挖掘机噪声测试分析与降噪措施

□ 孙培艳 □ 顾永翔 □ 李 臣

柳工常州机械有限公司 江苏常州 213168

1 分析背景

噪声是由各种设备持续运动发出的无规则、不协调声响,对人们的听觉系统、神经系统等有不良影响,国家对工作场所的噪声有相应的法规要求。挖掘机产品的噪声水平是挖掘机整机舒适性的一个重要指标。为满足挖掘机舒适性的要求,以某型挖掘机为研究对象,对该型挖掘机的整机声功率级和噪声频谱进行测试和分析,针对主要噪声源进行优化改进,使挖掘机整机噪声达到法规要求,同时为挖掘机产品噪声优化提供一定的经验和实践依据。

挖掘机整机噪声的形成有多种因素,主要来源有空气动力、机械、液压三个方面。发动机系统噪声包括发动机本体噪声、风扇噪声、进气噪声、排气噪声等。机械噪声包括发动机振动带动车架振动引起的噪声、各部件装配不合理引起的噪声、运动部件连接相对运动引起的噪声等。液压系统噪声包括液压泵、液压阀、油缸、管道振动引起的噪声等。

对于挖掘机整机降噪,首先要找到主要噪声源。频谱分析法是识别主要噪声源最重要也是最基本的方法。对挖掘机整机噪声进行频谱采集分析,明确主要噪声源,针对主要噪声源采取措施,进行改进,降低主要噪声源的声功率级,从而有效降低挖掘机整机噪声,提升挖掘机整机的舒适性。根据噪声产生与传播原理,有效降噪的方法主要包括对噪声源的控制、对噪声传播途径的控制、对噪声接受者的保护。其中,最根本、最直接的方法是对噪声源进行控制。实际情况是,基于挖掘机实际应用情况的复杂性,噪声源的可控范围极其有限,因此对噪声传播途径的控制是降低挖掘机整机噪声经常使用的方法,如消声、吸声等。

2 挖掘机噪声源测试和分析

根据标准GB/T 25614—2010《土方机械 声功率级的测定 动态试验条件》,结合某型挖掘机的整机参数和实际各部件布置情况,对该型挖掘机进行噪声源的测试。

测试该型挖掘机的整机声功率级时,测量面采用半球面。半球面半径r为10 m,Z轴与挖掘机的回转中心轴线重合。在半球面上设置六个测点,采用传声器测量各测点的A计权声压级。各传声器位置如图1所示,其坐标见表1。传声器1位于挖掘机驾驶室的左前侧,驾驶室振动引起的噪声在该处较为明显。传声器2位于发动机进气位置附近。传声器3位于发动机的右后方,在主泵位置附近,需要结合频谱分析该处的主要噪声源。传声器4位于挖掘机驾驶室的右前方,在油缸附近,需要结合频谱分析该处的主要噪声源。传声器5位于发动机的左上方,在风扇上方,需要结合频谱分析该处的主要噪声源。传声器6位于液压系统的上方,液压系统引起的噪声在该处较为明显。

▲图1 传声器位置

表1 传声器位置坐标

分别测试两种工况下各测点的A计权声压级。定置工况指只启动发动机,将发动机转速调至最大值,挖掘机整机不动作。挖掘工况指将发动机转速调至最大值,挖掘机整机进行挖掘动作。

两个工况所有测点进行三次测量,取平均值作为测点的A计权平均声压级。

计算该型挖掘机的整机声功率级,根据测试场地、环境及测试时间,取背景噪声修正值和环境修正值为0,则挖掘机的整机声功率级可以由式(1)、式(2)计算得到。

(1)

(2)

式中:LPAi为第i个传声器的A计权平均声压级;N为传声器数量;LPA为测量面上各传声器阵列的A计权平均声压级的平均值;S为测量面面积;LWA为挖掘机整机声功率级。

经计算,该型挖掘机整机声功率级的测试结果见表2。

表2 挖掘机整机声功率级测试结果

对该型挖掘机的六个测点进行噪声频谱采集,并进行1/3倍频程分析,频谱分析结果如图2所示。图2很直观地展示了两种工况下该型挖掘机整机噪声的能量分布情况。

▲图2 频谱分析结果

根据频谱分析结果,结合该型挖掘机的整机参数和各部件实际布置情况,可以判断出主要噪声源是发动机体,其次是风扇,其余测点的噪声未有明显影响。由此可见,需要分别对两个主要噪声源进行优化。

3 挖掘机降噪措施

挖掘机降噪工作非常复杂,需要综合考虑方案的可实施性,同时也需要考虑成本因素。

3.1 针对发动机体噪声

从对噪声源的控制、对噪声传播途径的控制这两个方面来采取措施,暂时不考虑对噪声接受者的保护。

对噪声源的控制可以考虑两种方案。第一,降低发动机转速,这是最直接的方法,但是会直接影响整机性能,因此尽量不采用。第二,采用隔振方案,即对固定在发动机上直接连接于发动机的零部件及发动机本体进行整体隔振,由于挖掘机工作环境、工作模式比较恶劣,对刚性要求较高,同时对成本影响较大,因此这一方案的实施优先级也较低。

对噪声传播途径的控制,主要方案为消声、吸声等。可以针对机罩在不明显增加成本的基础上进行重新制作,提高密封性,增加吸声材料,具体采取三方面措施。

(1)封堵底封板。优化前后的底封板如图3所示。优化前底封板为开孔结构,噪声辐射影响较大。将底封板优化为不开孔的平面板,需注意复测挖掘机整机的热平衡,在挖掘机整机的热平衡不受影响或者影响较小的情况下才可以优化。

▲图3 底封板

(2)采用橡胶条密封。优化前后的后罩如图4所示。优化后后罩边缘增加橡胶条,将后罩与其它机罩之间的间隙用橡胶条进行密封。

(3)采用吸声海绵。优化前后的机舱右侧、机舱后侧、右门、上盖板依次如图5、图6、图7、图8所示。在挖掘机机舱右侧、机舱后侧、右门、上盖板处都贴上海绵,用于吸声。

▲图4 后罩

▲图5 机舱右侧

▲图6 机舱后侧

▲图7 右门

▲图8 上盖板

3.2 针对风扇噪声

由于风扇的流场设计和改进较为复杂,因此首先考虑选用低噪声风扇的方案。根据风扇的性能曲线对比,选用大叶片低噪声风扇。在相同转速下,大叶片低噪声风扇风量更大,噪声更小。另一个有效的方案是降低风扇的转速。调整发动机曲轴皮带轮和风扇皮带轮的尺寸,将风扇转速比由1调整为0.9。这一措施会对挖掘机整机热平衡产生影响,因此需要复测挖掘机整机的热平衡。上述两种方案是对噪声源的控制的最根本、最直接方法,实践证明,该型挖掘机采用上述方案后,降噪效果比较明显。

4 效果验证

完成相应的降噪措施之后,对挖掘机整机进行噪声测试,结果见表3。挖掘机整机噪声降低约2 dB,降噪措施有效。

表3 挖掘机整机噪声测试结果

5 结束语

随着用户对挖掘机性能及舒适性要求的不断提高,噪声成为挖掘机整机性能水平的衡量指标,如何有效降噪是挖掘机行业的一个重要课题。笔者以某型挖掘机为例,对其噪声进行测试,分析主要噪声源,并且有针对性地采取降噪措施,最终达到明显的降噪效果,为挖掘机噪声优化提供了一定的经验和实践依据。