內燃叉車進氣系統消聲性能改進設計分析

曾優連

摘 要：內燃叉車在作業的時候會產生很大的噪音，駕駛人長期在噪聲很大的環境下工作，很容易對駕駛人身心健康造成危害，同時也影響周圍的環境。所以，對內燃叉車進行降噪處理十分重要。排氣消聲器是降低內燃叉車噪音常用的方法。本文主要分析了消聲器設計方法、進氣系統改進設計、聲學有限元仿真等進行了探討。

關鍵詞：內燃叉車；進氣系統；消聲性能；改進設計

中圖分類號：TH24 文獻標識碼：A

1.消聲設計計算方法

1.1 阻性消聲器的計算方法

空氣濾清器在內燃叉車進氣系統中具有阻性消聲作用，空氣濾清器的濾芯材料大多都是多孔吸聲的纖維材料，最簡單的阻性消聲器是圓管式消聲器。計算公式如下：

其中：P表示管道橫截周長，S表示管道橫截面積，ɑ表示正入射的吸聲系數，l表示消聲器的長度，D表示管徑。?ɑ則與材料的吸聲系數?ɑ有關的吸聲系數。

1.2擴張式消聲器的計算方法

擴張式消聲器主要通過管道中聲波在橫截面擴大或者縮小發生反射導致噪音的衰減。單節擴張時消聲器聲量的計算公式如下：

其中L表示擴張時長度；K表示波數，K=，其中表示聲波波長；m表示擴張比，擴張比m=SD/Sd，SD表示擴張腔的橫截面積，Sd表示管道的橫截面積。從公式中可以看出單節擴張式消聲器的消聲性能與正弦波形，如果Kl是π/2的奇數倍，則sin（Kl）=1，這個時候的消聲量最大；如果Kl是π/2的偶數倍，sin（Kl）=0，這個時候的消聲量最小，其對應的頻率為通過頻率。單節擴張式消聲器的通過頻率呈周期性，用內插管的方式可以消除通過頻率。如果插入的管道長度在L/2，可以有效地消除1/2波長的奇數倍通過頻率，如果插入的管道長度為L/4，則可以消除1/2波長偶數倍的通過頻率。

1.3 赫姆霍茲共振消聲器的計算方法

赫姆霍茲共振消聲器以共振頻率為中心，在一定范圍內起到消聲作用。其單節共振消聲器的共振頻率公式為：

其中，f表示共振頻率，S表示連接管的橫截面積，V表示共振腔體積，l為連接算的長度。

2.進氣系統改進設計

本文研究的內燃叉車進氣系統包括空氣濾清器、擴張式進氣消聲系統器和進氣管路，立柱作為車架的一部分，也屬于進氣管路的一部分。通過實驗測試進氣系統噪聲，發現進氣噪音最大的頻段是：60Hz～100Hz、250Hz～350Hz、500Hz～800Hz。頻率噪音最多的分別為：87Hz、320Hz、659Hz、890Hz等。以實驗結果為改進依據，對進氣系統消聲器、空氣濾清器以及進氣管進行改進。

2.1 進氣消聲器改進設計

通過車架的連接腔將原來的消聲器空氣入口端與立柱管道連接，空氣濾清器與空氣出口端連接，開口向上。進氣消聲器設計為階梯型，中間連接處為斜面，這樣可以避免車架和空氣濾清器的干擾。對進氣消聲器改進方法如下：第一，利用車內的進氣消聲器的空間，增加進氣消聲器的體系V，從而獲得最大的擴張比m。第二，為了提高橫截面的聲阻抗效果，去掉原來進氣消聲器的斜面，擴大擴張腔的體積。第三，在空氣入口端插入管道，消除通過頻率。

2.2空氣濾清器改進設計

空氣濾清器不僅有凈化空氣的作用，而且還有吸聲作用，受到空氣濾清器空間的限制，空氣出入口位置、腔體的橫截面積以及擴張比也無法改變，所以只能增加腔體的長度，擴大腔體的體積，從而獲得低頻消聲。原來的空氣濾清器腔體的長度為300mm，改進以后，空氣濾清器的腔體長度為360mm，也就是擴大了腔體20%的體積。

2.3進氣接管改進設計

空氣濾清器內置進氣管，氣流被管道切成兩股并由出口處匯入到發動機。進氣接管結構是一段不規則的管路，管內橫截面積沒有什么變化，消聲功能不明顯，這是由發動機結構和接管安裝位置決定的。改進進氣接管去掉分流結構，在管道的兩側設計特殊頻率的赫姆霍茲共振腔A、B，改進以后其結構參數見表1。

3.聲學有限元仿真

改進以后的進氣系統具有一定的復雜性和不規律性，為了確保進氣系統的穩定性，還需要對其進行性能分析，傳統的計算方法不適合復雜的結構，因此采用聲學有限元仿真技術進行分析。通過仿真軟件Virtual Lab軟件對原有的進氣系統和改進后的進氣系統進行聲學有限元分析，在分析的時候忽略流體和剛體之間的耦合作用，設置條件為：第一，將壁面設置為無反射剛性壁面。第二，施加單位質點速度在入口處。第三，出口處施加全吸聲。然后將其進行仿真實驗。實驗中發現改進的進氣系統傳遞損失比原來的進氣系統有所提高，尤其在中、低頻段280Hz～340Hz消聲大幅度的提高，在中、高頻段提高比較大，其中以750Hz～850Hz特別明顯。通過聲學有限元仿真實驗，發現改進方法符合設計要求。

4.試驗結果與分析

改進以后，進氣系統進氣口的聲壓等級明顯降低，在怠速工況下下降了2.78dB；發動機最高速度工況下，下降了3.16dB。在怠速工況下，低頻段的噪音在下降的更低，中心頻率在80Hz～160Hz頻段消聲效果達到了2dB～3dB；在中、高頻段的消聲效果比較明顯，315Hz、630Hz、800Hz這3個頻段降噪量達到了5dB以上；發動機最高速度運行過程中，中、高頻段中心頻率315Hz和500Hz的頻段消聲效果為1dB～2dB，但是400Hz～800Hz頻段的降噪效果最佳，達到了5dB～8dB。從這可以看出，改進以后的進氣系統消聲效果比較明顯，在發動機怠速和最高速度下，消聲效果基本能達到2dB～3dB，部分頻段的消聲效果達到了5dB。因此，此改進方案完全符合設計內燃叉車進氣系統消聲性能改進的要求。

結語

目前大部分的降低內燃叉車噪音最直接的方法就是安裝性能較好的消聲器，消聲器的內部消聲結構和材料能夠將發動機排出的氣體進行反射或者轉化為熱能。本文通過對內燃叉車進氣系統進行改進，在進氣消聲器中插入管道擴大體積，增加空氣率清晰的腔體長度，在進氣接管的重點頻率使用赫姆霍茲共振消聲器，經過測試發現改進方案完全符合設計要求。

參考文獻

[1]沈蘇藝，翁澤宇，李明輝，等.內燃叉車進氣系統消聲性能改進設計研究[J].機電工程，2015，32（10）：1335-1339.

[2]譚雅仙，李其朋，陳翔宇，等.內燃叉車擴張式進氣消聲器分析與改進[J].制造業自動化，2016（6）：150-152.endprint