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減振降噪在機(jī)械設(shè)計(jì)中應(yīng)用

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減振降噪在機(jī)械設(shè)計(jì)中應(yīng)用

摘要:為了實(shí)現(xiàn)機(jī)械使用過程中的減振降噪,本研究從機(jī)械設(shè)計(jì)入手,對噪聲源及噪聲傳播途徑進(jìn)行減振降噪控制,在確保機(jī)械設(shè)備生產(chǎn)性能的同時,選用阻尼材料制造機(jī)械零部件,深化機(jī)械結(jié)構(gòu)的減振降噪設(shè)計(jì),并且在噪聲傳播途徑中根據(jù)設(shè)計(jì)機(jī)械設(shè)備的類型,合理靈活使用吸聲與隔聲材料、消聲裝置、隔振系統(tǒng)等,以促進(jìn)機(jī)械設(shè)計(jì)及生產(chǎn)制造水平的提升。

關(guān)鍵詞:減振降噪;機(jī)械設(shè)計(jì);隔聲技術(shù);隔振技術(shù)

機(jī)械設(shè)備在運(yùn)行過程中會產(chǎn)生一定的噪聲問題,有設(shè)備內(nèi)部零部件運(yùn)行形成的噪聲,還有空氣動力性噪聲,需將機(jī)械運(yùn)行的噪聲控制在標(biāo)準(zhǔn)值的范圍內(nèi),減少機(jī)械噪聲污染問題,保護(hù)機(jī)械周邊環(huán)境與人員的安全。因此,在機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)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(qiáng)機(jī)械設(shè)計(jì)消聲、隔聲、吸聲的作用,提前預(yù)防機(jī)械振動與空氣動力噪聲,形成對機(jī)械設(shè)備運(yùn)行階段的振動及噪聲的良好控制,強(qiáng)化機(jī)械設(shè)計(jì)的減振降噪效果,保證機(jī)械設(shè)備投入使用后的安全可靠。

1機(jī)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(jī)械零部件之間相互作用產(chǎn)生的噪聲,包括運(yùn)動氣流之間形成的氣流噪聲,氣流與靜止機(jī)械零件之間形成的渦流噪聲,以及靜止大氣與機(jī)械運(yùn)動部件之間的旋轉(zhuǎn)噪聲等。此外,機(jī)械設(shè)備類型的不同,產(chǎn)生的空氣動力性噪聲也有著很大的差異。比如,燃油機(jī)械設(shè)備會產(chǎn)生噴射噪聲或燃燒噪聲,由電力驅(qū)動帶有大型風(fēng)扇的機(jī)械設(shè)備,則會有旋轉(zhuǎn)噪聲、渦流噪聲等。

1.2機(jī)械性噪聲源

該類噪聲是由機(jī)械設(shè)備運(yùn)行形成的噪聲,像是機(jī)械零部件安裝精度不夠,零部件之間碰撞產(chǎn)生噪聲,或是機(jī)械設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)速度過快,出現(xiàn)大幅度的振動形成機(jī)械噪聲[1]。機(jī)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(jī)械噪聲的出現(xiàn)與機(jī)械設(shè)計(jì)、零部件材料選用、生產(chǎn)制造工藝,以及機(jī)械設(shè)備使用過程中的檢修、維護(hù)質(zhì)量,乃至于機(jī)械設(shè)備工作環(huán)境等,都有著較大的關(guān)系。需要在設(shè)計(jì)階段提前進(jìn)行機(jī)械的減振降噪設(shè)計(jì),盡可能在設(shè)計(jì)階段解決機(jī)械性噪聲問題,降低機(jī)械設(shè)備投入使用后噪聲污染發(fā)生的概率。

2機(jī)械噪聲源的控制設(shè)計(jì)

2.1材料的選擇

材料選擇是機(jī)械設(shè)計(jì)的首要內(nèi)容,出于機(jī)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(xué)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(xiàng)性能,以保證機(jī)械的高品質(zhì)設(shè)計(jì)。從機(jī)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(chǎn)生較大的噪聲。而阻尼材料或是高分子材料則表現(xiàn)出了良好的阻尼性能,當(dāng)材料遭到激振影響時,材料組分阻礙振動,并將振動能量轉(zhuǎn)化為熱量,達(dá)到降低振動噪聲的目的。基于此,在機(jī)械減振降噪設(shè)計(jì)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(jī)械設(shè)備的運(yùn)行環(huán)境粉塵過多,機(jī)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(huán)境導(dǎo)致的齒輪腐蝕問題。

2.2深化機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)械設(shè)備在運(yùn)行過程中會產(chǎn)生結(jié)構(gòu)噪聲,該噪聲在機(jī)械設(shè)備內(nèi)部不是以空氣為介質(zhì)傳播,而是通過機(jī)械的零件、構(gòu)件傳播至外部,比如機(jī)械設(shè)備內(nèi)部封閉殼體結(jié)構(gòu),其內(nèi)部的零件振動引發(fā)的結(jié)構(gòu)噪聲。該噪聲占據(jù)機(jī)械總聲能的九成以上,噪聲的影響范圍較大,需通過機(jī)械結(jié)構(gòu)的深化設(shè)計(jì),改善機(jī)械結(jié)構(gòu)零部件之間的協(xié)調(diào)性、整體性等,以形成對該噪聲的良好控制。2.2.1振動篩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。振動篩機(jī)械設(shè)備在工作狀態(tài)下,持續(xù)振動會產(chǎn)生較大的噪聲。在該機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,進(jìn)行振動篩軸承滾動體結(jié)構(gòu)的改善,或者是可專門針對其噪聲源采用減振器設(shè)計(jì),形成對結(jié)構(gòu)噪聲的抑制。比如,振動篩對于軸承結(jié)構(gòu)相對運(yùn)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(qiáng)度,穩(wěn)定振動篩結(jié)構(gòu),從而抑制振動噪聲。2.2.2齒輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。機(jī)械內(nèi)部齒輪在運(yùn)行狀態(tài)下,齒輪組中各個齒輪相互之間嚙合運(yùn)動完成機(jī)械動作要求,由此引起齒輪之間的碰撞與摩擦,導(dǎo)致齒輪過大的振動而產(chǎn)生噪聲。齒輪在高速轉(zhuǎn)動的過程中,包括齒輪組在內(nèi)的整個齒輪箱體在振動的影響下,易發(fā)生共振現(xiàn)象,會進(jìn)一步增加噪聲分貝。因此,齒輪結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)應(yīng)從以下幾點(diǎn)入手:一是在用戶機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需求的范圍內(nèi),盡量采用斜齒輪及人字齒輪設(shè)計(jì),使機(jī)械運(yùn)動更加平穩(wěn),齒輪結(jié)構(gòu)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(fù)載要求;三是齒隙的準(zhǔn)確控制,齒側(cè)的間隙過大與過小都會引起噪聲,合適的間隙設(shè)計(jì)對于減振降噪非常重要;四是對于因齒輪在生產(chǎn)制造期間精度不夠?qū)е碌脑肼?,可通過齒輪修齒進(jìn)行彌補(bǔ),保證齒輪之間的良好嚙合,減少齒輪運(yùn)行中的摩擦和撞擊;五是加強(qiáng)齒輪質(zhì)量的檢驗(yàn),設(shè)計(jì)階段進(jìn)行齒輪制造精度的嚴(yán)格把關(guān),可有效避免機(jī)械投入使用后的噪聲;六是齒輪設(shè)計(jì)階段選用大黏度的潤滑油,維持齒輪高質(zhì)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(yùn)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(dá)到減振降噪的目的。2.2.3電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。電磁噪聲主要發(fā)生在用電機(jī)械設(shè)備上,比如變頻器、電動機(jī)、變壓器等,尤其是大型設(shè)備的電磁噪聲表現(xiàn)明顯。以工業(yè)用交流異步電動機(jī)槽噪聲為例,在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,可加大氣隙間距達(dá)到減小噪聲的目的,主要是因?yàn)橥ㄟ^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(shù)。也可應(yīng)用氣隙間距的變化設(shè)計(jì),或是聯(lián)合使用斜槽轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì),提高降噪的效果。經(jīng)過以上設(shè)計(jì)分析,在電磁噪聲控制中,采用如下設(shè)計(jì)方案:一是減少氣隙磁密,形成對高次諧波的控制;二是應(yīng)用斜槽轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)[4],起到降低齒諧波的效果;三是優(yōu)化定子轉(zhuǎn)子磁場均勻度,增加氣隙設(shè)計(jì),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(jìn)行閉口齒槽設(shè)計(jì)以控制高次諧波。2.2.4液壓泵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。液壓泵在運(yùn)行過程中,會形成液體與機(jī)械兩種噪聲。液壓泵在泵送液體時,液體流動或是其對泵結(jié)構(gòu)產(chǎn)生沖擊與摩擦,形成了噪聲,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案可選用阻尼材料進(jìn)行解決。液壓泵持續(xù)作業(yè)形成動力壓強(qiáng)產(chǎn)生噪聲,該噪聲分為兩種:一種是機(jī)械噪聲,比如機(jī)械振動形成的噪聲,或是機(jī)械零部件接觸形成的噪聲;另一種是流體噪聲,液壓泵運(yùn)行形成的壓力流量以及氣穴、氣蝕等。根據(jù)噪聲的形成原因進(jìn)行減振降噪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),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(jié)流口設(shè)計(jì)為長通道形,以達(dá)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(dǎo)閥彈簧的剛度,并調(diào)整芯錐閥頭部的流動狀態(tài),建議使用圓弧形[5],以消減渦流區(qū)的作用力;最后,基于機(jī)械噪聲的成因,應(yīng)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(jìn)排氣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。以內(nèi)燃機(jī)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(jìn)氣沖程時,氣流高速進(jìn)入內(nèi)燃機(jī),與其燃?xì)馐医Y(jié)構(gòu)產(chǎn)生氣流沖擊[6]。進(jìn)排氣噪聲主要是由于進(jìn)氣和排氣與空氣或內(nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)發(fā)生相互沖擊,從而產(chǎn)生了噪聲。在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,對噪聲源進(jìn)行減振降噪設(shè)計(jì),建議增加空氣濾清器設(shè)計(jì),并進(jìn)行進(jìn)氣通道、排氣通道的設(shè)計(jì)優(yōu)化,降低內(nèi)壓力脈動,使氣流順暢流動,以此降低進(jìn)排氣噪聲。2.2.6風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)風(fēng)機(jī)噪聲是由氣流引起的,主要有旋轉(zhuǎn)噪聲與渦流噪聲,屬于空氣動力性噪聲。在風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)降噪設(shè)計(jì)中,相關(guān)的研究人員針對普通風(fēng)機(jī)與傾斜蝸舌風(fēng)機(jī)進(jìn)行了比對,發(fā)現(xiàn)兩者聲級曲線不同,普通風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的聲級較高。所以,風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化可參照傾斜蝸舌風(fēng)機(jī),一是提高蝸舌間距,給予風(fēng)流一定的緩沖,同時增加蝸舌的傾斜度,對風(fēng)流形成一定的阻擋,并降低沖擊力;二是蝸舌曲率半徑的調(diào)整,進(jìn)行旋轉(zhuǎn)噪聲的抑制;三是風(fēng)機(jī)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(jī)械噪聲傳播途徑的控制設(shè)計(jì)

3.1吸聲與隔聲材料設(shè)計(jì)

吸聲材料使用吸聲技術(shù)制作,噪聲在經(jīng)過吸聲材料過程中,材料中的細(xì)小纖維發(fā)生振動,吸收噪聲并轉(zhuǎn)換為熱能。隔聲材料主要是阻擋噪聲的傳播,材料內(nèi)部為隔聲結(jié)構(gòu),具有很好的降噪效果[7]。在機(jī)械噪聲傳播途徑的控制設(shè)計(jì)方面,聯(lián)合使用吸聲與隔聲材料,實(shí)現(xiàn)雙重的降噪效果。比如,在鋼球磨煤機(jī)中的應(yīng)用,可以采用以下方法:一是在煤機(jī)筒體上設(shè)計(jì)多層吸聲與隔聲材料,降低筒體的噪聲;二是設(shè)計(jì)一個隔聲罩,將煤機(jī)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(yuǎn)的位置,使用吸聲屏障,主要是因?yàn)槲暡牧蠟槲曁幚?,針對直達(dá)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(dá)聲,使用隔聲屏障,其對于直達(dá)聲處理效果良好。如果距離較遠(yuǎn),操作者主要受反射聲的影響,應(yīng)使用吸聲屏障進(jìn)行降噪。

3.2消聲裝置設(shè)計(jì)

噪聲的消聲方式主要有以下兩種:一種是主動消聲,主要應(yīng)用在高精尖設(shè)備上;另一種是被動消聲,該技術(shù)成熟度較高,在機(jī)械設(shè)計(jì)消聲中應(yīng)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(yīng)用較為局限,一般適用于機(jī)械管道噪聲的消除,或者是安裝在排氣口位置進(jìn)行消音,不能用于其他噪聲的消除[8]。消音器主體結(jié)構(gòu)為進(jìn)口管和出口管,主要用于機(jī)械設(shè)備的氣流降噪。比如空調(diào)回風(fēng)管道、鍋爐的進(jìn)出口、冷卻塔的風(fēng)口等,以及擁有柴油發(fā)動機(jī)設(shè)備的廢氣排放口等。在高精尖機(jī)械設(shè)備上,采用的是自適應(yīng)被動共鳴板消聲器,例如在核潛艇上的應(yīng)用,雖然為被動消聲,卻可進(jìn)行頻率的調(diào)整,實(shí)現(xiàn)降噪的目標(biāo)。目前,基于噪聲的頻率調(diào)整,已經(jīng)出現(xiàn)了智能降噪系統(tǒng),在系統(tǒng)中輸入抗性聲能,主動進(jìn)行噪聲的消除。除了消聲器之外,還有幾種應(yīng)用較多的消聲設(shè)備:1)消聲坑,在機(jī)械設(shè)計(jì)中應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)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(jī)械進(jìn)氣和排氣過程中,促進(jìn)葉輪旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)變阻消音。葉輪在氣流的作用下旋轉(zhuǎn),使進(jìn)氣或排氣流動產(chǎn)生不同的阻尼,并且葉輪在旋轉(zhuǎn)過程中積累氣流能量,然后對流經(jīng)氣流進(jìn)行抽吸[9],維持氣流的穩(wěn)定流動,避免氣流相互沖擊產(chǎn)生噪聲。

3.3隔振設(shè)計(jì)

機(jī)械設(shè)備在運(yùn)行過程中難免振動,由振動產(chǎn)生的噪聲可使用隔振技術(shù)進(jìn)行處理。在機(jī)械設(shè)計(jì)中,針對機(jī)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(gòu)件之間使用隔振裝置進(jìn)行連接。一是使用彈性元件處理以減弱振動,達(dá)到降噪的目的;二是使用阻尼件進(jìn)行連接,構(gòu)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(shè)置隔振系統(tǒng),將振源隔離。隔振系統(tǒng)由彈簧與阻尼器構(gòu)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(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)中應(yīng)用廣泛,例如在轎車中聯(lián)合應(yīng)用主動與被動隔振技術(shù),在啟動轎車發(fā)動機(jī)后,發(fā)動機(jī)形成扭轉(zhuǎn)振動,設(shè)置懸置隔振系統(tǒng),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(dǎo)致發(fā)動機(jī)共振,影響到發(fā)動機(jī)的正常運(yùn)行,使用該系統(tǒng)將發(fā)動機(jī)與車身進(jìn)行隔離,消減這些振動力,實(shí)現(xiàn)主動隔振,避免振動噪聲的同時,減少振動對發(fā)動機(jī)的損壞。此外,阻尼材料可用于隔振系統(tǒng)中,降低機(jī)械的共振幅度,使機(jī)械結(jié)構(gòu)受到?jīng)_擊后快速恢復(fù)原狀,并且減少機(jī)械振動的噪聲輻射,達(dá)到抑制共振、減少噪聲的效果。

4結(jié)語

機(jī)械設(shè)備的振動與噪聲分貝一旦超出正常標(biāo)準(zhǔn),會對機(jī)械本身運(yùn)行造成影響,形成噪聲污染。所以,在機(jī)械設(shè)計(jì)階段需著重解決這一問題,機(jī)械設(shè)計(jì)是機(jī)械設(shè)備生產(chǎn)制造的指導(dǎo)性文件,決定著機(jī)械投入使用后的各項(xiàng)性能。通過在設(shè)計(jì)階段應(yīng)用減振降噪技術(shù),將振動程度控制在合理的范圍內(nèi),并在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中使用阻尼材料,根據(jù)噪聲源的類型進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的深化,并且在機(jī)械噪聲的傳播途徑上,恰當(dāng)使用隔聲、消聲、隔振等技術(shù),達(dá)到機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)減振降噪的目的,全面提高機(jī)械設(shè)計(jì)的環(huán)保性、經(jīng)濟(jì)性與實(shí)用性。

作者:張春幸 秦夢濤 單位:濟(jì)南二機(jī)床集團(tuán)有限公司

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