减振降噪在机械设计中的应用

张春幸，秦梦涛

（济南二机床集团有限公司，山东 济南 250022）

机械设备在运行过程中会产生一定的噪声问题，有设备内部零部件运行形成的噪声，还有空气动力性噪声，需将机械运行的噪声控制在标准值的范围内，减少机械噪声污染问题，保护机械周边环境与人员的安全。因此，在机械设备设计阶段采用减振降噪措施，对噪声源及噪声传播途径加以控制，增强机械设计消声、隔声、吸声的作用，提前预防机械振动与空气动力噪声，形成对机械设备运行阶段的振动及噪声的良好控制，强化机械设计的减振降噪效果，保证机械设备投入使用后的安全可靠。

1 机械噪声的来源

1.1 空气动力性噪声源

该类噪声是气流与气流之间，或者是气流与机械零部件之间相互作用产生的噪声，包括运动气流之间形成的气流噪声，气流与静止机械零件之间形成的涡流噪声，以及静止大气与机械运动部件之间的旋转噪声等。此外，机械设备类型的不同，产生的空气动力性噪声也有着很大的差异。比如，燃油机械设备会产生喷射噪声或燃烧噪声，由电力驱动带有大型风扇的机械设备，则会有旋转噪声、涡流噪声等。

1.2 机械性噪声源

该类噪声是由机械设备运行形成的噪声，像是机械零部件安装精度不够，零部件之间碰撞产生噪声，或是机械设备运转速度过快，出现大幅度的振动形成机械噪声[1]。机械噪声的类型较多，主要有碰撞噪声、摩擦噪声、电磁噪声等等。机械噪声的出现与机械设计、零部件材料选用、生产制造工艺，以及机械设备使用过程中的检修、维护质量，乃至于机械设备工作环境等，都有着较大的关系。需要在设计阶段提前进行机械的减振降噪设计，尽可能在设计阶段解决机械性噪声问题，降低机械设备投入使用后噪声污染发生的概率。

2 机械噪声源的控制设计

2.1 材料的选择

材料选择是机械设计的首要内容，出于机械减振降噪的考虑，在选择材料时需着重考虑其阻尼性能，还要考虑到材料的物理、化学性能，以及材料制造过程中选择使用的工艺等，综合分析评价材料的各项性能，以保证机械的高品质设计。从机械制造常用的几种金属材料来看，阻尼性能无法满足减振降噪的需求，像铜、铁、铝等，这些金属在激振力的作用下，振动能量消耗过少，从而产生较大的噪声。而阻尼材料或是高分子材料则表现出了良好的阻尼性能，当材料遭到激振影响时，材料组分阻碍振动，并将振动能量转化为热量，达到降低振动噪声的目的。基于此，在机械减振降噪设计中，针对噪声源选择使用阻尼材料或高分子材料，以此形成对振动噪声的有效控制。比如机械设备的运行环境粉尘过多，机械齿轮选用阻尼材料制造[2]，减少噪声的同时，避免不良工作环境导致的齿轮腐蚀问题。

2.2 深化机械结构设计

机械设备在运行过程中会产生结构噪声，该噪声在机械设备内部不是以空气为介质传播，而是通过机械的零件、构件传播至外部，比如机械设备内部封闭壳体结构，其内部的零件振动引发的结构噪声。该噪声占据机械总声能的九成以上，噪声的影响范围较大，需通过机械结构的深化设计，改善机械结构零部件之间的协调性、整体性等，以形成对该噪声的良好控制。

2.2.1 振动筛结构设计

振动筛机械设备在工作状态下，持续振动会产生较大的噪声。在该机械结构设计中，进行振动筛轴承滚动体结构的改善，或者是可专门针对其噪声源采用减振器设计，形成对结构噪声的抑制。比如，振动筛对于轴承结构相对运动的要求较低，在此处安装减振器，起到减缓激振的效果。在要求较高的情况下，则建议振动筛采用空心滚动体轴承，提高整体轴承的强度，稳定振动筛结构，从而抑制振动噪声。

2.2.2 齿轮结构设计

机械内部齿轮在运行状态下，齿轮组中各个齿轮相互之间啮合运动完成机械动作要求，由此引起齿轮之间的碰撞与摩擦，导致齿轮过大的振动而产生噪声。齿轮在高速转动的过程中，包括齿轮组在内的整个齿轮箱体在振动的影响下，易发生共振现象，会进一步增加噪声分贝。因此，齿轮结构深化设计应从以下几点入手：一是在用户机械结构设计需求的范围内，尽量采用斜齿轮及人字齿轮设计，使机械运动更加平稳，齿轮结构力传递得更加均衡，降低激振力，起到降噪的效果；二是将齿轮的压力角控制在20°左右[3]，但要保证齿轮可满足负载要求；三是齿隙的准确控制，齿侧的间隙过大与过小都会引起噪声，合适的间隙设计对于减振降噪非常重要；四是对于因齿轮在生产制造期间精度不够导致的噪声，可通过齿轮修齿进行弥补，保证齿轮之间的良好啮合，减少齿轮运行中的摩擦和撞击；五是加强齿轮质量的检验，设计阶段进行齿轮制造精度的严格把关，可有效避免机械投入使用后的噪声；六是齿轮设计阶段选用大黏度的润滑油，维持齿轮高质量的传递功率，保持齿轮之间的润滑，并起到缓冲撞击和摩擦的作用；七是在齿轮材料选用上，注重材料的阻尼性能，合理地运用该材料，可起到减振、隔振的作用。比如阻尼金属、黏弹性阻尼材料等，也可使用阻尼材料制作成阻尼层，直接粘贴在齿轮表面，达到减振降噪的目的。

2.2.3 电机结构设计

电磁噪声主要发生在用电机械设备上，比如变频器、电动机、变压器等，尤其是大型设备的电磁噪声表现明显。以工业用交流异步电动机槽噪声为例，在机械结构设计中，可加大气隙间距达到减小噪声的目的，主要是因为通过气隙的增加，形成对磁极磁通密度的饱和程度的控制，减少功率因数。也可应用气隙间距的变化设计，或是联合使用斜槽转子设计，提高降噪的效果。经过以上设计分析，在电磁噪声控制中，采用如下设计方案：一是减少气隙磁密，形成对高次谐波的控制；二是应用斜槽转子设计[4]，起到降低齿谐波的效果；三是优化定子转子磁场均匀度，增加气隙设计，降低磁拉力，并提高两者的制造精度，保证气隙的均匀，同样具备控制电磁噪声的效果；四是进行闭口齿槽设计以控制高次谐波。

2.2.4 液压泵结构设计

液压泵在运行过程中，会形成液体与机械两种噪声。液压泵在泵送液体时，液体流动或是其对泵结构产生冲击与摩擦，形成了噪声，结构设计方案可选用阻尼材料进行解决。液压泵持续作业形成动力压强产生噪声，该噪声分为两种：一种是机械噪声，比如机械振动形成的噪声，或是机械零部件接触形成的噪声；另一种是流体噪声，液压泵运行形成的压力流量以及气穴、气蚀等。根据噪声的形成原因进行减振降噪的结构设计，首先是主阀阀口与阀座的气蚀噪声，阀芯半锥角-阀座半锥角=3°，并减少阀体回流腔的尺寸，节流口设计为长通道形，以达到减少旋涡的目的，降低噪声分贝；其次是压力波动噪声，维持液压溢流阀压力的平衡，增加先导阀弹簧的刚度，并调整芯锥阀头部的流动状态，建议使用圆弧形[5]，以消减涡流区的作用力；最后，基于机械噪声的成因，应从液压泵溢流阀阀芯与阀套间材料选择上入手，建议使用金属石墨、陶瓷等，保证零部件之间的润滑特性，减少摩擦与碰撞形成的噪声。

2.2.5 进排气结构设计

以内燃机噪声为例，在其排气过程中，会释放高压与高温气体，这些气体与空气碰撞形成噪声。比如进气冲程时，气流高速进入内燃机，与其燃气室结构产生气流冲击[6]。进排气噪声主要是由于进气和排气与空气或内燃机结构发生相互冲击，从而产生了噪声。在机械结构设计中，对噪声源进行减振降噪设计，建议增加空气滤清器设计，并进行进气通道、排气通道的设计优化，降低内压力脉动，使气流顺畅流动，以此降低进排气噪声。

2.2.6 风机结构设计

风机噪声是由气流引起的，主要有旋转噪声与涡流噪声，属于空气动力性噪声。在风机结构降噪设计中，相关的研究人员针对普通风机与倾斜蜗舌风机进行了比对，发现两者声级曲线不同，普通风机产生的声级较高。所以，风机结构优化可参照倾斜蜗舌风机，一是提高蜗舌间距，给予风流一定的缓冲，同时增加蜗舌的倾斜度，对风流形成一定的阻挡，并降低冲击力；二是蜗舌曲率半径的调整，进行旋转噪声的抑制；三是风机叶道出口影响着涡流噪声，减少其相对宽度，形成对该噪声的有效控制。

3 机械噪声传播途径的控制设计

3.1 吸声与隔声材料设计

吸声材料使用吸声技术制作，噪声在经过吸声材料过程中，材料中的细小纤维发生振动，吸收噪声并转换为热能。隔声材料主要是阻挡噪声的传播，材料内部为隔声结构，具有很好的降噪效果[7]。在机械噪声传播途径的控制设计方面，联合使用吸声与隔声材料，实现双重的降噪效果。比如，在钢球磨煤机中的应用，可以采用以下方法：一是在煤机筒体上设计多层吸声与隔声材料，降低筒体的噪声；二是设计一个隔声罩，将煤机与外部隔离，阻断噪声辐射；三是使用隔声与吸声材料制作降噪屏障，在距离噪声源较远的位置，使用吸声屏障，主要是因为吸声材料为吸声处理，针对直达噪声的处理效果不佳。而在操作者与噪声源较近的情况下，噪声辐射的为直达声，使用隔声屏障，其对于直达声处理效果良好。如果距离较远，操作者主要受反射声的影响，应使用吸声屏障进行降噪。

3.2 消声装置设计

噪声的消声方式主要有以下两种：一种是主动消声，主要应用在高精尖设备上；另一种是被动消声，该技术成熟度较高，在机械设计消声中应用较多。其中消声装置较为常见，该装置阻挡噪声效果好，同时不会对气体流动造成影响，但是应用较为局限，一般适用于机械管道噪声的消除，或者是安装在排气口位置进行消音，不能用于其他噪声的消除[8]。消音器主体结构为进口管和出口管，主要用于机械设备的气流降噪。比如空调回风管道、锅炉的进出口、冷却塔的风口等，以及拥有柴油发动机设备的废气排放口等。在高精尖机械设备上，采用的是自适应被动共鸣板消声器，例如在核潜艇上的应用，虽然为被动消声，却可进行频率的调整，实现降噪的目标。目前，基于噪声的频率调整，已经出现了智能降噪系统，在系统中输入抗性声能，主动进行噪声的消除。除了消声器之外，还有几种应用较多的消声设备：1）消声坑，在机械设计中应用的经济性好，使用简单方便，降低压力损失，可有效消除噪声；2）消声百叶扇，在机械进气和排气过程中，促进叶轮旋转实现变阻消音。叶轮在气流的作用下旋转，使进气或排气流动产生不同的阻尼，并且叶轮在旋转过程中积累气流能量，然后对流经气流进行抽吸[9]，维持气流的稳定流动，避免气流相互冲击产生噪声。

3.3 隔振设计

机械设备在运行过程中难免振动，由振动产生的噪声可使用隔振技术进行处理。在机械设计中，针对机械振动噪声源，可将其与地基连接，或者是将振动噪声源与接触构件之间使用隔振装置进行连接。一是使用弹性元件处理以减弱振动，达到降噪的目的；二是使用阻尼件进行连接，构建振动噪声隔离屏障。隔离振动分为以下两种，一种是主动隔振，将振动源与其支撑隔离；另一种是被动隔离，是在防振部位设置隔振系统，将振源隔离。隔振系统由弹簧与阻尼器构成，建立振源与被隔离对象之间的降噪屏障，以消除和降低噪声[10]。隔振技术在机械设计中应用广泛，例如在轿车中联合应用主动与被动隔振技术，在启动轿车发动机后，发动机形成扭转振动，设置悬置隔振系统，将振动减弱后传递出去。在轿车行驶过程中，地面不平引起轿车振动，该振动导致发动机共振，影响到发动机的正常运行，使用该系统将发动机与车身进行隔离，消减这些振动力，实现主动隔振，避免振动噪声的同时，减少振动对发动机的损坏。此外，阻尼材料可用于隔振系统中，降低机械的共振幅度，使机械结构受到冲击后快速恢复原状，并且减少机械振动的噪声辐射，达到抑制共振、减少噪声的效果。

4 结语

机械设备的振动与噪声分贝一旦超出正常标准，会对机械本身运行造成影响，形成噪声污染。所以，在机械设计阶段需着重解决这一问题，机械设计是机械设备生产制造的指导性文件，决定着机械投入使用后的各项性能。通过在设计阶段应用减振降噪技术，将振动程度控制在合理的范围内，并在机械结构设计中使用阻尼材料，根据噪声源的类型进行机械结构设计的深化，并且在机械噪声的传播途径上，恰当使用隔声、消声、隔振等技术，达到机械结构设计减振降噪的目的，全面提高机械设计的环保性、经济性与实用性。