引言
隨著工程機(jī)械行業(yè)的迅速發(fā)展,人們對于工程機(jī)械的舒適性和振動噪聲控制的要求越來越嚴(yán)格。噪聲的控制,不僅關(guān)系到乘坐舒適性,而且還關(guān)系到環(huán)境保護(hù)。一切噪聲又源于振動,振動能夠引起某些部件的早期疲勞損壞,從而降低工程機(jī)械的使用壽命;過高的噪聲既能損害駕駛員的聽力,還會使駕駛員迅速疲勞,從而對工程機(jī)械行駛作業(yè)安全性構(gòu)成了極大的威脅。噪聲控制也關(guān)系到工程機(jī)械產(chǎn)品的工作的平順性、耐久性和安全性。因此振動、噪聲和舒適性這三者是密切相關(guān)的,既要減小振動,降低噪聲,又要提高乘坐舒適性,保證產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)性,使工程機(jī)械產(chǎn)品的噪聲控制在標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)。
進(jìn)入21上世紀(jì)后,人類為了實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展,提出了工程機(jī)械的環(huán)保技術(shù)和信息技術(shù),使工程機(jī)械發(fā)展進(jìn)入了新的發(fā)展階段。歐美和日本市場對工程機(jī)械產(chǎn)品的噪聲實施了更加嚴(yán)格的要求。因此工程機(jī)械的環(huán)保技術(shù)和信息技術(shù)是今后國際工程發(fā)展趨勢的主流。為配合國際化戰(zhàn)略,以國際先進(jìn)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)為指導(dǎo),提升產(chǎn)品技術(shù)水平,尤其為進(jìn)一步開拓國際市場,徐工產(chǎn)品下一步發(fā)展思路和主要目標(biāo)之一就是進(jìn)行節(jié)能、環(huán)保、操作舒適性等技術(shù)的研究。
1噪聲的種類
產(chǎn)生工程機(jī)械噪聲的主要因素是空氣動力、機(jī)械傳動、液壓三部分。從結(jié)構(gòu)上可分為發(fā)動機(jī)(即燃燒噪聲、排氣噪聲、冷卻風(fēng)扇噪聲、發(fā)電機(jī)噪聲),發(fā)動機(jī)本體噪聲(如發(fā)動機(jī)振動,配氣軸的轉(zhuǎn)動,進(jìn)、排氣門開關(guān)等引起的噪聲)。傳動系噪聲、底盤各部件的連接配合引起的噪聲,車身噪聲(發(fā)動機(jī)引起車身結(jié)構(gòu)的振動,附件的安裝不合理引起的噪聲),液壓噪聲(齒輪泵,液壓閥及管路振動引起的噪聲),制動系統(tǒng)排氣噪聲,工作裝置動作沖擊噪聲。其中發(fā)動機(jī)及其相關(guān)件產(chǎn)生的噪聲占二分之一以上。因此發(fā)動機(jī)的減振、降噪成為工程機(jī)械噪聲控制的關(guān)鍵之一。
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早在1983年,一部分國產(chǎn)裝載機(jī)因噪聲過高,北京市公安局不發(fā)給使用牌照,購買單位紛紛要求退貨,使工程機(jī)械生產(chǎn)企業(yè)受到了一次強(qiáng)烈的沖擊。1984年,機(jī)械工業(yè)部頒布了《工程機(jī)械噪聲限值》標(biāo)準(zhǔn)(JB3774.84);1990年國家環(huán)保局頒布了《建筑施工場界噪聲限值》標(biāo)準(zhǔn)(GBl2523-90)。在以上基礎(chǔ)上,參照ISO/DIS6393-6396:1995標(biāo)準(zhǔn),1996年頒布了國家標(biāo)準(zhǔn)《工程機(jī)械噪聲限值》(GB16710.1—1996),該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限值作為現(xiàn)階段我國工程機(jī)械產(chǎn)品的最低指標(biāo),是強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)而發(fā)布實施(比JB3774.1—84有所放寬)。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了工程機(jī)械司機(jī)位置處噪聲限值為92dB(A),還規(guī)定了機(jī)外輻射噪聲聲功率級與標(biāo)定功率之間的關(guān)系。分別見表1,2
由于西方發(fā)達(dá)國家制造業(yè)水平較高,無論是發(fā)動機(jī),還是油泵、變速箱、變矩器等機(jī)械、液壓部件等運行噪聲較小。
出于對環(huán)境和對人體健康的保護(hù),這些國家的嗓聲限值標(biāo)準(zhǔn)一直在不斷降低。歐洲噪聲限值標(biāo)準(zhǔn)于1997年修訂,比原標(biāo)準(zhǔn)下降4dB(A),其中規(guī)定最大噪聲不得大于113dB(A),發(fā)動機(jī)功率為154kW時,噪聲聲功率級限值應(yīng)小于等于107dB(A),比我國現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)低11dB(A).2002年1月1日,歐洲標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)一步修訂,比97年標(biāo)準(zhǔn)下降3dB(A)。在日本,1997年10月頒布實施的最低噪聲限值標(biāo)準(zhǔn),比97年歐洲標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán),其中規(guī)定發(fā)動機(jī)功率大于105kWlt寸,最大噪聲不得大于106dB(A),比我國現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)低12dB(A)。現(xiàn)在,降低工程機(jī)械產(chǎn)品噪聲排放限值已是全球性趨勢。
歐盟2000年5月5日的頒布的“有關(guān)室外使用設(shè)備環(huán)境噪聲排放”法規(guī)規(guī)定,從2006年1月,實施該法規(guī)第二階段噪聲排放標(biāo)準(zhǔn),同等發(fā)動機(jī)功率設(shè)備,比1997年修訂的歐洲噪聲限值低2~3dB(A)。具體噪聲排放標(biāo)準(zhǔn)見表3
3噪聲評價與噪聲的控制
噪聲評價指標(biāo)主要是指車內(nèi)、外的噪聲值和振動適應(yīng)性。評價方法可分為主觀評價和客觀評價。影響汽車噪聲主觀評價的主要因素是舒適性、響度和確定性。在客觀評價時,可以采用噪聲測量裝置測量試驗進(jìn)行分析;此外模擬技術(shù)中的聲場分析有限元法(FEM)和邊界元法(BEM)也被廣泛應(yīng)用。
國外對噪聲研究著手較早,1970年美國開始對車內(nèi)嗓聲特性進(jìn)行研究,八十年代,美國工程力學(xué)研究所在研究車內(nèi)噪聲特性預(yù)測方面做了大量的研究工作,他們系統(tǒng)研究了聲學(xué)模態(tài)分析的有限單元建模方法,探討了車身結(jié)構(gòu)振動對車內(nèi)聲場的影響以及車內(nèi)聲壓對邊界振動的影響,建立了結(jié)構(gòu)一聲學(xué)藕合的有限單元模型。完成了彈性邊界的聲學(xué)模態(tài)分析和車身結(jié)構(gòu)受迫振動時車內(nèi)聲壓分布的計算,推導(dǎo)出結(jié)構(gòu)振動一聲壓波動在受到外界干擾力作用時的有限元計算公式,為車內(nèi)噪聲預(yù)測分析打下了良好的基礎(chǔ)。
日本對工程機(jī)械噪聲的研究也非常重視,在主要傳動件噪聲得到有效控制后,深入研究不同結(jié)構(gòu)形成的空氣流噪聲,并應(yīng)用在新一代挖掘機(jī)等工程機(jī)械上。國內(nèi)在車輛噪聲研究方面起步較晚,工程機(jī)械噪聲的分析研究則更晚。近二十年來,治理工程機(jī)械噪聲已成為許多生產(chǎn)廠和科研部門急需解決的重要課題。出于對舒適性的要求,國內(nèi)外對車體〖駕駛室〗的振動及振動噪聲研究較多,對車外噪聲的分析研究相對較少,但近幾年來也在逐步增加。
噪聲治理首先要找出主要噪聲源。頻譜分析法是識別噪聲源基本方法之一,頻譜分析中除了使用幅值頻譜圖以外,最常用的還有功率譜圖,此外還有相干函數(shù)法、倒頻譜法。自70代起,聲全息理論發(fā)展迅速,但至今未能得到廣泛應(yīng)用,主要是設(shè)備昂貴,且空間分辨誤差要大于聲波的波長。聲強(qiáng)測量法是80年代初在聲學(xué)測量和信號處理方面發(fā)展起來的新技術(shù),已為人們普遍接受,由于測點太多,在我國一般廠家很難實現(xiàn)。近幾年,采用聲近場聲全息技術(shù)和聲壓法識別車外主要噪聲源的研究都取得了一定進(jìn)展。
根據(jù)噪聲產(chǎn)生和傳播的機(jī)理,可以把噪聲控制技術(shù)分為以下三類:一是對噪聲源的控制,二是對噪聲傳播途徑的控制,三是對噪聲接受者的保護(hù)。其中對噪聲源的控制是最根本、最直接的措施,包括降低噪聲的激振力及降低發(fā)動機(jī)部位對激振力的響應(yīng)等,即改造振源和聲源。但是對噪聲源難以進(jìn)行控制時,就需要在噪聲的傳播途徑中采取措施,例如吸聲、隔聲、消聲、減振及隔振等措施。
工程機(jī)械產(chǎn)品的減振降哚水平與整車的熱平衡性、動力性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性及強(qiáng)度、剛度、質(zhì)量、制造成本密切相關(guān)。
3.1發(fā)動機(jī)的振動與噪聲
降低發(fā)動機(jī)噪聲是工程機(jī)械產(chǎn)品噪聲控制的重點。發(fā)動機(jī)是產(chǎn)生振動和噪聲的根源。發(fā)動機(jī)的噪聲是由燃料燃燒,配氣機(jī)構(gòu)、正時齒輪及活塞的敲擊噪聲等合成的。