內(nèi)燃叉車排氣消聲器結(jié)構(gòu)分析及改進(jìn)

衛(wèi)會(huì)敏

摘 要：內(nèi)燃叉車在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的噪聲，噪聲源主要來(lái)自車身結(jié)構(gòu)噪聲和底盤系統(tǒng)噪聲，噪聲不但會(huì)對(duì)周邊環(huán)境產(chǎn)生污染，而且還會(huì)對(duì)長(zhǎng)時(shí)間工作在這種環(huán)境中的駕駛員的身心健康產(chǎn)生嚴(yán)重的傷害，因此對(duì)內(nèi)燃叉車進(jìn)行降噪研究意義重大。排氣消聲器是降低內(nèi)燃叉車噪音的有效途徑之一，文章主要就排氣消聲器的結(jié)構(gòu)和分析等問題進(jìn)行了研究探討。

關(guān)鍵詞：內(nèi)燃叉車；消聲器；排氣管

中圖分類號(hào)：TK413.47 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2016）18-0020-02

1 概 述

內(nèi)燃叉車是用于車間生產(chǎn)、物流配送和港口碼頭物品搬運(yùn)的機(jī)械工具，它在工作中會(huì)發(fā)出較大的噪音，駕駛員長(zhǎng)時(shí)間在這樣大分貝噪音環(huán)境中工作，身心會(huì)受到不同程度的傷害，引起聽力方面的障礙性疾病，影響到駕駛員的集中力，造成操作失誤，掩蓋報(bào)警信號(hào)、車輛行駛信號(hào)燈安全信號(hào)以致工傷事故。

由此可見，內(nèi)容叉車的噪聲問題不可忽視，須研究降低噪音的技術(shù)和方法。目前，降低內(nèi)容叉車排氣噪聲最直接、有效的方法就是設(shè)計(jì)安裝性能優(yōu)良的消聲器，消聲器特殊的內(nèi)部消聲結(jié)構(gòu)或吸聲材料能夠?qū)l(fā)動(dòng)機(jī)排出的氣體在經(jīng)過消聲器管道的聲波進(jìn)行反射、干涉或轉(zhuǎn)化成熱量消耗掉，從而達(dá)到降低噪聲的目的。本文就內(nèi)燃叉車消聲器結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，并提出了改良改進(jìn)的措施。

2 消聲器類型及消聲原理

無(wú)論是理論研究還是實(shí)踐應(yīng)用都證明了消聲器是降低排氣噪聲最有效的方法之一，消聲器大類有阻性、抗性和阻抗復(fù)合式消聲器，在內(nèi)燃機(jī)叉車排氣系統(tǒng)中主要采用的是抗性消聲器，抗性消聲器有擴(kuò)張腔消聲器、共振腔消聲器、小孔消聲器幾個(gè)種類，詳細(xì)介紹如下。

2.1 擴(kuò)張腔消聲器

擴(kuò)張消聲器中，聲波從左邊進(jìn)入，到達(dá)擴(kuò)張腔內(nèi)后，聲波會(huì)在擴(kuò)張腔的右側(cè)壁面發(fā)生反射，反射的聲波幅值和頻率不會(huì)發(fā)生改變，但相位則會(huì)發(fā)生改變，當(dāng)入射波和反射波的相位完全相反時(shí)聲波就會(huì)發(fā)生抵消而減弱，若入射波和反射波不完全相反時(shí)則只有部分聲波發(fā)生抵消，所以說(shuō)，擴(kuò)張腔的軸向長(zhǎng)度對(duì)消聲波的頻率有選擇作用。

擴(kuò)張腔消聲器的消聲效果會(huì)受到直徑和管道直徑的影響，所以，在工程應(yīng)用中，一般會(huì)用2～3個(gè)擴(kuò)張腔進(jìn)行串聯(lián)，延長(zhǎng)管道直徑，增強(qiáng)消聲效果，但多級(jí)擴(kuò)張串聯(lián)的擴(kuò)張腔的消聲效果并不是簡(jiǎn)單的多個(gè)單級(jí)擴(kuò)張腔消聲效果的的代數(shù)相加。

此外，在消聲器中插入內(nèi)插管也能起到增強(qiáng)消聲的作用，所以，在設(shè)計(jì)擴(kuò)張腔消聲器時(shí)，要合理考慮擴(kuò)張腔的截面直徑、長(zhǎng)度等參數(shù)，以增強(qiáng)消聲效果。

2.2 共振消聲器

共振消聲器的消聲原理是靠聲波共振，疊加放大能量，從而有效耗散聲波能力降低噪聲。單孔共振消聲結(jié)構(gòu)是最簡(jiǎn)單的共振消聲結(jié)構(gòu)，在共振消聲器中，當(dāng)聲波頻率和聲振系統(tǒng)的固有頻率相同時(shí)，聲波能力就會(huì)發(fā)生不斷累計(jì)疊加，空氣的震動(dòng)速度幅值也在增加，同時(shí)，在空氣介質(zhì)阻尼的作用下，空氣在振動(dòng)過程中速度越大，阻尼也越大，能量因此會(huì)轉(zhuǎn)化成熱能耗散掉，聲波也因此發(fā)生減弱。共振消聲器對(duì)頻率有選擇性，只在以共振頻率為中心得一定寬度的頻帶內(nèi)有消聲效果，在其他頻率不起作用，所以在設(shè)計(jì)時(shí)往往將幾個(gè)不同的共振消聲進(jìn)行串聯(lián)或并聯(lián)，以增加消聲頻帶寬度，從而提高消聲量。

2.3 小孔消聲器

小孔消聲器是針對(duì)降低噴射噪聲而設(shè)計(jì)的，其消聲原理是將噴口做成許多小孔，高速高壓噴射的氣流經(jīng)過小孔時(shí)會(huì)變成多束低速低壓小氣流，從而降低噴射噪聲。

如果將小孔消聲器結(jié)合跟節(jié)流減壓排氣消聲器一起使用的話，就能獲得更好的消聲效果。小孔消聲器會(huì)對(duì)產(chǎn)生的內(nèi)燃機(jī)排氣機(jī)產(chǎn)生阻力，所以在設(shè)計(jì)時(shí)要確保小孔面積足夠大，這樣就可以既可以降低噪聲，又可以降低排氣阻力。

2.4 微穿孔消聲器

微穿孔消聲器是由共振消聲器發(fā)展起來(lái)的。由上述我們知道共振消聲器具有頻率選擇性、聲阻小、有效吸聲頻帶窄等特點(diǎn)，為了增加吸聲頻帶寬度，會(huì)再加入穿孔率在0.5%～3%之間的薄金屬管或板與封閉的空氣層組成共振結(jié)構(gòu)。

穿孔細(xì)小且密致，可以產(chǎn)生較大聲阻，提高聲阻與聲質(zhì)量比值，從而構(gòu)成良好的吸聲結(jié)構(gòu)。微穿孔消聲結(jié)構(gòu)耐高溫性強(qiáng)、容易清洗，可以用于高溫高速氣流及潮濕環(huán)境。

3 內(nèi)燃叉車消聲器結(jié)構(gòu)與分析

3.1 內(nèi)燃叉車消聲器結(jié)構(gòu)

內(nèi)燃叉車的排氣消聲管結(jié)構(gòu)包括進(jìn)氣管、進(jìn)氣管穿孔結(jié)構(gòu)、共振腔、小孔消聲結(jié)構(gòu)、大擴(kuò)張腔、中間管穿孔結(jié)構(gòu)、出氣管等幾個(gè)部位。

發(fā)動(dòng)機(jī)排氣時(shí)，氣體經(jīng)由進(jìn)氣管左側(cè)進(jìn)入消聲器，先進(jìn)入一個(gè)共振消聲結(jié)構(gòu)，再進(jìn)入小孔消聲結(jié)構(gòu)，氣流在小孔消聲結(jié)構(gòu)擴(kuò)散后進(jìn)入到右側(cè)大擴(kuò)張腔中，大擴(kuò)張腔中的氣體從中間管右側(cè)進(jìn)入后又經(jīng)過一個(gè)共振消聲結(jié)構(gòu)，然后氣體進(jìn)入到小擴(kuò)張腔中，最后從出氣管排出到大氣。

這個(gè)排氣消聲器包含了以下幾種結(jié)構(gòu)：

第一，小孔消聲結(jié)構(gòu)，這個(gè)結(jié)構(gòu)在進(jìn)氣管的右側(cè)封閉穿孔區(qū)域，小孔消聲結(jié)構(gòu)能夠有效降低內(nèi)燃機(jī)的噴射噪聲；

第二，擴(kuò)張腔消聲結(jié)構(gòu)，與進(jìn)氣管右側(cè)直接連接的大擴(kuò)張腔和出氣口左側(cè)相連的小擴(kuò)張腔，這兩個(gè)擴(kuò)張腔串聯(lián)成為雙擴(kuò)張消聲結(jié)構(gòu)。

第三，共振消聲結(jié)構(gòu)。位于兩個(gè)擴(kuò)張腔結(jié)構(gòu)中間的空腔和進(jìn)氣穿孔管、中間穿空管組成共振消聲結(jié)構(gòu)，不同穿孔結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)不同的共振消聲頻率，將多個(gè)共振消聲結(jié)構(gòu)串聯(lián)后可以擴(kuò)大消聲頻率范圍。

3.2 內(nèi)燃叉車消聲器結(jié)構(gòu)分析

消聲器結(jié)構(gòu)分析就是分析消聲結(jié)構(gòu)各參數(shù)對(duì)消聲器消聲量，也即是傳遞損失的影響。小孔結(jié)構(gòu)消聲量與孔徑大小成對(duì)數(shù)衰減關(guān)系，小孔孔徑越大，消聲量就下降，消聲效果就越差。小孔間的間距過小，分散的氣流會(huì)重新聚合，就起不了分散噴射流消聲的效果。

小孔總面積太小，就會(huì)導(dǎo)致排氣阻力過大，嚴(yán)重情況下氣流還會(huì)產(chǎn)生再生噪聲。內(nèi)燃機(jī)排氣消聲器體積一般要為內(nèi)燃機(jī)排量的3～5倍，擴(kuò)張腔的直徑不同，其有效消聲頻率范圍的消聲效果也不一樣，所以擴(kuò)張腔的選擇要合適。

共振消聲結(jié)構(gòu)對(duì)頻率有很強(qiáng)的選擇性，峰值消聲量受穿孔率、穿孔管空腔厚度和管道截面積的影響，孔徑大會(huì)降低共振消聲效果，穿孔率過高，低頻消聲效果差，所以要縮小穿孔孔徑，降低穿孔率，才能提高共振消聲結(jié)構(gòu)的低頻消聲效果。

4 內(nèi)燃叉車消聲器改進(jìn)

4.1 對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置約束條件

根據(jù)消聲器傳遞損失影響結(jié)構(gòu)參數(shù)，結(jié)合仿真消聲器傳遞損失不理想頻段和排氣噪聲降噪頻率范圍，并綜合考慮消聲器加工、裝備工藝是否合理可行的基礎(chǔ)上，來(lái)設(shè)置結(jié)構(gòu)參數(shù)約束條件。

首先，在第一級(jí)小孔消聲中，小孔孔徑要不超過3.5 mm，小孔間距在2.5～5倍小孔孔徑之間，有足夠大的插入管長(zhǎng)度和直徑，第二級(jí)，第三級(jí)擴(kuò)張腔消聲結(jié)構(gòu)的喲偶小聲頻段控制在20～2 200 Hz之間，第四級(jí)共振消聲結(jié)構(gòu)孔徑同樣不超過 3.5 mm， 穿孔率在0.5%～20%之間，消聲器的總長(zhǎng)度控制在 340 mm以內(nèi)。

4.2 改進(jìn)消聲器結(jié)構(gòu)和傳遞損失

4.2.1 改進(jìn)消聲器結(jié)構(gòu)的措施

改進(jìn)消聲器結(jié)構(gòu)可以從以下方面入手：縮小小孔消聲結(jié)構(gòu)的小孔直徑，延長(zhǎng)小孔消聲穿孔管的長(zhǎng)度，重新排列各小孔位置，適當(dāng)加大各小孔之間的間距；降低共振消聲結(jié)構(gòu)的穿孔孔徑和穿孔率，重新排列穿孔位置，減小穿孔管的內(nèi)徑，加長(zhǎng)共振腔長(zhǎng)度，同時(shí)再增加一個(gè)共振消聲結(jié)構(gòu)。

4.2.2 改進(jìn)傳遞損失的措施

傳遞損失方面的改進(jìn)可以從以下幾方面入手：在300 Hz、900 Hz、1 400 Hz附近設(shè)計(jì)共振消聲峰值，以填補(bǔ)消聲器在這三個(gè)頻率附近出現(xiàn)的低谷，拓寬20～2 200 Hz消聲頻率范圍內(nèi)的消聲頻段。

4.3 改進(jìn)消聲器仿真

通過改進(jìn)消聲器穿孔區(qū)域結(jié)構(gòu)中穿孔管壁厚、穿孔直徑、孔間距、穿孔管內(nèi)徑、穿孔管外徑、穿孔率等的參數(shù)，從而提高消聲器在300～400 Hz、800～1 000 Hz、1 400～1 600 Hz頻段的傳遞損失幅度，從而有效降低噪聲。

5 結(jié) 語(yǔ)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，叉車行業(yè)發(fā)展迅速，內(nèi)燃叉車的噪聲污染問題也備受關(guān)注。因此，為了降低內(nèi)燃叉車噪聲對(duì)環(huán)境的干擾，要進(jìn)一步研究探討內(nèi)燃叉車的排氣消聲結(jié)構(gòu)問題，致力于采取有效的改進(jìn)措施，降低叉車的排氣噪聲。

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