內(nèi)燃叉車噪聲污染及降噪技術(shù)研究

褚東亮， 阮榮慧， 孫衛(wèi)華, 趙章榮

（北京物資學(xué)院物流學(xué)院北京市物流系統(tǒng)與技術(shù)重點實驗室，北京101149）

0 引 言

內(nèi)燃叉車作為物流裝卸搬運的主要工具在物流行業(yè)中有著十分重要的地位，內(nèi)燃叉車的工作效率直接影響著物流運作的整體效率。為了保證物流運作的工作效率，減小物流成本的增加，保障叉車操作員及有關(guān)人員的身心健康，必須努力降低內(nèi)燃叉車的噪聲水平。

內(nèi)燃叉車的噪聲問題屬于一個綜合性問題，它涉及到聲學(xué)、物理、機械等多種學(xué)科的知識，目前國內(nèi)有很多專家學(xué)者也在進行有關(guān)研究。大連交通大學(xué)的郭雅茹[1]針對于內(nèi)燃機的振動及噪聲問題，利用Artemis軟件分析得到柴油發(fā)動機的振動頻率及分布規(guī)律，設(shè)計了消音器設(shè)計方案，并應(yīng)用COMSAL軟件進行仿真，利用B&K4206-Tj測試驗證了仿真結(jié)果的正確性；武漢理工大學(xué)的周強[2]采用實驗研究及理論分析的方法設(shè)計了燃燒噪聲模擬實驗，并求解內(nèi)燃機的燃燒噪聲；杭叉集團的李文峰[3]針對CPCD45叉車進行的整車研究提出的降噪方法也有效地降低了噪聲水平；合肥工業(yè)大學(xué)的魏浩征[4]通過對駕駛位兩側(cè)的進氣排氣噪聲進行測試分析，設(shè)計出了最佳進氣百葉窗，改善了進氣噪聲；遼寧工程技術(shù)大學(xué)的杜莎莎[5]通過建立齒輪泵的困油模型分析齒輪嚙合中的沖擊，并提出相應(yīng)降噪措施。

文中以某種型號的內(nèi)燃叉車作為研究對象，以減小內(nèi)燃叉車的噪聲污染為研究目標，運用文獻研究法研究叉車的噪聲產(chǎn)生原理，由實驗驗證法研究測試噪聲的產(chǎn)生部位，針對不同的噪聲源提出降噪措施，并對發(fā)動機噪聲的降噪措施進行實驗驗證，證明降噪措施的有效性。

1 聲學(xué)

1.1 聲波

聲源的振動在空氣或其他物質(zhì)中的傳播叫做聲波。聲波的頻率范圍（聽域）為20～20 000 Hz，如圖1所示。

1.2 聲壓和聲壓級

聲壓是指在單位體積內(nèi)受聲擾動后壓強的變化量，計算公式為

式中：P為聲壓，Pa；P0為改變前聲壓；P1為改變后聲壓。

聲壓級是指聲壓與聲壓基準聲之比的常用對數(shù)的20倍，計算公式為

式中：L為聲壓級，dB；P0為改變前聲壓；P1為改變后聲壓。

1.3 聲功率和聲功率級

單位時間內(nèi)通過垂直于聲波傳播方向的面積S的平均聲能量稱為平均聲功率，計算公式為

式中：W為平均聲功率，W；c0為聲速；S為聲場中的面積。

聲功率級是指聲功率與參考聲功率之比的常用對數(shù)的10倍，計算公式為

式中：Lw為聲功率級，dB；W1為聲功率,W；W2為基準聲功率,W。

1.4 聲強和聲強級

聲強是指聲波的平均能流密度的大小。聲強、聲壓存在著以下關(guān)系：

式中：I為聲強；ρ為介質(zhì)的密度；v為聲速。

聲強級是某一處的聲強與參考聲強之比的常用對數(shù)的10倍，度量聲強級的單位是分貝(dB)，計算公式為

2 內(nèi)燃機噪聲源分析及降噪措施

2.1 發(fā)動機噪聲

一般叉車是由動力系統(tǒng)、操縱系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)等組成，其中動力系統(tǒng)是由發(fā)動機、進排氣系統(tǒng)等組成。動力系統(tǒng)給叉車提供動力，是整車噪聲的主要發(fā)生源，發(fā)動機噪聲主要包括燃料燃燒產(chǎn)生的噪聲、機器零件碰撞產(chǎn)生的噪聲及進排氣產(chǎn)生的噪聲。

2.1.1 燃燒噪聲

混合氣體在活塞缸內(nèi)將內(nèi)能轉(zhuǎn)換為機械能通過活塞傳遞給連桿，又從連桿傳遞給曲軸，最終傳遞給機體產(chǎn)生燃燒噪聲[7]。這樣燃料在活塞缸內(nèi)壓力周期性變化下燃燒速度及燃燒方式也產(chǎn)生變化。對于四沖程的發(fā)動機來說，燃燒噪聲主要集中于氣體壓縮引燃的階段，在這一階段壓力增加容積減少，從而產(chǎn)生強烈的沖擊力，進而產(chǎn)生噪聲，由式（7）可以計算出噪聲的大小與發(fā)動機的轉(zhuǎn)速成正比：

式中：LP為聲壓級，dB；n為發(fā)動機轉(zhuǎn)速，r/min；K為柴油機固有常數(shù)。

2.1.2 機械噪聲

發(fā)動機的機械噪聲是指在機械運動中活塞與氣缸之間敲打的聲音，機械噪聲主要分為兩種：一種是由于發(fā)動機內(nèi)各齒輪存在間隙，當嚙合時產(chǎn)生碰撞形成噪聲，這是發(fā)動機噪聲的主要來源，另一種是由于發(fā)動機內(nèi)軸承組產(chǎn)生共振，這種共振是引起噪聲的另一個原因。

2.1.3 進、排氣噪聲

內(nèi)燃發(fā)動機的進排氣噪聲[8]主要有以下幾類：由于燃燒的廢氣高速排出沖擊進氣門引起的低頻噪聲——基頻排氣噪聲；由于進氣門的周期性開啟使氣柱殘留在排氣管內(nèi)產(chǎn)生共振引起的氣柱共振噪聲；發(fā)動機一般為多缸發(fā)動機，當不同的缸體工作行程不同時就會引起排氣歧管噪聲；當發(fā)動機處于運轉(zhuǎn)狀態(tài)時，氣缸內(nèi)的氣體處于高壓狀態(tài)，在排氣門打開的瞬間會產(chǎn)生沖擊和渦流現(xiàn)象，這一現(xiàn)象會產(chǎn)生高頻噪聲——氣體噴射機沖擊噪聲。除此之外，進排氣的噪聲還包括渦流噪聲、赫姆霍茲噪聲等其他噪聲。

2.2 液壓系統(tǒng)噪聲

內(nèi)燃機叉車液壓系統(tǒng)主要由液壓換向閥、液壓泵、各種油缸、液壓管路及動力源組成。液壓系統(tǒng)是內(nèi)燃叉車的重要噪聲源之一。液壓系統(tǒng)的噪聲原因包括脈動、氣穴、振動等，并且與液壓系統(tǒng)中的各個部件和液壓系統(tǒng)的總體設(shè)計和功能有關(guān)。液壓泵的脈動噪聲和液壓溢流閥的溢流噪聲是液壓系統(tǒng)產(chǎn)生噪聲的75%。

2.3 減少噪聲的措施

目前噪聲的控制措施[9]主要有吸聲、隔聲和減震的方式。吸聲主要是依靠特殊材料來改變聲音的聲波方向，使噪聲在傳播過程中經(jīng)過特殊材料，被材料吸收部分能量，使反射出來的噪聲減少；隔聲就是用特殊材料把發(fā)聲源與環(huán)境相隔離，使聲音不能傳播，起到降噪作用；減震降噪就是利用止震板等減少發(fā)動機本身的鋼材振動頻率，從而減少噪聲傳入[10]。

2.3.1 減小發(fā)動機噪聲的主要措施

要想減小發(fā)動機自身的燃燒噪聲，降噪措施主要是把發(fā)動機上所有覆蓋件的各種工藝孔、安裝孔做好封堵工作，以保證各連接處緊密接觸。還可以通過測試發(fā)動機的噪聲頻率找出相應(yīng)的吸聲、隔聲材料，將發(fā)動機外表面進行包裹，以達到減小噪聲的目的。針對于進排氣噪聲同樣也是有兩種方法：第一種是改變排氣管路的形狀降低產(chǎn)生渦流的影響；第二種就是加裝消音設(shè)施，這樣雖然會占用空間、增加成本，但是可以很好地改善噪聲問題。針對發(fā)動機內(nèi)的機械振動可以通過改變齒輪的材料、改變齒輪的螺旋角度、將直尺齒輪更換為斜齒齒輪增加傳動的穩(wěn)定性，同時還可以通過提高齒輪的加工及裝配精度、增加齒輪副的重疊系數(shù)來改善齒輪間的碰撞，從而達到減小噪聲的目的。

2.3.2 減小液壓系統(tǒng)噪聲的措施

針對液壓系統(tǒng)減少噪聲可以對齒輪進行設(shè)計,例如改變齒輪形狀、減小補償誤差、增加齒數(shù)、減小流量脈動，同時也可以通過改變齒輪的嚙合方式減小噪聲。對于液壓換向閥來說，可以增加先導(dǎo)閥的彈簧剛度，或減小主閥心的阻尼孔的直徑來減小噪聲，針對液壓泵的脈動，可以通過增加蓄能器、吸能器來削弱元件的脈動壓力。

3 內(nèi)燃叉車噪聲分析

測試場地分為兩種：一種是室外環(huán)境，它的要求是四周無高大物體或建筑物不產(chǎn)生回聲場影響測試結(jié)果，具體要求在場地選擇時C-C的跑道要長，同時要求地面是無吸音效果的柏油路，測試場地的環(huán)境噪聲要遠小于叉車噪聲的音量，一面干擾試驗如圖2所示；另一種就是室內(nèi)環(huán)境，對室內(nèi)的環(huán)境要求是室外噪聲應(yīng)小于本叉車的噪聲值，因此可以完全忽略背景噪聲的影響。

測試儀器方面, 為準確測出噪聲源的頻率，本次實驗的儀器是噪聲測試麥克風(fēng)及信號分析儀。對于測試工況，此次測試的工況模擬了內(nèi)燃叉車的真實運行狀態(tài)，包括怠速狀態(tài)、起升狀態(tài)、載貨狀態(tài)、最大轉(zhuǎn)速狀態(tài)。測試前將測試用的麥克風(fēng)固定于1、2、3、4點，距離地面1.5 m的高度，并將待測的內(nèi)燃叉車置于室外場地的O點，同時開啟1、2、3、4點處的麥克風(fēng)準備進行數(shù)據(jù)收集，測試時將無載的內(nèi)燃叉車啟動，使之處于怠速狀態(tài)，待數(shù)據(jù)記錄后，完成怠速狀態(tài)的測試；在進行起升狀體的測試時，在內(nèi)燃叉車的貨叉上放置額定載荷70%的重物進行測試，測試時需將叉車的貨叉進行升起動作完成測試；在進行最高轉(zhuǎn)速測試時，同樣將叉車放置于O點，測試時將叉車的轉(zhuǎn)速提升至最大并記錄數(shù)據(jù)；載貨狀態(tài)的測試需要將叉車放置于C-C跑道的一端，在進行測試時將叉車以正常工作狀態(tài)時的速度穿過O點至C-C跑道的另一端，測試儀器進行數(shù)據(jù)記錄，完成室外測試。測試結(jié)果如表2所示。

對于叉車的噪聲主要頻率測試，發(fā)動機表面的本體輻射噪聲、散熱系統(tǒng)的噪聲是叉車的主要噪聲，所以要對主要的噪聲源進行計算。發(fā)動機的表面的噪聲采用表面速度振動法，散熱器的噪聲、液壓系統(tǒng)噪聲采用測試法進行測試，實驗結(jié)果如表3所示。

表2 內(nèi)燃叉車噪聲水平

表3 叉車噪聲的主要頻率

4 內(nèi)燃叉車降噪設(shè)計及測試

為減小發(fā)動機噪聲，根據(jù)發(fā)動機噪聲的產(chǎn)生機理，在不改變發(fā)動機自身結(jié)構(gòu)的前提下，本次實驗采用對比的方式進行實驗，對比加裝吸聲隔聲裝置與不加裝降噪裝置對噪聲的影響。

4.1 內(nèi)燃叉車吸聲材料性能測試

4.1.1 準備吸聲材料

不同的吸聲材料在不同的環(huán)境中具有不同的吸聲系數(shù)，吸聲系數(shù)越大，材料的吸聲能力越強。文中選擇了幾種叉車常用的吸聲材料。吸聲材料的組成和厚度如表4所示。

本次實驗的吸聲系數(shù)采用駐波管法進行測試, 系統(tǒng)由信號源、功率放大器、麥克風(fēng)、數(shù)據(jù)采集和電腦構(gòu)成。測試時將待測材料放置于駐波管底部，由信號源發(fā)出信號經(jīng)過功率放大器放大信號源傳輸至揚聲器，由揚聲器將聲波傳播至駐波管內(nèi)形成駐波場，隨后經(jīng)吸聲材料吸收后，使用駐波管的探波傳聲器測得反射后的最大頻率與最小頻率，將它們做比就得出吸聲系數(shù)。將測得的數(shù)據(jù)儲存在數(shù)據(jù)采集卡內(nèi)完成本次測試實驗。測試實驗的結(jié)果如表5及圖3所示。

從圖3可以看出，3種樣品在吸聲系數(shù)上，一號樣品和三號樣品對于低頻的噪聲有一定的減小作用；在中段頻率階段一號樣品阻隔噪聲的作用更加明顯，而二號樣品的吸聲作用不是很明顯；在高頻段階段一號樣品和三號樣品的降噪效果都很好。從單種吸聲材料來看，二號樣品的吸聲效果較好，有較寬的使用頻率，使用頻率在900～3000 Hz的噪聲都可以使用。

表4 吸聲材料的組成及厚度

表5 吸聲系數(shù)測試結(jié)果

4.1.2 測試結(jié)果分析

為了驗證二號樣品的吸聲效果，選用二號樣品材料進行驗證。將30 mm二號樣品材料粘貼在發(fā)動機的前底板、后底板、發(fā)動機罩、水箱蓋上進行測試，測試地點、工況、儀器的要求與前文一致。經(jīng)過測試將數(shù)據(jù)與未添加吸聲裝置的噪聲情況進行對比，結(jié)果如圖4所示，從折線圖可以看出，二號樣品材料對于減少發(fā)動機的噪聲效果十分顯著，二號樣品材料在減少噪聲方面至少可以減小40%～50%的噪聲，這就驗證了文中前面所設(shè)想的，在發(fā)動機上增加吸聲設(shè)施來減小噪聲措施是正確的。

5 結(jié) 論

針對內(nèi)燃叉車工作中產(chǎn)生較大噪聲這一問題，文中通過運用噪聲測試分析系統(tǒng)對內(nèi)燃叉車的發(fā)動機噪聲進行噪聲測試和數(shù)據(jù)分析，提出了發(fā)泡海綿與PVC結(jié)合的復(fù)合降噪方法，從而有效解決了內(nèi)燃叉車的噪聲問題，同時也驗證了降噪復(fù)合材料的降噪能力。