管樁離心機振動噪聲控制研究

左言言，魏明濤，曾憲任，朱晨曦

(江蘇大學 振動噪聲研究所,江蘇 鎮(zhèn)江212013)

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管樁離心機振動噪聲控制研究

左言言，魏明濤，曾憲任，朱晨曦

(江蘇大學 振動噪聲研究所,江蘇 鎮(zhèn)江212013)

為了降低管模離心機的振動噪聲，建立了離心機管模的三維模型并進行模態(tài)分析，研究了管模的固有特性。經過對無管模、空管模和實管模的振動噪聲的試驗分析，得知托輪和管模的相互作用對振動噪聲的影響很大，需要改變它們的接觸形式以減小沖擊振動。通過對阻尼層減振降噪機理進行研究，提出在托輪表面增加阻尼材料層、變剛性接觸為彈性接觸的減振降噪方法。對采用阻尼托輪與原托輪的離心機進行了對比試驗，結果表明，阻尼托輪使離心機的振動能量減少60%以上，噪聲降低10 dB(A)以上，減振降噪效果非常顯著。

機電工程；離心機；振動噪聲；阻尼托輪

0 引 言

隨著建筑行業(yè)的快速發(fā)展，地基管樁作為一種重要建材，需求量越來越大，然而預應力混凝土管樁在離心成型的過程中將會產生很大的噪聲，這些噪聲將會直接影響到工作人員的工作質量，使其感到身體疲勞，心情煩躁，影響工人的休息和心情，還將會引起工作人員產生頭暈，失眠及耳鳴等各種生理疾病；對于長期工作在車間的工作人員來說，車間內較高的噪聲會使其工作效率下降，反應遲鈍，造成神經過敏、驚慌等心理和生理上的傷害。因此，如何減少生產車間的環(huán)境噪聲成為目前急需解決的問題。對此，一些企業(yè)開始尋找減振降噪的方法，以改善生產環(huán)境的舒適性能。目前，對車間內振動噪聲控制采取的措施還很少，少量企業(yè)采取在離心機兩側豎隔離墻的措施，但這主要起到安全的作用，對于降低噪聲的輻射強度只有輕微的作用，所以說要想更加有效的降低噪聲，還需要增加一些其它有效的措施，目前，國內外還未發(fā)現(xiàn)有文獻針對管樁離心機振動噪聲的研究。

1 離心機的結構和工作原理

離心機的結構如圖1，主要由驅動輪系和從動輪系組成，由聯(lián)軸器把每對驅動輪串聯(lián)成一個整體，而從動輪對之間是斷開的。離心機的實物及設備的空間方位見圖2。

圖1 離心機的結構

圖2 離心機

離心機在工作時，動力源由電機提供，電機通過皮帶輪把動力傳遞到驅動輪系，驅動輪系依靠摩擦力帶動管模轉動，最后管模再帶動從動輪系轉動。其中管模中裝有混凝土布料，在此工藝中離心成型，管樁模具與離心機的托輪在高速離心作業(yè)時發(fā)生摩擦及碰撞，同時托輪和管樁模具高速旋轉時與空氣發(fā)生摩擦，均可產生很大的噪聲，經測試最高噪聲甚至能達到110 dB(A)，如果不采取降噪措施，這將會給車間的工作人員造成很大的傷害。

2 離心機管模三維建模

在Catia中建立離心機與管模的三維模型，如圖3，管模由主動輪系和從動輪系托起，靠外輪緣實現(xiàn)與主從動輪系的摩擦傳動。

圖3 離心機管模的三維模型

有限元建模過程中，對模型進行了一些適當?shù)暮喕?，例如倒角可以省略，對于螺栓連接處用適當?shù)募s束載荷代替，這樣既可以提高網格劃分的質量，又幾乎不會對分析結果造成影響[1]。在Hypermesh中網格劃分如圖4。

圖4 驅動輪系和管模的有限元模型

3 主動輪系和管模模態(tài)分析

在Hypermesh中把管模的網格模型轉化成.cdb文件，然后導入到ANSYS中進行自由模態(tài)分析[2]，部分計算結果如表1。

表1 管模自由模態(tài)的部分計算結果

由表1可以看出，前幾階模態(tài)陣型均為徑向彎曲和扭轉模態(tài)，包括后面出現(xiàn)的高階彎曲與扭轉模態(tài)和彎扭組合模態(tài)。出現(xiàn)這些彎曲和扭轉是由它們的結構決定的，即由管模在長度方向的尺寸遠遠大于直徑方向上的尺寸造成的。管模的前幾階典型振型如圖5。

圖5 管模的部分振型

4 振動噪聲測試

4.1 試驗系統(tǒng)

試驗采用振動噪聲測試分析系統(tǒng)(德國Head Acoustics 二十四通道數(shù)據采集系統(tǒng)和Artemis信號分析軟件)，噪聲測量采用丹麥BK公司的4189傳聲器，振動測量采用美國的PCB加速度傳感器，筆者所用的A聲級都是由Artemis信號分析軟件處理出的等效連續(xù)A聲級。

4.2 測試方法

依據GB/T 13802—1992《工程機械輻射噪聲測量的通用方法》的測試方法，試驗時，在管模上方1 m處、托輪與管模接觸部位附近、軸承近旁布置傳聲器以測量噪聲信號，在幾個軸承座上布置振動加速度傳感器測取振動信號，傳聲器和加速度傳感器的布置形式如圖6。管模離心機由專業(yè)操作人員操作，車間內其它噪聲較大的噪聲源停止工作，保證背景噪聲比管模離心機噪聲低10 dB(A)以上。試驗時，測得管樁離心機上方1 m處背景噪聲和最小測試噪聲分別為60.8，74.96 dB(A)，兩者相差14.14 dB(A)，測試環(huán)境符合相關機器噪聲測試環(huán)境條件要求[3]。

圖6 傳聲器和加速度傳感器的布置

4.3 測試結果與分析

離心機工作時，驅動輪系經過幾個加速和恒速階段把速度從0增大到最高轉速573 r/min，然后再經過制動減速到0。測試時，管模離心機按其工作模式工作，在各加速時段記錄下加速時的振動噪聲信號，在恒定轉速時段記錄穩(wěn)態(tài)振動噪聲信號。筆者主要研究恒速階段，穩(wěn)態(tài)振動噪聲信號經過處理計算得到各位置振動噪聲值。測試結果見表2。

表2 驅動輪穩(wěn)定轉速時的軸承座附近測試結果

從表2可以看出，隨著驅動輪轉速的增加，無論是無管模、空管模還是實管模，它們的振動加速度和噪聲都是逐步增大的(0 r/min代表背景振動)，且無管模時的振動量和噪聲值最小，實管模時的最大，可見增加管模以后，托輪和管模之間的相互作用對振動和噪聲值的影響很大?，F(xiàn)選取驅動輪最高轉速573 r/min時，無管模和空管模的振動、噪聲頻譜對比，如圖7。

圖7 驅動輪轉速573 r/min時的振動、噪聲頻譜對比

由圖7可以看出，添加空管模后振動加速度和噪聲聲壓級明顯增大，這是由于托輪與管模接觸蠕滑和管模外輪緣表面不平順如表面粗糙度、波磨和輕微扁瘢等造成的振動從而產生滾動噪聲[4]；另外，管模是由兩個半模通過合模螺栓連接的，結合部位難免會有縫隙，在轉動的過程中會與托輪之間產生沖擊，從而產生沖擊振動和沖擊噪聲；空管模振動頻譜在270，571，827 Hz處出現(xiàn)較大的振動加速度峰值，這些峰值與管模自由模態(tài)的幾個固有頻率相吻合，可看出所建立的模型可信度比較高，可以用于進一步的仿真分析。

5 振動噪聲控制

對于管樁離心機來說，其噪聲主要是由很大的振動沖擊引起的，所以可以在控制噪聲源方面采取適當?shù)拇胧?，例如可以在托輪和管模接觸部位添加阻尼層來改變其接觸形式。依靠阻尼材料具有內損耗、內摩控的性質，將機械振動和聲振的能量,轉變成熱能或其它可耗損的能量,從而達到減振及降噪的目的[5]。

由于托輪與管模表面的不平順和合?？p隙，使得離心機產生很大的振動和噪聲，從而我們可以在托輪上添加阻尼材料，有效地減小管模和離心機之間的振動沖擊，從而減小離心工藝中產生的高頻噪聲[6]，托輪的包膠結構及托輪包膠后的實物圖和試驗現(xiàn)場見圖8[7]。

圖8 托輪包膠示意

6 改進后與改進前的試驗對比

6.1 阻尼托輪的減振降噪效果

驅動和從動托輪上增加一層阻尼材料后，傳感器與改進前一樣的布置，對振動噪聲進行現(xiàn)場測試試驗，實管模時軸承座上的振動加速度和其附近噪聲的改進對比見表3。

表3 實管模時軸承座上振動加速度和附近噪聲的改進對比

從表3可以看出，托輪加裝阻尼層后，離心機振動得到了很大程度的降低，離心機噪聲也得到了有效的降低。驅動輪的轉速從0～573 r/min的變化過程中，軸承座近旁的振動加速度降低了8.219～33.060 m/s2，減振比(減振量與改進前的振動加速度的比值)高達61.53%～73.61%；軸承座近旁的噪聲聲壓級降低了10.14～13.42 dB(A)，降噪的效果從能量方面顯現(xiàn)得更為直接。

6.2 阻尼托輪的降噪與減振的頻譜分析

為了更好地分析阻尼托輪的降噪效果，筆者對離心機工作時的振動噪聲進行了頻譜分析。圖9是在驅動輪轉速為573 r/min時，改進前后振動噪聲頻譜對比圖。

圖9 驅動輪轉速為573 r/min時改進前后的振動噪聲頻譜對比

由圖9可以看出這個減振降噪效果來自于對離心機高頻部分的抑制，其效果相當明顯。

7 結 論

1)由于離心機的噪聲主要是由于托輪與管模的摩擦和撞擊引起的振動產生的，所以在托輪表面增加阻尼材料層以后，變原來的剛性接觸為彈性接觸，來減少摩擦沖擊振動，最終達到較為顯著的降噪效果。

2)改進為阻尼托輪以后，振動噪聲的高頻部分得到了有效的降低。在驅動輪的不同轉速下，軸承座近旁的振動加速度平均減少了66.256%；而噪聲值平均降低了11.83 dB(A)，平均減少能量為74.15%，阻尼托輪的降噪效果相當可觀。

3)阻尼托輪取得了顯著的減振降噪效果，已基本滿足生產車間及相關作業(yè)場所連續(xù)工作8 h的允許噪聲要求，如果需要進一步降低噪聲，還可以采取其它措施：①在管模結構板件表面粘貼耐高溫的阻尼材料來降低結構輻射噪聲；②選用低噪聲軸承；③在安全墻表面上粘貼吸聲材料。

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Vibration and Noise Control of Pile Centrifuge

Zuo Yanyan, Wei Mingtao, Zeng Xianren, Zhu Chenxi

(Vibration & Noise Research Institute, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, Jiangsu, China)

In order to decrease the vibration noise radiated by a pipe mold centrifuge, a 3-D model of the pipe mold centrifuge was established, and its vibratory mode and inherent characteristics were analyzed. The vibration and noise of the centrifuge was measured under three conditions, that is, without pipe mold, with empty pipe mold and with filled pipe mold respectively. According to the test results, it is found that the primary factor which affects the vibration and noise of the machine is the interaction between the riding wheels and the pipe mold, so it is necessary to change their contact form in order to decrease the shock and vibration. Through analyzing the mechanism of damping layer to reduce noise and vibration, a new damping treating technique for reducing noise and vibration was presented, which was putting damping material layer on the surfaces of the riding wheels and changing the rigid contact to the elastic contact between the wheels. The contrast test of the centrifuge with damping riding wheels and the original riding wheels were conducted. The results indicate that the vibratory energy of centrifuge with damping riding wheels decreases by more than 60%, and the noise decreases by more than 10 dB(A), which has a striking effect in reducing the vibration and noise.

electromechanical engineering; centrifuge; vibration noise; damping riding wheel

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.06.35

2013-05-29；

2014-08-29

教育部博士點基金項目(20103227110009)；江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計劃項目(CXLX12-0632)

左言言(1958—)，男，江蘇漣水人，教授，博士生導師，主要從事振動噪聲控制方面的研究。E-mail：yyzuo@mail.ujs.edu.cn。

TH186

A

1674-0696(2015)06-186-05