減振降噪技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用分析

栗葉丹

摘要：近年來(lái)，隨著科技水平的不斷提高，我國(guó)工業(yè)領(lǐng)域得到蓬勃發(fā)展，生產(chǎn)力持續(xù)提升，機(jī)械設(shè)備更新?lián)Q代速度加快。但在實(shí)際生產(chǎn)中，機(jī)械設(shè)備生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生噪音，既造成了噪音污染問(wèn)題，也使得生產(chǎn)環(huán)境復(fù)雜化，違背了安全生產(chǎn)、可持續(xù)發(fā)展理念，是機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域一項(xiàng)重要研究課題。為有效解決這一問(wèn)題，本文從技術(shù)角度切入，對(duì)減振降噪技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域中的應(yīng)用情況進(jìn)行探討，主要闡述了噪聲源的控制方法。

關(guān)鍵詞：減振降噪;機(jī)械設(shè)計(jì);技術(shù)應(yīng)用;控制方法

中圖分類號(hào)：TB535? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）02-0189-02

1? 機(jī)械噪聲的來(lái)源與分類

1.1 噪聲來(lái)源

機(jī)械噪聲的產(chǎn)生是受到外部環(huán)境、設(shè)備自身因素的影響，機(jī)械設(shè)備沒(méi)有穩(wěn)定保持為最佳運(yùn)行狀態(tài)，從而在振動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的噪聲。例如，機(jī)械設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，在高強(qiáng)度運(yùn)行狀態(tài)下，部分零部件松動(dòng)脫落、與其他零部件碰撞摩擦、或是與氣流產(chǎn)生相互作用，在設(shè)備運(yùn)行期間周期性產(chǎn)生噪聲，如齒輪噪聲、軸承噪聲、電磁噪聲、摩擦噪聲、燃燒噪聲等。

1.2 噪聲類型

根據(jù)各類機(jī)械設(shè)備實(shí)際運(yùn)行情況、噪聲產(chǎn)生原因來(lái)看，可以將機(jī)械噪聲分為機(jī)械性噪聲、空氣動(dòng)力性噪聲兩大類。其中，機(jī)械性噪聲指機(jī)械設(shè)備在運(yùn)行期間機(jī)械結(jié)垢在碰撞、震動(dòng)期間持續(xù)產(chǎn)生的噪聲，如齒輪噪聲、結(jié)構(gòu)噪聲等等。而空氣動(dòng)力性噪聲指機(jī)械設(shè)備結(jié)構(gòu)與周邊區(qū)域的高速不穩(wěn)定氣流進(jìn)行相互作用，從而產(chǎn)生的噪聲，如常見(jiàn)的燃燒噪聲、旋轉(zhuǎn)噪聲、排氣噪聲。

2? 機(jī)械設(shè)計(jì)中噪聲源的控制方法

2.1 做好機(jī)械設(shè)備選材工作

根據(jù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在機(jī)械設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)下，設(shè)備材質(zhì)的內(nèi)阻尼性能優(yōu)劣，與設(shè)備所產(chǎn)生噪聲分貝、振動(dòng)力密切相關(guān)。因此，材質(zhì)內(nèi)阻尼性能是衡量機(jī)械設(shè)備減振降噪性能的主要指標(biāo)。而內(nèi)阻尼性能泛指，材料承受激振力作用持續(xù)影響時(shí)，材料抑制振動(dòng)能力與內(nèi)部分子消耗吸收能量的極限。簡(jiǎn)單來(lái)講，設(shè)備材料的內(nèi)阻尼性能越高，則所制造機(jī)械設(shè)備的減振降噪效果越好，材料可以持續(xù)對(duì)機(jī)械設(shè)備運(yùn)行期間產(chǎn)生的振動(dòng)能量加以吸收，避免激振力傳播至表面結(jié)構(gòu)而形成噪音，以此起到減振降噪效果。

在機(jī)械設(shè)備選材環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)人員既要考慮到材料內(nèi)阻尼性能的優(yōu)劣，同時(shí)，也需要綜合分析工藝要求、材料其他性能、耐久性、設(shè)備制造成本等因素，遵循實(shí)際出發(fā)與經(jīng)濟(jì)適宜原則。實(shí)際出發(fā)原則指要求所制造機(jī)械設(shè)備性能質(zhì)量與耐久性滿足使用需求，不會(huì)在使用期間頻繁出現(xiàn)故障問(wèn)題。經(jīng)濟(jì)適宜原則指將材料采購(gòu)成本、機(jī)械設(shè)備總體制造成本控制在合理范圍內(nèi)。目前來(lái)看，常用的機(jī)械材料包括鐵、銅與高分子材料。

2.2 優(yōu)化機(jī)械結(jié)構(gòu)

在機(jī)械設(shè)備運(yùn)行期間，輻射源通過(guò)設(shè)備結(jié)構(gòu)時(shí)將會(huì)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)噪音，不但會(huì)造成噪音污染問(wèn)題、提高現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜程度，同時(shí)，也會(huì)對(duì)機(jī)械設(shè)備使用壽命、運(yùn)行質(zhì)量造成影響干擾，加快機(jī)械零部件老化磨損速度。以齒輪箱具有封閉性外殼結(jié)構(gòu)、采取振動(dòng)方式的振動(dòng)篩機(jī)械設(shè)備為例，在運(yùn)行狀態(tài)下，所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)振動(dòng)輻射往往占據(jù)總聲能95%左右。針對(duì)這一問(wèn)題，應(yīng)對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，才能從根源上消除噪音源，避免結(jié)構(gòu)噪音產(chǎn)生，機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化方向包括消除齒輪噪音、消除運(yùn)動(dòng)噪音、消除電磁噪聲三方面，具體如下：

2.2.1 消除齒輪噪聲

齒輪噪聲指機(jī)械設(shè)備在運(yùn)行期間，各齒輪部件相互撞擊與摩擦，齒輪體產(chǎn)生震動(dòng)現(xiàn)象、激振力擴(kuò)散至表面形成齒輪噪聲。同時(shí)，在齒輪達(dá)到一定運(yùn)轉(zhuǎn)速度后，齒輪箱體、齒輪體將產(chǎn)生共振現(xiàn)象、提高敷設(shè)噪聲等級(jí)，對(duì)齒輪部件運(yùn)行狀態(tài)造成影響，最終形成齒輪噪聲。

從機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)層面來(lái)看，針對(duì)齒輪噪聲問(wèn)題，需要采取的優(yōu)化措施包括：使用斜齒輪來(lái)取代傳統(tǒng)人字齒輪、直齒輪，從而減小齒輪高速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下產(chǎn)生的沖擊荷載，穩(wěn)定保持齒輪運(yùn)行狀態(tài);根據(jù)機(jī)械設(shè)備使用需求、實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)齒側(cè)間隙大小加以適當(dāng)調(diào)整，如若齒側(cè)間間隙不合理，將以此為誘因引發(fā)撞擊噪音產(chǎn)生;對(duì)齒輪壓力角進(jìn)行調(diào)整，將壓力角設(shè)定在20°左右即可;由于齒輪在機(jī)械設(shè)備運(yùn)行期間將重復(fù)開(kāi)展咬合動(dòng)作、產(chǎn)生碰撞摩擦，需要使用具有良好內(nèi)阻尼性能的材料制作齒輪。

2.2.2 消除振動(dòng)篩運(yùn)動(dòng)噪聲

在運(yùn)行期間，振動(dòng)篩將處于旋轉(zhuǎn)運(yùn)行與高頻相應(yīng)狀態(tài)，需要采取以下結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施：盡可量配置空心結(jié)構(gòu)的軸承滾動(dòng)體結(jié)構(gòu)，可以在滿足滾動(dòng)體強(qiáng)度要求的同時(shí)，預(yù)防震動(dòng)現(xiàn)象出現(xiàn)、避免形成共振區(qū)域;在振動(dòng)篩與激振器間隔區(qū)域中設(shè)置減振器，持續(xù)對(duì)所產(chǎn)生激振力進(jìn)行吸收、削弱。但是，需要滿足軸體相對(duì)運(yùn)動(dòng)低、振動(dòng)篩振幅穩(wěn)定的前提條件，禁止所安裝減振器對(duì)振動(dòng)篩運(yùn)行質(zhì)量造成影響干擾。

2.2.3 消除電磁噪聲

在直流電動(dòng)機(jī)、變壓器、變頻器等設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中，受到電磁力不平衡現(xiàn)象影響，往往會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)現(xiàn)象、形成電磁噪聲。因此，設(shè)計(jì)人員可選擇對(duì)機(jī)械設(shè)備結(jié)構(gòu)中的氣隙間距進(jìn)行調(diào)整、或是設(shè)置閉口齒槽、斜槽轉(zhuǎn)子，這將起到削弱高次諧波、減少電磁噪聲、降低氣隙磁密的作用。最終，通過(guò)控制定子轉(zhuǎn)子高次諧波與基波磁通的磁勢(shì)幅值，實(shí)現(xiàn)削減徑向作用力、消除電磁噪聲源的減振降噪目的。

3? 減震降噪技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的具體應(yīng)用

3.1 吸聲技術(shù)

吸聲技術(shù)是使用具有良好導(dǎo)熱性、粘滯性與吸聲性質(zhì)的材料來(lái)在振動(dòng)源、機(jī)械用房結(jié)構(gòu)表面鋪貼。如此，在機(jī)械設(shè)備使用期間，所產(chǎn)生機(jī)械噪聲進(jìn)入材料縫隙內(nèi)時(shí)，聲波與吸聲材料纖維二者會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)現(xiàn)象，持續(xù)將噪音與激振力轉(zhuǎn)換為熱能進(jìn)行釋放，起到抑制噪聲傳播的作用。目前來(lái)看，吸聲材料主要被用于機(jī)械設(shè)備的制作原材料，或是在設(shè)備房的屋頂與墻體結(jié)構(gòu)上進(jìn)行鋪設(shè)，會(huì)在吸聲過(guò)程中持續(xù)釋放大量熱量，導(dǎo)致作業(yè)環(huán)境與設(shè)備工作溫度提升，需要重視這一問(wèn)題，同時(shí)采取溫控措施，避免設(shè)備工作溫度過(guò)高影響到運(yùn)行質(zhì)量。

3.2 隔聲技術(shù)

隔絕設(shè)備用房?jī)?nèi)部所產(chǎn)生機(jī)械噪聲向外界的傳播途徑，將噪聲控制在狹小空間范圍內(nèi)，隔聲技術(shù)原理與消聲技術(shù)具有相似性。這種方式雖然可以減小機(jī)械噪聲對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)、周邊環(huán)境造成的噪音污染程度，且技術(shù)應(yīng)用難度較小、步驟流程簡(jiǎn)單。但是，卻無(wú)法有效消除機(jī)械噪聲，噪聲在狹小空間內(nèi)會(huì)對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、結(jié)構(gòu)質(zhì)量持續(xù)施加影響。長(zhǎng)此以往，將會(huì)對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)造成干擾，提高設(shè)備失效、設(shè)備損壞問(wèn)題的出現(xiàn)率，因此，不適宜采取隔聲技術(shù)對(duì)高精密機(jī)械設(shè)備進(jìn)行減振降噪處理。

隔聲技術(shù)的具體應(yīng)用措施包括：①在設(shè)備用房的墻體、屋頂表面鋪貼吸聲隔聲材料，將所產(chǎn)生機(jī)械噪聲控制在狹小空間區(qū)域內(nèi)，禁止噪聲向外傳播擴(kuò)散;②在設(shè)備筒體部位中設(shè)置隔聲套部件，該部件由若干數(shù)量的耐熱隔聲層組成，可以持續(xù)對(duì)所產(chǎn)生機(jī)械噪聲進(jìn)行阻隔、削弱處理;③將齒輪箱、電機(jī)等機(jī)械設(shè)備在具有良好密封隔聲性能的罩性結(jié)構(gòu)中進(jìn)行安裝，對(duì)產(chǎn)生的機(jī)械噪音起到良好的阻擋效果、將向外傳播的噪聲輻射量控制在合理范圍內(nèi);④為取得更為良好的降噪效果、減小噪聲對(duì)設(shè)備結(jié)構(gòu)性能與運(yùn)行質(zhì)量造成的影響，可選擇組合運(yùn)用隔聲技術(shù)與消聲技術(shù)。

3.3 使用消聲設(shè)備

從消聲方式層面來(lái)看，吸聲技術(shù)屬于被動(dòng)消聲方式，所使用吸聲材料會(huì)被動(dòng)地對(duì)所經(jīng)過(guò)機(jī)械噪聲進(jìn)行吸收、消除，技術(shù)應(yīng)用模式較為單一，并不適用于特殊機(jī)械設(shè)備、復(fù)雜設(shè)備運(yùn)行背景中。因此，在條件允許前提下，為取得更為良好的機(jī)械降噪效果，消除所產(chǎn)生機(jī)械噪聲，可選擇采取主動(dòng)式消聲技術(shù)，在機(jī)械設(shè)備結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)環(huán)境中配置各類消聲設(shè)備。

現(xiàn)階段，在機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域中，應(yīng)用較為常見(jiàn)的消聲設(shè)備為消聲器，包括阻性消聲器、阻抗消聲器、抗性消聲器。在機(jī)械設(shè)備進(jìn)氣口、出氣口等部位設(shè)置消聲器，可以起到促進(jìn)空氣氣流流通、削弱沿管道傳播的機(jī)械噪聲的作用，主要被用于控制空氣流動(dòng)性噪聲，并不適用于控制結(jié)構(gòu)噪聲、電磁噪聲等。以阻性消聲器為例，這類消聲器以多孔吸聲材料為原材料，吸聲材料在氣流通道內(nèi)壁結(jié)構(gòu)中按特定形式進(jìn)行排列。在機(jī)械噪聲傳播期間，部分聲能將會(huì)在阻性消聲器的氣流通道中持續(xù)被吸聲材料轉(zhuǎn)換為熱能釋放。

3.4 隔振技術(shù)

現(xiàn)階段，受到機(jī)械制造工藝、外部環(huán)境的限制影響，振動(dòng)噪聲是機(jī)械設(shè)備運(yùn)行必備條件之一，盡管組合采取各項(xiàng)減振降噪技術(shù)措施，仍舊無(wú)法做到對(duì)機(jī)械設(shè)備振動(dòng)噪聲現(xiàn)象的徹底消除。因此，為有效減小機(jī)械噪音，需要采取隔振技術(shù)，在不影響機(jī)械設(shè)備運(yùn)行質(zhì)量與狀態(tài)的前提下，對(duì)機(jī)械振動(dòng)源進(jìn)行防振隔離處理。將隔振方式為劃分依據(jù)，可以將這項(xiàng)技術(shù)分為主動(dòng)隔振技術(shù)、被動(dòng)隔振技術(shù)。其中，主動(dòng)隔振技術(shù)指，通過(guò)設(shè)置支撐振動(dòng)源元件、對(duì)機(jī)械振動(dòng)源進(jìn)行隔離處理，來(lái)主動(dòng)取得振動(dòng)阻隔效果。而被動(dòng)隔振技術(shù)指，配置阻尼器、彈簧等裝置部件、或是使用各類隔振材料，在其基礎(chǔ)上構(gòu)成被動(dòng)隔振系統(tǒng)。如此，在機(jī)械設(shè)備運(yùn)行期間，被動(dòng)隔振系統(tǒng)會(huì)對(duì)振動(dòng)源所產(chǎn)生的振動(dòng)效應(yīng)起到逐漸衰減作用，有效控制振動(dòng)頻率，最終實(shí)現(xiàn)隔離振動(dòng)目標(biāo)。例如，可選擇使用橡膠隔振器，與傳統(tǒng)隔振器相比，橡膠隔振器具有良好的抑制共振效果，同時(shí)對(duì)旋轉(zhuǎn)、垂直與水平方向起到隔振作用。從材料性能層面來(lái)看，橡膠隔振器主要以軟硬橡膠為原材料，這類材料的允許應(yīng)力為0.3-0.4MPa、動(dòng)態(tài)彈性模量為20-25MPa，性能遠(yuǎn)超過(guò)其他隔振材料。

3.5 防止共振

根據(jù)部分型號(hào)機(jī)械設(shè)備運(yùn)行情況來(lái)看，當(dāng)機(jī)械設(shè)備固有頻率、激振力震動(dòng)頻率二者保持為等同狀態(tài)時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生共振現(xiàn)象，對(duì)機(jī)械振動(dòng)效果起到放大作用，產(chǎn)生更高分貝噪聲、更高頻率振動(dòng)，且實(shí)際破壞力遠(yuǎn)超過(guò)其他機(jī)械振動(dòng)問(wèn)題。因此，為控制機(jī)械振動(dòng)噪聲問(wèn)題造成的損失程度、預(yù)防機(jī)械共振現(xiàn)象產(chǎn)生，需要采取防止共振技術(shù)，如調(diào)整機(jī)械設(shè)備轉(zhuǎn)速額定值、優(yōu)化機(jī)型結(jié)構(gòu)、調(diào)整振動(dòng)源擾動(dòng)頻率等等，或是對(duì)非剛性基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)上放置機(jī)械振動(dòng)源，以此來(lái)起到控制共振頻率的技術(shù)作用。

3.6 阻尼技術(shù)

材料內(nèi)阻尼性能是機(jī)械減振降噪效果的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)，振動(dòng)機(jī)械能在經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)阻尼層時(shí)，一部分機(jī)械能將會(huì)被轉(zhuǎn)換為熱能釋放，具有良好的減振降噪效果。但是，在傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)模式中，由于設(shè)計(jì)理念滯后，阻尼技術(shù)手段較為單一，主要選擇使用具有良好內(nèi)阻尼性能的吸聲材料在機(jī)械設(shè)備結(jié)構(gòu)、設(shè)備用房墻體屋頂中進(jìn)行鋪設(shè)，未充分發(fā)揮阻尼技術(shù)優(yōu)勢(shì)。因此，需要在機(jī)械設(shè)計(jì)方案中靈活采取各項(xiàng)阻尼技術(shù)措施，常見(jiàn)措施包括：①阻尼涂料。在設(shè)備結(jié)構(gòu)與金屬板結(jié)構(gòu)表面均勻涂刷阻尼涂料，與環(huán)氧底漆進(jìn)行組合使用;②研制新型阻尼合金，替代普通鋼作為機(jī)械設(shè)備結(jié)構(gòu)材料，克服早期彈性阻尼材料剛性不足的性能缺陷，如雙晶型錳銅合金;③彈性阻尼材料。在減振結(jié)構(gòu)表面以片狀形式鋪貼彈性阻尼材料，要求阻尼層具有充足的阻尼損耗因子。

4? 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，為全面提高機(jī)械設(shè)計(jì)水平、延長(zhǎng)機(jī)械設(shè)備使用年限、改善機(jī)械使用性能，有效解決機(jī)械振動(dòng)噪聲問(wèn)題，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)積極采取各項(xiàng)減振降噪技術(shù)措施，優(yōu)化機(jī)械結(jié)構(gòu)、設(shè)置消聲裝置、控制機(jī)械振動(dòng)、隔離吸收機(jī)械噪聲。同時(shí)，加強(qiáng)減振降噪技術(shù)研發(fā)力度，不斷對(duì)技術(shù)體系進(jìn)行創(chuàng)新改進(jìn)，為我國(guó)機(jī)械制造行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供有力的技術(shù)支持。

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