內(nèi)燃叉車(chē)擴(kuò)張式進(jìn)氣消聲器分析與改進(jìn)

譚雅仙，李其朋，陳翔宇，宋德玉，李　乾TAN Ya-xian，　LI Qi-peng，　CHEN Xiang-yu，　SONG De-yu，　LI Qian（.杭叉集團(tuán)股份有限公司，杭州 3305；.浙江科技學(xué)院 機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院，杭州 3003）

內(nèi)燃叉車(chē)擴(kuò)張式進(jìn)氣消聲器分析與改進(jìn)

譚雅仙1，李其朋2，陳翔宇1，宋德玉2，李乾2
TAN Ya-xian1，LI Qi-peng2，CHEN Xiang-yu1，SONG De-yu2，LI Qian2
（1.杭叉集團(tuán)股份有限公司，杭州 311305；2.浙江科技學(xué)院 機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院，杭州 310023）

以?xún)?nèi)燃叉車(chē)擴(kuò)張式進(jìn)氣消聲器為對(duì)象，通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)理論分析，確定了消聲器的擴(kuò)張腔容積、進(jìn)氣口安裝位置等參數(shù)；利用三維有限元分析，對(duì)優(yōu)化后的進(jìn)氣消聲器進(jìn)行了仿真研究。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致，表明該進(jìn)氣消聲器改進(jìn)了進(jìn)氣系統(tǒng)的消聲量，在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況下的消聲效果有顯著提高，重點(diǎn)頻率段的消聲量可達(dá)4-6dB。

內(nèi)燃叉車(chē)；進(jìn)氣系統(tǒng)；擴(kuò)張式消聲器；三維有限元仿真；優(yōu)化設(shè)計(jì)

0　引言

內(nèi)燃叉車(chē)廣泛用于工廠、建筑、石油化工等領(lǐng)域，是進(jìn)行裝卸、堆垛、拆垛和搬運(yùn)的現(xiàn)代物流系統(tǒng)的重要裝備之一，能大幅度減輕工人搬運(yùn)勞動(dòng)強(qiáng)度，提高作業(yè)效率，但是在作業(yè)過(guò)程中，進(jìn)氣和排氣所產(chǎn)生的噪聲嚴(yán)重影響著內(nèi)燃叉車(chē)駕駛員及周?chē)墓ぷ魅藛T身心健康，也嚴(yán)重影響了我國(guó)內(nèi)燃叉車(chē)的出口份額。

從結(jié)構(gòu)上分析，普通內(nèi)燃叉車(chē)排氣系統(tǒng)比進(jìn)氣系統(tǒng)更遠(yuǎn)離叉車(chē)駕駛?cè)藛T，雖然排氣系統(tǒng)噪聲高于進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲，但是進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲比排氣系統(tǒng)的噪聲對(duì)叉車(chē)駕駛?cè)藛T的影響更加強(qiáng)烈，因此，對(duì)內(nèi)燃叉車(chē)進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲及其消聲元件的研究具有重要的意義［1］。

內(nèi)燃叉車(chē)進(jìn)氣系統(tǒng)主要由擴(kuò)張式消聲器、空氣過(guò)濾器以及之間連接用的進(jìn)氣管路等部件組成，本文研究的內(nèi)燃叉車(chē)進(jìn)氣系統(tǒng)除了前述結(jié)構(gòu)之外同時(shí)還將車(chē)架上的立柱作為進(jìn)氣管路中的一個(gè)組成部分。內(nèi)然叉車(chē)進(jìn)氣噪聲與進(jìn)氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速密切相關(guān)［2］。

目前，對(duì)于擴(kuò)張式消聲器，不少學(xué)者已經(jīng)開(kāi)展了擴(kuò)張式消聲器的研究。劉飛等［3］等對(duì)一維平面波理論在高頻失效的原因進(jìn)行了分析，對(duì)出口管的位置與數(shù)量以及兩擴(kuò)張室的擴(kuò)張式消聲器消聲性能進(jìn)行了研究；張曉龍［4］對(duì)擴(kuò)張消聲器進(jìn)行了理論研究，對(duì)一維平面波理論分析、有限元仿真分析和實(shí)驗(yàn)測(cè)試三者進(jìn)行了比較，證明了仿真研究對(duì)消聲器的設(shè)計(jì)的有效性；袁翔等［5］利用SYSNOISE軟件和CFD軟件Fluent對(duì)簡(jiǎn)單擴(kuò)張式消聲器與穿孔管消聲器的傳遞損失與阻力損失進(jìn)行分析，證明了穿孔管的流體力學(xué)性能優(yōu)于簡(jiǎn)單擴(kuò)張腔；以上學(xué)者的研究存在一些不足的地方。很多學(xué)者只是對(duì)簡(jiǎn)單擴(kuò)張式消聲器進(jìn)行了分析，而在實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中，為了不與其他零件發(fā)生干涉，消聲器常常設(shè)計(jì)成異形結(jié)構(gòu)，為此，對(duì)異形擴(kuò)張腔進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)就顯得很有必要。

本文首先對(duì)進(jìn)氣消聲器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，然后利用軟件ACTRAN對(duì)安裝了優(yōu)化后的進(jìn)氣消聲器的進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)行仿真，并與原進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比，得出了降噪提高的頻率范圍，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1　擴(kuò)張消聲器的消聲原理

擴(kuò)張式消聲器也稱(chēng)為膨脹式消聲器，是利用管道橫截面積的擴(kuò)張與收縮引起的聲波反射與干涉來(lái)進(jìn)行消聲的［6］。單節(jié)擴(kuò)張室的消聲量可以用以下式進(jìn)行計(jì)算［7］：

式中，m表示擴(kuò)張比，擴(kuò)張腔的值為擴(kuò)張腔截面積與管道截面積的比值；k表示波數(shù)；l表示擴(kuò)張管的長(zhǎng)度。

2　消聲器聲學(xué)評(píng)價(jià)指標(biāo)

消聲元件的消聲效果一般有四種評(píng)價(jià)指標(biāo)：傳遞損失（transmission loss，TL），插入損失（insertion loss，IL），聲壓級(jí)（sound pressure level，SPL）以及聲壓級(jí)差值（level difference，LD）。傳遞損失一般用于評(píng)價(jià)消聲元件，取決于消聲元件的結(jié)構(gòu)、介質(zhì)的阻抗率和截面面積，與聲源和出口處的聲學(xué)特性無(wú)關(guān)；結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)一般使用傳遞損失作為消聲器聲學(xué)評(píng)價(jià)指標(biāo)［8］。

傳遞損失是指聲波經(jīng)過(guò)消聲元件之后聲音能量的衰減程度，為入射聲功率級(jí)與透射聲功率級(jí)的差值，傳遞損失為：

上式中，ωin，ωout為入射和透射聲功率，pi，pt分別為入射和透射聲壓，Ain，Aout為入口端和出口端的橫截面積。

3　建立模型

優(yōu)化設(shè)計(jì)的方案來(lái)自于對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)原始數(shù)據(jù)分析，從進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)氣噪聲的測(cè)試分析，可以得出原消聲器對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)在以250Hz、550Hz和760Hz為中心頻率的三個(gè)頻率段消聲效果不是很理想，為此，以下的消聲器優(yōu)化設(shè)計(jì)主要針對(duì)以下幾個(gè)頻率段考慮優(yōu)化設(shè)計(jì)。

原進(jìn)氣消聲器的空氣入口與車(chē)架上的立柱管道相通，空氣出口與空氣濾清器相連通，空氣出口端開(kāi)口向上，為了不與空氣濾清器和車(chē)架發(fā)生干涉，進(jìn)氣消聲器被設(shè)計(jì)呈階梯型，在中間處設(shè)置有斜面，如圖1所示；本文研究的消聲器主要從以下兩個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化。

圖1　原進(jìn)氣消聲器

1）增加原消聲器的擴(kuò)張腔容積。原消聲器的容積為0.002421549m3，改進(jìn)后的新消聲器的容積為0.008301657m3，新消聲器的容積近似相當(dāng)于原消聲器3.5倍，根據(jù)聲學(xué)理論，新消聲器消聲能力相比原消聲器大大增強(qiáng)。

2）改變進(jìn)氣口的安裝位置。

進(jìn)氣消聲器優(yōu)化方案如圖2所示。

圖2　進(jìn)氣消聲器優(yōu)化方案

4　聲學(xué)有限元仿真

為了不與其他部件之間發(fā)生干涉，優(yōu)化后的消聲器結(jié)構(gòu)變得十分不規(guī)則，再加之本來(lái)進(jìn)氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的不規(guī)則性，使得傳統(tǒng)的數(shù)值計(jì)算方法很難完成，而聲學(xué)三維有限元計(jì)算的傳遞損失與實(shí)驗(yàn)結(jié)果十分接近［9］，如圖3所示，為一簡(jiǎn)單擴(kuò)張室式消聲器一維平面波理論和三維有限元法計(jì)算的傳遞損失與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，為此本文采用三維有限元仿真進(jìn)行優(yōu)化方案分析，比較傳遞損失，確定最優(yōu)進(jìn)氣消聲器。在此，本文不考慮進(jìn)氣進(jìn)氣系統(tǒng)壁面對(duì)其內(nèi)部聲場(chǎng)的影響。

對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)行四面體網(wǎng)格劃分，如圖4所示，網(wǎng)格尺寸設(shè)置為4mm，分析計(jì)算的頻率上限為1000Hz，安裝原消聲器的進(jìn)氣系統(tǒng)與安裝優(yōu)化后的消聲器的系統(tǒng)仿真分析結(jié)果如圖5所示。

圖3　簡(jiǎn)單擴(kuò)張室式的傳遞損失

圖4　優(yōu)化方案進(jìn)氣系統(tǒng)四面體網(wǎng)格劃分

圖5　進(jìn)氣系統(tǒng)傳遞損失曲線(xiàn)仿真對(duì)比

從分析結(jié)果可得，新進(jìn)氣消聲器在整個(gè)進(jìn)氣系統(tǒng)的傳遞損失TL在大部分頻率段比原進(jìn)氣消聲器都有所提高，特別是在我們所需要的200～400Hz、520～570Hz 和730～800Hz有明顯的提高，使得聲學(xué)有限元滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

5　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

本文根據(jù)《聲學(xué)消聲器測(cè)量方法》（GB/T4760-1995）［10］，制定叉車(chē)噪聲測(cè)量規(guī)范，分別在叉車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)怠速和發(fā)動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速工況下，測(cè)量該內(nèi)燃叉車(chē)進(jìn)氣噪聲。

本文研究利用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6和圖7所示。

圖6　安裝原進(jìn)氣消聲器進(jìn)氣系統(tǒng)與安裝優(yōu)化進(jìn)氣消聲器進(jìn)氣系統(tǒng)在運(yùn)行工況下A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)

圖7　安裝原進(jìn)氣消聲器進(jìn)氣系統(tǒng)與安裝優(yōu)化進(jìn)氣消聲器進(jìn)氣系統(tǒng)在運(yùn)行工況下1/3倍頻程圖比較

通過(guò)測(cè)試結(jié)果對(duì)比可以看出，在運(yùn)行工況下，250Hz、315Hz、630Hz和800Hz處噪聲值有明顯的降低，特別在250Hz和800Hz處有4～6.3dB的消聲效果，從整體上看，優(yōu)化后的消聲器具有良好的效果。

6　結(jié)束語(yǔ)

本文主要針對(duì)內(nèi)燃叉車(chē)消聲器的擴(kuò)張腔容積，進(jìn)氣口的安裝位置進(jìn)行優(yōu)化，然后通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明，優(yōu)化后的進(jìn)氣消聲器比原進(jìn)氣消聲器的消聲量得到了提高，進(jìn)一步證明了對(duì)于擴(kuò)張腔消聲器，不管形狀如何，都可以通過(guò)增大擴(kuò)張腔的容積和改變進(jìn)氣口的安裝位置等方式對(duì)消聲效果進(jìn)行優(yōu)化。

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譚雅仙（1963 -），女，浙江杭州人，機(jī)械工程師，博士，研究方向?yàn)闄C(jī)械制造，機(jī)械振動(dòng)與噪聲。