液压挖掘机机外辐射噪声分析与改进

 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。