煤礦用防爆柴油機(jī)噪聲分析

張春英

(中國煤炭科工集團(tuán) 太原研究院有限公司， 山西 太原 030006)

0 引言

隨著防爆車輛在煤礦井下使用量的迅速增加，防爆柴油機(jī)作為其主要的動力源得到了廣泛的應(yīng)用[1-3]。防爆車輛的大量應(yīng)用，導(dǎo)致煤礦井下防爆車輛的噪聲問題日漸突出。治理防爆車輛噪聲問題的前提是準(zhǔn)確識別出防爆車輛的主要噪聲源。在對防爆車輛的噪聲測試中發(fā)現(xiàn)，防爆柴油機(jī)是主要的噪聲源之一,其各部件所輻射出的噪聲合成了防爆柴油機(jī)的噪聲。因此，要解決防爆柴油機(jī)的噪聲問題，就必須找出防爆柴油機(jī)輻射最大噪聲的部件或部位，然后對這些主要的噪聲源采取行之有效的措施，來降低防爆柴油機(jī)的噪聲。

1 噪聲測試方法的探索

煤礦井下用防爆車輛的噪聲測試方法有逐步運轉(zhuǎn)法、噪聲信號處理法、聲音通道法、近場噪聲壓掃描法和噪聲強(qiáng)度法等[4]。逐步運轉(zhuǎn)法和近場噪聲壓掃描法的精度比較低，一般只用在近似性評估場合。聲音通道法雖然精度較高，但測量成本較高，一般也較少應(yīng)用。而噪聲強(qiáng)度法是通過對零部件的表面振動情況測試其噪聲強(qiáng)度數(shù)值，然后對所測試的表面在一個封閉范圍內(nèi)進(jìn)行積分，通過積分可有效地把所測零部件周圍環(huán)境的干擾消除掉。由于不需要考慮特定的噪聲環(huán)境，所以用噪聲強(qiáng)度法測試煤礦用防爆柴油機(jī)的噪聲是合理的。本文采用噪聲強(qiáng)度法測試煤礦用防爆柴油機(jī)各個零部件所輻射出來的噪聲，然后從這些噪聲中找出防爆柴油機(jī)噪聲的主要來源。

2 防爆柴油機(jī)噪聲強(qiáng)度法測定計算方法

噪聲強(qiáng)度法在測定防爆柴油機(jī)的各個零部件表面輻射噪聲時,其結(jié)果比較準(zhǔn)確且受其他因素的干擾較少，但該方法所用的測試設(shè)備一般都比較昂貴，使其應(yīng)用受到一定的限制。這種測試方法一般分為等值噪聲強(qiáng)度線法、噪聲功率排序法及噪聲連續(xù)掃描法3種。大部分情況下是采用噪聲功率排序法和噪聲連續(xù)掃描法這兩種方法。本文采用噪聲功率排序法來測試礦用防爆柴油機(jī)的噪聲。在防爆柴油機(jī)所測試的噪聲場中取其中任意一點，此點上與速度方向垂直的單位面積單位時間內(nèi)瞬時穿過的噪聲能量就是瞬時聲強(qiáng),即

IFr=pF×uFr

(1)

在防爆柴油機(jī)的噪聲實驗室中，用儀器測定的瞬時聲強(qiáng)的計算平均值為：

(2)

式中:pF(t)為聲壓在防爆柴油機(jī)某點上的r傳播方向上的瞬時值；uFr(t)為某點在空氣中r傳播方向上的瞬時速度值；T為聲波周期的整數(shù)倍。

噪聲強(qiáng)度測試系統(tǒng)測試時,通常使用雙聲音傳感器，這兩個傳聲器是完全相同的,且它們之間的距離是Δr。這兩個完全相同的傳聲器分別所測定的噪聲壓強(qiáng)值為p1和p2，故

(3)

(4)

將式(3)、(4)代入式(1)得:

(5)

式(5)所表示的就是測試煤礦用防爆柴油機(jī)噪聲強(qiáng)度的工作原理。本文采用HZ12-AWA6290S型聲強(qiáng)測試儀進(jìn)行測量，在測試防爆柴油機(jī)的噪聲功率時，需要先找一個測量面，該測量面在防爆柴油機(jī)上且與噪聲源的距離為18 cm左右，這個測量面就是假設(shè)的測量基準(zhǔn)面。防爆柴油機(jī)被這些假設(shè)的噪聲測量包圍面上下左右前后各個方向圍起來，在這些包圍面上布置多個不同的測試點，在左面和右面包圍面上布置主要的的噪聲測試點，然后再在上、下面包圍面及油底殼下部面上布置次要的噪聲測試點。測試點的疏密程度因防爆柴油機(jī)的局部部件的位置不同而不同，比如在噴油泵的附近、水冷渦輪增壓器的附近和油底殼的附近測試點稍微密一點。在以上各個測量面上,按照先左后右、先下后上的原則布置各個噪聲測試點，噪聲測試點在各個測量面的的具體布置如圖1所示。

在聲強(qiáng)試驗過程中，將防爆柴油機(jī)的排氣管引至實驗室外，消除其排出廢氣的紊流噪聲，在進(jìn)氣管的端部安裝空氣過濾器。防爆柴油機(jī)的測量工況為：轉(zhuǎn)速2 200 r/min、功率130 kW,然后先掃描測試防爆柴油機(jī)的上面和下面兩個面，接著掃描測試防爆柴油機(jī)的左面和右面兩個面，最后掃描測試防爆柴油機(jī)的前面。測試時要用聲強(qiáng)測試儀的探頭逐點從左向右、從下向上拾取防爆柴油機(jī)表面的噪聲信號，將測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄和保存，然后用分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

圖1 防爆柴油機(jī)噪聲測試點在各個測試面上的布置

3 防爆柴油機(jī)噪聲功率的具體測定及計算

首先通過實驗測出防爆柴油機(jī)的各個測量面的聲強(qiáng)值，然后計算各個表面部件的聲功率，再采用聲功率排序的方法對防爆柴油機(jī)的噪聲源進(jìn)行識別。本文先用噪聲強(qiáng)度法分別對礦用防爆柴油機(jī)的各個組成部分計算其噪聲功率，然后對防爆柴油機(jī)整機(jī)噪聲功率進(jìn)行評定。先對測試儀器測得防爆柴油機(jī)各個測試點所得的測試信號分別進(jìn)行計算，計算值就是各個測試點的噪聲強(qiáng)度值，然后找出這些測試點所在部分的投影面積，可求出組成防爆柴油機(jī)的各個零部件的局部噪聲功率值，具體見下式：

WFi=Ini×SFi

(6)

式中:WFi為防爆柴油機(jī)各組件所有測量面中第i個測量面的局部噪聲計算功率；Ini為防爆柴油機(jī)各組件所有測量面中第i個測量面上噪聲強(qiáng)度在各個單元面上法向分量的平均值；SFi為防爆柴油機(jī)組件所有單元面中第i個單元面的總面積之和。

將上述計算所得的噪聲功率值代入式(7)中，便得出防爆柴油機(jī)單元面上各個噪聲源的噪聲功率級。

Lw=10 lgWFi/WF0

(7)

式中:WF0為基準(zhǔn)聲功率，10-12W。

4 防爆柴油機(jī)上主要的噪聲來源

礦用防爆柴油機(jī)中組成部件噪聲的噪聲功率是由防爆柴油機(jī)各個計算單元上的各個噪聲功率計算得出。圖2、3、4、5所示為防爆柴油機(jī)各組件的噪聲功率級，圖中深色區(qū)域為防爆柴油機(jī)總成表面上各個部件測定的噪聲功率級中噪聲較高的區(qū)域，是防爆柴油機(jī)表面噪聲的主要來源。

圖2 防爆柴油機(jī)右側(cè)噪聲投影

圖3 防爆柴油機(jī)左側(cè)噪聲投影

圖4 防爆柴油機(jī)上方噪聲投影

圖5 油底殼下方噪聲投影

表1所示為防爆柴油機(jī)各個零部件所輻射噪聲在防爆柴油機(jī)總體評價噪聲中的占比值。從表1中可以發(fā)現(xiàn)，柴油機(jī)噴油泵、防爆空壓機(jī)、水冷防爆渦輪增壓器及防爆油底殼是礦用防爆柴油機(jī)整體噪聲源中的主要噪聲源。防爆柴油機(jī)機(jī)體的噪聲占比值最大，為33.02%。要降低防爆柴油機(jī)的整體噪聲時,應(yīng)首先考慮降低防爆柴油機(jī)機(jī)體所輻射的噪聲。

防爆柴油機(jī)噴油泵和防爆油底殼所產(chǎn)生的噪聲是防爆柴油機(jī)整體噪聲的組成，這兩個組成部分比較容易改進(jìn)。為此，針對這兩個組成部分進(jìn)行重新設(shè)計，對改進(jìn)后的防爆柴油機(jī)重新進(jìn)行各個部分的噪聲強(qiáng)度測試與計算，所測試防爆柴油機(jī)的各個部件的具體噪聲結(jié)果見表2。

表1 防爆柴油機(jī)主要零部件在整體噪聲中的占比

表2 改進(jìn)后防爆柴油機(jī)主要零部件在整體噪聲中的占比

由表1和表2可以發(fā)現(xiàn)：

1) 改進(jìn)后的柴油機(jī)噴油泵和防爆油底殼相較改進(jìn)前，其在整體噪聲中的占比分別降低了1.22%和2.49%。這說明改進(jìn)設(shè)計可以有效降低零部件的噪聲。

2) 改進(jìn)后當(dāng)防爆柴油機(jī)裝配到防爆車輛上時，防爆車輛在外加速度的噪聲降幅約為0.8 dB(A)，防爆車輛的整車噪聲也得到了有效的降低。

3) 防爆柴油機(jī)噴油泵和防爆油底殼噪聲是防爆柴油機(jī)整體噪聲中的重要組成部分。

5 結(jié)論

通過用噪聲強(qiáng)度法測量防爆柴油機(jī)的表面噪聲，確定了油底殼和噴油泵為防爆柴油機(jī)的主要噪聲源，然后對這兩個部件進(jìn)行了降噪措施，取得了明顯的效果，證明了該方法是找出并解決防爆柴油機(jī)噪聲的有效方法之一，同時也為整車的噪聲預(yù)測和降低提供了理論支持。