液壓挖掘機(jī)機(jī)外輻射噪聲分析與改進(jìn)

 引言
隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人們生活水平的不斷提高，環(huán)境保護(hù)意識(shí)大大加強(qiáng)，噪聲危害越來(lái)越引起人們的重視，噪聲污染同空氣污染、水污染一起被認(rèn)為當(dāng)代三大污染[1]。
液壓挖掘機(jī)作為工程機(jī)械的一個(gè)主要機(jī)種，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中發(fā)揮著非常重要的作用。隨著環(huán)境噪聲要求的不斷提高，挖掘機(jī)的輻射噪聲也越來(lái)越引起人們的重視，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)挖掘機(jī)輻射噪聲要求也越來(lái)越嚴(yán)格，能否滿足國(guó)家法令法規(guī)要求，決定著挖掘機(jī)能否在市場(chǎng)上銷(xiāo)售，因此，研究和分析液壓挖掘機(jī)噪聲產(chǎn)生機(jī)理，識(shí)別與定位主噪聲源，有的放矢地降低其輻射噪聲，改善工作環(huán)境，是挖掘機(jī)制造企業(yè)的一項(xiàng)十分重要的任務(wù)。
1 液壓挖掘機(jī)噪聲產(chǎn)生的原因
1.1 液壓系統(tǒng)噪聲 液壓系統(tǒng)的噪聲主要是由泵產(chǎn)生的。挖掘機(jī)在工作過(guò)程中，由于負(fù)載的不斷變化，泵的壓力和流量隨著負(fù)載不斷變化，壓力和流量的變化形成壓力脈動(dòng)，引起振動(dòng)，產(chǎn)生噪聲。
主控閥的噪聲是液壓系統(tǒng)另一個(gè)噪聲源。液壓挖掘工作過(guò)程中，主控閥各個(gè)閥芯不斷開(kāi)啟和關(guān)閉，開(kāi)啟和關(guān)閉過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生液壓沖擊，引起振動(dòng)，產(chǎn)生噪聲。
另外，挖掘機(jī)各執(zhí)行動(dòng)作同時(shí)動(dòng)作時(shí)，需要對(duì)負(fù)載輕的執(zhí)行器控制閥芯進(jìn)行節(jié)流，因此主控閥內(nèi)部有許多節(jié)流孔口，油液流過(guò)節(jié)流口和閥口時(shí)，由于壓力的變化產(chǎn)生氣穴噪聲。
1.2 風(fēng)扇噪聲 風(fēng)扇噪聲主要是空氣動(dòng)力噪聲，空氣動(dòng)力噪聲主要由旋轉(zhuǎn)噪聲和渦流噪聲組成[2]。旋轉(zhuǎn)噪聲是由風(fēng)扇葉片形成的空氣壓力脈動(dòng)引起的，主要為低頻成分，與風(fēng)扇葉片圓周速度的10次方成正比。渦流噪聲是作用在葉片上的隨機(jī)脈動(dòng)引起的，與風(fēng)扇葉片圓周速度的5～6次方成正比。風(fēng)扇葉片的圓周速度越大，噪聲越大，相同直徑下，風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速越高，噪聲就越大。
1.3 進(jìn)排氣噪聲 發(fā)動(dòng)機(jī)在進(jìn)氣行程前半期，由于活塞下行，氣缸內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓，氣體從進(jìn)氣管流入，產(chǎn)生負(fù)壓波，經(jīng)氣門(mén)、沿進(jìn)氣管傳播，到開(kāi)口端時(shí)又從開(kāi)口端反射回正壓波，因此，進(jìn)氣管存在壓力波，這個(gè)波動(dòng)會(huì)產(chǎn)生基頻噪聲。此外，進(jìn)氣時(shí)，氣流高速流經(jīng)進(jìn)氣通道時(shí)還會(huì)產(chǎn)生渦流噪聲[3]。
發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的廢氣經(jīng)排氣管、消聲器排出。在排氣門(mén)打開(kāi)初期，隨著氣體的涌入，排氣門(mén)處產(chǎn)生大的正壓波并向排氣管出口端傳播，在出口端又返回負(fù)壓波。因此排氣管內(nèi)存在壓力波，這個(gè)波動(dòng)也會(huì)產(chǎn)生基頻噪聲。此外，排氣時(shí)，氣流高速流動(dòng)會(huì)產(chǎn)生渦流噪聲，流經(jīng)溥壁管道和殼體會(huì)輻射出噪聲。
1.4 柴油機(jī)本體噪聲 液壓挖掘機(jī)用柴油機(jī)一般排量、功率較大，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的噪聲也就較大，主要有柴油機(jī)點(diǎn)火引起的爆炸聲，活塞周期性沖擊缸蓋產(chǎn)生的沖擊噪聲等，透過(guò)柴油機(jī)殼體輻射出來(lái)。另一重要組成部分為柴油機(jī)的本體振動(dòng)引發(fā)的噪聲，運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，由于活塞的慣性力矩導(dǎo)致的不平衡，激勵(lì)柴油機(jī)產(chǎn)生垂向振動(dòng)及水平、前后的劇烈晃動(dòng)，致使柴油機(jī)殼體振動(dòng)而輻射噪聲。
2 主噪聲源識(shí)別
2.1 頻譜分析法 通過(guò)分析噪聲頻譜，即各噪聲源頻率曲線與特性，并理論計(jì)算得到各噪聲源的噪聲頻率，識(shí)別對(duì)整機(jī)噪聲貢獻(xiàn)最大的噪聲源，對(duì)噪聲治理方案制定具有十分重要的理論指導(dǎo)意義，而且噪聲源識(shí)別準(zhǔn)確，各噪聲源的頻率計(jì)算方法如下：
①泵的頻率fpump：
fpump=■i（1）
式中，諧波次數(shù)i=1、2、3、4……；
n—發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速（r/min）；
η■—泵的轉(zhuǎn)速比，泵一般直接連在了發(fā)動(dòng)機(jī)上，泵的轉(zhuǎn)速比為η■=1；
z■—泵的柱塞數(shù)；
②風(fēng)扇頻率ffan：
ffan=■i（2）
式中，η■—風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速比；
z■—風(fēng)扇葉片數(shù)；
③發(fā)動(dòng)機(jī)排氣頻率ffire：
ffire=■i（3）
式中，N—汽缸數(shù)
τ—行程數(shù)，對(duì)于四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)，τ=2；對(duì)于二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)τ=1。
2.2 聲陣列法 測(cè)量時(shí)，聲學(xué)傳感器按陣列的形式靠近且直對(duì)所需測(cè)量處，采集機(jī)外各點(diǎn)聲強(qiáng)的大小，再通過(guò)軟件及圖片處理，可直觀的看出整機(jī)的噪聲分布，便于識(shí)別與定位噪聲源，受環(huán)境的干擾小，但是測(cè)點(diǎn)多、數(shù)據(jù)處理麻煩，易受空間限制，不易測(cè)量，測(cè)量時(shí)聲學(xué)傳感器相對(duì)于整機(jī)的相對(duì)位置不變，在動(dòng)態(tài)工況下，有一定的局限性。
3 噪聲治理方法
3.1 降低風(fēng)扇噪聲 優(yōu)化風(fēng)扇的葉片形狀、材料和葉片數(shù)，降低風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)噪聲。風(fēng)扇葉片的形狀直接影響葉片附近的渦流強(qiáng)度，因此改變?nèi)~片的形狀，使之有較好的流線型和合適的彎曲角度，有利于減少渦流噪聲。風(fēng)扇的葉片材料對(duì)噪聲也有一定程度的影響。例如，鑄鋁的葉片比沖壓鋼板的噪聲要小，尼龍葉片比金屬葉片噪聲要小。一般來(lái)說(shuō)，材料的損耗系數(shù)越大，其噪聲越小。增加風(fēng)扇的葉片數(shù)，在獲得同等風(fēng)量的前提下可以降低風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，從而降低風(fēng)扇噪聲。但葉片數(shù)在6以上時(shí)，增加葉片數(shù)，風(fēng)量增加有限，且在降噪上還會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響。
風(fēng)扇葉片圓周速度到一定程度時(shí)，葉尖的流體將由層流變?yōu)槲闪鳎瑢?dǎo)致噪聲突變，產(chǎn)生渦流噪聲。風(fēng)扇渦流噪聲的產(chǎn)生除了與轉(zhuǎn)速有關(guān)，還與冷卻系統(tǒng)中各元件及發(fā)動(dòng)機(jī)安裝的相對(duì)位置有關(guān)，一般來(lái)說(shuō)，安裝空間越小，轉(zhuǎn)速越高就越容易引發(fā)渦流噪聲。為了避免此類噪聲的產(chǎn)生，應(yīng)做到：風(fēng)扇端面距離散熱器芯子的距離為風(fēng)扇直徑的10～15%，因?yàn)轱L(fēng)扇的冷卻能力、流量和噪聲會(huì)隨著風(fēng)扇與散熱器之間的距離增加而增加，在某一點(diǎn)增加到最大值后又隨著距離的增加逐漸減小。風(fēng)扇距離散熱器芯子過(guò)遠(yuǎn)或過(guò)近都會(huì)發(fā)生回流現(xiàn)象。此外，風(fēng)扇應(yīng)遠(yuǎn)離發(fā)動(dòng)機(jī)，最好能達(dá)到100mm以上，以降低渦流噪聲，圖1為某液壓挖掘機(jī)降低渦流噪聲前、后的1/3倍頻圖，機(jī)外輻射噪聲降低2.5dB（A），降噪效果非常明顯。采用吸聲海綿對(duì)吸收風(fēng)扇噪聲的作用非常明顯，主要因?yàn)轱L(fēng)扇除了較低頻率的基本噪聲外，還具有寬頻特性，高頻成分非常明顯，尤其是風(fēng)扇氣流較高時(shí)，高頻噪聲比重越大，吸聲海綿對(duì)1000Hz以上的風(fēng)扇噪聲效果很好，但要求其吸聲系數(shù)應(yīng)大于0.5，且吸聲系數(shù)越大吸收效果越好。
3.2 降低排氣噪聲 優(yōu)化設(shè)計(jì)性能良好的消聲器是降低排氣噪聲的重要手段之一。按消聲原理，消聲器有抗性消聲器，阻性消聲器，阻抗性復(fù)合型消聲器。抗性消聲器是依靠管道截面的突變將部分聲波反射向聲源，這樣沿通道繼續(xù)向前傳播的只是原來(lái)的一部分，從而達(dá)到消聲目的。阻性消聲器是利用吸聲材料實(shí)現(xiàn)消聲。當(dāng)聲波在多孔性吸聲材料中傳播時(shí)，吸聲材料將使一部分聲能轉(zhuǎn)換成熱能散掉，從而達(dá)到消聲目的。阻抗性復(fù)合型消聲器是阻性、抗性相結(jié)合的消聲器，通過(guò)在抗性消聲器內(nèi)貼吸聲海綿來(lái)實(shí)現(xiàn)消聲目的。
3.3 降低柴油機(jī)本體噪聲 降低發(fā)動(dòng)機(jī)本體噪聲主要有以下方法，一是加強(qiáng)發(fā)動(dòng)機(jī)艙的密封性，防止發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲透射出來(lái)；二是加厚覆蓋件，增大覆蓋件的隔聲量；三是通過(guò)設(shè)計(jì)更好的減震系統(tǒng)，減小發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)；四是加大發(fā)動(dòng)機(jī)殼體的剛性，減小其局部振動(dòng)的輻射噪聲，例如在油底殼上增設(shè)加強(qiáng)筋和橫隔板，另外，在發(fā)動(dòng)機(jī)上涂阻尼材料效果也不錯(cuò)，阻尼材料可將機(jī)械動(dòng)能轉(zhuǎn)變成熱能，以消耗振動(dòng)能量，通過(guò)熱量輻射出去。圖2為某液壓挖掘機(jī)的密封及機(jī)艙加厚處理，經(jīng)治理后，機(jī)外輻射噪聲降低1.2dB（A）。
4 結(jié)束語(yǔ)
①通過(guò)噪聲識(shí)別與定位方法，準(zhǔn)確識(shí)別液壓挖掘機(jī)的主噪聲源為風(fēng)扇的渦流噪聲，經(jīng)治理渦流噪聲后，測(cè)試結(jié)果表明機(jī)外輻射噪聲降低2.5dB（A）。②機(jī)艙的密封性與隔聲量對(duì)機(jī)外輻射噪聲影響較大，通過(guò)加強(qiáng)密封性和加厚機(jī)罩后，機(jī)外輻射噪聲降低1.2dB（A），降噪效果明顯。③整機(jī)經(jīng)噪聲治理后，機(jī)外輻射噪聲降低達(dá)3.7dB（A），說(shuō)明應(yīng)用的噪聲識(shí)別、治理方法準(zhǔn)確可行，具有重要的指導(dǎo)意義。