挖掘機(jī)噪聲測(cè)試分析與降噪措施

□ 孫培艷 □ 顧永翔 □ 李 臣

柳工常州機(jī)械有限公司 江蘇常州 213168

1 分析背景

噪聲是由各種設(shè)備持續(xù)運(yùn)動(dòng)發(fā)出的無(wú)規(guī)則、不協(xié)調(diào)聲響,對(duì)人們的聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)等有不良影響,國(guó)家對(duì)工作場(chǎng)所的噪聲有相應(yīng)的法規(guī)要求。挖掘機(jī)產(chǎn)品的噪聲水平是挖掘機(jī)整機(jī)舒適性的一個(gè)重要指標(biāo)。為滿(mǎn)足挖掘機(jī)舒適性的要求,以某型挖掘機(jī)為研究對(duì)象,對(duì)該型挖掘機(jī)的整機(jī)聲功率級(jí)和噪聲頻譜進(jìn)行測(cè)試和分析,針對(duì)主要噪聲源進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn),使挖掘機(jī)整機(jī)噪聲達(dá)到法規(guī)要求,同時(shí)為挖掘機(jī)產(chǎn)品噪聲優(yōu)化提供一定的經(jīng)驗(yàn)和實(shí)踐依據(jù)。

挖掘機(jī)整機(jī)噪聲的形成有多種因素,主要來(lái)源有空氣動(dòng)力、機(jī)械、液壓三個(gè)方面。發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)噪聲包括發(fā)動(dòng)機(jī)本體噪聲、風(fēng)扇噪聲、進(jìn)氣噪聲、排氣噪聲等。機(jī)械噪聲包括發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)帶動(dòng)車(chē)架振動(dòng)引起的噪聲、各部件裝配不合理引起的噪聲、運(yùn)動(dòng)部件連接相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起的噪聲等。液壓系統(tǒng)噪聲包括液壓泵、液壓閥、油缸、管道振動(dòng)引起的噪聲等。

對(duì)于挖掘機(jī)整機(jī)降噪,首先要找到主要噪聲源。頻譜分析法是識(shí)別主要噪聲源最重要也是最基本的方法。對(duì)挖掘機(jī)整機(jī)噪聲進(jìn)行頻譜采集分析,明確主要噪聲源,針對(duì)主要噪聲源采取措施,進(jìn)行改進(jìn),降低主要噪聲源的聲功率級(jí),從而有效降低挖掘機(jī)整機(jī)噪聲,提升挖掘機(jī)整機(jī)的舒適性。根據(jù)噪聲產(chǎn)生與傳播原理,有效降噪的方法主要包括對(duì)噪聲源的控制、對(duì)噪聲傳播途徑的控制、對(duì)噪聲接受者的保護(hù)。其中,最根本、最直接的方法是對(duì)噪聲源進(jìn)行控制。實(shí)際情況是,基于挖掘機(jī)實(shí)際應(yīng)用情況的復(fù)雜性,噪聲源的可控范圍極其有限,因此對(duì)噪聲傳播途徑的控制是降低挖掘機(jī)整機(jī)噪聲經(jīng)常使用的方法,如消聲、吸聲等。

2 挖掘機(jī)噪聲源測(cè)試和分析

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 25614—2010《土方機(jī)械 聲功率級(jí)的測(cè)定 動(dòng)態(tài)試驗(yàn)條件》,結(jié)合某型挖掘機(jī)的整機(jī)參數(shù)和實(shí)際各部件布置情況,對(duì)該型挖掘機(jī)進(jìn)行噪聲源的測(cè)試。

測(cè)試該型挖掘機(jī)的整機(jī)聲功率級(jí)時(shí),測(cè)量面采用半球面。半球面半徑r為10 m,Z軸與挖掘機(jī)的回轉(zhuǎn)中心軸線(xiàn)重合。在半球面上設(shè)置六個(gè)測(cè)點(diǎn),采用傳聲器測(cè)量各測(cè)點(diǎn)的A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)。各傳聲器位置如圖1所示,其坐標(biāo)見(jiàn)表1。傳聲器1位于挖掘機(jī)駕駛室的左前側(cè),駕駛室振動(dòng)引起的噪聲在該處較為明顯。傳聲器2位于發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣位置附近。傳聲器3位于發(fā)動(dòng)機(jī)的右后方,在主泵位置附近,需要結(jié)合頻譜分析該處的主要噪聲源。傳聲器4位于挖掘機(jī)駕駛室的右前方,在油缸附近,需要結(jié)合頻譜分析該處的主要噪聲源。傳聲器5位于發(fā)動(dòng)機(jī)的左上方,在風(fēng)扇上方,需要結(jié)合頻譜分析該處的主要噪聲源。傳聲器6位于液壓系統(tǒng)的上方,液壓系統(tǒng)引起的噪聲在該處較為明顯。

▲圖1 傳聲器位置

表1 傳聲器位置坐標(biāo)

分別測(cè)試兩種工況下各測(cè)點(diǎn)的A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)。定置工況指只啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī),將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)至最大值,挖掘機(jī)整機(jī)不動(dòng)作。挖掘工況指將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)至最大值,挖掘機(jī)整機(jī)進(jìn)行挖掘動(dòng)作。

兩個(gè)工況所有測(cè)點(diǎn)進(jìn)行三次測(cè)量,取平均值作為測(cè)點(diǎn)的A計(jì)權(quán)平均聲壓級(jí)。

計(jì)算該型挖掘機(jī)的整機(jī)聲功率級(jí),根據(jù)測(cè)試場(chǎng)地、環(huán)境及測(cè)試時(shí)間,取背景噪聲修正值和環(huán)境修正值為0,則挖掘機(jī)的整機(jī)聲功率級(jí)可以由式(1)、式(2)計(jì)算得到。

(1)

(2)

式中:LPAi為第i個(gè)傳聲器的A計(jì)權(quán)平均聲壓級(jí);N為傳聲器數(shù)量;LPA為測(cè)量面上各傳聲器陣列的A計(jì)權(quán)平均聲壓級(jí)的平均值;S為測(cè)量面面積;LWA為挖掘機(jī)整機(jī)聲功率級(jí)。

經(jīng)計(jì)算,該型挖掘機(jī)整機(jī)聲功率級(jí)的測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 挖掘機(jī)整機(jī)聲功率級(jí)測(cè)試結(jié)果

對(duì)該型挖掘機(jī)的六個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行噪聲頻譜采集,并進(jìn)行1/3倍頻程分析,頻譜分析結(jié)果如圖2所示。圖2很直觀地展示了兩種工況下該型挖掘機(jī)整機(jī)噪聲的能量分布情況。

▲圖2 頻譜分析結(jié)果

根據(jù)頻譜分析結(jié)果,結(jié)合該型挖掘機(jī)的整機(jī)參數(shù)和各部件實(shí)際布置情況,可以判斷出主要噪聲源是發(fā)動(dòng)機(jī)體,其次是風(fēng)扇,其余測(cè)點(diǎn)的噪聲未有明顯影響。由此可見(jiàn),需要分別對(duì)兩個(gè)主要噪聲源進(jìn)行優(yōu)化。

3 挖掘機(jī)降噪措施

挖掘機(jī)降噪工作非常復(fù)雜,需要綜合考慮方案的可實(shí)施性,同時(shí)也需要考慮成本因素。

3.1 針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)體噪聲

從對(duì)噪聲源的控制、對(duì)噪聲傳播途徑的控制這兩個(gè)方面來(lái)采取措施,暫時(shí)不考慮對(duì)噪聲接受者的保護(hù)。

對(duì)噪聲源的控制可以考慮兩種方案。第一,降低發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速,這是最直接的方法,但是會(huì)直接影響整機(jī)性能,因此盡量不采用。第二,采用隔振方案,即對(duì)固定在發(fā)動(dòng)機(jī)上直接連接于發(fā)動(dòng)機(jī)的零部件及發(fā)動(dòng)機(jī)本體進(jìn)行整體隔振,由于挖掘機(jī)工作環(huán)境、工作模式比較惡劣,對(duì)剛性要求較高,同時(shí)對(duì)成本影響較大,因此這一方案的實(shí)施優(yōu)先級(jí)也較低。

對(duì)噪聲傳播途徑的控制,主要方案為消聲、吸聲等?？梢葬槍?duì)機(jī)罩在不明顯增加成本的基礎(chǔ)上進(jìn)行重新制作,提高密封性,增加吸聲材料,具體采取三方面措施。

(1)封堵底封板。優(yōu)化前后的底封板如圖3所示。優(yōu)化前底封板為開(kāi)孔結(jié)構(gòu),噪聲輻射影響較大。將底封板優(yōu)化為不開(kāi)孔的平面板,需注意復(fù)測(cè)挖掘機(jī)整機(jī)的熱平衡,在挖掘機(jī)整機(jī)的熱平衡不受影響或者影響較小的情況下才可以?xún)?yōu)化。

▲圖3 底封板

(2)采用橡膠條密封。優(yōu)化前后的后罩如圖4所示。優(yōu)化后后罩邊緣增加橡膠條,將后罩與其它機(jī)罩之間的間隙用橡膠條進(jìn)行密封。

(3)采用吸聲海綿。優(yōu)化前后的機(jī)艙右側(cè)、機(jī)艙后側(cè)、右門(mén)、上蓋板依次如圖5、圖6、圖7、圖8所示。在挖掘機(jī)機(jī)艙右側(cè)、機(jī)艙后側(cè)、右門(mén)、上蓋板處都貼上海綿,用于吸聲。

▲圖4 后罩

▲圖5 機(jī)艙右側(cè)

▲圖6 機(jī)艙后側(cè)

▲圖7 右門(mén)

▲圖8 上蓋板

3.2 針對(duì)風(fēng)扇噪聲

由于風(fēng)扇的流場(chǎng)設(shè)計(jì)和改進(jìn)較為復(fù)雜,因此首先考慮選用低噪聲風(fēng)扇的方案。根據(jù)風(fēng)扇的性能曲線(xiàn)對(duì)比,選用大葉片低噪聲風(fēng)扇。在相同轉(zhuǎn)速下,大葉片低噪聲風(fēng)扇風(fēng)量更大,噪聲更小。另一個(gè)有效的方案是降低風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速。調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸皮帶輪和風(fēng)扇皮帶輪的尺寸,將風(fēng)扇轉(zhuǎn)速比由1調(diào)整為0.9。這一措施會(huì)對(duì)挖掘機(jī)整機(jī)熱平衡產(chǎn)生影響,因此需要復(fù)測(cè)挖掘機(jī)整機(jī)的熱平衡。上述兩種方案是對(duì)噪聲源的控制的最根本、最直接方法,實(shí)踐證明,該型挖掘機(jī)采用上述方案后,降噪效果比較明顯。

4 效果驗(yàn)證

完成相應(yīng)的降噪措施之后,對(duì)挖掘機(jī)整機(jī)進(jìn)行噪聲測(cè)試,結(jié)果見(jiàn)表3。挖掘機(jī)整機(jī)噪聲降低約2 dB,降噪措施有效。

表3 挖掘機(jī)整機(jī)噪聲測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著用戶(hù)對(duì)挖掘機(jī)性能及舒適性要求的不斷提高,噪聲成為挖掘機(jī)整機(jī)性能水平的衡量指標(biāo),如何有效降噪是挖掘機(jī)行業(yè)的一個(gè)重要課題。筆者以某型挖掘機(jī)為例,對(duì)其噪聲進(jìn)行測(cè)試,分析主要噪聲源,并且有針對(duì)性地采取降噪措施,最終達(dá)到明顯的降噪效果,為挖掘機(jī)噪聲優(yōu)化提供了一定的經(jīng)驗(yàn)和實(shí)踐依據(jù)。