液壓挖掘機(jī)噪聲源識別經(jīng)驗(yàn)

蔡 文

（廣西柳工機(jī)械股份有限公司，廣西 柳州545007）

工程機(jī)械在工作的過程中會向周圍空間輻射噪聲，這些噪聲對周邊的環(huán)境造成噪聲污染，同時(shí)也會影響到駕駛員的操作舒適性。綠色、節(jié)能、環(huán)保是當(dāng)今及未來工程機(jī)械發(fā)展的必然趨勢。發(fā)達(dá)國家尤其是歐洲和北美國家早已立法規(guī)定了各種工程機(jī)械的噪聲極限。一旦有企業(yè)因產(chǎn)品不達(dá)標(biāo)，其將會受到嚴(yán)厲的懲罰。我國工程機(jī)械如果出口到上述那些國家，也必須滿足當(dāng)?shù)卣叻ㄒ?guī)的要求。從2015年1月1日開始，我國土方機(jī)械實(shí)施二階段噪聲限值[1]。 該法規(guī)體現(xiàn)了國家對工程機(jī)械輻射噪聲的要求更加嚴(yán)格。我國各主機(jī)企業(yè)對液壓挖掘機(jī)噪聲的研究起步較晚，需要在這一領(lǐng)域加大投入持續(xù)優(yōu)化。噪聲是由振動產(chǎn)生的，而振動又會給液壓挖掘機(jī)帶來負(fù)面的影響。振動會影響到液壓挖掘機(jī)的工作穩(wěn)定性、產(chǎn)品耐久性和駕駛員的操作舒適感。振動和噪聲都是使人體感覺不舒服的因數(shù)。液壓挖掘機(jī)工作時(shí)噪聲源有發(fā)動機(jī)噪聲（包含進(jìn)氣噪聲、排氣噪聲、燃燒噪聲、連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動噪聲等）、風(fēng)扇噪聲、液壓主泵噪聲、液壓主閥、液壓油缸等液壓系統(tǒng)噪聲、結(jié)構(gòu)件運(yùn)動噪聲等等。

常用的噪聲源識別方法從簡單到復(fù)雜，分別有：傳統(tǒng)識別方法、時(shí)域分析法、頻域分析法、時(shí)頻分析與小波分析法、聲強(qiáng)測量法、聲全息法和波束形成法。近幾年來出現(xiàn)的噪聲源識別前沿技術(shù)，幾乎都具有可視化、信息化、智能化的特點(diǎn)。其測量系統(tǒng)一般由傳聲器陣列、數(shù)據(jù)記錄器、筆記本電腦加軟件構(gòu)成[2]。噪聲源識別的方法有這么多，但實(shí)際應(yīng)用時(shí)要根據(jù)實(shí)際對象和作業(yè)工況靈活采用一種或幾種合理的方法，以快速、準(zhǔn)確、低成本地識別出主要的噪聲源。

工程機(jī)械對噪聲有要求，也要經(jīng)常檢測噪聲，但沒有汽車等行業(yè)對噪聲的要求那么苛刻，并且一般工程機(jī)械企業(yè)在噪聲測試設(shè)備方面的投入也遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有汽車行業(yè)大，缺乏昂貴的專業(yè)設(shè)備。本文以某款液壓挖掘機(jī)試驗(yàn)樣機(jī)為例，針對液壓挖掘機(jī)的特點(diǎn)，通過簡單易操作的時(shí)域和頻域的分析法快速地對液壓挖掘機(jī)機(jī)外輻射噪聲數(shù)值進(jìn)行分析，找出各個(gè)噪聲源對整機(jī)機(jī)外輻射噪聲貢獻(xiàn)值的大小，甄別主要噪聲源，為下一步控制整機(jī)噪聲提供理論依據(jù)。

1 某款液壓挖掘機(jī)試驗(yàn)樣機(jī)的結(jié)構(gòu)與參數(shù)

該挖掘機(jī)操作重量為6.8 t，屬于小型液壓挖掘機(jī)。挖掘機(jī)的一般工作方式為定點(diǎn)作業(yè)方式，需要遠(yuǎn)距離轉(zhuǎn)場時(shí)要使用拖車來運(yùn)輸。該機(jī)整機(jī)運(yùn)輸尺寸小，即使用小型農(nóng)用拖拉機(jī)也可方便將其運(yùn)輸轉(zhuǎn)場。挖掘力大，作業(yè)范圍大，可適用于各種工況，尤其是農(nóng)林水利建設(shè)、城市園林綠化、市政道路建設(shè)等等。機(jī)器結(jié)構(gòu)及其主要?jiǎng)恿υl(fā)動機(jī)、液壓主泵見圖1～圖3。

圖1 整機(jī)

圖2 發(fā)動機(jī)和風(fēng)扇

圖3 液壓主泵

整機(jī)主要參數(shù)見表1。

表1 整機(jī)參數(shù)

2 機(jī)外輻射噪聲強(qiáng)度測試

根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，測量整機(jī)基本長度，見圖4[3-4]。根據(jù)整機(jī)基本長度，確定測試點(diǎn)位置，見圖5[3-4]。為簡化試驗(yàn)，取1～4位置作為測試點(diǎn)。

圖4 整機(jī)基本長度

圖5 測試點(diǎn)

使用TES1358積分式聲級計(jì)測試挖掘機(jī)機(jī)外輻射噪聲1～4四個(gè)測點(diǎn)噪聲強(qiáng)度。結(jié)果如表2所示。

表2 整機(jī)噪聲測試結(jié)果

根據(jù)表2的測試結(jié)果，得到定置工況時(shí)整機(jī)聲功率級機(jī)外輻射噪聲為99.66 dB（A），挖掘工況時(shí)機(jī)外輻射噪聲為101.35 dB（A）。

根據(jù)土方機(jī)械噪聲限值國家標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)射聲功率級二階段限值必須≤81.5+11*lg P（P為發(fā)動機(jī)凈功率 kW）[1]。

該試驗(yàn)樣機(jī)發(fā)動機(jī)凈功率為45 kW，噪聲限值≤ 99.7 dB（A）。由以上得知，該機(jī)機(jī)外輻射噪聲較高，挖掘工況已略超過法規(guī)限值。定置工況時(shí)，機(jī)外輻射噪聲為99.66 dB（A）；挖掘工況時(shí)機(jī)外輻射噪聲已經(jīng)達(dá)到101.35 dB（A）。挖掘機(jī)上的噪聲源有發(fā)動機(jī)、風(fēng)扇、液壓主泵、構(gòu)件等等，究竟那些噪聲源是主要的噪聲源，目前還不清楚，需要進(jìn)一步做頻譜分析。

3 機(jī)外輻射噪聲頻譜測試

3.1 測試目的和方法

頻譜測試目的：尋找、區(qū)分不同的噪聲源，為控制噪聲提供研究方向。

測試方法：使用LD3000+頻譜分析儀測試挖掘機(jī)機(jī)外輻射噪聲1～4四個(gè)測點(diǎn)頻譜。

3.2 測試數(shù)據(jù)

為了測得最大噪聲值，需要把發(fā)動機(jī)油門調(diào)到最大，分別測量定置工況和挖掘工況時(shí)的噪聲值。

通過表3，可以清楚地看到最大油門定置工況時(shí)各個(gè)測試點(diǎn)的峰值及其對應(yīng)的頻率。并且在600 Hz以下頻段時(shí)，各個(gè)測試點(diǎn)測到的峰值頻率一樣。

表3 最大油門定置工況測試數(shù)據(jù)

通過表4，可以清楚地看到最大油門挖掘工況時(shí)各個(gè)測試點(diǎn)的峰值及其對應(yīng)的頻率。并且在600 Hz以下頻段時(shí)，各個(gè)測試點(diǎn)測到的峰值頻率一樣。

表4 最大油門挖掘工況測試數(shù)據(jù)

3.3 測試結(jié)果分析

主要零部件工作頻率計(jì)算：

最大油門時(shí)，發(fā)動機(jī)最大轉(zhuǎn)速為2 380 r/min，則發(fā)動機(jī)點(diǎn)火基頻：

式中n1為發(fā)動機(jī)氣缸數(shù)；r為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速r/min。

液壓主泵為柱塞泵，柱塞數(shù)為10，則液壓主泵工作頻率：

式中n2為主泵柱塞數(shù)。

發(fā)動機(jī)風(fēng)扇為8葉，風(fēng)扇-發(fā)動機(jī)速比為1.1∶1，風(fēng)扇工作頻率：

式中t為風(fēng)扇與發(fā)動機(jī)速比，n3為風(fēng)扇葉片數(shù)

3.4 甄別噪聲源

由表3、表4讀出各峰值頻率及對應(yīng)的噪聲值，得到表5。

表5 噪聲源頻率及峰值分析

用表3、表4得到的各峰值對應(yīng)的頻率值與上節(jié)計(jì)算的各零部件工作頻率及其階次頻率對比，如果非常接近，則該噪聲判為由該零部件產(chǎn)生。

由序號1～3可見，各測試譜中都可以明顯看到前幾階發(fā)動機(jī)點(diǎn)火頻率峰值，而且這些峰值幾乎都是最高峰值。它們主要來源于排氣系統(tǒng)，排氣噪聲是最主要的噪聲源。

序號5～6分別是液壓主泵的1、2次階頻，峰值較小，不是主要矛盾。

由序號7可知，風(fēng)扇的1階次頻率所產(chǎn)生的噪聲值也很大，不可忽視。

序號8～13是一些略小的峰值，可以排除它們不是由發(fā)動機(jī)排氣、風(fēng)扇和液壓主泵所產(chǎn)生的。它們可能是由發(fā)動機(jī)本身的表面輻射或者由構(gòu)件的振動、液壓系統(tǒng)噪聲等原因產(chǎn)生。由于峰值較小，不是解決噪聲問題的主要矛盾，可以忽略。

綜上分析，該挖掘機(jī)主要噪聲為發(fā)動機(jī)排氣噪聲，其次是風(fēng)扇噪聲，再次是泵噪聲。需要采取措施降低排氣噪聲和風(fēng)扇噪聲。

4 結(jié)束語

計(jì)算液壓挖掘機(jī)各個(gè)工作零部件的工作頻率，例如發(fā)動機(jī)點(diǎn)火頻率、發(fā)動機(jī)風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)頻率、液壓主泵的工作頻率、挖掘回轉(zhuǎn)工作頻率等，然后與頻譜儀實(shí)際測試出來的頻譜峰值對比，就能判斷出那個(gè)噪聲峰值是由那個(gè)零部件所產(chǎn)生。對峰值最大的那幾個(gè)零部件采取必要的降噪措施。

頻譜分析能夠快速、有效地甄別出不同的噪聲源，為下一步的噪聲控制提供理論指導(dǎo)。針對不同的噪聲源，就可以有目的地采取不同的措施，從而達(dá)到事半功倍的效果。假若排氣噪聲是最主要噪聲源，降噪首先需要解決的就是設(shè)計(jì)一個(gè)低噪聲消聲器，降低排氣噪聲；如果風(fēng)扇噪聲是最主要的噪聲源，降噪的首要工作就是設(shè)計(jì)一款噪聲更低的風(fēng)扇，或者視整車散熱情況降低風(fēng)扇轉(zhuǎn)速等待。如果發(fā)動機(jī)機(jī)體本身輻射噪聲是主要噪聲源，就要選取吸聲效果好的高效吸聲材料，以提高后罩的降噪效果。