活塞式氣動馬達噪聲特性分析

鄭 恒，張艷鋒，王景祥

（內蒙古工業大學 機械學院，內蒙古 呼和浩特 010051）

活塞式氣動馬達噪聲特性分析

鄭 恒，張艷鋒，王景祥

（內蒙古工業大學 機械學院，內蒙古 呼和浩特 010051）

活塞式氣動馬達的振動和噪聲是影響馬達工作性能的重要因素。文章針對現有氣動馬達存在的噪聲問題，以理論分析為主要研究方法，研究了活塞式氣動馬達噪聲的產生機理及其振動特性。理論分析表明氣體流動噪聲、結構表面振動噪聲和機械噪聲是氣動馬達產生噪聲的主要來源，此為氣動馬達的噪聲控制提供了思路和方法。

氣動馬達；噪聲；工作性能

山東泰安巨菱鉆探裝備有限責任公司生產的氣動載人絞車，通過5×135氣動馬達作為動力傳動機構來完成絞車的載人工作，壓縮空氣是5×135氣動馬達的主要動力源，氣動控制閥集成了氣動回路。當控制閥開啟時，壓縮空氣依次通過安全閥、換向閥、和配氣閥進入氣缸內，在氣缸內膨脹對活塞做功，活塞通過連桿將作用力傳遞到曲軸，帶動曲軸做旋轉運動。配氣閥與曲軸通過銷連接，隨曲軸一起運動，根據配氣相位為各氣缸分配壓縮氣體。目前，國內活塞式氣動馬達配氣系統的設計和制造，使氣動馬達的噪聲和振動比較大，對馬達的工作性能造成了一定影響[1]。

1 活塞式氣動馬達噪聲產生機理

氣動馬達是一個復雜的機械系統，主要由控制閥、活塞、曲軸連桿、殼體等組成。氣動絞車在提升重物過程中，馬達的各零件受到不同的激勵，會產生的不同的振動方式。因此馬達在正轉和反轉時，產生的噪聲是十分復雜的。馬達整機噪聲就是和馬達運轉過程密切相關的多種聲源發出的零部件噪聲組合而成的[2]。根據氣動馬達的工作原理及有關的聲學理論，分析氣動馬達的主要噪聲源是空氣流動噪聲、結構表面振動噪聲和機械噪聲。其中，空氣流動噪聲是氣動馬達直接向大氣輻射的噪聲，是由氣流振動產生的[3]。氣動馬達在工作過程中，配氣閥在給各氣缸供氣時，由于配氣閥隨曲軸做旋轉運動，氣流發生振動而產生了氣體動力噪聲，并通過大氣直接對外輻射。結構表面振動噪聲，是馬達各零部件在運動過程中表面振動以及氣體推動活塞做功時振動而產生的噪聲，主要來源是馬達的薄壁件和不平衡運動件產生的表面振動噪聲。氣動馬達在工作過程中，由于曲軸旋轉產生周期性的力作用以及活塞和連桿的往復力，各零部件之間會產生無數輕微的機械撞擊和振動，這些輕微振動通過馬達整機傳遞，形成了馬達整機振動。這種振動的主要原因是由于機械運動產生的，故稱為機械噪聲。

2 噪聲分析及控制

氣動馬達的噪聲主要來源于進排氣時氣流振動產生的氣體（空氣）動力噪聲，馬達在運轉過程中，由于曲軸、連桿和活塞產生的往復慣性力而造成的機械振動，馬達整體結構中薄壁件產生的表面振動噪聲。

2.1 氣體流動噪聲分析及控制

氣動馬達的氣體流動噪聲，主要是由于壓縮空氣在進入控制閥之后，在閥內部流道流動時，以及氣體在對活塞做工時產生了氣體流動噪聲。因此主要分析馬達控制閥進氣和排氣噪聲。

進氣噪聲主要是當馬達控制閥開啟時，安全閥打開，氣體通過安全閥和換向閥，進入配氣閥，在此過程中，氣體產生了很大的壓力變化而造成振動。壓縮空氣流經控制閥內氣道的壓力脈動；氣體在流經氣道的較小的流通截面時，會產生噴注效應，氣體高速流動而產生高頻噪聲；在氣缸內，壓縮空氣在膨脹做功時產生的振動。對于進氣噪聲的振動，可以通過CFD數值模擬軟件對氣動馬達控制閥的氣體流動特性進行分析研究，優化控制閥氣體管道結構，減小氣體流動過程中產生的振動，控制進氣噪聲。排氣噪聲主要是有壓縮空氣在對活塞做功之后，氣體在活塞推動作用下，從馬達內部排出時產生的氣流變化引起的。實際使用5×135氣動馬達過程中，觀察到排氣噪聲是氣動馬達中最嚴重的氣體噪聲源。配氣閥在排氣過程中，分為一次排氣和二次排氣，一次排氣和二次排氣會形成周期性的變化，這種周期性變化產生了氣體的周期性振動，是排氣噪聲的主要噪聲源。排氣時氣體是高速流動的，與控制閥氣體管道、缸壁形成氣固摩擦，在配氣閥芯以及一次排氣和二次排氣匯合處形成的渦流，這些流動過程中氣體的流動狀態變化而產生的振動,是排氣噪聲的次要噪聲源。排氣噪聲的控制是復雜的，而且要滿足氣動馬達的工作要求，一些噪聲的產生是不可避免的。在排氣管道末端安裝消音器,依然是降低排氣噪聲最有效、最簡單的措施。

2.2 機械噪聲分析及控制

馬達的機械噪聲，是指由于機械撞擊和慣性力的作用而產生振動形成的噪聲。機械的各零部件之間存在間隙，在這些零部件運動之后，各零部件產生撞擊而形成噪聲。氣動馬達是由五個氣缸星型布置的，當氣動馬達正轉時，活塞、連桿以及曲軸會形成不平衡的慣性力，活塞和連桿還會形成往復力，這種力會隨著轉速的升高而增大，不平衡力會產生馬達整機的振動。一臺氣動馬達有成百上千的機械零件，馬達工作時，由于各零件之間的撞擊、摩擦、不平衡力引起零件的振動，特別是當振動頻率與機件的固有頻率相同時，會引起激烈的共振和噪聲。馬達的活塞在氣缸內往復運動，當活塞在上止點和下止點時，在垂直于活塞運動方向上的作用力發生了改變，而這種周期性變化的力會對氣缸缸壁產生沖擊，造成活塞和氣缸壁的振動。連桿是傳遞作用力的重要零件，連桿一端與活塞連接，一端與曲軸連接，活塞做往復直線運動，曲軸做旋轉運動，連桿做擺動運動。連桿在連接處形成了很大的沖擊力，構成了一個機械振動噪聲源。通過對氣動馬達曲軸進行動平衡分析，可以有效降低動不平衡產生的振動噪聲。

2.3 結構表面振動噪聲分析及控制

馬達的氣體流動振動力和機械撞擊振動力，通過通過各種結構零件傳遞到馬達的外表面上，形成結構表面振動噪聲。薄壁零件和懸臂零件由于自身的慣性小，更容易形成結構表面的振動，形成表面輻射噪聲。馬達殼體本身是不會振動的，但是由于內部活塞和連桿振動傳遞至殼體的振動，使得馬達殼體表面形成輻射噪聲。馬達控制閥內的配氣閥芯隨曲軸做旋轉運動時，壓縮空氣對配氣閥芯產生了氣體沖擊，閥芯產生了不規則的振動，這種振動通過各種零件傳遞至閥體表面，形成了輻射噪聲。噪聲的大小主要與機械的振動頻率有關，因此，隨著馬達轉速的上升，結構表面振動噪聲也會增加。可以通過增加結構剛度和阻尼，為薄壁件和懸臂件增加肋板等方式有效的降低結構表面的振動噪聲。

3 結束語

文章針對目前的活塞式氣動馬達，闡述了馬達機構特點和工作原理的基礎上，分析和探討了馬達噪聲源的振動特性。分別從空氣流動噪聲、機械噪聲和結構表面振動噪聲三個方面進行了詳細地振動分析，并提出了降低噪聲的方法。在不影響氣動馬達工作性能的基礎上，對馬達噪聲的控制，可以有效提高馬達的整機運行水平，對工程實際應用有著重要的意義。進一步的研究可以針對活塞式氣動馬達制定整機噪聲的聲強測試實驗方案，測試馬達的噪聲聲強。依據實驗結果，分析馬達各工況下的噪聲輻射情況，利用聲強云圖和聲功率排序法得到整機噪聲分布情況，為下一步的噪聲控制奠定基礎。

[1]方奕棟,李道飛,楊陽,等.氣動發動機進氣過程流動損失分析[J].內燃機工程,2013,34(3):88-92.

[2]溫華兵,徐文江,鮑蘇寧,等.柴油機廢氣渦輪增壓器噪聲機理及性能試驗研究[J].內燃機工程,2013,34(1):76-80.

[3]VerseegHK,Malaasekera W.An Introuduction Computational Fluid Dynamics[M].北京:世界圖書出版公司,2003.300-310.

U673.38

A

1671-3818（2016）04-0061-02

鄭恒(1990-)，男，內蒙古呼和浩特人，碩士研究生，研究方向：動力機械。