減振降噪在機械設計中的應用

張春幸，秦夢濤

（濟南二機床集團有限公司，山東 濟南 250022）

機械設備在運行過程中會產生一定的噪聲問題，有設備內部零部件運行形成的噪聲，還有空氣動力性噪聲，需將機械運行的噪聲控制在標準值的范圍內，減少機械噪聲污染問題，保護機械周邊環境與人員的安全。因此，在機械設備設計階段采用減振降噪措施，對噪聲源及噪聲傳播途徑加以控制，增強機械設計消聲、隔聲、吸聲的作用，提前預防機械振動與空氣動力噪聲，形成對機械設備運行階段的振動及噪聲的良好控制，強化機械設計的減振降噪效果，保證機械設備投入使用后的安全可靠。

1 機械噪聲的來源

1.1 空氣動力性噪聲源

該類噪聲是氣流與氣流之間，或者是氣流與機械零部件之間相互作用產生的噪聲，包括運動氣流之間形成的氣流噪聲，氣流與靜止機械零件之間形成的渦流噪聲，以及靜止大氣與機械運動部件之間的旋轉噪聲等。此外，機械設備類型的不同，產生的空氣動力性噪聲也有著很大的差異。比如，燃油機械設備會產生噴射噪聲或燃燒噪聲，由電力驅動帶有大型風扇的機械設備，則會有旋轉噪聲、渦流噪聲等。

1.2 機械性噪聲源

該類噪聲是由機械設備運行形成的噪聲，像是機械零部件安裝精度不夠，零部件之間碰撞產生噪聲，或是機械設備運轉速度過快，出現大幅度的振動形成機械噪聲[1]。機械噪聲的類型較多，主要有碰撞噪聲、摩擦噪聲、電磁噪聲等等。機械噪聲的出現與機械設計、零部件材料選用、生產制造工藝，以及機械設備使用過程中的檢修、維護質量，乃至于機械設備工作環境等，都有著較大的關系。需要在設計階段提前進行機械的減振降噪設計，盡可能在設計階段解決機械性噪聲問題，降低機械設備投入使用后噪聲污染發生的概率。

2 機械噪聲源的控制設計

2.1 材料的選擇

材料選擇是機械設計的首要內容，出于機械減振降噪的考慮，在選擇材料時需著重考慮其阻尼性能，還要考慮到材料的物理、化學性能，以及材料制造過程中選擇使用的工藝等，綜合分析評價材料的各項性能，以保證機械的高品質設計。從機械制造常用的幾種金屬材料來看，阻尼性能無法滿足減振降噪的需求，像銅、鐵、鋁等，這些金屬在激振力的作用下，振動能量消耗過少，從而產生較大的噪聲。而阻尼材料或是高分子材料則表現出了良好的阻尼性能，當材料遭到激振影響時，材料組分阻礙振動，并將振動能量轉化為熱量，達到降低振動噪聲的目的。基于此，在機械減振降噪設計中，針對噪聲源選擇使用阻尼材料或高分子材料，以此形成對振動噪聲的有效控制。比如機械設備的運行環境粉塵過多，機械齒輪選用阻尼材料制造[2]，減少噪聲的同時，避免不良工作環境導致的齒輪腐蝕問題。

2.2 深化機械結構設計

機械設備在運行過程中會產生結構噪聲，該噪聲在機械設備內部不是以空氣為介質傳播，而是通過機械的零件、構件傳播至外部，比如機械設備內部封閉殼體結構，其內部的零件振動引發的結構噪聲。該噪聲占據機械總聲能的九成以上，噪聲的影響范圍較大，需通過機械結構的深化設計，改善機械結構零部件之間的協調性、整體性等，以形成對該噪聲的良好控制。

2.2.1 振動篩結構設計

振動篩機械設備在工作狀態下，持續振動會產生較大的噪聲。在該機械結構設計中，進行振動篩軸承滾動體結構的改善，或者是可專門針對其噪聲源采用減振器設計，形成對結構噪聲的抑制。比如，振動篩對于軸承結構相對運動的要求較低，在此處安裝減振器，起到減緩激振的效果。在要求較高的情況下，則建議振動篩采用空心滾動體軸承，提高整體軸承的強度，穩定振動篩結構，從而抑制振動噪聲。

2.2.2 齒輪結構設計

機械內部齒輪在運行狀態下，齒輪組中各個齒輪相互之間嚙合運動完成機械動作要求，由此引起齒輪之間的碰撞與摩擦，導致齒輪過大的振動而產生噪聲。齒輪在高速轉動的過程中，包括齒輪組在內的整個齒輪箱體在振動的影響下，易發生共振現象，會進一步增加噪聲分貝。因此，齒輪結構深化設計應從以下幾點入手：一是在用戶機械結構設計需求的范圍內，盡量采用斜齒輪及人字齒輪設計，使機械運動更加平穩，齒輪結構力傳遞得更加均衡，降低激振力，起到降噪的效果；二是將齒輪的壓力角控制在20°左右[3]，但要保證齒輪可滿足負載要求；三是齒隙的準確控制，齒側的間隙過大與過小都會引起噪聲，合適的間隙設計對于減振降噪非常重要；四是對于因齒輪在生產制造期間精度不夠導致的噪聲，可通過齒輪修齒進行彌補，保證齒輪之間的良好嚙合，減少齒輪運行中的摩擦和撞擊；五是加強齒輪質量的檢驗，設計階段進行齒輪制造精度的嚴格把關，可有效避免機械投入使用后的噪聲；六是齒輪設計階段選用大黏度的潤滑油，維持齒輪高質量的傳遞功率，保持齒輪之間的潤滑，并起到緩沖撞擊和摩擦的作用；七是在齒輪材料選用上，注重材料的阻尼性能，合理地運用該材料，可起到減振、隔振的作用。比如阻尼金屬、黏彈性阻尼材料等，也可使用阻尼材料制作成阻尼層，直接粘貼在齒輪表面，達到減振降噪的目的。

2.2.3 電機結構設計

電磁噪聲主要發生在用電機械設備上，比如變頻器、電動機、變壓器等，尤其是大型設備的電磁噪聲表現明顯。以工業用交流異步電動機槽噪聲為例，在機械結構設計中，可加大氣隙間距達到減小噪聲的目的，主要是因為通過氣隙的增加，形成對磁極磁通密度的飽和程度的控制，減少功率因數。也可應用氣隙間距的變化設計，或是聯合使用斜槽轉子設計，提高降噪的效果。經過以上設計分析，在電磁噪聲控制中，采用如下設計方案：一是減少氣隙磁密，形成對高次諧波的控制；二是應用斜槽轉子設計[4]，起到降低齒諧波的效果；三是優化定子轉子磁場均勻度，增加氣隙設計，降低磁拉力，并提高兩者的制造精度，保證氣隙的均勻，同樣具備控制電磁噪聲的效果；四是進行閉口齒槽設計以控制高次諧波。

2.2.4 液壓泵結構設計

液壓泵在運行過程中，會形成液體與機械兩種噪聲。液壓泵在泵送液體時，液體流動或是其對泵結構產生沖擊與摩擦，形成了噪聲，結構設計方案可選用阻尼材料進行解決。液壓泵持續作業形成動力壓強產生噪聲，該噪聲分為兩種：一種是機械噪聲，比如機械振動形成的噪聲，或是機械零部件接觸形成的噪聲；另一種是流體噪聲，液壓泵運行形成的壓力流量以及氣穴、氣蝕等。根據噪聲的形成原因進行減振降噪的結構設計，首先是主閥閥口與閥座的氣蝕噪聲，閥芯半錐角-閥座半錐角=3°，并減少閥體回流腔的尺寸，節流口設計為長通道形，以達到減少旋渦的目的，降低噪聲分貝；其次是壓力波動噪聲，維持液壓溢流閥壓力的平衡，增加先導閥彈簧的剛度，并調整芯錐閥頭部的流動狀態，建議使用圓弧形[5]，以消減渦流區的作用力；最后，基于機械噪聲的成因，應從液壓泵溢流閥閥芯與閥套間材料選擇上入手，建議使用金屬石墨、陶瓷等，保證零部件之間的潤滑特性，減少摩擦與碰撞形成的噪聲。

2.2.5 進排氣結構設計

以內燃機噪聲為例，在其排氣過程中，會釋放高壓與高溫氣體，這些氣體與空氣碰撞形成噪聲。比如進氣沖程時，氣流高速進入內燃機，與其燃氣室結構產生氣流沖擊[6]。進排氣噪聲主要是由于進氣和排氣與空氣或內燃機結構發生相互沖擊，從而產生了噪聲。在機械結構設計中，對噪聲源進行減振降噪設計，建議增加空氣濾清器設計，并進行進氣通道、排氣通道的設計優化，降低內壓力脈動，使氣流順暢流動，以此降低進排氣噪聲。

2.2.6 風機結構設計

風機噪聲是由氣流引起的，主要有旋轉噪聲與渦流噪聲，屬于空氣動力性噪聲。在風機結構降噪設計中，相關的研究人員針對普通風機與傾斜蝸舌風機進行了比對，發現兩者聲級曲線不同，普通風機產生的聲級較高。所以，風機結構優化可參照傾斜蝸舌風機，一是提高蝸舌間距，給予風流一定的緩沖，同時增加蝸舌的傾斜度，對風流形成一定的阻擋，并降低沖擊力；二是蝸舌曲率半徑的調整，進行旋轉噪聲的抑制；三是風機葉道出口影響著渦流噪聲，減少其相對寬度，形成對該噪聲的有效控制。

3 機械噪聲傳播途徑的控制設計

3.1 吸聲與隔聲材料設計

吸聲材料使用吸聲技術制作，噪聲在經過吸聲材料過程中，材料中的細小纖維發生振動，吸收噪聲并轉換為熱能。隔聲材料主要是阻擋噪聲的傳播，材料內部為隔聲結構，具有很好的降噪效果[7]。在機械噪聲傳播途徑的控制設計方面，聯合使用吸聲與隔聲材料，實現雙重的降噪效果。比如，在鋼球磨煤機中的應用，可以采用以下方法：一是在煤機筒體上設計多層吸聲與隔聲材料，降低筒體的噪聲；二是設計一個隔聲罩，將煤機與外部隔離，阻斷噪聲輻射；三是使用隔聲與吸聲材料制作降噪屏障，在距離噪聲源較遠的位置，使用吸聲屏障，主要是因為吸聲材料為吸聲處理，針對直達噪聲的處理效果不佳。而在操作者與噪聲源較近的情況下，噪聲輻射的為直達聲，使用隔聲屏障，其對于直達聲處理效果良好。如果距離較遠，操作者主要受反射聲的影響，應使用吸聲屏障進行降噪。

3.2 消聲裝置設計

噪聲的消聲方式主要有以下兩種：一種是主動消聲，主要應用在高精尖設備上；另一種是被動消聲，該技術成熟度較高，在機械設計消聲中應用較多。其中消聲裝置較為常見，該裝置阻擋噪聲效果好，同時不會對氣體流動造成影響，但是應用較為局限，一般適用于機械管道噪聲的消除，或者是安裝在排氣口位置進行消音，不能用于其他噪聲的消除[8]。消音器主體結構為進口管和出口管，主要用于機械設備的氣流降噪。比如空調回風管道、鍋爐的進出口、冷卻塔的風口等，以及擁有柴油發動機設備的廢氣排放口等。在高精尖機械設備上，采用的是自適應被動共鳴板消聲器，例如在核潛艇上的應用，雖然為被動消聲，卻可進行頻率的調整，實現降噪的目標。目前，基于噪聲的頻率調整，已經出現了智能降噪系統，在系統中輸入抗性聲能，主動進行噪聲的消除。除了消聲器之外，還有幾種應用較多的消聲設備：1）消聲坑，在機械設計中應用的經濟性好，使用簡單方便，降低壓力損失，可有效消除噪聲；2）消聲百葉扇，在機械進氣和排氣過程中，促進葉輪旋轉實現變阻消音。葉輪在氣流的作用下旋轉，使進氣或排氣流動產生不同的阻尼，并且葉輪在旋轉過程中積累氣流能量，然后對流經氣流進行抽吸[9]，維持氣流的穩定流動，避免氣流相互沖擊產生噪聲。

3.3 隔振設計

機械設備在運行過程中難免振動，由振動產生的噪聲可使用隔振技術進行處理。在機械設計中，針對機械振動噪聲源，可將其與地基連接，或者是將振動噪聲源與接觸構件之間使用隔振裝置進行連接。一是使用彈性元件處理以減弱振動，達到降噪的目的；二是使用阻尼件進行連接，構建振動噪聲隔離屏障。隔離振動分為以下兩種，一種是主動隔振，將振動源與其支撐隔離；另一種是被動隔離，是在防振部位設置隔振系統，將振源隔離。隔振系統由彈簧與阻尼器構成，建立振源與被隔離對象之間的降噪屏障，以消除和降低噪聲[10]。隔振技術在機械設計中應用廣泛，例如在轎車中聯合應用主動與被動隔振技術，在啟動轎車發動機后，發動機形成扭轉振動，設置懸置隔振系統，將振動減弱后傳遞出去。在轎車行駛過程中，地面不平引起轎車振動，該振動導致發動機共振，影響到發動機的正常運行，使用該系統將發動機與車身進行隔離，消減這些振動力，實現主動隔振，避免振動噪聲的同時，減少振動對發動機的損壞。此外，阻尼材料可用于隔振系統中，降低機械的共振幅度，使機械結構受到沖擊后快速恢復原狀，并且減少機械振動的噪聲輻射，達到抑制共振、減少噪聲的效果。

4 結語

機械設備的振動與噪聲分貝一旦超出正常標準，會對機械本身運行造成影響，形成噪聲污染。所以，在機械設計階段需著重解決這一問題，機械設計是機械設備生產制造的指導性文件，決定著機械投入使用后的各項性能。通過在設計階段應用減振降噪技術，將振動程度控制在合理的范圍內，并在機械結構設計中使用阻尼材料，根據噪聲源的類型進行機械結構設計的深化，并且在機械噪聲的傳播途徑上，恰當使用隔聲、消聲、隔振等技術，達到機械結構設計減振降噪的目的，全面提高機械設計的環保性、經濟性與實用性。