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工程機械噪聲與控制理論問題初探

  
評論: 更新日期:2013年10月08日

 引言
  
  隨著工程機械行業(yè)的迅速發(fā)展,人們對于工程機械的舒適性和振動噪聲控制的要求越來越嚴格。噪聲的控制,不僅關(guān)系到乘坐舒適性,而且還關(guān)系到環(huán)境保護。一切噪聲又源于振動,振動能夠引起某些部件的早期疲勞損壞,從而降低工程機械的使用壽命;過高的噪聲既能損害駕駛員的聽力,還會使駕駛員迅速疲勞,從而對工程機械行駛作業(yè)安全性構(gòu)成了極大的威脅。噪聲控制也關(guān)系到工程機械產(chǎn)品的工作的平順性、耐久性和安全性。因此振動、噪聲和舒適性這三者是密切相關(guān)的,既要減小振動,降低噪聲,又要提高乘坐舒適性,保證產(chǎn)品的經(jīng)濟性,使工程機械產(chǎn)品的噪聲控制在標準范圍之內(nèi)。
  
  進入21上世紀后,人類為了實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展,提出了工程機械的環(huán)保技術(shù)和信息技術(shù),使工程機械發(fā)展進入了新的發(fā)展階段。歐美和日本市場對工程機械產(chǎn)品的噪聲實施了更加嚴格的要求。因此工程機械的環(huán)保技術(shù)和信息技術(shù)是今后國際工程發(fā)展趨勢的主流。為配合國際化戰(zhàn)略,以國際先進產(chǎn)品標準為指導,提升產(chǎn)品技術(shù)水平,尤其為進一步開拓國際市場,徐工產(chǎn)品下一步發(fā)展思路和主要目標之一就是進行節(jié)能、環(huán)保、操作舒適性等技術(shù)的研究。
  
  1噪聲的種類
  
  產(chǎn)生工程機械噪聲的主要因素是空氣動力、機械傳動、液壓三部分。從結(jié)構(gòu)上可分為發(fā)動機(即燃燒噪聲、排氣噪聲、冷卻風扇噪聲、發(fā)電機噪聲),發(fā)動機本體噪聲(如發(fā)動機振動,配氣軸的轉(zhuǎn)動,進、排氣門開關(guān)等引起的噪聲)。傳動系噪聲、底盤各部件的連接配合引起的噪聲,車身噪聲(發(fā)動機引起車身結(jié)構(gòu)的振動,附件的安裝不合理引起的噪聲),液壓噪聲(齒輪泵,液壓閥及管路振動引起的噪聲),制動系統(tǒng)排氣噪聲,工作裝置動作沖擊噪聲。其中發(fā)動機及其相關(guān)件產(chǎn)生的噪聲占二分之一以上。因此發(fā)動機的減振、降噪成為工程機械噪聲控制的關(guān)鍵之一。
  
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  早在1983年,一部分國產(chǎn)裝載機因噪聲過高,北京市公安局不發(fā)給使用牌照,購買單位紛紛要求退貨,使工程機械生產(chǎn)企業(yè)受到了一次強烈的沖擊。1984年,機械工業(yè)部頒布了《工程機械噪聲限值》標準(JB3774.84);1990年國家環(huán)保局頒布了《建筑施工場界噪聲限值》標準(GBl2523-90)。在以上基礎上,參照ISO/DIS6393-6396:1995標準,1996年頒布了國家標準《工程機械噪聲限值》(GB16710.1—1996),該標準規(guī)定的限值作為現(xiàn)階段我國工程機械產(chǎn)品的最低指標,是強制性標準而發(fā)布實施(比JB3774.1—84有所放寬)。該標準規(guī)定了工程機械司機位置處噪聲限值為92dB(A),還規(guī)定了機外輻射噪聲聲功率級與標定功率之間的關(guān)系。分別見表1,2
  
  由于西方發(fā)達國家制造業(yè)水平較高,無論是發(fā)動機,還是油泵、變速箱、變矩器等機械、液壓部件等運行噪聲較小。
  
  
  出于對環(huán)境和對人體健康的保護,這些國家的嗓聲限值標準一直在不斷降低。歐洲噪聲限值標準于1997年修訂,比原標準下降4dB(A),其中規(guī)定最大噪聲不得大于113dB(A),發(fā)動機功率為154kW時,噪聲聲功率級限值應小于等于107dB(A),比我國現(xiàn)行國家標準低11dB(A).2002年1月1日,歐洲標準進一步修訂,比97年標準下降3dB(A)。在日本,1997年10月頒布實施的最低噪聲限值標準,比97年歐洲標準嚴,其中規(guī)定發(fā)動機功率大于105kWlt寸,最大噪聲不得大于106dB(A),比我國現(xiàn)行國家標準低12dB(A)?,F(xiàn)在,降低工程機械產(chǎn)品噪聲排放限值已是全球性趨勢。
  歐盟2000年5月5日的頒布的“有關(guān)室外使用設備環(huán)境噪聲排放”法規(guī)規(guī)定,從2006年1月,實施該法規(guī)第二階段噪聲排放標準,同等發(fā)動機功率設備,比1997年修訂的歐洲噪聲限值低2~3dB(A)。具體噪聲排放標準見表3
  
  3噪聲評價與噪聲的控制
  

  噪聲評價指標主要是指車內(nèi)、外的噪聲值和振動適應性。評價方法可分為主觀評價和客觀評價。影響汽車噪聲主觀評價的主要因素是舒適性、響度和確定性。在客觀評價時,可以采用噪聲測量裝置測量試驗進行分析;此外模擬技術(shù)中的聲場分析有限元法(FEM)和邊界元法(BEM)也被廣泛應用。
  
  國外對噪聲研究著手較早,1970年美國開始對車內(nèi)嗓聲特性進行研究,八十年代,美國工程力學研究所在研究車內(nèi)噪聲特性預測方面做了大量的研究工作,他們系統(tǒng)研究了聲學模態(tài)分析的有限單元建模方法,探討了車身結(jié)構(gòu)振動對車內(nèi)聲場的影響以及車內(nèi)聲壓對邊界振動的影響,建立了結(jié)構(gòu)一聲學藕合的有限單元模型。完成了彈性邊界的聲學模態(tài)分析和車身結(jié)構(gòu)受迫振動時車內(nèi)聲壓分布的計算,推導出結(jié)構(gòu)振動一聲壓波動在受到外界干擾力作用時的有限元計算公式,為車內(nèi)噪聲預測分析打下了良好的基礎。
  
  日本對工程機械噪聲的研究也非常重視,在主要傳動件噪聲得到有效控制后,深入研究不同結(jié)構(gòu)形成的空氣流噪聲,并應用在新一代挖掘機等工程機械上。國內(nèi)在車輛噪聲研究方面起步較晚,工程機械噪聲的分析研究則更晚。近二十年來,治理工程機械噪聲已成為許多生產(chǎn)廠和科研部門急需解決的重要課題。出于對舒適性的要求,國內(nèi)外對車體〖駕駛室〗的振動及振動噪聲研究較多,對車外噪聲的分析研究相對較少,但近幾年來也在逐步增加。
  
  噪聲治理首先要找出主要噪聲源。頻譜分析法是識別噪聲源基本方法之一,頻譜分析中除了使用幅值頻譜圖以外,最常用的還有功率譜圖,此外還有相干函數(shù)法、倒頻譜法。自70代起,聲全息理論發(fā)展迅速,但至今未能得到廣泛應用,主要是設備昂貴,且空間分辨誤差要大于聲波的波長。聲強測量法是80年代初在聲學測量和信號處理方面發(fā)展起來的新技術(shù),已為人們普遍接受,由于測點太多,在我國一般廠家很難實現(xiàn)。近幾年,采用聲近場聲全息技術(shù)和聲壓法識別車外主要噪聲源的研究都取得了一定進展。
  
  根據(jù)噪聲產(chǎn)生和傳播的機理,可以把噪聲控制技術(shù)分為以下三類:一是對噪聲源的控制,二是對噪聲傳播途徑的控制,三是對噪聲接受者的保護。其中對噪聲源的控制是最根本、最直接的措施,包括降低噪聲的激振力及降低發(fā)動機部位對激振力的響應等,即改造振源和聲源。但是對噪聲源難以進行控制時,就需要在噪聲的傳播途徑中采取措施,例如吸聲、隔聲、消聲、減振及隔振等措施。
  
  工程機械產(chǎn)品的減振降哚水平與整車的熱平衡性、動力性、經(jīng)濟性、可靠性及強度、剛度、質(zhì)量、制造成本密切相關(guān)。
 ?。常卑l(fā)動機的振動與噪聲
  
  降低發(fā)動機噪聲是工程機械產(chǎn)品噪聲控制的重點。發(fā)動機是產(chǎn)生振動和噪聲的根源。發(fā)動機的噪聲是由燃料燃燒,配氣機構(gòu)、正時齒輪及活塞的敲擊噪聲等合成的。

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