一种大型特种工程车的发动机降噪措施研究_王显彬.pdf

第1期机电技术机电技术一种大型特种工程车的发动机降噪措施研究一种大型特种工程车的发动机降噪措施研究王显彬陈 燕（福建船政交通职业学院，福建 福州 350007）摘要文章通过对大型特种工程车的发动机散热风扇的外形尺寸、启停条件、最高转速、隔音材料等关键参数进行优化设计，将工程车在行驶过程中的噪声降低了10%，该方法对同类工程设备的降噪研究有一定的借鉴意义。关键词特种工程车；发动机；降噪；优化设计中图分类号：TB535文献标识码：A文章编号：1672-4801（2023）01-077-04DOI：10.19508/ki.1672-4801.2023.01.021作者简介：王显彬（1981），男，副教授，硕士，主要从事机械设计与液压系统设计方面的教学和研究。风扇在汽车冷却系统里的地位至关重要，是不可或缺的散热部件，在大型特种工程车上尤其如此。而在早期的特种工程车设计时，发动机风扇的噪声对驾驶员的影响并没有引起足够的重视，且法规上对特种车辆驾驶室噪声限值的要求也较为宽松，比如只有 GB 167102010 土方机械噪声限值 要求小于92 dB（A），如表1如示1。表表1 1土方机械司机位置处噪声限值土方机械司机位置处噪声限值机器类型履带式挖掘机轮胎式装载机、轮胎式推土机、铲运机、轮胎式吊管机、轮胎式挖掘机、压路机（非振动、非振荡）、轮胎式挖掘装载机平地机轮式回填压实机履带式推土机、履带式装载机、履带式挖掘装载机、挖沟机、履带式吊管机压路机自卸车司机位置发射声压极限值/dB（A）阶段（2012-01-01起实施）83898891959085阶段（2015-01-01起实施）80868588928782但随着国内法规的逐步完善，以及国家外向型经济政策的刺激，越来越多的企业需要走出国门，向欧洲等法规比较严格的国家和地区销售，发动机的噪音特别是驾驶员的耳旁噪声值变成了通过欧洲认证的一大障碍，这也促使各有志于海外市场的企业重视起发动机噪声的控制，开始从源头进行降噪设计。1噪声寻源测试针对特种工程车驾驶位的噪声测试方法2，主要依照GB/T 143652017 声学 机动车辆定置噪声声压级测量方法 进行，测点位置为距基准表面水平距离7 m，离地高1.5 m处，如图1所示；声功率测试方法参照 CE 认证标准 EN 500-6-2006+A1-2008所规定的方法进行，根据被测车辆的长度，确定测量面为半径为16 m的半球面，如图2所示。2By1h2L2Lh3h2h27L+27L+27B+27B+图图1 1噪声测试方案噪声测试方案772023年1月机电技术机电技术XY42681012Z2/8104/612r图图2 2声功率测试方案声功率测试方案1.1数据处理传声器测得的是声信号的瞬时A计权声压。在评定声压级随时间变化的不稳定噪声时，采用一段时间内能量平均的方法表示噪声的大小，称之为等效连续声压级。通过仪器可直接测得单个测点的等效连续A声级LpAeq,T测量面上的平均等效连续A声级为3：-LpAeq,T=10log|1Ni=1n100.1LpArqi（1）式中：LpAeqi为从第 i个传声器测点测得的等效连续A声级；N为传声器测点总数。工程车驾驶室A计权声功率为：LWA=LPAeq,T-K+10logss0（2）式中：s为测量面的面积，s=2r2，s0=1 m2；K为环境修正值，本文取30 dB。1.2实测噪声数据根据上述测试理论及相关方法，测试了发动机额定转速下空载工况的噪声，被测点处的噪声值如表2所示。驾驶室噪声 A 计权声功率为 103.4 dB，也不满足国家相关标准的要求。因此，该型工程车的噪声水平有很大的改善空间。2噪声源分析通过对被测车辆驾驶位的噪声数据进行频谱分析45，可分别得到发动机额定转速空载工况下左、右座椅处的频谱特性，如图3所示。表表2 2工程车各关键位置处噪声工程车各关键位置处噪声类别近场噪声远场噪声操作位置测量位置前1.5 m后1.5 m左1.5 m右1.5 m前7.0 m后7.0 m左7.0 m右7.0 m左操作位右操作位噪声/dB94.292.8102.698.689.780.890.889.69108.1105.8（a）（b）图图3 3驾驶室左驾驶室左、右座椅处噪声频谱特性右座椅处噪声频谱特性图3是测试获得的左、右驾驶室处噪声频谱特性曲线：图 3a的 AutoPower是指来自于驾驶室测试点的噪音功率谱（自谱）特性曲线，AutoPower本质是由频谱计算得到的，它是复数频谱乘以它的共轭，因此是没有相位信息的实数，可以进行线性平均，并能更直观的表达被测对象的动态信息，其横轴为噪音的频率，纵轴为各频率的噪音 dB值；图3b的Octave是指来自于驾驶室测试点的噪音三分之一倍频曲线。从图3a的曲线可以看出：78第1期驾驶室内的左、右操作位的噪声能量主要集中在2002000 Hz 的频带范围内，其中 225 Hz 左右宽频带对噪声的贡献最大，达到90 dB；分析驾驶室的噪声源种类，主要来自安装在车架上的牵引发动机前置主风扇、右侧副水箱液压风扇、发动机侧的发电机、空压机等机电设备。机电设备在工作时产生的不同频率的振动通过车体传播到驾驶室，在驾驶室内形成空气噪声和机械噪声。经与风扇处噪声测试曲线对比，其频宽区间基本一致，故初步推断驾驶室的噪音主要是由发动机散热风扇在工作时导致。3降噪措施及验证噪声控制的途径主要有声源控制、噪声传播控制和个人防护措施。结合频谱分析结果及该工程车散热系统的设计原理及布置方式等现状，本文采取了以下几个降噪措施：1）加大风扇扇叶的直径，降低风扇转速由以上分析可知，发动机风扇的噪声是驾驶室操作位的主要噪声源之一，故合理的优化风扇产生的噪声可以有效控制噪声源。由于发动机在工作过程中会产生大量热能，必须使用风扇进行辅助散热，因此，在不能取消风扇的情况下通过增大风扇的直径，同时降低风扇的转速来控制噪声的产生是一个很有效的措施。2）改变风扇的连接形式，由直连改为硅油离合式由于环境温度绝大部分时间均为 20 左右的常温，风扇开启时不需要持续的高速运转，故设计为离合器感应温度低于40 时，风扇转速维持在1200 r/min的低转速区间，同样可以满足散热需求，并且可以有效的降低风扇的噪声；仅当感应温度高于65 时，风扇转速升高至2000 r/min来满足高温的散热需求即可。3）采用降噪材料来阻断噪音的传播6降噪材料分为吸声材料和隔声材料：吸声材料内部有大量的互相连通的向外敞开的微孔，当声音传入吸声材料时，引起空隙中的空气振动，由于摩擦和空气的黏滞阻力，使得声能量衰减；而隔声材料密实无孔隙但有较大的质量，当声音传到隔声材料时，透射出的声能量减弱，从而降低外部噪声。试验证明：综合两种材料可以更有效的保证降噪效果，当声音先通过吸声材料时，被吸收一部分，然后声音被隔声材料反射回来导致能量进一步被吸收，最终只有部分声能量投射出去，从而实现降噪的目的。吸声系数大于0.2的材料称为吸声材料。材料的吸声量可按以下方式计算4-5：A=S（3）式中：A为吸声量；为吸声系数；S为吸声面积。由式（3）可知，采用吸声系数高的材料，其降噪的效果会更好，但成本也会相应增加，故本文采用尽可能扩大吸声材料所覆盖的面积来提升吸声量，将驾驶室后部与散热风扇相邻的隔板均铺设上对中高频噪声吸声系数较高的30 mm厚PUR吸音海绵，来吸收200 Hz及以上宽屏带噪声能量。同时，为了控制空气声的传播，本文在发动机两侧及面向驾驶室的方向走台板上均铺设了5 mm厚橡胶板，来阻隔发动机舱噪声向驾驶室的传播。采取以上降噪措施后，再次对驾驶室的左、右操作位及左、右近场1.5 m处噪声进行了检测，结果见图4。828486889092949698100102右操作位左操作位左1.5 m处右1.5 m处测试点正常措施1措施1+措施2措施1+措施2+措施3噪声声压级/dB图图4 4降噪措施效果对比降噪措施效果对比分析图4的曲线可知：1）降低风扇转速可以有效降低驾驶室左、右操作位处的噪声；2）改变风扇的启停逻辑，在发动机舱的环境温度不高时采用低转速运行，对降低驾驶室的噪声有一定效果；3）驾驶室后方及发动机舱面向驾驶室侧铺设吸声及隔声材料可以显著降低噪声能量。4结论本文以某型工程车为对象，通过试验检测对其驾驶室操作位的噪声进行了频谱分析及噪声源定位，提出了降低该型工程车驾驶位噪声的措施，并对改善效果进行了验证，得出如下结论：1）在噪声源比较复杂的工况下，需要通过多（下转第94页）王显彬 等：一种大型特种工程车的发动机降噪措施研究792023年1月机电技术机电技术键。最高领导者只有在思想上足够重视，全面支持质量管理的各项工作，才能使质量保证体系有效运行。法定代表人作为特种设备安全、质量的第一责任人，应将质量目标分解落实到各个控制系统、环节、直至员工，使目标落到实处并定期进行考核。员工作为整个体系运行的参与者，应提高责任意识，了解自己在质量保证体系中的重要作用，依据质量体系文件从事各项活动。整个企业由上而下，人人参与质量，人人创造质量，推动整个质量保证体系稳定健康发展。参考文献：1 国家市场监督管理总局.特种设备生产和充装单位许可规则：TSG 072019S.2 国家质量监督检验检疫总局.固定式压力容器安全技术监察规程：TSG 212016S.3 中国机械工业联合会.焊接材料质量管理规程：JB/T 32232017S.参考文献：1 中国机械工业联合会.土方机械噪声限值：GB 167102010S.2 中国科学院.声学-机动车辆定置噪声声压级测量方法：GB/T 143652017S.3 胡代群，张步坤，姜圣.压路机噪声源定位和降噪研究J.建筑机械（上半月），2011（10）：107-110.4 田建涛，余志龙，庞赢洲.工程机械噪声主观评价的等级评分法试验研究J.工程机械，2014（9）：25-30.5 张学龙，王奔，王亚军，等.柴油机发动机噪声测试与分析J.内燃机，2019（3）：33-37，40.6 王奇，周信，李志辉，等.混合动力低地板车冷却风机降噪试验研究J.噪声与振动控制，2018（3）：42-48.方位测试，找出哪个时间点哪个工况在哪个位置的噪声最大，并通过频谱分析和对比确定噪声的主要来源，并采取最有针对性的降噪措施。2）锁定主要噪声源后，需要对噪声产生的条件及传播的路径进行分析，通过抑制噪声的产生、阻断噪声的传播两个方面分别采取措施，来达到降噪的目的。3）吸声材料对降噪的贡献非常明显，应该加强科研力度和产业化投入，降低优质吸声材料的市场价格。（上接第79页）94