活塞式氣動(dòng)馬達(dá)噪聲特性分析

鄭 恒，張艷鋒，王景祥

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 機(jī)械學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051）

活塞式氣動(dòng)馬達(dá)噪聲特性分析

鄭 恒，張艷鋒，王景祥

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 機(jī)械學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051）

活塞式氣動(dòng)馬達(dá)的振動(dòng)和噪聲是影響馬達(dá)工作性能的重要因素。文章針對(duì)現(xiàn)有氣動(dòng)馬達(dá)存在的噪聲問題，以理論分析為主要研究方法，研究了活塞式氣動(dòng)馬達(dá)噪聲的產(chǎn)生機(jī)理及其振動(dòng)特性。理論分析表明氣體流動(dòng)噪聲、結(jié)構(gòu)表面振動(dòng)噪聲和機(jī)械噪聲是氣動(dòng)馬達(dá)產(chǎn)生噪聲的主要來源，此為氣動(dòng)馬達(dá)的噪聲控制提供了思路和方法。

氣動(dòng)馬達(dá)；噪聲；工作性能

山東泰安巨菱鉆探裝備有限責(zé)任公司生產(chǎn)的氣動(dòng)載人絞車，通過5×135氣動(dòng)馬達(dá)作為動(dòng)力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來完成絞車的載人工作，壓縮空氣是5×135氣動(dòng)馬達(dá)的主要?jiǎng)恿υ?，氣?dòng)控制閥集成了氣動(dòng)回路。當(dāng)控制閥開啟時(shí)，壓縮空氣依次通過安全閥、換向閥、和配氣閥進(jìn)入氣缸內(nèi)，在氣缸內(nèi)膨脹對(duì)活塞做功，活塞通過連桿將作用力傳遞到曲軸，帶動(dòng)曲軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。配氣閥與曲軸通過銷連接，隨曲軸一起運(yùn)動(dòng)，根據(jù)配氣相位為各氣缸分配壓縮氣體。目前，國內(nèi)活塞式氣動(dòng)馬達(dá)配氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和制造，使氣動(dòng)馬達(dá)的噪聲和振動(dòng)比較大，對(duì)馬達(dá)的工作性能造成了一定影響[1]。

1 活塞式氣動(dòng)馬達(dá)噪聲產(chǎn)生機(jī)理

氣動(dòng)馬達(dá)是一個(gè)復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)，主要由控制閥、活塞、曲軸連桿、殼體等組成。氣動(dòng)絞車在提升重物過程中，馬達(dá)的各零件受到不同的激勵(lì)，會(huì)產(chǎn)生的不同的振動(dòng)方式。因此馬達(dá)在正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)時(shí)，產(chǎn)生的噪聲是十分復(fù)雜的。馬達(dá)整機(jī)噪聲就是和馬達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn)過程密切相關(guān)的多種聲源發(fā)出的零部件噪聲組合而成的[2]。根據(jù)氣動(dòng)馬達(dá)的工作原理及有關(guān)的聲學(xué)理論，分析氣動(dòng)馬達(dá)的主要噪聲源是空氣流動(dòng)噪聲、結(jié)構(gòu)表面振動(dòng)噪聲和機(jī)械噪聲。其中，空氣流動(dòng)噪聲是氣動(dòng)馬達(dá)直接向大氣輻射的噪聲，是由氣流振動(dòng)產(chǎn)生的[3]。氣動(dòng)馬達(dá)在工作過程中，配氣閥在給各氣缸供氣時(shí)，由于配氣閥隨曲軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，氣流發(fā)生振動(dòng)而產(chǎn)生了氣體動(dòng)力噪聲，并通過大氣直接對(duì)外輻射。結(jié)構(gòu)表面振動(dòng)噪聲，是馬達(dá)各零部件在運(yùn)動(dòng)過程中表面振動(dòng)以及氣體推動(dòng)活塞做功時(shí)振動(dòng)而產(chǎn)生的噪聲，主要來源是馬達(dá)的薄壁件和不平衡運(yùn)動(dòng)件產(chǎn)生的表面振動(dòng)噪聲。氣動(dòng)馬達(dá)在工作過程中，由于曲軸旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生周期性的力作用以及活塞和連桿的往復(fù)力，各零部件之間會(huì)產(chǎn)生無數(shù)輕微的機(jī)械撞擊和振動(dòng)，這些輕微振動(dòng)通過馬達(dá)整機(jī)傳遞，形成了馬達(dá)整機(jī)振動(dòng)。這種振動(dòng)的主要原因是由于機(jī)械運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的，故稱為機(jī)械噪聲。

2 噪聲分析及控制

氣動(dòng)馬達(dá)的噪聲主要來源于進(jìn)排氣時(shí)氣流振動(dòng)產(chǎn)生的氣體（空氣）動(dòng)力噪聲，馬達(dá)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，由于曲軸、連桿和活塞產(chǎn)生的往復(fù)慣性力而造成的機(jī)械振動(dòng)，馬達(dá)整體結(jié)構(gòu)中薄壁件產(chǎn)生的表面振動(dòng)噪聲。

2.1 氣體流動(dòng)噪聲分析及控制

氣動(dòng)馬達(dá)的氣體流動(dòng)噪聲，主要是由于壓縮空氣在進(jìn)入控制閥之后，在閥內(nèi)部流道流動(dòng)時(shí)，以及氣體在對(duì)活塞做工時(shí)產(chǎn)生了氣體流動(dòng)噪聲。因此主要分析馬達(dá)控制閥進(jìn)氣和排氣噪聲。

進(jìn)氣噪聲主要是當(dāng)馬達(dá)控制閥開啟時(shí)，安全閥打開，氣體通過安全閥和換向閥，進(jìn)入配氣閥，在此過程中，氣體產(chǎn)生了很大的壓力變化而造成振動(dòng)。壓縮空氣流經(jīng)控制閥內(nèi)氣道的壓力脈動(dòng)；氣體在流經(jīng)氣道的較小的流通截面時(shí)，會(huì)產(chǎn)生噴注效應(yīng)，氣體高速流動(dòng)而產(chǎn)生高頻噪聲；在氣缸內(nèi)，壓縮空氣在膨脹做功時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)。對(duì)于進(jìn)氣噪聲的振動(dòng)，可以通過CFD數(shù)值模擬軟件對(duì)氣動(dòng)馬達(dá)控制閥的氣體流動(dòng)特性進(jìn)行分析研究，優(yōu)化控制閥氣體管道結(jié)構(gòu)，減小氣體流動(dòng)過程中產(chǎn)生的振動(dòng)，控制進(jìn)氣噪聲。排氣噪聲主要是有壓縮空氣在對(duì)活塞做功之后，氣體在活塞推動(dòng)作用下，從馬達(dá)內(nèi)部排出時(shí)產(chǎn)生的氣流變化引起的。實(shí)際使用5×135氣動(dòng)馬達(dá)過程中，觀察到排氣噪聲是氣動(dòng)馬達(dá)中最嚴(yán)重的氣體噪聲源。配氣閥在排氣過程中，分為一次排氣和二次排氣，一次排氣和二次排氣會(huì)形成周期性的變化，這種周期性變化產(chǎn)生了氣體的周期性振動(dòng)，是排氣噪聲的主要噪聲源。排氣時(shí)氣體是高速流動(dòng)的，與控制閥氣體管道、缸壁形成氣固摩擦，在配氣閥芯以及一次排氣和二次排氣匯合處形成的渦流，這些流動(dòng)過程中氣體的流動(dòng)狀態(tài)變化而產(chǎn)生的振動(dòng),是排氣噪聲的次要噪聲源。排氣噪聲的控制是復(fù)雜的，而且要滿足氣動(dòng)馬達(dá)的工作要求，一些噪聲的產(chǎn)生是不可避免的。在排氣管道末端安裝消音器,依然是降低排氣噪聲最有效、最簡(jiǎn)單的措施。

2.2 機(jī)械噪聲分析及控制

馬達(dá)的機(jī)械噪聲，是指由于機(jī)械撞擊和慣性力的作用而產(chǎn)生振動(dòng)形成的噪聲。機(jī)械的各零部件之間存在間隙，在這些零部件運(yùn)動(dòng)之后，各零部件產(chǎn)生撞擊而形成噪聲。氣動(dòng)馬達(dá)是由五個(gè)氣缸星型布置的，當(dāng)氣動(dòng)馬達(dá)正轉(zhuǎn)時(shí)，活塞、連桿以及曲軸會(huì)形成不平衡的慣性力，活塞和連桿還會(huì)形成往復(fù)力，這種力會(huì)隨著轉(zhuǎn)速的升高而增大，不平衡力會(huì)產(chǎn)生馬達(dá)整機(jī)的振動(dòng)。一臺(tái)氣動(dòng)馬達(dá)有成百上千的機(jī)械零件，馬達(dá)工作時(shí)，由于各零件之間的撞擊、摩擦、不平衡力引起零件的振動(dòng)，特別是當(dāng)振動(dòng)頻率與機(jī)件的固有頻率相同時(shí)，會(huì)引起激烈的共振和噪聲。馬達(dá)的活塞在氣缸內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)活塞在上止點(diǎn)和下止點(diǎn)時(shí)，在垂直于活塞運(yùn)動(dòng)方向上的作用力發(fā)生了改變，而這種周期性變化的力會(huì)對(duì)氣缸缸壁產(chǎn)生沖擊，造成活塞和氣缸壁的振動(dòng)。連桿是傳遞作用力的重要零件，連桿一端與活塞連接，一端與曲軸連接，活塞做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，曲軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，連桿做擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)。連桿在連接處形成了很大的沖擊力，構(gòu)成了一個(gè)機(jī)械振動(dòng)噪聲源。通過對(duì)氣動(dòng)馬達(dá)曲軸進(jìn)行動(dòng)平衡分析，可以有效降低動(dòng)不平衡產(chǎn)生的振動(dòng)噪聲。

2.3 結(jié)構(gòu)表面振動(dòng)噪聲分析及控制

馬達(dá)的氣體流動(dòng)振動(dòng)力和機(jī)械撞擊振動(dòng)力，通過通過各種結(jié)構(gòu)零件傳遞到馬達(dá)的外表面上，形成結(jié)構(gòu)表面振動(dòng)噪聲。薄壁零件和懸臂零件由于自身的慣性小，更容易形成結(jié)構(gòu)表面的振動(dòng)，形成表面輻射噪聲。馬達(dá)殼體本身是不會(huì)振動(dòng)的，但是由于內(nèi)部活塞和連桿振動(dòng)傳遞至殼體的振動(dòng)，使得馬達(dá)殼體表面形成輻射噪聲。馬達(dá)控制閥內(nèi)的配氣閥芯隨曲軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，壓縮空氣對(duì)配氣閥芯產(chǎn)生了氣體沖擊，閥芯產(chǎn)生了不規(guī)則的振動(dòng)，這種振動(dòng)通過各種零件傳遞至閥體表面，形成了輻射噪聲。噪聲的大小主要與機(jī)械的振動(dòng)頻率有關(guān)，因此，隨著馬達(dá)轉(zhuǎn)速的上升，結(jié)構(gòu)表面振動(dòng)噪聲也會(huì)增加?？梢酝ㄟ^增加結(jié)構(gòu)剛度和阻尼，為薄壁件和懸臂件增加肋板等方式有效的降低結(jié)構(gòu)表面的振動(dòng)噪聲。

3 結(jié)束語

文章針對(duì)目前的活塞式氣動(dòng)馬達(dá)，闡述了馬達(dá)機(jī)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理的基礎(chǔ)上，分析和探討了馬達(dá)噪聲源的振動(dòng)特性。分別從空氣流動(dòng)噪聲、機(jī)械噪聲和結(jié)構(gòu)表面振動(dòng)噪聲三個(gè)方面進(jìn)行了詳細(xì)地振動(dòng)分析，并提出了降低噪聲的方法。在不影響氣動(dòng)馬達(dá)工作性能的基礎(chǔ)上，對(duì)馬達(dá)噪聲的控制，可以有效提高馬達(dá)的整機(jī)運(yùn)行水平，對(duì)工程實(shí)際應(yīng)用有著重要的意義。進(jìn)一步的研究可以針對(duì)活塞式氣動(dòng)馬達(dá)制定整機(jī)噪聲的聲強(qiáng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)方案，測(cè)試馬達(dá)的噪聲聲強(qiáng)。依據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分析馬達(dá)各工況下的噪聲輻射情況，利用聲強(qiáng)云圖和聲功率排序法得到整機(jī)噪聲分布情況，為下一步的噪聲控制奠定基礎(chǔ)。

[1]方奕棟,李道飛,楊陽,等.氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣過程流動(dòng)損失分析[J].內(nèi)燃機(jī)工程,2013,34(3):88-92.

[2]溫華兵,徐文江,鮑蘇寧,等.柴油機(jī)廢氣渦輪增壓器噪聲機(jī)理及性能試驗(yàn)研究[J].內(nèi)燃機(jī)工程,2013,34(1):76-80.

[3]VerseegHK,Malaasekera W.An Introuduction Computational Fluid Dynamics[M].北京:世界圖書出版公司,2003.300-310.

U673.38

A

1671-3818（2016）04-0061-02

鄭恒(1990-)，男，內(nèi)蒙古呼和浩特人，碩士研究生，研究方向：動(dòng)力機(jī)械。