架、軸承、電機軸的連接處，主軸、軸承所激發(fā)振動沿著周圍傳遞至外側(cè)殼體，所設(shè)置在安裝位置測點2，3的傳感器對應(yīng)測試激勵沿X，Z方向的振動，Y方向傳感器測點1安裝在出水腔對應(yīng)位置，能夠測試高壓出水腔軸向的振動。具體測試點位設(shè)置如圖4所示。

圖4 振動測試監(jiān)測點位置Fig.4 Locations of vibration test monitoring points

3.3.2 噪聲測試測點

液力端為噪聲的主要來源，通過對液力端的噪聲測試，可以了解增壓泵噪聲的輻射情況，并通過與振動數(shù)據(jù)進行對比了解聲源，噪聲測試采用圖5所示布置測試點，采用4點法測試，進行A計權(quán)聲壓級測量，測試時以泵頭前側(cè)為前端，電機后側(cè)為后端，因此傳聲器布置在前、后、左、右4個位置，并把4個方向傳聲器分別設(shè)為S1，S2，S3，S4，三維示意如圖 5（a）所示，平面位置如圖 5（b）所示，具體放置坐標(biāo)見表1。通過近聲場測試得到噪聲1/3倍頻程譜。

表1 噪聲測點位置三維坐標(biāo)Tab.1 Three-dimensional coordinates of noise test points

圖5 噪聲測試測點位置Fig.5 Locations of noise test points

4 振動噪聲測試結(jié)果

按照不同工況下進行測試，為了降低及排除誤差干擾，測試分為3組，每組測試內(nèi)容相同，測試得到反滲透隔膜增壓泵在不同測點的振動加速度及A計權(quán)聲壓級的相關(guān)數(shù)據(jù)。通過對反滲透隔膜增壓泵在額定工況下的噪聲測試，了解噪聲主要優(yōu)勢頻率，并通過變轉(zhuǎn)速激勵測試，對各測點振動信號分析，從而了解與激勵的關(guān)聯(lián)。

4.1 噪聲頻譜分析

根據(jù)以上的試驗方法進行測試，測試所得多組噪聲的頻譜數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)主要頻率集中在1 500 Hz以內(nèi)，且每組數(shù)據(jù)變化規(guī)律及數(shù)值相近，A計權(quán)聲壓級噪聲能較好地反映人耳對噪聲強度與頻率的主觀感覺［14］，所得4個方位傳感器所測試的反滲透隔膜增壓泵額定工況下的1/3倍頻程A計權(quán)聲壓級頻譜如圖6所示，從圖可以看出：在4個方位中，頻段分布規(guī)律相似，且通過多次測試發(fā)現(xiàn)反滲透隔膜增壓泵出口端的的輻射噪聲聲壓級高于其他方位，聲壓級值為45 dB，而電機尾端的噪聲值最低，得知噪聲的主要輻射方向為泵的出口對應(yīng)方向，可見泵殼內(nèi)部機械噪聲及流體噪聲通過出口端向外輻射。由于泵體中有較多噪聲源，所輻射的噪聲通過在空間內(nèi)的矢量疊加，最后在測試點位置被捕捉。而通過頻譜分析，假如整體噪聲在某一峰值頻率和某一零部件振動的峰值頻率相對應(yīng)，且該零件對應(yīng)頻率振動能量明顯大于其他零件，那么可以認(rèn)為該零部件是該頻段的噪聲的主要來源［15-17］。

圖6 不同測點噪聲A計權(quán)聲壓級Fig.6 The A-weighted sound pressure level of noise at different test points

由測試結(jié)果可知，在低頻段及中頻段有突出峰值，并對比4處測點頻譜，發(fā)現(xiàn)各測點中噪聲貢獻較大的主要頻率分布在80～120 Hz，300～500 Hz，而S2處在80～120 Hz的峰值不明顯，說明此處頻率噪聲與電機相關(guān)性不大。優(yōu)勢頻率的中心頻率在80 Hz，通過以上的激勵分析可知軸頻在16.67 Hz左右，而峰值對應(yīng)的頻率在四倍轉(zhuǎn)頻處，這正與反滲透隔膜增壓泵的腔室數(shù)目相吻合。而各處測點在頻段300～400 Hz均出現(xiàn)峰值，說明液力噪聲對設(shè)備整體噪聲貢獻較大。

4.2 振動加速度頻譜分析

4.2.1 變轉(zhuǎn)速測試

通過變轉(zhuǎn)速激勵（500～1 100 r/min）對反滲透隔膜增壓泵進行試驗運行并測試，得到不同測點位置的振動加速度頻譜如圖7所示。從圖7（a）中可以看出，在泵殼外所受到液體對殼體沖擊，在300～500 Hz和800～1 100 Hz可見振動頻率呈現(xiàn)寬頻分布，并隨著轉(zhuǎn)速升高對應(yīng)振動加劇，相比于圖7（b）可以看出，點1與點2處的振動信號頻率分布有明顯的區(qū)別。測點2，3處傳感器所測頻譜分別反應(yīng)由泵體傳動模塊處振動并傳遞到外殼的橫向及縱向的振動情況，主要峰值頻率分布在600 Hz之內(nèi)，在圖中可以看出有明顯的階次，通過計算發(fā)現(xiàn)所對應(yīng)的峰值頻率在相應(yīng)轉(zhuǎn)下同樣與軸頻成4倍關(guān)系，且在300～500 Hz范圍內(nèi)也出現(xiàn)頻率分布。另外，在圖中發(fā)現(xiàn)階次內(nèi)峰值隨轉(zhuǎn)速變化，在700 r/min處出現(xiàn)較高峰值，說明此時激勵頻率可能與部件固有頻率相同而發(fā)生共振。在周期內(nèi)每個腔室活塞上下行過程中，由于凸輪支架上端與活塞、膜片連接，下端套接在軸承外圈，而軸承內(nèi)圈、偏心輪與電機軸固定連接。通過測試分析可知，周期內(nèi)活塞及凸輪支架運動對液體作用產(chǎn)生壓力沖擊作用于殼體、管路以及增壓泵活塞往復(fù)運動產(chǎn)生往復(fù)慣性力作用于軸承，使機體產(chǎn)生振動噪聲。

圖7 不同測點振動加速度頻譜Fig.7 Spectrum of vibration acceleration at different test points

4.2.2 不同偏心輪角度測試

偏心輪偏心角度的大小決定活塞位移，活塞的行程對泵的流量、壓力脈動率有直接影響［5］。實驗測試3個不同偏心角度的偏心輪，偏心角度分別為：2.5°，2.8°，3.0°，在出口閥門開度不變及轉(zhuǎn)速不變的條件下分別對比了相同測點不同偏心角度下的振動情況。從圖8中可以看出，在3個不同測點處不同偏心角度的振動峰值不同，且隨著偏心角度的增大而升高，因此偏心輪角度大小對泵的振動有影響，而偏心輪角度越大流量越大，但會使隔膜使用壽命降低，因此在泵的偏心輪角度設(shè)計過程中，需要考慮在保證泵的流量的情況下適當(dāng)減小偏心角從而減小振動。

圖8 不同偏心角條件下不同測點振動信號Fig.8 Vibration signals of different measuring points under different eccentric angles

5 結(jié)論

（1）通過振動與噪聲測試，發(fā)現(xiàn)主要噪聲輻射方向為泵的出口端，噪聲最大值為45 dB，且振動及噪聲頻譜在4倍轉(zhuǎn)頻處出現(xiàn)較高的幅值。

（2）通過振動噪聲對比，推斷主要的振動噪聲源來自于腔室內(nèi)的脈動液體沖擊及沖擊產(chǎn)生的反作用力與凸輪支架運行的慣性力而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的振動噪聲。

（3）通過測試發(fā)現(xiàn)在轉(zhuǎn)速達到700 r/min左右，泵體可能發(fā)生結(jié)構(gòu)共振，因此，在設(shè)計反滲透隔膜增壓泵電機轉(zhuǎn)速時應(yīng)避開此轉(zhuǎn)速范圍。

（4）在相同的條件下，反滲透隔膜增壓泵整體的振動隨著電機轉(zhuǎn)速的升高及偏心輪的偏心角增大而增高，因此可以通過適當(dāng)調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速和偏心輪偏移角度進行降噪。