挖掘機噪聲測試分析與降噪措施

□ 孫培艷 □ 顧永翔 □ 李 臣

柳工常州機械有限公司 江蘇常州 213168

1 分析背景

噪聲是由各種設備持續運動發出的無規則、不協調聲響,對人們的聽覺系統、神經系統等有不良影響,國家對工作場所的噪聲有相應的法規要求。挖掘機產品的噪聲水平是挖掘機整機舒適性的一個重要指標。為滿足挖掘機舒適性的要求,以某型挖掘機為研究對象,對該型挖掘機的整機聲功率級和噪聲頻譜進行測試和分析,針對主要噪聲源進行優化改進,使挖掘機整機噪聲達到法規要求,同時為挖掘機產品噪聲優化提供一定的經驗和實踐依據。

挖掘機整機噪聲的形成有多種因素,主要來源有空氣動力、機械、液壓三個方面。發動機系統噪聲包括發動機本體噪聲、風扇噪聲、進氣噪聲、排氣噪聲等。機械噪聲包括發動機振動帶動車架振動引起的噪聲、各部件裝配不合理引起的噪聲、運動部件連接相對運動引起的噪聲等。液壓系統噪聲包括液壓泵、液壓閥、油缸、管道振動引起的噪聲等。

對于挖掘機整機降噪,首先要找到主要噪聲源。頻譜分析法是識別主要噪聲源最重要也是最基本的方法。對挖掘機整機噪聲進行頻譜采集分析,明確主要噪聲源,針對主要噪聲源采取措施,進行改進,降低主要噪聲源的聲功率級,從而有效降低挖掘機整機噪聲,提升挖掘機整機的舒適性。根據噪聲產生與傳播原理,有效降噪的方法主要包括對噪聲源的控制、對噪聲傳播途徑的控制、對噪聲接受者的保護。其中,最根本、最直接的方法是對噪聲源進行控制。實際情況是,基于挖掘機實際應用情況的復雜性,噪聲源的可控范圍極其有限,因此對噪聲傳播途徑的控制是降低挖掘機整機噪聲經常使用的方法,如消聲、吸聲等。

2 挖掘機噪聲源測試和分析

根據標準GB/T 25614—2010《土方機械 聲功率級的測定 動態試驗條件》,結合某型挖掘機的整機參數和實際各部件布置情況,對該型挖掘機進行噪聲源的測試。

測試該型挖掘機的整機聲功率級時,測量面采用半球面。半球面半徑r為10 m,Z軸與挖掘機的回轉中心軸線重合。在半球面上設置六個測點,采用傳聲器測量各測點的A計權聲壓級。各傳聲器位置如圖1所示,其坐標見表1。傳聲器1位于挖掘機駕駛室的左前側,駕駛室振動引起的噪聲在該處較為明顯。傳聲器2位于發動機進氣位置附近。傳聲器3位于發動機的右后方,在主泵位置附近,需要結合頻譜分析該處的主要噪聲源。傳聲器4位于挖掘機駕駛室的右前方,在油缸附近,需要結合頻譜分析該處的主要噪聲源。傳聲器5位于發動機的左上方,在風扇上方,需要結合頻譜分析該處的主要噪聲源。傳聲器6位于液壓系統的上方,液壓系統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

分別測試兩種工況下各測點的A計權聲壓級。定置工況指只啟動發動機,將發動機轉速調至最大值,挖掘機整機不動作。挖掘工況指將發動機轉速調至最大值,挖掘機整機進行挖掘動作。

兩個工況所有測點進行三次測量,取平均值作為測點的A計權平均聲壓級。

計算該型挖掘機的整機聲功率級,根據測試場地、環境及測試時間,取背景噪聲修正值和環境修正值為0,則挖掘機的整機聲功率級可以由式(1)、式(2)計算得到。

(1)

(2)

式中:LPAi為第i個傳聲器的A計權平均聲壓級;N為傳聲器數量;LPA為測量面上各傳聲器陣列的A計權平均聲壓級的平均值;S為測量面面積;LWA為挖掘機整機聲功率級。

經計算,該型挖掘機整機聲功率級的測試結果見表2。

表2 挖掘機整機聲功率級測試結果

對該型挖掘機的六個測點進行噪聲頻譜采集,并進行1/3倍頻程分析,頻譜分析結果如圖2所示。圖2很直觀地展示了兩種工況下該型挖掘機整機噪聲的能量分布情況。

▲圖2 頻譜分析結果

根據頻譜分析結果,結合該型挖掘機的整機參數和各部件實際布置情況,可以判斷出主要噪聲源是發動機體,其次是風扇,其余測點的噪聲未有明顯影響。由此可見,需要分別對兩個主要噪聲源進行優化。

3 挖掘機降噪措施

挖掘機降噪工作非常復雜,需要綜合考慮方案的可實施性,同時也需要考慮成本因素。

3.1 針對發動機體噪聲

從對噪聲源的控制、對噪聲傳播途徑的控制這兩個方面來采取措施,暫時不考慮對噪聲接受者的保護。

對噪聲源的控制可以考慮兩種方案。第一,降低發動機轉速,這是最直接的方法,但是會直接影響整機性能,因此盡量不采用。第二,采用隔振方案,即對固定在發動機上直接連接于發動機的零部件及發動機本體進行整體隔振,由于挖掘機工作環境、工作模式比較惡劣,對剛性要求較高,同時對成本影響較大,因此這一方案的實施優先級也較低。

對噪聲傳播途徑的控制,主要方案為消聲、吸聲等。可以針對機罩在不明顯增加成本的基礎上進行重新制作,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。優化前后的底封板如圖3所示。優化前底封板為開孔結構,噪聲輻射影響較大。將底封板優化為不開孔的平面板,需注意復測挖掘機整機的熱平衡,在挖掘機整機的熱平衡不受影響或者影響較小的情況下才可以優化。

▲圖3 底封板

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

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

▲圖4 后罩

▲圖5 機艙右側

▲圖6 機艙后側

▲圖7 右門

▲圖8 上蓋板

3.2 針對風扇噪聲

由于風扇的流場設計和改進較為復雜,因此首先考慮選用低噪聲風扇的方案。根據風扇的性能曲線對比,選用大葉片低噪聲風扇。在相同轉速下,大葉片低噪聲風扇風量更大,噪聲更小。另一個有效的方案是降低風扇的轉速。調整發動機曲軸皮帶輪和風扇皮帶輪的尺寸,將風扇轉速比由1調整為0.9。這一措施會對挖掘機整機熱平衡產生影響,因此需要復測挖掘機整機的熱平衡。上述兩種方案是對噪聲源的控制的最根本、最直接方法,實踐證明,該型挖掘機采用上述方案后,降噪效果比較明顯。

4 效果驗證

完成相應的降噪措施之后,對挖掘機整機進行噪聲測試,結果見表3。挖掘機整機噪聲降低約2 dB,降噪措施有效。

表3 挖掘機整機噪聲測試結果

5 結束語

隨著用戶對挖掘機性能及舒適性要求的不斷提高,噪聲成為挖掘機整機性能水平的衡量指標,如何有效降噪是挖掘機行業的一個重要課題。筆者以某型挖掘機為例,對其噪聲進行測試,分析主要噪聲源,并且有針對性地采取降噪措施,最終達到明顯的降噪效果,為挖掘機噪聲優化提供了一定的經驗和實踐依據。