淺談低噪聲機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

張東 馬超群 李現(xiàn)亭 高飛 李宇輝

摘 要：機(jī)械噪聲的高低，在一定程度上影響著人們的健康與安全。為了優(yōu)化機(jī)械的作業(yè)環(huán)境，應(yīng)采取科學(xué)的措施，實(shí)現(xiàn)機(jī)械噪聲的有效控制。文章對(duì)低噪聲機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的常見方法、注意事項(xiàng)進(jìn)行了分析，并探討了低噪聲機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的應(yīng)用思路，以供借鑒、參考。

關(guān)鍵詞：機(jī)械;噪音;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

伴隨著市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，當(dāng)前人們對(duì)生活質(zhì)量的要求越來(lái)越高。噪聲污染是現(xiàn)代社會(huì)中的主要污染之一，影響著人們的生活質(zhì)量。鑒于此，加強(qiáng)對(duì)噪聲的研究與控制，已經(jīng)成為機(jī)械設(shè)計(jì)中不可或缺的內(nèi)容。

1 低噪聲機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的常見方法

1.1改變振動(dòng)源

機(jī)械的噪聲，通常是來(lái)自于振動(dòng)源，振動(dòng)源會(huì)發(fā)出頻率較高的振動(dòng)能量，振動(dòng)能量可以在機(jī)械中的零件中進(jìn)行轉(zhuǎn)換，以振動(dòng)的形式，實(shí)現(xiàn)能量的傳播，使得機(jī)械殼體表層發(fā)出噪聲。但是，一些機(jī)械的振動(dòng)源產(chǎn)生的聲壓級(jí)效率、輻射等相對(duì)較低，使得音頻能量包含在基本能量中，所占比例相對(duì)較小。基于這樣的情況，為實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械噪聲的有效控制，可以采取改變振動(dòng)源的方法，以降低機(jī)械噪聲頻率。但是，采取這樣的方式，可能會(huì)導(dǎo)致機(jī)械無(wú)法順利運(yùn)轉(zhuǎn)，還會(huì)使機(jī)械設(shè)備的工作效率出現(xiàn)一定的下降。因此，通過(guò)改變或者是控制振動(dòng)源來(lái)控制機(jī)械噪聲的方式，有待進(jìn)一步研究、優(yōu)化。

1.2控制傳播途徑

機(jī)械的振動(dòng)源產(chǎn)生的高頻能量，有著十分廣泛的傳播途徑，既可以通過(guò)框架、連桿進(jìn)行傳遞，也可以通過(guò)聲學(xué)空間進(jìn)行傳遞。因此，為實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械噪聲的有效控制，可以采取控制傳播途徑的方法。例如，可以通過(guò)振動(dòng)源接住能量的反射，并利用阻尼來(lái)隔除噪聲。但是，對(duì)這種控制噪聲的方法進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，耗散組件可將阻尼單元為依據(jù)，連桿上的載荷質(zhì)量則是以阻抗單元或不具連續(xù)性的反射單元為依據(jù)。但結(jié)構(gòu)所有結(jié)合部位的阻尼較多，所以在機(jī)械中加入阻尼的效果不大。結(jié)構(gòu)鑄件主要由蓋板、殼體組成，鑄鐵中包含大量具有良好韌性的石墨，同時(shí)也有著較高的消振性。通過(guò)優(yōu)化加工過(guò)程、控制原材料質(zhì)量，可以提高結(jié)構(gòu)鑄件的剛度、重量，同時(shí)也能提高機(jī)械的頻率，避免撓頻基頻與固有頻率的重合，從而避免共振現(xiàn)象給降噪效果帶來(lái)的不利影響。

1.3改變輻射表層

機(jī)械結(jié)構(gòu)鑄件的開口、工作面等部位，可作為輻射表層，機(jī)械輻射表層會(huì)由于機(jī)械各運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的作用而產(chǎn)生振動(dòng)，制造噪聲。面對(duì)這樣的情況，可采取涂加阻尼、應(yīng)用消音材料的方法，來(lái)改善輻射表層的噪聲。除此之外，也可以通過(guò)改變輻射表層的剛度、重量，來(lái)控制噪聲。

2 低噪聲機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的注意事項(xiàng)

2.1安排專業(yè)人員負(fù)責(zé)

以往為了實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械噪聲的有效控制，通常需要找出產(chǎn)生噪聲的零件，然后對(duì)零件進(jìn)行密封處理，以控制噪聲。如果排氣管中安裝了消聲器，則可借助消聲器進(jìn)行消聲。此外，還可以將彈簧當(dāng)作機(jī)械設(shè)備的托放點(diǎn)，或者是在機(jī)械表層涂抹消聲材料，來(lái)減弱振動(dòng)帶來(lái)的噪聲。采取這些方式可以有效降低噪聲的強(qiáng)度，但對(duì)工作人員的專業(yè)能力有著較高的要求。因此，低噪聲機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)安排專門人員負(fù)責(zé)，以確保設(shè)計(jì)的合理性。針對(duì)機(jī)械的噪聲問(wèn)題，不可直接將其與振動(dòng)劃等號(hào)，有些機(jī)械的振動(dòng)，是由輻射聲波所導(dǎo)致的，此類振動(dòng)人們是感覺(jué)不到的，為了掌握機(jī)械的振動(dòng)規(guī)律，應(yīng)安排專門人員采用專業(yè)設(shè)備、專業(yè)手段進(jìn)行待查、解決。開展低噪聲機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)全面考慮機(jī)械的實(shí)際情況，確保設(shè)計(jì)的科學(xué)性。

2.2盡可能地降低成本

是否經(jīng)濟(jì)合理是低噪聲機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中必須考慮的一個(gè)問(wèn)題。但是，低噪聲機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，存在無(wú)法分?jǐn)偝杀镜默F(xiàn)象。如，對(duì)機(jī)械進(jìn)行降噪處理時(shí)，需要在罩蓋上打孔，其成本包括打孔費(fèi)用、鉆孔工具的使用費(fèi)用等。但罩蓋打孔后產(chǎn)生輻射與噪聲的面積會(huì)縮小，噪聲也會(huì)有所減輕，降噪工作中使用的降噪物會(huì)減少，機(jī)械的通風(fēng)性能也會(huì)得到提高。罩蓋打孔后，罩殼使用的材料減少，殼體的成本會(huì)降低。但是，這并不代表低噪聲設(shè)計(jì)可以百分百地降低機(jī)械的成本。上述例子僅針對(duì)單臺(tái)機(jī)械的成本，同時(shí)低噪聲設(shè)計(jì)中也有可能出現(xiàn)突發(fā)情況，一旦出現(xiàn)突發(fā)情況，則整條生產(chǎn)線便會(huì)發(fā)生改變，這種情況下的成本是無(wú)法準(zhǔn)確計(jì)算的。雖然低噪聲設(shè)計(jì)的降噪成本不能進(jìn)行具體分?jǐn)偅谡莆諜C(jī)械噪音的來(lái)源、傳播途徑、輻射原理的基礎(chǔ)上，將低噪聲設(shè)計(jì)有機(jī)融入到機(jī)械設(shè)計(jì)全過(guò)程中去，便可以減弱噪聲對(duì)機(jī)械可使用性的影響，控制降噪帶來(lái)的成本。

3 低噪聲機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的應(yīng)用思路

3.1低噪聲設(shè)計(jì)與其他設(shè)計(jì)的結(jié)合

低噪聲機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的工作量較大，在機(jī)械設(shè)計(jì)全過(guò)程中有機(jī)融入低噪聲設(shè)計(jì)，無(wú)疑會(huì)延遲新產(chǎn)品的問(wèn)世時(shí)間，但如果將低噪聲設(shè)計(jì)與其他設(shè)計(jì)聯(lián)系起來(lái)，發(fā)揮協(xié)同作用，便可以在降低機(jī)械噪聲的同時(shí)，確保運(yùn)行效率。根據(jù)材料科學(xué)理論，機(jī)械結(jié)構(gòu)部件的原料為非金屬材料的時(shí)候，可以有效減輕機(jī)械的噪聲。因此，針對(duì)機(jī)械中的齒輪、滑輪等，可采用塑料進(jìn)行制作，相比較于金屬齒輪，塑料齒輪的寬松性較好，但精準(zhǔn)性、穩(wěn)定性不高。因此，有必要加強(qiáng)對(duì)新材料的研發(fā)與使用。例如，某汽車公司使用了新材料靜音鋼鐵，使得汽車的噪聲、振動(dòng)得到了減輕。這便是低噪聲設(shè)計(jì)與其他設(shè)計(jì)有機(jī)結(jié)合的典型案例。

3.2提高固有頻率

機(jī)械結(jié)構(gòu)、機(jī)械頻率中，如果固有頻率趨于相近或者是變得相等的時(shí)候，機(jī)械結(jié)構(gòu)的動(dòng)剛度會(huì)降低，與其匹配的振幅則會(huì)大幅度上升且出現(xiàn)高峰值，部件在此時(shí)突發(fā)振動(dòng)，產(chǎn)生共振現(xiàn)象。零件有了固定的大小及形狀的情況下，其頻率也可以被確定。通常情況下，零件的固有頻率不是單值，而是會(huì)隨著振動(dòng)方向的改變而發(fā)生變化，即使振動(dòng)方向一致，其振動(dòng)模態(tài)的固有頻率也不是只有一個(gè)。但是，因?yàn)楣逃蓄l率的高頻時(shí)間不長(zhǎng)，因此基頻持續(xù)時(shí)間相對(duì)更長(zhǎng)。通過(guò)觀察機(jī)械結(jié)構(gòu)，可以看到，通過(guò)組裝不同的零件，便能得到不同的約束條件，約束條件不同，零部件的固有頻率也有明顯的差異。一旦機(jī)械結(jié)構(gòu)出現(xiàn)改變，則部件的固有頻率也會(huì)發(fā)生變化，從而在一定程度上改善共振現(xiàn)象。但是，結(jié)構(gòu)的改變往往是涉及到機(jī)械重量、材料成本等多個(gè)層面的共同作用。為提高固有頻率，可采取增加鑄件剛重比的方法，即減少相關(guān)區(qū)域的材料，同時(shí)增加另一相關(guān)區(qū)域的材料。

3.3輻射面的優(yōu)化

機(jī)械的表層通常具有輻射面，為提高機(jī)械的降噪效果，應(yīng)采取有效的措施，解決輻射面帶來(lái)的影響。低噪聲機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，針對(duì)機(jī)械的運(yùn)動(dòng)部件，應(yīng)采取有效措施，避免其發(fā)生碰撞，控制機(jī)械與運(yùn)動(dòng)部件的平衡度，提高運(yùn)動(dòng)零件之間相互接觸的可能性，改善齒輪結(jié)構(gòu)及型式的配對(duì)情況。借助傳播途徑來(lái)控制噪聲的方法包括提高內(nèi)部噪聲的吸收能力、對(duì)軸進(jìn)行隔振等。針對(duì)殼體表層涵蓋的聲輻射，可采用取消蓋板、涂加阻尼材料的方法予以改善。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，低噪聲機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，可采取改變振動(dòng)源、控制傳播途徑、改變輻射表層等方法，并要注意安排專業(yè)人員負(fù)責(zé)、盡可能地降低成本。實(shí)際應(yīng)用低噪聲機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，可以將低噪聲設(shè)計(jì)與其他設(shè)計(jì)結(jié)合起來(lái)、提高固有頻率、優(yōu)化輻射面等，從而有效控制機(jī)械噪聲，確保降噪效果。

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