桌面金融鈔票處理設備降噪的優化設計方法

謝衛平

（廣州廣電運通金融電子股份有限公司，廣州 510663）

0 引言

桌面金融鈔票處理設備設計的基本原理為，通過摩擦把鈔票進行分離，利用機構轉動進行鈔票傳動，并通過光電磁等檢測后進行分揀[1]。機械零件在轉動時的和鈔票在運動過程中的抖動以及對設備的撞擊都不可避免地會產生噪聲，另外隨著社會經濟的發展，銀行每天處理的現金量較之前有很大的增長，銀行對桌面金融鈔票處理設備的處理速度要求越來越高，處理速度從之前的7張/s提升到12張/s，但是伴隨處理速度的提升，設備產生的噪聲也隨之增加，噪聲的對辦公環境的污染的問題越來越突出。桌面金融鈔票處理設備是放置在銀行柜員的柜面，供銀行柜員進行日常辦公使用，設備的入鈔口和取鈔口都需要開放，方便操銀行柜員隨時進行取鈔和加鈔，所以不能簡單地在設備外增加隔音裝置對噪聲傳播途徑的控制，進行噪聲隔離，這樣會帶來額外的設備外改造和很不友好的用戶體驗。因此需在設備的聲源上對其進行控制。本文依據噪聲產生的機理，對桌面鈔票處理設備的結構和運動進行理論分析，并通過噪聲振動測試儀對設備進行噪聲檢測，對產生噪聲較大的區域進行共振模態分析，得到系統的固有頻率和振型。采用理論分析、數值模擬和檢測驗證等方法，對桌面金融設備的噪聲特性進行研究，分析桌面金融鈔票處理設備的噪聲源特征及其傳播機理，從聲源和聲傳播角度提出降噪的優化設計。

1 設備噪聲分析

1.1 傳動部分噪聲分析

桌面金融鈔票處理設備的鈔票傳輸功能，基本都為利用同步帶和齒輪進行動力傳輸，通道板進行導向，傳動輥對鈔票進行搬運，完成鈔票的傳輸功能。基本結構如圖1所示。傳動輥通過滾珠軸承安裝在鈑金框架上，各個傳動輥之間為同步帶、同步輪相連，主電機驅動其中一個傳動輥，可帶動所有傳動輥一起運轉，實現鈔票的傳輸。傳動過程中機構不可避免地會產生振動和撞擊，因此要對鈔票傳輸過程中的各個部件在運動中進行產生噪聲進行理論分析。

圖1 基本結構

1.1.1 滾珠軸承的噪聲分析

桌面金融鈔票處理設備在工作時，可以根據其處理速度得知傳動輥需要的轉速，假設傳動輥的轉速為1 800 r/min。同樣滾珠軸承的內圈將以1 800 r/min的速度旋轉，因此處于靜止狀態的外圈上會產生振動，用一個速度型檢測頭直接接觸在外圈上，并將徑向機械振動量轉換成電氣量進行檢測。檢測到的噪聲振動被分割為3個頻帶，儀器上顯示出各頻帶的噪聲振動的度量值。另外，除了數量顯示以外，還裝置有覆蓋全部頻帶的揚聲放大器，可以用耳機監聽噪聲的聲級。各頻帶的頻率分配如下：低頻帶為50～300 Hz；中頻帶為300～1 800 Hz；高頻帶為1 800～10 000 Hz。

滾珠軸承從原理上講是通過旋轉發揮其功能。滾珠軸承旋轉時會產生振動。振動頻率隨轉速而變化的振動稱之謂“因強迫旋轉引起的振動”，這類振動也作為振動能量對軸承周圍的結構零件的固有振動產生影響造成共振現象。破壞此類共振，對噪聲改善有較明顯效果。關于滾珠軸承因強迫旋轉引起的振動頻率內圈旋轉時的計算公式如下。

滾珠的公轉振動：

保持架的旋轉振動：

滾珠的自轉振動：

滾珠的通過振動：

式中：Dw為滾珠直徑，mm；Dpw為節圓直徑，mm；α為公稱接觸角，(°)；Z為滾珠數；fr為內圈旋轉速度，Hz。

假設已知桌面金融鈔票處理設備的轉速為1 800 r/min，使用的滾珠軸承為美蓓亞型號為LF-1480ZZ，另外為簡化計算，可以取cosα=1，根據上列公式：

由上可知滾珠軸承對系統的激勵頻率，滾珠軸承和鈑金框架為直接接觸，桌面金融鈔票處理設備上又有大量的滾珠軸承，在工作時滾珠軸承產生振動不斷地對鈑金框架進行激勵產生噪聲。

1.1.2 同步帶產生的噪聲分析

由于同步帶具有傳動比準確、效率高、功率大、傳動平穩、維修保養方便等突出優點，桌面金融鈔票處理設備多采用同步帶做傳動。由于同步帶輪之間不平衡的離心力的激勵以及皮帶和帶輪嚙合時引起氣體擾動都會產生噪聲。同步帶帶輪本身的形狀公差及位置公差，包括帶輪的齒向公差、齒厚公差以及軸向及徑向跳動等。同步帶與帶輪的制造精度越高，嚙合是產生的沖擊越小，同步帶噪聲必然越低。由于帶及帶輪嚙合時，引起氣體的擾動從而產生空氣動力噪聲。同步帶輪圓周方向開消音槽帶寬度越寬，氣流運行的路線就越長，氣體的壓力變化亦越大，從而噪聲越大[2]。因而希望同步帶輪與帶的寬度盡量窄，但同步帶的寬度與傳遞的功率有近似正比的關系，為了達到設計的功率，帶輪與帶必須有一定的寬度。

1.1.3 通道中撞擊的噪聲分析

紙幣在通道中高速運行除了擾動空氣產生的噪聲外，其進入傳輸輥時和傳輸輥的撞擊產生的噪聲也非常明顯，理論上當撞擊點的撞擊角度越大時，鈔票撞擊時會產生沖擊力就會越大，同時沖擊產生的噪聲就會越大。

1.2 結構共振噪聲分析

桌面金融鈔票處理設備是由多個零部件組成的一個復雜空間結構體，不同的零件的形狀不同，材質不同，材質分別有塑料、鈑金、鋁等。所以對不同的零件和結構進行理論計算得出其固有共振頻率相當復雜，所以將其簡化，通過測驗設備對其進行檢測。對其產生噪聲比較大區域進行共振模態的分析[3]。通過檢測可知設備不同條件下振動頻率和聲強的分布情況，如圖2所示。

圖2 振動頻率和聲強的分布情況

由上述分析可知，首先滾珠軸承在高速轉動時產生的振動是一個激勵源，會傳遞給與其鏈接的鈑金框架，再傳遞通過框體傳遞至相關聯的各個零件以及下一級的零件，結構受到激勵較產生共振產生噪聲。其次鈔票在傳輸過程中對通道輥和通道板的撞擊以及對空氣的擾動設備薄壁件的共振產生的二次聲輻射，就成了桌面金融鈔票處理設備的主要噪聲源。

2 優化設計方案

根據分析結果，桌面金融鈔票處理設備工作時的噪聲主要由機械振動噪聲、紙幣傳輸引起的空氣擾動噪聲、結構共振噪聲組成。優化設計方案從以下幾個方面著手，進行減振、吸音、隔音。

2.1 減振設計

桌面金融鈔票處理設備大量的軸承作為激勵源對系統進行激勵，因為其材質屬性和框架材質同為金屬，容易導致共振，必須使鈑金框體的固有振動頻率與軸承的固有振動頻率分開，與激勵的主頻率分開。優化設計采用在滾珠軸承外圈增加塑料軸套，如圖3所示，減少滾珠軸承對系統的激勵，降低機械振動。振動的耦合是將振動的能量通過振動系統傳輸給產生響應的零、部件。解耦的目的是改變振動系統的參數，比便破壞能量傳輸的條件，達到減振降噪的效果。

圖3 減振優化設計

根據測試的結果，在振動噪聲大的區域的結構進行結構剛度優化設計，加強結構剛度的薄弱環節，進行剛度的合理分配和平衡，加強機械結構的總剛度，提高結構的共振頻率和降低振動響應[4]。對不便于加強剛度的結構，可通過增加阻尼的方式進行優化，如圖4所示，在薄壁空腔的零件上在上貼阻尼材料，阻尼有助于降低共振的振幅，對于任何一種結構，當激勵的頻率ω等于共振頻率ωn時，其位移響應的幅值X與各階模態的結構損耗因子ηn成反比，即：當ω=ωn（n=1，2，3，4…）時，X∝1/ηn。所以，在頻率遠離共振區時，動態位移受彈性項和慣性項的影響，而在接近或等于共振頻率時，位移主要受阻尼項的影響，按公式，增大阻尼的損耗因子值ηn，可大幅度降低共振的位移幅度值X，從而降低聲壓，減少噪聲。

圖4 增加阻尼

優化傳輸通道鈔票撞擊點從動的角度，傳動輥的主動輪是內部合金、外部橡膠的，上面嚙合的從動輪是鋼的。主動輪與從動輪為零間隙，鈔票進來前，主動輪帶動從動輪轉動，當鈔票經過輪子時，鈔票帶動從動輪轉，如圖5所示，在通道板上增加導向特征，目的是當鈔票進入傳動輥時，將鈔票送到更接近主動輪與從動輪離得最近的位置，減小鈔票和從動輪的撞擊，進而降低噪聲。

圖5 優化傳輸通道鈔票撞擊點從動的角度

2.2 吸音隔音設計

對桌面金融鈔票處理設備的結構中存在類似箱體的空間在外圍進行密封進行聲音傳播的隔絕，在空間增加吸音棉，消弱駐波，吸收多余的音波，被動阻隔聲源傳播。

根據以上提出的方案，依據標準GB 16999-2010規定的方法測量樣品的噪聲。測量環境：半消聲室；背景噪聲：16.8 dB(A)(Ref.20μPa)；環境溫度：23.5℃；環境濕度：58.5%RH；

樣品工作狀態：工作電源220 V/50 Hz；測量方法：樣品放置在標準工作臺上，測量點距樣品表面中心前、后、左、右、頂端各1 m。

對優化后和優化前的桌面金融鈔票處理設備進行了噪聲測試對比。優化后的設備的噪聲值有較明顯的下降，測試結果如表1所示，改進前后的頻譜如圖6所示。

圖6 改進前后的頻譜

表1 測試結果

3 結束語

本文對桌面金融鈔票處理設備進行了降噪優化設計：改變激勵，使機械的固有頻率避開激勵頻率可有效防止共振；在系統結構無法變更或輸入激勵無法減小的情況下，增加阻尼材料可有效減小振動降低噪聲；優化通道的撞擊角，可有效降低鈔票經過撞擊點時的噪聲；密封和吸音對消除高頻噪聲有一定的效果。該優化設計通過實際檢測，能有效地降低設備的噪聲。隨著金融業的發展，金融設備的要求會越來越高，設計師會面臨更多挑戰，后續還需對桌面金融鈔票處理設備的噪聲進行更全面地深入研究，以便更好地減少設備噪聲，創造更好的工作環境。