拖拉机消声器结构优化设计

2023-09-08孙维连彭亚坤牛红恩王国虎

现代制造技术与装备 2023年7期

郭帅张放孙维连彭亚坤牛红恩王国虎

（郑州工业应用技术学院机电工程学院，郑州 451100）

作为目前重要的农业动力机械和农业生产工具，拖拉机的性能和效率直接影响农业生产的进程。拖拉机在农业生产中使用频繁，但在作业时会产生大量噪声，造成噪声污染，不利于驾驶员长期工作。如果工作人员长期在噪声较大的环境中工作，其身心健康会受到一定的影响。优化拖拉机消声器结构，降低拖拉机工作噪声，可以为工作人员创造良好的工作环境[1]。目前，国家提倡绿色环保，而噪声污染是环境污染的一部分，因此设计拖拉机消声器的重要性不言而喻。消声器不仅可以为操作者营造良好的工作环境，提高其工作效率，也有助于维护乡村的宁静和周边生态环境的健康。

近年来，很多专家学者对消声器进行了研究。张锐等分析发动机进气系统消声元件的特性，在进气系统中安装消声器降低了系统噪声[2]。郑荣钜通过分析消声器原理进行摩托车降噪优化[3]。苏新平等借助结构应力分析和模态分析对挖掘机消声器支架进行设计优化，大大延长了支架的使用寿命，实现了预期目标[4]。此外，有不少学者通过改变消声器的材质来提高其降噪性能[5-6]。

文章以基于声学超结构材料的拖拉机消声器优化为研究对象，分析传统消声器的结构，利用三维软件对拖拉机消声器进行建模，侧重于研究消声器内部结构的设计改良。

1 拖拉机噪声现状及控制方法

在乡间田地或是公路上，很远就可以听到拖拉机的轰鸣声。国家标准《拖拉机噪声限值》（GB 6376—2008）和国家拖拉机质量监督检验中心，对拖拉机噪声做出了明确规定：拖拉机环境噪声的分贝值应该在84～92 dB；驾驶室内的噪声分贝值应该在92～100 dB。噪声分贝值远超正常工作数值，不利于长期驾驶拖拉机的工作人员的身心健康。这种噪声还可能影响拖拉机异常问题的零部件声音，对拖拉机造成严重危害。

噪声来源主要包括5种，分别为发动机噪声、排气噪声、结构噪声、流体动力噪声及其他环境因素引起的噪声。

发动机噪声主要由发动机内部的燃烧和机械运动产生。例如，汽缸内的燃烧过程会产生爆炸声，而发动机的齿轮、连杆等机械部件在高速运转时也会产生噪声。通过优化发动机的设计和使用更高质量的零部件，可以减少这部分噪声。

排气噪声主要指当发动机燃烧后的废气通过排气系统排出时，由于压力差产生的噪声。消声器的主要作用是降低这部分噪声。优化消声器的设计，如使用多层复合式消声器，可以更有效降低排气噪声。

结构噪声主要指消声器内部的金属结构在发动机振动的影响下可能产生共振而出现的噪声。另外，如果消声器与拖拉机的其他部分连接不稳，也可能会因为振动产生噪声。优化消声器的结构设计和提高装配质量，可以降低这部分噪声。

流体动力噪声是由于发动机运行时，油气在消声器内部流动，碰撞消声器壁面产生的噪声。优化内部通道设计，使得流体能平稳流过，可以降低这部分噪声。

其他环境因素引起的噪声种类校多。例如，当风速较大时，风会对消声器产生冲击，导致噪声的产生；道路条件如道路的坡度、路面的粗糙度等，也会影响拖拉机的噪声水平。改善驾驶环境和道路条件，可以从源头上减少这部分噪声。

这些噪声需要通过不同的技术手段进行控制和降低，如使用降噪材料优化消声器结构设计、提高装配质量等，以提高拖拉机的性能和驾驶者的舒适度。

2 传统拖拉机消声器种类特点和基本要求

传统消声器基于声学和流体力学的原理，主要分为反射式消声器、吸收式消声器以及复合式消声器3类。反射式消声器也被称为共鸣消声器，是利用声波的反射和干涉使声波分散或相互抵消。具体来说，当声波遇到消声器内部的壁面时会产生反射，反射多次后声能会逐渐消散。反射式消声器的主要分类一般来自其内部的构造和应用场合，如直管型、弯管型和膨胀型等。这类消声器内部通常有一系列特定尺寸和形状的空腔和管道，可在特定的频率上产生最大的声波干涉。由于声波的干涉和反射，部分声波能量会被吸收，从而降低噪声水平。吸收式消声器内部通常填充一种或多种吸声材料，如玻璃纤维、矿棉或金属。当声波通过这些材料时，声波的能量会被转化为热能，从而降低声波的强度。这种消声器结构简单、体积小、重量轻，但是吸声效果可能不如反射式消声器。复合式消声器是反射式消声器和吸收式消声器的结合。一方面，它利用内部的空腔和管道产生声波的反射和干涉，从而降低声波的强度；另一方面，它使用吸声材料吸收声波的能量。复合式消声器既可以有效减少噪声，又能保持较小的体积和重量。

在设计消声器时，考虑气流流动的阻力非常关键，直接影响系统的效率和效果。第一，消声器的内部设计和结构会直接影响气流的流动情况。例如，过于复杂或者曲折的内部结构可能会造成较大的阻力，降低气流的流动速度，影响系统的效率。第二，填充材料会对气流形成阻力。填充材料需要在有效吸收声音和不过度阻碍气流之间达到平衡。第三，消声器的通道尺寸和形状也是造成阻力的重要因素。消声器通道过小或者形状不合适可能会增加阻力，降低气流的速度。第四，设计消声器时，需要权衡阻力和消声效率。过大的阻力可能会降低系统效率，但是过小的阻力可能会降低消声效果。第五，设计过程中可以通过模拟和计算来预测和评估消声器的阻力，以及该阻力对系统性能的影响。在设计应用于拖拉机的消声器时，应考虑消声器需要处理大量的高压、高温气体，而这些气体的流动阻力可能会对引擎的性能产生影响，因此必须在内部结构上侧重于减少噪声和降低流动阻力，在它们之间找到一个平衡点。

3 拖拉机消声器结构优化设计

拖拉机的消声器优化可以从4个方面开展。第一，设计消声器的内部通道。消声器内部的通道设计非常关键。优化这些通道的形状和尺寸可以降低气流的阻力，同时改善消声效果。例如，可以采用更光滑的材料或者更合理的通道曲率减小气流阻力，优化内部传统的圆筒型结构，采用三段扩张腔进行噪声处理，一级一级地削减噪声，形成多级消声器[7]。第二，使用合适的填充材料。在吸收式和复合式消声器中，填充材料的选择也很重要。需要选择可以有效吸收声音的材料，并考虑这些材料对气流流速的影响。第三，设计合理的消声单元。可以根据噪声的特性，设计不同的消声单元。例如，对于低频噪声，可以设计具有较大空腔的消声单元和较多的级数。设计较大的空腔消声单元是为了应对高频噪声和便于结构的集成化，尽可能减少消声器内部的连接件，使得消声器的整体结构更紧凑，以减少气流在连接处的湍流，降低阻力，改善消声效果。设计较多级数的消声单元则是为了进一步降低消声效果。研究表明，级数越多，降噪效果越佳，且可以同时改善消声器内部的高压。但是，并不是级数越多越好。试验发现，当级数大于5时，增益反而会削弱。消声器整体结构如图1所示。第四，设计方便维护的结构。消声器在使用过程中可能需要清理或更换内部的填充材料。设计方便打开和维护的结构，可以延长消声器的使用寿命，降低维护成本。

图1 拖拉机消声器内部整体结构

传统拖拉机消声器通常由进气口、中空腔、吸音材料及排气口等组成。它的基本工作原理是通过连接进气口与发动机，将发动机排出的废气引入中空腔。中空腔中隔板和吸声材料分散、吸收并有效减弱废气声音，剩余部分则在内部反射和传播消耗，最终从排气口排出剩余噪声。

基于传统消声器的原理，采用螺旋锥式结构具有更大的降噪优势。它的原理是发动机将高温废气通过固定法兰排入腔体，进入第一段扩张腔。每级扩张腔锥筒和半圆阻隔层螺旋式内部结构既可以增大消声器内部环形空间，又能让气流在消声器内传播和消耗，使得气流在旋转中获得更多的涡流和湍流，吸收更多的能量，削弱噪声，同时增大消声器内部反应面积，从而使废气气流更容易通过消声器排出，初步减小排气阻力。废气气流通过圆形漏斗阻隔层流入第二段扩张腔，其中第二段扩张器包含两级扩张腔，可进一步降低噪声。废气气流通过第二段扩张腔的圆形漏斗阻隔层流入第二段与第三段之间的空间，使废气气流得到膨胀和冷却。剩余废气气流进入第三段扩张腔进行最后的耗能，最终由排气口流出拖拉机，达到降噪的目的[8]。扩张腔结构与三维模型，分别如图2和图3所示。

图2 扩张腔结构

图3 扩张腔三维模型

该结构消声器具有以下优点。第一，降噪效果更好。螺旋式内部结构可以增加消声器内部的环形空间，使废气在旋转中获得更多的涡流和湍流，从而有效吸收更多的能量，降低噪声。第二，提高发动机的动力输出。螺旋式内部结构可以增加消声器内部的反应面积，使发动机废气在排出时更容易通过消声器减小阻力，提高发动机的动力输出。第三，减少维护保养成本。螺旋式内部结构的设计更简单，部件更少，更容易清理和维修，减少了维护保养的成本和时间。采用螺旋枪式的结构可以使噪声在内部遇到障碍物时对噪声进行反射和散射，再次降低噪声，削弱噪声能量。