压路机驾驶室内噪音解决案例

肖 洋，张俊娴，位文凯，田若铎

（徐工集团工程机械股份有限公司道路机械分公司，江苏 徐州 221004）

随着工程机械制造水平的提高，在压路机的样机开发过程中对驾驶室内噪音的性能越来越重视，驾驶员耳旁的噪音水平逐步成为用户评价机器品质好坏的重要参考指标之一。压路机的主要噪音源为发动机、风扇、液压系统。随着发动机排放标准的不断升级，再经过技术人员在风扇控制方面的不断研发和创新，其噪音水平得到了极大地改善，这使得原先不被人们所关注的其他噪音问题逐步显现出来。

齿轮泵和与其相连接的液压管路所产生的流量脉动噪音就是其中之一，是造成压路机驾驶室内噪音高的原因之一。

1 识别驾驶室内噪音源的方法

在某新型压路机研发过程中，样机启动发动机后，在发动机的低中高3种转速下原地不工作状态和转动方向盘时，驾驶室内均出现让驾驶员不适的噪音。用声音检测分贝仪测量驾驶员耳旁噪音值为76.6dB，CE认证标准中工程机械驾驶室内噪音≤80dB，虽偏高但仍在标准范围之内。采用以下方法识别出驾驶室内的噪音源：①该机型的风扇是靠独立的液压系统驱动，通过风扇驱动系统的短接不让风扇工作，测量驾驶室内的噪音值和感受噪音质量均无变化，排除风扇运转造成的噪音；②该机型的液压转向系统（图1）中转向器和液压管路在驾驶室下面，短接转向器，测量驾驶室内的噪音值和感受噪音质量均无变化，排除转向器工作造成的噪音；③将给液压转向系统提供油源的齿轮泵出油直接接回油箱，此时测量驾驶室内的噪音值下降了10dB，同时让驾驶员不适的噪音消失，确认为液压转向系统造成的驾驶室噪音。

图1 液压转向系统原理图

通过原理图结合试验测试来分析，噪音源锁定在齿轮泵和转向管路上。齿轮泵运转时输出液压油流量和压力，同时产生的噪音和振动，在与其相连的液压管路中产生了流量脉动，这种流量脉动产生的噪音与压路机固定振动频率接近时，驾驶室内的噪音值会明显大于无流量脉动时的噪音值，同时噪音质量会显著下降，从而让驾驶员感到不适。

2 齿轮泵噪音产生机理

压路机一般采用的都是外啮合齿轮泵，图2为外啮合齿轮泵的工作原理图。

图2 啮合齿轮泵工作原理图

由图2可知，该泵的壳体内装有一对外啮合齿轮。由于齿轮端面与壳体端盖之间的缝隙很小，齿轮齿顶与壳体内表面的间隙也很小，因此可以看成将齿轮泵壳体内分隔成左、右2个密封容腔。当齿轮按图示方向旋转时，齿轮泵右侧(吸油腔)齿轮脱开啮合，齿轮的轮齿退出齿间，使密封容积增大，形成局部真空，油箱中的油液在外界大气压的作用下，经吸油管路、吸油腔进入齿间。

随着齿轮的旋转，吸入齿间的油液被带到另一侧，进入压油腔。这时轮齿进入啮合，使密封容积逐渐减小，齿轮间部分的油液被挤出，形成了齿轮泵的压油过程。齿轮啮合时齿向接触线把吸油腔和压油腔分开，起配油作用。当齿轮泵的主动齿轮由电动机带动不断旋转时，轮齿脱开啮合的一侧，由于密封容积变大则不断从油箱中吸油，轮齿进入啮合的一侧，又由于密封容积减小则不断地排油，实现了向液压系统输送油液的过程。在齿轮泵中，吸油区和压油区由相互啮合的轮齿和泵体分隔开来，因此没有单独的配油机构。

从外啮合齿轮泵工作原理可以看出，外啮合齿轮泵出现噪声和振动是不可避免的，但出现较大噪声会对液压系统产生不利的影响，特别是会使液压系统出现较大振动。如果是高速旋转的发动机，使用外啮合齿轮泵出现较大噪声和振动，甚至会影响整机的使用寿命。通过进一步理论分析与实验发现，造成外啮合齿轮泵产生噪声和振动的原因较多，究其主要原因主要为：①外啮合齿轮泵出现困油现象而没有设计相应的卸荷槽；②外啮合齿轮泵的制造精度不够；③轴承间隙过大；④外啮合齿轮泵高速旋转时出现抽空现象或者是吸油管路中途吸入空气；⑤外啮合齿轮泵排油口出油压力急剧上升，而在吸油口处进入齿槽中的油液压力较低，甚至比大气压力还低，以这样低的油压送到排油口，伴随压力急剧上升出现较大冲击，从而产生了噪声和振动；⑥现代的外啮合齿轮泵为了得到较高的容积效率，泵齿轮都是采用高正变位的齿轮，齿数较少，但随之而来的是瞬时排量脉动率大，使得外啮合齿轮泵排油压力脉动率增大，这也是外啮合齿轮泵产生噪声的一个原因。除此之外，在流体输送系统中，液流速度、流量和压力的快速变化，气泡的破裂及交变的负载都是使外啮合齿轮泵产生噪声和振动的常见原因。

3 噪音优化改进方案

优化方案可以从两方面入手，一方面是选择低噪音设计的齿轮泵，另一方面是优化设计与齿轮泵相连接的液压管路或增加消音装置，从而吸收齿轮泵传递过来的流量脉动。设计人员采用了以下3种方案，进行了对比测试。

3.1 优化与齿轮泵连接的液压管路

图3中齿轮泵连接液压管路图中可以看出齿轮泵出口到转向器入口管路2和转向器出口管路3是产生噪音的可能因素，因此增大软管内径，降低液压系统流量脉动，管路2内径由13mm增大到16mm，管路3内径由13mm增大到19mm。

图3 齿轮泵连接液压管路示意图

优化后的噪音值比初始噪音值降低了4dB，但噪音质量没有明显改善，分析软管内径对噪音改善不太明显。

3.2 在齿轮泵出油管路中加装消音器

流体消音器是基于具有干涉装置的膨胀容腔这一原则设计的，流体通过消音器的过滤消除，流量脉动被抑制在一个较宽的频谱上。这种消音器由焊接或者锻造壳体、1根内部管道和2个连接消音器两端的管子组成，消声器没有可拆卸部件，无须充气，因此是绝对免维护的。

测试中将消音器加装在齿轮泵和转向器之间的管路中，如图4中序号2和3之间，目的为消除齿轮泵出口的流量脉动。

图4 管路加装消音器示意图

优化后的噪音值为64.1dB，比初始噪音值降低了12.5dB，噪音质量得到很大改善。

3.3 选用低噪音齿轮泵

现今低噪音齿轮泵普遍使用双面啮合原理的方法来代替普通齿轮泵的单面啮合，以此来降低流量脉动。在相同排量的情况下，由于齿轮双面啮合，实际齿轮两侧面啮合线正好相反，即减少了流量脉动幅度，又能减少困油容积。但同样由于齿轮两侧面啮合线相反，在实际工作中，旋转副关键元件的磨损量会高于普通齿轮泵，减少齿轮泵的寿命，同时降噪效果会随着磨损量的加剧而越来越差。

本次测试用到的某品牌低噪音齿轮泵目的同样是为了降低流量脉动，但使用的是完全不同的方法，得益于革命性的非对称型齿形设计理念，在保持与普通齿轮泵齿顶圆直径相同的情况下，该齿轮泵的齿数接近普通齿轮泵的2倍。此外，齿轮泵的轮齿还带有轻微的螺旋状，这小小的螺旋角度不但会消除额外的轴向力，还会使流量输送更平稳，进一步降低流量脉动。同时，低噪音齿轮泵保留着与普通齿轮泵相同的啮合线。因此，齿轮泵的降噪效果在泵的使用过程中自始至终持续存在。

换上低噪音泵之后用液压测试仪器及所配压阻式压力传感器测得的流量—压力曲线如图5～图7所示。

图5 发动机怠速时普通泵和低噪音泵流量—压力曲线对比

图6 发动机中速时普通泵和低噪音泵流量—压力曲线对比

图7 发动机高速时普通泵和低噪音泵流量—压力曲线对比

通过对不同发动机转速下齿轮泵输出的流量和压力曲线得出，普通齿轮泵的流量和压力波动明显高于低噪音泵，采用低噪音泵后的噪音值为62dB，比初始噪音值降低了14.6dB，噪音质量得到很大改善。

4 结 语

驾驶室内噪音源经前期试验分析定义为液压转向系统中的流量脉动，试验中的加粗管径、加装消音器和更换低噪音齿轮泵3种方案都是为了减低流量脉动。从试验结果分析，方案1加粗管径对流量脉动造成的影响较小，只能在一定程度上降低噪音分贝值，不能改善噪音质量；方案2加装消音器能够达到降噪音分贝值，同时也能改善噪音质量，但该方案需要在液压系统中加装该元件，增加了实施难度和系统成本；方案3更换低噪音齿轮泵，噪音值大幅降低，同时噪音质量也得到了很大改善，驾驶员人耳舒适度提升明显，因此笔者认为方案3效果最佳，性价比和可行性最优。