塑料机泵浦噪音之排除研究

一、摘要：　　

　　本文将针对工具机或塑料射出成型机常见的异常问题－晨动与噪音，作异常现象的诊断工作，配合CNC实验室的频谱分析仪(Spectrum Analyzer)，以加速规和分贝计作感应器，除了找出若干的问题点，并成功的将马达支撑架 的径向振动量由38mg降到6.7mg（在马达一倍转速下），噪音计所量测到的音压准位(Sound Pressure Level)由原来的91.8db降到82.5db。在振动量上改善5.2倍，噪音减少9.3db。（注：改善二 倍为减少6db）

　　本文将陈述整个振动与噪音诊断的过程，并将建议几个改善方案。此些改善方案将在日 后做机台实验测试，以期能得更佳的音质与机器性能。

二、振动与噪音的来源

　　机器所产生的振动与噪音原因甚多，随著机器与应用范围的不同，很难分析归纳出一套 完整的规则，需凭经验多方评估之。通常机械所产生的振动与噪音原因如下： 　

1.机械元件装配欠佳： 　　　　

转动轴的连接发生未对准或不对心的问题，皮带装配过松、齿轮接触偏斜，皆会产生振动和不必要的噪音。

2.机械元件不平衡或损坏 　　　　

齿轮、轮叶片、主轴的质量分配不均匀，会在径向产扛不平衡的振动量。而轴承中的滚珠受损，或内、外圈轨道有凹痕、异物等情形，皆会产生振动和噪音。

3.热变形造成精度丧失： 　 　　　　

以工具机的球螺杆而言，若预拉值不够，当持续运转时，温升热变形将使球螺杆弯曲，而使磨擦加大，亦会引起振动。

4.外力造成强力振动：

由于外力的激振源迼成物体的强制振动，可以找出激振源来排除。

三、马达与油压泵之振动特性： 　

1.马达：

图1 马达与油压泵的配置图 塑料成形机的马达与油压泵之配置如Fig.1所示，马达轴与油压泵轴承靠联轴器(Couping)来联接。马达的转速约为1170rpm，相当于1170/60＝19.5Hz。故正常马达的振动特性为在径向产生，一倍转速的振动速号,并在其倍频（1×转速、2 ×转速、…n×转速）产生谐波(harmonic wave)。

2.油压泵：

目前射出机所使用的油压泵为轮叶式(Vane)油压泵，其特性如Fig.2 所示。

Fig.2所示A.B两图呈偏心，A回转而B固定。A图上的转叶,可在槽中自由的移动。轮叶亦会因离心力的作用而与外壁接触，产生碰撞(Impact)，而发生 振动。故当油压泵的轮叶数为n片时，马达转一圈时，其完成n个周期，故泵的 振动皆发生于n倍的转速。故目前射出成型机所使用的油压泵而言，为12片之轮叶，故其振动发生于12倍转速下，和12倍转速的倍频（24倍、36倍、48倍……）谐波上。

四、塑料射出成形机的振动和噪音量测：

图3 实验量测架图 针对机台作测量，并于在线找一音质好机台作比较。以频谱分析仪(Hp3566A)来测量， 分别将加速规(Accelermeter)置于马达支撑架的径向与轴向位置，并加上分贝计量测主要噪 音的频率，量测位置如Fig.3所示。因工厂白天环境噪音过大，无法真正的测量到油压泵的 振动噪音，故选择量测时间为厂内停机时后，约晚上8:00～10:00左右。

　　Fig.4显示实验量测的原始振动量与噪音值。由图可知无论任何机台的振动和噪音值皆 1170rpm 发生在12倍转速处(─────×12＝235.5Hz)与12倍频谐波（24f、36f、48f……72f，f为 60 马达的转速）。此现象非常的“明显”与“规律”，证明噪音的来源大都来自油压泵的叶片 拍打油压之声音。另外我们可以在Fig.4所示分贝计的讯号上，看到在频率1-3附近，可看到 一明显的波峰值，此值经证明为马达切割磁力线所产生的高频噪音，此情形己经换马达而获 得改善。Fig.4亦显示了一趋势，分贝计所量到分贝值较大处对相应频率的振动值亦较大。 若能改善振动的话，则亦能减少噪音的发生。亦即在此案例下，振动→（相关性）←噪音。

(a)径向

图4 LK机型的原始振动量

(b)轴向　讯号

(c)分贝计　　　　　　　　　　　　

１.马达与油压泵之频率反应图fs24 (FRF)

图5 FRF实验示意图 塑料射出机所用马达为19.5HZ的转速频率，根据以上的分析，在其倍频和12倍的倍频都会有较大的振动量，故我们将藉由敲鎚来敲得整系统的Freguency Response Function(FRF)，以确认是否会因“共振”引起较大的振动量。

　　在求FRF的模态测试中，实验设备图如Fig.5所示，主要是要求得油压泵的振动响应行为 。 　　

1.FRF结果： 　　

　　由Fig.6的油压泵频率涵数响应图得知在23HZ有一明显的波峰值，此23HZ的波峰值与马 达的转速频率20HZ非常接近，在振动行为上会发生所谓“共振resonance”的现象，造成油 压泵的转轴在径向会有很大的振动量，进而使得油压泵在12倍的转速下，叶片拍打油的声音 亦会增大。若能将23HZ的波峰往较高频处移动，亦即向右移，使其远离转速频率，将可使噪音值改善。

五、改善方案： 　　

　　根据前述的分析，SQP21之油压泵悬挂于马达上，造成马达转速频率(20HZ)，接近于共 振频率(23HZ)，基于此特性，在改善的过程中，即着重于改善油压泵的支撑刚性，使得共振 频率能够远离转速频率。一般而言，噪音问题的传递路径可分为二大类。一为Air Born（经由空气传递），另一为Structure Born（经由结构传递）。其与频率高低的关系如下：

　　 以此次油压泵的声音过大而言，12倍转速频率为12×19.5HZ＝235HZ，属于400HZ以下， 且由图四观察来看，噪音与振动有相对的关系，故拟从结构改善着手。为了确定改善结构对振动与噪音的“有效性”，可从质量法与刚性法来着手。

(A) 质量法 改变结构共振频率 降低振幅 需尝试不同质量大小与位置

(B)　刚性法 补强位置要正确 需对模态特性有初步了解 需配合敲击验 Stittness 刚性

　　由于马达与Pump安置于机架中，其中还有油压管路的分布，较难用质量法来确认，采用 刚性法来确认。

改善结果：

图7 支撑改善示意图 将泵的支持方式加上一支撑栓和一橡皮阻尼器(Rubber Damper)，如Fig.7所示。 　　　　

　　改善前后之径向、轴向振动量与分贝计所量测到噪音值如Fig.8所示。（量剂moter＋SQ P21之PUMP）。 在径向的振动量方面，在一倍转速下振动量由38mg下降到6.7mg，而在12倍转速之轮叶 拍打振动量从50mg改善到6.0mg。相同的轴向的振动量上，一倍转速己从10.1mg改善到9mg， 在12倍转速下的振动已由37mg下降到21.5mg。

另外Fig.9显示了改善前、后以分贝计所量测出来的音压准位fs24 (Sound Pressure Level)，已经由原来的91.8db降到改善后82.5db，在声音的质量上已经获得很明颢的改善。 亦足以证明本次从振动的观点来解决噪音问题，能够获得有效的改善。

六、结论

（一）油压泵支撑架的最佳位置选择： 　　

在刚性法中提及加入一刚性物体，来改变系统的特性，可有效的改善音质。但支撑栓的 放置地点，刚关系著支撑栓对pump的灭振效果。吾人曾经在计算机上建立了一简单的有限元素模型，来测试支撑栓对系统刚性的影响。如 Fig.7所示，当距离d渐渐变大时，整个系统刚性变强，自然频率亦随之上升，故在支撑栓位 置对噪音的改善关系上，有待实验测试之！

（二）阻尼层(damper)的被覆： 　　

利用阻尼(damping)的效应，可降低振动的振幅。由于轮叶式的油压泵，为一离心且偏 心式的旋转轮叶，其振动量直接应在油压泵的外壁上，且局部区域振动量最大。 　　市面上所售之“隔振漆”，可涂抹于油压泵的外壁，来控制振动量。其利用涂抹的厚度 来控制阻尼值，但必须考虑到其热传问题。

（三）油压泵之支撑栓的设计可作适当的改善，例如加大支撑栓的尺寸（外径），可提高系统的刚性。

（四）此次改善，在马达支撑架上的径面振动量，已从一倍转速下的38mg降到6.7mg，改善了82％，噪音值从91.8db降到82.5db，而测量出91.8db之音量是在晚上工厂停机所测量，82.5db测于白天量测．已有受到工厂环境噪音的影响，但仍小于91.8db。