減振降噪在機(jī)械設(shè)計(jì)中應(yīng)用
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摘要：為了實(shí)現(xiàn)機(jī)械使用過(guò)程中的減振降噪，本研究從機(jī)械設(shè)計(jì)入手，對(duì)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(shí)，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(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一定的噪聲問(wèn)題，有設(shè)備內(nèi)部零部件運(yùn)行形成的噪聲，還有空氣動(dòng)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(wèn)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(duì)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(dòng)與空氣動(dòng)力噪聲，形成對(duì)機(jī)械設(shè)備運(yùn)行階段的振動(dòng)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(lái)源
1.1空氣動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)力性噪聲也有著很大的差異。比如，燃油機(jī)械設(shè)備會(huì)產(chǎn)生噴射噪聲或燃燒噪聲，由電力驅(qū)動(dòng)帶有大型風(fēng)扇的機(jī)械設(shè)備，則會(huì)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(guò)快，出現(xiàn)大幅度的振動(dòng)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(guò)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(wèn)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(shí)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(guò)程中選擇使用的工藝等，綜合分析評(píng)價(jià)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(lái)看，阻尼性能無(wú)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(dòng)能量消耗過(guò)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(shí)，材料組分阻礙振動(dòng)，并將振動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為熱量，達(dá)到降低振動(dòng)噪聲的目的?；诖耍跈C(jī)械減振降噪設(shè)計(jì)中，針對(duì)噪聲源選擇使用阻尼材料或高分子材料，以此形成對(duì)振動(dòng)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(guò)多，機(jī)械齒輪選用阻尼材料制造[2]，減少噪聲的同時(shí)，避免不良工作環(huán)境導(dǎo)致的齒輪腐蝕問(wèn)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(guò)程中會(huì)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(guò)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(dòng)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(guò)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(duì)該噪聲的良好控制。2.2.1振動(dòng)篩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。振動(dòng)篩機(jī)械設(shè)備在工作狀態(tài)下，持續(xù)振動(dòng)會(huì)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(dòng)篩軸承滾動(dòng)體結(jié)構(gòu)的改善，或者是可專門針對(duì)其噪聲源采用減振器設(shè)計(jì)，形成對(duì)結(jié)構(gòu)噪聲的抑制。比如，振動(dòng)篩對(duì)于軸承結(jié)構(gòu)相對(duì)運(yùn)動(dòng)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(dòng)篩采用空心滾動(dòng)體軸承，提高整體軸承的強(qiáng)度，穩(wěn)定振動(dòng)篩結(jié)構(gòu)，從而抑制振動(dòng)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(gè)齒輪相互之間嚙合運(yùn)動(dòng)完成機(jī)械動(dòng)作要求，由此引起齒輪之間的碰撞與摩擦，導(dǎo)致齒輪過(guò)大的振動(dòng)而產(chǎn)生噪聲。齒輪在高速轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中，包括齒輪組在內(nèi)的整個(gè)齒輪箱體在振動(dòng)的影響下，易發(fā)生共振現(xiàn)象，會(huì)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(dòng)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(guò)大與過(guò)小都會(huì)引起噪聲，合適的間隙設(shè)計(jì)對(duì)于減振降噪非常重要；四是對(duì)于因齒輪在生產(chǎn)制造期間精度不夠?qū)е碌脑肼暎赏ㄟ^(guò)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(rùn)滑油，維持齒輪高質(zhì)量的傳遞功率，保持齒輪之間的潤(rùn)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(dòng)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(dòng)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^(guò)氣隙的增加，形成對(duì)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(guò)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(duì)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(chǎng)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(guò)程中，會(huì)形成液體與機(jī)械兩種噪聲。液壓泵在泵送液體時(shí)，液體流動(dòng)或是其對(duì)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(dòng)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(dòng)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(zhǎng)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(dòng)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(dòng)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(rùn)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(guò)程中，會(huì)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(shí)，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(duì)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(dòng)，使氣流順暢流動(dòng)，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(dòng)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(duì)普通風(fēng)機(jī)與傾斜蝸舌風(fēng)機(jī)進(jìn)行了比對(duì)，發(fā)現(xiàn)兩者聲級(jí)曲線不同，普通風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的聲級(jí)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(shí)增加蝸舌的傾斜度，對(duì)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(duì)寬度，形成對(duì)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(guò)吸聲材料過(guò)程中，材料中的細(xì)小纖維發(fā)生振動(dòng)，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(gè)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?duì)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(duì)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(dòng)消聲，主要應(yīng)用在高精尖設(shè)備上；另一種是被動(dòng)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(jiàn)，該裝置阻擋噪聲效果好，同時(shí)不會(huì)對(duì)氣體流動(dòng)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(dòng)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(dòng)共鳴板消聲器，例如在核潛艇上的應(yīng)用，雖然為被動(dòng)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(dòng)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(jiǎn)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(guò)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(dòng)產(chǎn)生不同的阻尼，并且葉輪在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中積累氣流能量，然后對(duì)流經(jīng)氣流進(jìn)行抽吸[9]，維持氣流的穩(wěn)定流動(dòng)，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(guò)程中難免振動(dòng)，由振動(dòng)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(duì)機(jī)械振動(dòng)噪聲源，可將其與地基連接，或者是將振動(dòng)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(dòng)，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(dòng)噪聲隔離屏障。隔離振動(dòng)分為以下兩種，一種是主動(dòng)隔振，將振動(dòng)源與其支撐隔離；另一種是被動(dòng)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(duì)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(dòng)與被動(dòng)隔振技術(shù)，在啟動(dòng)轎車發(fā)動(dòng)機(jī)后，發(fā)動(dòng)機(jī)形成扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，設(shè)置懸置隔振系統(tǒng)，將振動(dòng)減弱后傳遞出去。在轎車行駛過(guò)程中，地面不平引起轎車振動(dòng)，該振動(dòng)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)共振，影響到發(fā)動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)行，使用該系統(tǒng)將發(fā)動(dòng)機(jī)與車身進(jìn)行隔離，消減這些振動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)隔振，避免振動(dòng)噪聲的同時(shí)，減少振動(dòng)對(duì)發(fā)動(dòng)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(dòng)的噪聲輻射，達(dá)到抑制共振、減少噪聲的效果。
4結(jié)語(yǔ)
機(jī)械設(shè)備的振動(dòng)與噪聲分貝一旦超出正常標(biāo)準(zhǔn)，會(huì)對(duì)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(wèn)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(guò)在設(shè)計(jì)階段應(yīng)用減振降噪技術(shù)，將振動(dòng)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(mèng)濤 單位:濟(jì)南二機(jī)床集團(tuán)有限公司