內(nèi)燃叉車進(jìn)氣系統(tǒng)消聲性能改進(jìn)設(shè)計(jì)研究

沈蘇藝 ，翁澤宇*，李明輝，沈曉慶，相曙鋒，王志剛

(1.浙江工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，浙江 杭州 310014;2.杭叉集團(tuán)股份有限公司，浙江 杭州 311305)

0 引言

內(nèi)燃叉車是用于物料搬運(yùn)作業(yè)的工程車輛，是實(shí)現(xiàn)物流機(jī)械化作業(yè)、減輕工人搬運(yùn)勞動(dòng)強(qiáng)度、提高作業(yè)效率的主要設(shè)備。但在使用過(guò)程中，其噪聲問(wèn)題對(duì)叉車駕駛?cè)藛T及周圍的操作人員有很大的影響，并且已經(jīng)成為內(nèi)燃叉車進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題。進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲是內(nèi)燃叉車的主要噪聲源，因此，對(duì)內(nèi)燃叉車進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲進(jìn)行研究和控制具有重要的意義［1］。

筆者研究的內(nèi)燃叉車進(jìn)氣系統(tǒng)由擴(kuò)張式進(jìn)氣消聲器、空氣濾清器和包括進(jìn)氣連接管在內(nèi)的進(jìn)氣管路等部件組成，同時(shí)，立柱作為車架的組成部分，也作為進(jìn)氣管路的一部分。

內(nèi)燃叉車的動(dòng)力來(lái)自于發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部燃料的燃燒，對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)消聲性能的研究，也可以與其他內(nèi)燃機(jī)動(dòng)車輛之間進(jìn)行相互借鑒，研究重點(diǎn)是研制具有理想消聲性能的進(jìn)氣系統(tǒng)部件。不少學(xué)者已經(jīng)開(kāi)展了對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)消聲部件的設(shè)計(jì)與研究。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，主要是分析消聲部件結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)消聲性能的影響:Selamet和Dickey［2］對(duì)赫姆霍茲消聲器進(jìn)數(shù)值計(jì)算，分析了各結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)對(duì)赫姆霍茲消聲器消聲性能的影響，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證;林進(jìn)修等［3］研究了空濾器連接管道長(zhǎng)度和消聲頻率的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)增大管道長(zhǎng)度，進(jìn)氣系統(tǒng)的消聲頻率會(huì)向低頻處移動(dòng)。對(duì)于復(fù)雜的消聲部件，利用有限元方法進(jìn)行研究是一種有效的手段:Mehdizadeh 等［4］對(duì)對(duì)包層及片狀的的阻性消聲器傳遞損失進(jìn)行了有限元計(jì)算，并得到與試驗(yàn)數(shù)據(jù)相符合的結(jié)果;靳曉雄等［5］對(duì)某空氣濾清器結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，建立聲學(xué)有限元模型，利用聲學(xué)有限元仿真軟件計(jì)算空氣濾清器的傳遞損失，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了在消聲性能分析過(guò)程中濾芯材料設(shè)置方法的正確性。

由于整個(gè)進(jìn)氣系統(tǒng)各部件的消聲性能是相互聯(lián)系和相互影響的，本研究在設(shè)計(jì)內(nèi)燃叉車進(jìn)氣系統(tǒng)時(shí)，將進(jìn)氣系統(tǒng)作為一個(gè)整體進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，有效地發(fā)揮進(jìn)氣系統(tǒng)各部件的消聲特點(diǎn)，得到改進(jìn)設(shè)計(jì)方案，并通過(guò)聲學(xué)有限元仿真和進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲試驗(yàn)對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評(píng)價(jià)和驗(yàn)證。

1 消聲設(shè)計(jì)計(jì)算方法

1.1 阻性消聲器的計(jì)算方法

在內(nèi)燃叉車進(jìn)氣系統(tǒng)中，空氣濾清器的濾芯材料是多孔吸聲材料中的纖維材料，所以空氣濾清器在聲學(xué)意義上具有阻性消聲器的作用。最簡(jiǎn)單的阻性消聲器是圓管式消聲器，消聲量的常用計(jì)算公式如式(1)所示［6-7］:

式中:φ(α0)—與材料吸聲系數(shù)α0有關(guān)的吸聲系數(shù)，α0—正入射吸聲系數(shù)，P—管道截面周長(zhǎng)，S—管道截面積，l—消聲器有效長(zhǎng)度，D—管道直徑，m。

1.2 擴(kuò)張式消聲器的計(jì)算方法

擴(kuò)張式消聲器的原理是管道中聲波在截面突變(擴(kuò)大或縮小)處發(fā)生反射而衰減噪聲。

單節(jié)擴(kuò)張式消聲器消聲量計(jì)算公式如式(3)所示［8］:

式中:m—擴(kuò)張比，m=SD/Sd;SD—擴(kuò)張腔的橫截面積;Sd—管道截面積;k—波數(shù)，k=2π/λ;λ—聲波波長(zhǎng);L—擴(kuò)張室長(zhǎng)度。

單節(jié)擴(kuò)張式消聲器的消聲特性成正弦波形，由式(3)可見(jiàn)，當(dāng)kl 為π/2 的奇數(shù)倍時(shí)，sin(kl)=1，此時(shí)消聲量為最大值;當(dāng)kl 為π/2 的偶數(shù)倍時(shí)，sin(kl)=0，此時(shí)消聲量為零，相對(duì)應(yīng)的頻率為通過(guò)頻率。由于單節(jié)擴(kuò)張式消聲器有許多周期性的通過(guò)頻率，在工程中常采用內(nèi)插管的方法，以消除通過(guò)頻率。當(dāng)插入管長(zhǎng)度為L(zhǎng)/2 時(shí)，可消除1/2 波長(zhǎng)的奇數(shù)倍通過(guò)頻率，當(dāng)另一端插入管長(zhǎng)度為L(zhǎng)/4 時(shí)，則可消除1/2 波長(zhǎng)的偶數(shù)倍通過(guò)頻率。

1.3 赫姆霍茲共振消聲器的計(jì)算方法

赫姆霍茲共振消聲器是一種旁支消聲器，在以共振頻率為中心的一定頻率范圍內(nèi)起有效的消聲作用，具有較強(qiáng)的頻率選擇性。

單節(jié)共振消聲器的共振頻率和傳遞損失分別由式(4，5)計(jì)算:

式中:fr—共振頻率，Sc—連接管的截面積，V—共振腔的體積，lc—連接管長(zhǎng)度，f—頻率，Sp—主管道截面積。

由式(4，5)可以看出，赫姆霍茲共振消聲器的共振腔體積、連接管長(zhǎng)度和截面積及主管道的截面積可以決定共振頻率和傳遞損失。

2 進(jìn)氣系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計(jì)

筆者研究的內(nèi)燃叉車原進(jìn)氣系統(tǒng)如圖1 所示，包括擴(kuò)張式進(jìn)氣消聲器、空氣濾清器和包括進(jìn)氣連接管在內(nèi)的進(jìn)氣管路等部件。

圖1 內(nèi)燃叉車進(jìn)氣系統(tǒng)組成

改進(jìn)設(shè)計(jì)的依據(jù)來(lái)源于對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，從進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)氣噪聲的測(cè)試分析，可以得出對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)的進(jìn)氣噪聲貢獻(xiàn)大的頻段是:60 Hz～100 Hz、250 Hz～350 Hz、500 Hz～800 Hz，其中重點(diǎn)頻率是:87 Hz、320 Hz、596 Hz、659 Hz、750 Hz、890 Hz。

為了提高進(jìn)氣系統(tǒng)整體的消聲性能，改進(jìn)設(shè)計(jì)方案以原車進(jìn)氣噪聲測(cè)試結(jié)果為依據(jù)，重點(diǎn)對(duì)進(jìn)氣消聲器、空氣濾清器和進(jìn)氣管進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)。

2.1 進(jìn)氣消聲器改進(jìn)設(shè)計(jì)

原進(jìn)氣消聲器的空氣入口端通過(guò)車架上的一個(gè)連接腔與立柱管道相通，空氣出口端連接空氣濾清器，開(kāi)口向上。為了不與空氣濾清器和車架發(fā)生干涉，進(jìn)氣消聲器呈階梯型，在中間連接處設(shè)計(jì)成斜面。

本研究對(duì)進(jìn)氣消聲器進(jìn)行如下改進(jìn):

(1)充分利用車內(nèi)可安裝進(jìn)氣消聲器的空間，擴(kuò)大進(jìn)氣消聲器的體積V，同時(shí)盡可能獲得最大的擴(kuò)張比m;

(2)為了獲得截面突變帶來(lái)聲阻抗變化的效果，在不干涉的前提下，去掉原進(jìn)氣消聲器的斜面，同時(shí)也有利于擴(kuò)大擴(kuò)張腔的體積;

(3)在空氣入口端內(nèi)置插入管，可以消除部分通過(guò)頻率。

2.2 空氣濾清器改進(jìn)設(shè)計(jì)

空氣濾清器在聲學(xué)意義上是一個(gè)阻抗復(fù)合型消聲器，濾芯除了有凈化空氣的功能外，還有一定的吸聲作用。

由于空氣濾清器安裝空間和布局的限制，空氣入口和出口的位置無(wú)法改動(dòng)，且腔體的橫截面積也無(wú)法擴(kuò)大，擴(kuò)張比m 無(wú)法改變，只能通過(guò)增加腔體的長(zhǎng)度來(lái)擴(kuò)大腔體體積，以獲得更好的低頻消聲效果。空氣濾清器腔體原長(zhǎng)為300 mm，改進(jìn)后長(zhǎng)度增加為360 mm，相當(dāng)于體積擴(kuò)大了20%。

2.3 進(jìn)氣接管改進(jìn)設(shè)計(jì)

空氣從入口處進(jìn)入進(jìn)氣接管后，氣流被分成兩股并最終匯合，由出口處進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)。進(jìn)氣接管的結(jié)構(gòu)是根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)和接管安裝位置決定的，是一段不規(guī)則的管路，管內(nèi)截面積沒(méi)有明顯的變化，消聲的作用不佳。

本研究針對(duì)重點(diǎn)頻率對(duì)進(jìn)氣接管進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，去掉分流結(jié)構(gòu)，在管道兩側(cè)針對(duì)特殊頻率設(shè)計(jì)赫姆霍茲共振腔A、B，在避免干涉的前提下設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1 所示。

表1 新進(jìn)氣接管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)

3 聲學(xué)有限元仿真

由改進(jìn)后的進(jìn)氣消聲器、空氣濾清器和進(jìn)氣接管等組成新的進(jìn)氣系統(tǒng)如圖2 所示，整個(gè)進(jìn)氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具有一定的復(fù)雜性和不規(guī)則性。為了能夠?qū)?fù)雜且不規(guī)則的系統(tǒng)進(jìn)行消聲性能分析，傳統(tǒng)的數(shù)值計(jì)算方法是很難完成的，最有效的手段是利用聲學(xué)有限元技術(shù)進(jìn)行仿真分析。

圖2 新進(jìn)氣系統(tǒng)

仿真分析以傳遞損失TL 作為分析結(jié)果的評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)原進(jìn)氣系統(tǒng)和改進(jìn)后進(jìn)氣系統(tǒng)，應(yīng)用Virtual.Lab 軟件，分別進(jìn)行聲學(xué)有限元分析。在此，本研究不考慮進(jìn)氣系統(tǒng)壁面對(duì)其內(nèi)部聲場(chǎng)的影響，即忽略流體與剛體之間的耦合作用［9］，設(shè)置的邊界條件是:

(1)壁面為無(wú)反射剛性壁面;

(2)入口處施加單位質(zhì)點(diǎn)速度作為激勵(lì);

(3)出口處施加全吸聲屬性。

分析計(jì)算的頻率上限為1 000 Hz。原進(jìn)氣系統(tǒng)和改進(jìn)后進(jìn)氣系統(tǒng)的聲學(xué)有限元分析結(jié)果如圖3 所示。

圖3 原進(jìn)氣系統(tǒng)與改進(jìn)后進(jìn)氣系統(tǒng)的傳遞損失曲線

從分析結(jié)果可得，改進(jìn)后進(jìn)氣系統(tǒng)的傳遞損失TL在大部分頻段比原進(jìn)氣系統(tǒng)有所提高，在中、低頻段尤其是280 Hz～340 Hz 頻段消聲特性有大幅提高;在中、高頻段提高范圍較大，尤其是750 Hz～850 Hz 頻段效果明顯，聲學(xué)有限元分析結(jié)果可以滿足設(shè)計(jì)要求。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

本研究根據(jù)《聲學(xué)消聲器測(cè)量方法》(GB/T 4760—1995)［10］，制定該內(nèi)燃叉車進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲的試驗(yàn)方案。依據(jù)叉車噪聲測(cè)量規(guī)范，分別在叉車發(fā)動(dòng)機(jī)怠速工況和發(fā)動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速工況下，測(cè)量該內(nèi)燃叉車進(jìn)氣噪聲。

本研究利用LMS Test.lab 測(cè)試分析系統(tǒng)進(jìn)行聲壓級(jí)和1/3 倍頻程分析，分析結(jié)果如圖4～7 所示。

圖4 原進(jìn)氣系統(tǒng)與改進(jìn)后進(jìn)氣系統(tǒng)在怠速工況下

圖5 原進(jìn)氣系統(tǒng)與改進(jìn)后進(jìn)氣系統(tǒng)在怠速工況下

圖6 原進(jìn)氣系統(tǒng)與新改進(jìn)后進(jìn)氣系統(tǒng)在最高速工況下

圖7 原進(jìn)氣系統(tǒng)與改進(jìn)后進(jìn)氣系統(tǒng)在最高速工況下

分析試驗(yàn)結(jié)果，從進(jìn)氣口的聲壓級(jí)來(lái)看，改進(jìn)后的進(jìn)氣系統(tǒng)方案在怠速工況下達(dá)到了2.7 dB 的降噪量，在發(fā)動(dòng)機(jī)最高速工況下都達(dá)到了3.16 dB 的降噪量。從頻譜和1/3 倍頻程圖來(lái)看，在怠速工況下，改進(jìn)后的進(jìn)氣系統(tǒng)在低頻段噪聲值有明顯降低，在中心頻率為80 Hz～160 Hz 的頻段有2 dB～3 dB 的消聲效果，在中、高頻段的消聲效果更為顯著，尤其是中心頻率為315 Hz、630 Hz和800 Hz 3個(gè)頻段都有大于4 dB 的降噪量;在發(fā)動(dòng)機(jī)最高速工況下，消聲效果主要在中、高頻段，其中，中心頻率為315 Hz和500 Hz 頻段有1 dB～2 dB的消聲效果，中心頻率為400 Hz～800 Hz 頻段的消聲效果達(dá)到4 dB～6 dB。

5 結(jié)束語(yǔ)

本研究對(duì)內(nèi)燃叉車進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，其中，對(duì)進(jìn)氣消聲器的改進(jìn)是擴(kuò)大體積并設(shè)置插入管，對(duì)空氣濾清器的改進(jìn)是增加腔體長(zhǎng)度來(lái)擴(kuò)大腔體體積，對(duì)進(jìn)氣接管的改進(jìn)是針對(duì)重點(diǎn)頻率設(shè)計(jì)赫姆霍茲共振消聲器，并通過(guò)聲學(xué)有限元對(duì)整個(gè)進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析和比較。仿真結(jié)果表明，改進(jìn)后進(jìn)氣系統(tǒng)的傳遞損失在大部分頻段都有提高。為了驗(yàn)證改進(jìn)設(shè)計(jì)方案在實(shí)車上的消聲效果，筆者進(jìn)行了進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲試驗(yàn)分析，對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)氣口測(cè)量聲壓級(jí)并進(jìn)行比較。結(jié)果表明，改進(jìn)后進(jìn)氣系統(tǒng)的消聲特性的到了顯著提高，在發(fā)動(dòng)機(jī)怠速和最高速兩種工況下均可以達(dá)到2 dB～3 dB的消聲效果，在部分頻段的消聲量可以達(dá)到4 dB以上。

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