液压挖掘机机外辐射噪声分析与改进

摘要： 液压挖掘机噪声直接影响整机舒适性，也是打开欧洲市场大门的关键钥匙之一；本文分析了液压挖掘机的主要噪声源及形成机理，通过频谱分析与试验，识别与定位了噪声源；针对不同噪声源，提出了合理的噪声治理措施，试验结果表明，某液压挖掘机机外辐射噪声降低3.7dB（A），证明该方法实用有效。

Abstract： The hydraulic shovel noise has directly effects on the whole comfort and it is one of the key obstacles for the machine to enter European market. This article analyzes the hydraulic shovel noise source and the formation mechanism. By spectrum analysis and test， the noise source is recognized and positioned. Treatment measures are provided according to different noise sources. Test result shows that the outside radiation noise of a hydraulic shovel is reduced by 3.7dB （A）， proving the effect of this method.

关键词： 液压挖掘机；机外辐射；噪声；改进

Key words： hydraulic shovel；outside radiation；noise；improvement

中图分类号：TU621 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）33-0039-02

0 引言

随着社会经济的不断发展，人们生活水平的不断提高，环境保护意识大大加强，噪声危害越来越引起人们的重视，噪声污染同空气污染、水污染一起被认为当代三大污染[1]。

液压挖掘机作为工程机械的一个主要机种，在国民经济中发挥着非常重要的作用。随着环境噪声要求的不断提高，挖掘机的辐射噪声也越来越引起人们的重视，国家标准对挖掘机辐射噪声要求也越来越严格，能否满足国家法令法规要求，决定着挖掘机能否在市场上销售，因此，研究和分析液压挖掘机噪声产生机理，识别与定位主噪声源，有的放矢地降低其辐射噪声，改善工作环境，是挖掘机制造企业的一项十分重要的任务。

1 液压挖掘机噪声产生的原因

1.1 液压系统噪声 液压系统的噪声主要是由泵产生的。挖掘机在工作过程中，由于负载的不断变化，泵的压力和流量随着负载不断变化，压力和流量的变化形成压力脉动，引起振动，产生噪声。

主控阀的噪声是液压系统另一个噪声源。液压挖掘工作过程中，主控阀各个阀芯不断开启和关闭，开启和关闭过程中会产生液压冲击，引起振动，产生噪声。

另外，挖掘机各执行动作同时动作时，需要对负载轻的执行器控制阀芯进行节流，因此主控阀内部有许多节流孔口，油液流过节流口和阀口时，由于压力的变化产生气穴噪声。

1.2 风扇噪声 风扇噪声主要是空气动力噪声，空气动力噪声主要由旋转噪声和涡流噪声组成[2]。旋转噪声是由风扇叶片形成的空气压力脉动引起的，主要为低频成分，与风扇叶片圆周速度的10次方成正比。涡流噪声是作用在叶片上的随机脉动引起的，与风扇叶片圆周速度的5～6次方成正比。风扇叶片的圆周速度越大，噪声越大，相同直径下，风扇的转速越高，噪声就越大。

1.3 进排气噪声 发动机在进气行程前半期，由于活塞下行，气缸内产生负压，气体从进气管流入，产生负压波，经气门、沿进气管传播，到开口端时又从开口端反射回正压波，因此，进气管存在压力波，这个波动会产生基频噪声。此外，进气时，气流高速流经进气通道时还会产生涡流噪声[3]。

发动机产生的废气经排气管、消声器排出。在排气门打开初期，随着气体的涌入，排气门处产生大的正压波并向排气管出口端传播，在出口端又返回负压波。因此排气管内存在压力波，这个波动也会产生基频噪声。此外，排气时，气流高速流动会产生涡流噪声，流经溥壁管道和壳体会辐射出噪声。

1.4 柴油机本体噪声 液压挖掘机用柴油机一般排量、功率较大，运转时产生的噪声也就较大，主要有柴油机点火引起的爆炸声，活塞周期性冲击缸盖产生的冲击噪声等，透过柴油机壳体辐射出来。另一重要组成部分为柴油机的本体振动引发的噪声，运转过程中，由于活塞的惯性力矩导致的不平衡，激励柴油机产生垂向振动及水平、前后的剧烈晃动，致使柴油机壳体振动而辐射噪声。

2 主噪声源识别

2.1 频谱分析法 通过分析噪声频谱，即各噪声源频率曲线与特性，并理论计算得到各噪声源的噪声频率，识别对整机噪声贡献最大的噪声源，对噪声治理方案制定具有十分重要的理论指导意义，而且噪声源识别准确，各噪声源的频率计算方法如下：

①泵的频率fpump：

fpump=■i（1）

式中，谐波次数i=1、2、3、4……；

n—发动机转速（r/min）；

η■—泵的转速比，泵一般直接连在了发动机上，泵的转速比为η■=1；

z■—泵的柱塞数；

②风扇频率ffan：

ffan=■i（2）

式中，η■—风扇的转速比；

z■—风扇叶片数；

③发动机排气频率ffire：

ffire=■i（3）

式中，N—汽缸数

τ—行程数，对于四冲程发动机，τ=2；对于二冲程发动机τ=1。

2.2 声阵列法 测量时，声学传感器按阵列的形式靠近且直对所需测量处，采集机外各点声强的大小，再通过软件及图片处理，可直观的看出整机的噪声分布，便于识别与定位噪声源，受环境的干扰小，但是测点多、数据处理麻烦，易受空间限制，不易测量，测量时声学传感器相对于整机的相对位置不变，在动态工况下，有一定的局限性。

3 噪声治理方法

3.1 降低风扇噪声 优化风扇的叶片形状、材料和叶片数，降低风扇旋转噪声。风扇叶片的形状直接影响叶片附近的涡流强度，因此改变叶片的形状，使之有较好的流线型和合适的弯曲角度，有利于减少涡流噪声。风扇的叶片材料对噪声也有一定程度的影响。例如，铸铝的叶片比冲压钢板的噪声要小，尼龙叶片比金属叶片噪声要小。一般来说，材料的损耗系数越大，其噪声越小。增加风扇的叶片数，在获得同等风量的前提下可以降低风扇转速，从而降低风扇噪声。但叶片数在6以上时，增加叶片数，风量增加有限，且在降噪上还会产生负面影响。

风扇叶片圆周速度到一定程度时，叶尖的流体将由层流变为紊流，导致噪声突变，产生涡流噪声。风扇涡流噪声的产生除了与转速有关，还与冷却系统中各元件及发动机安装的相对位置有关，一般来说，安装空间越小，转速越高就越容易引发涡流噪声。为了避免此类噪声的产生，应做到：风扇端面距离散热器芯子的距离为风扇直径的10～15%，因为风扇的冷却能力、流量和噪声会随着风扇与散热器之间的距离增加而增加，在某一点增加到最大值后又随着距离的增加逐渐减小。风扇距离散热器芯子过远或过近都会发生回流现象。此外，风扇应远离发动机，最好能达到100mm以上，以降低涡流噪声，图1为某液压挖掘机降低涡流噪声前、后的1/3倍频图，机外辐射噪声降低2.5dB（A），降噪效果非常明显。采用吸声海绵对吸收风扇噪声的作用非常明显，主要因为风扇除了较低频率的基本噪声外，还具有宽频特性，高频成分非常明显，尤其是风扇气流较高时，高频噪声比重越大，吸声海绵对1000Hz以上的风扇噪声效果很好，但要求其吸声系数应大于0.5，且吸声系数越大吸收效果越好。

3.2 降低排气噪声 优化设计性能良好的消声器是降低排气噪声的重要手段之一。按消声原理，消声器有抗性消声器，阻性消声器，阻抗性复合型消声器。抗性消声器是依靠管道截面的突变将部分声波反射向声源，这样沿通道继续向前传播的只是原来的一部分，从而达到消声目的。阻性消声器是利用吸声材料实现消声。当声波在多孔性吸声材料中传播时，吸声材料将使一部分声能转换成热能散掉，从而达到消声目的。阻抗性复合型消声器是阻性、抗性相结合的消声器，通过在抗性消声器内贴吸声海绵来实现消声目的。

3.3 降低柴油机本体噪声 降低发动机本体噪声主要有以下方法，一是加强发动机舱的密封性，防止发动机噪声透射出来；二是加厚覆盖件，增大覆盖件的隔声量；三是通过设计更好的减震系统，减小发动机的振动；四是加大发动机壳体的刚性，减小其局部振动的辐射噪声，例如在油底壳上增设加强筋和横隔板，另外，在发动机上涂阻尼材料效果也不错，阻尼材料可将机械动能转变成热能，以消耗振动能量，通过热量辐射出去。图2为某液压挖掘机的密封及机舱加厚处理，经治理后，机外辐射噪声降低1.2dB（A）。

4 结束语

①通过噪声识别与定位方法，准确识别液压挖掘机的主噪声源为风扇的涡流噪声，经治理涡流噪声后，测试结果表明机外辐射噪声降低2.5dB（A）。②机舱的密封性与隔声量对机外辐射噪声影响较大，通过加强密封性和加厚机罩后，机外辐射噪声降低1.2dB（A），降噪效果明显。③整机经噪声治理后，机外辐射噪声降低达3.7dB（A），说明应用的噪声识别、治理方法准确可行，具有重要的指导意义。

参考文献：

[1]周新祥.噪声控制及应用实例[M].北京：海洋出版社，1999.

[2]梁兴雨.内燃机噪声控制技术及声辐射预测研究（硕士学位论文）[D].天津：天津大学，2006.

[3]武汉汽车工业大学.汽车拖拉机发动机[M].北京：机械工业出版社，1995.

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