某大型機加車間數(shù)控機床減噪工程測試與分析研究*

劉 茜，史聰靈，伍彬彬，胥 旋，石杰紅，王 瑩

(1.中國安全生產(chǎn)科學(xué)研究院 地鐵火災(zāi)與客流疏運安全北京市重點實驗室，北京 100012；2.中車長春軌道客車股份有限公司，吉林 長春 130062)

0 引言

在眾多的工業(yè)噪聲源中，大型機械加工車間機加設(shè)備的情況比較突出。這是因為機加設(shè)備產(chǎn)生的噪聲聲級高，短時間里聲級變化大，機加設(shè)備種類繁多，機加廠房車間類型多樣。如何測量評價機加設(shè)備噪聲，測量評價機加車間噪聲分布，測量評價操作人員噪聲暴露量以及機加設(shè)備工程減噪后效果顯得尤為重要。本文通過對某大型機加車間某數(shù)控機床噪聲現(xiàn)場實測，應(yīng)用現(xiàn)有國家標(biāo)準(zhǔn)GBZ/T189.8—2007《工作場所物理因素測量噪聲》[1]，GBZ2.2—2007《工業(yè)場所有害因素職業(yè)接觸限值》第2部分：物理因素[2]，GB/T 21230—2014《聲學(xué) 職業(yè)噪聲暴露的測量 工程法》[3]的有關(guān)要求進行分析，為進一步研究大型機加車間噪聲特性和對暴露者的影響提供參考。

1 測試對象

為保證工人及工廠周圍群眾的身體健康，需對噪聲進行嚴格治理，本文結(jié)合中車長春軌道客車股份有限公司的實際工作要求進行相關(guān)噪聲處理工作。通過對內(nèi)飾件分公司組成車間的噪聲測量發(fā)現(xiàn)，噪聲測試數(shù)據(jù)大于90 dB(A)，遠遠超出了安全生產(chǎn)噪聲環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)，對員工的身體健康造成了一定損害[4-6]。人員長時間在85 dB(A)以上噪聲環(huán)境下工作，會對人體健康產(chǎn)生危害，造成永久性耳聾的風(fēng)險很大，急需進行噪聲治理[7-8]。為減小噪聲影響，車間內(nèi)安裝了一些防護圍擋，但是聲學(xué)效果有限，車間工人在進出料的過程中依然暴露在強噪聲輻射范圍內(nèi)，此外該設(shè)備的噪聲經(jīng)窗戶輻射到居民區(qū)，影響到居民的正常生活[9-10]。圖1是某機加車間機器2作業(yè)區(qū)數(shù)控機床裙板機加設(shè)備布置及減噪設(shè)備安裝位置示意圖。通過對車間內(nèi)噪聲源的分析，確定了圖1中機器2作業(yè)區(qū)是噪聲重點區(qū)域，需要針對這一區(qū)域進行治理。經(jīng)過噪聲分析，其中噪聲主要成分包括：1)配屬的電機工作所產(chǎn)生的電磁噪聲；2)拋磨面產(chǎn)生的擊打、切割和劇烈摩擦噪聲，隨機但是持續(xù)；3)進出料口，有噪聲泄露：敞開式傳送方式噪聲從設(shè)備兩側(cè)、窗戶和車間步行道輻射傳播。

由圖1可知，為了降低車間噪聲，對機器2作業(yè)區(qū)數(shù)控裙板機加設(shè)備進行了減噪工程治理，機器2作業(yè)區(qū)周圍黑色實線位置為安裝隔聲減噪裝備區(qū)域。設(shè)備治理方案采取封閉噪聲隔離圍擋結(jié)構(gòu)，最大限度降低設(shè)備噪聲輻射，在內(nèi)表面鋪設(shè)吸聲材料，在背板內(nèi)表面粘貼阻尼層，提高隔聲量，同時減少壁板的振動。護面板采用穿孔金屬板，厚度設(shè)為1.5～2 mm，穿孔率在25%。在全封閉隔擋正面和設(shè)備操控面板部位安裝有機玻璃透明隔聲窗，保障足夠隔聲量同時便于設(shè)備觀察，有機玻璃隔聲窗尺寸及位置根據(jù)需求設(shè)計。安裝隔聲量30 dB以上的隔聲門，方便工人上下平臺維護設(shè)備，同時保證整體隔聲量，初步方案將隔聲門采用折疊式設(shè)計，且在隔聲門上設(shè)有透明隔聲窗，隔聲門位置和尺寸要求方便工人上下物料，且方便操控設(shè)備。根據(jù)設(shè)計方案，隔聲區(qū)域建成后如圖2所示。

圖1 車間平面布置及減噪設(shè)備安裝位置示意Fig.1 Schematic diagram for layout and installation positions of noise reduction equipment

圖2 噪聲隔離區(qū)域建成后Fig.2 Noise isolation area after completion

2 測試分析方法

2.1 噪聲測量設(shè)備及指標(biāo)

以機加車間2作業(yè)區(qū)數(shù)控裙板機加設(shè)備為測量對象，發(fā)聲源在機器2作業(yè)區(qū)數(shù)控裙板機加設(shè)備機頭處，其他設(shè)備區(qū)設(shè)備測量時停機。針對測試前后的噪聲分析，選取B&K2250 1級積分聲級計和CASELLA350 2級個體聲暴露計作為噪聲測量設(shè)備，并用Sound Calibrator Type 4231進行校準(zhǔn)。

采用A計權(quán)，“S(慢)”檔，取值為聲級LAeq。傳聲器應(yīng)放置在勞動者工作時耳部的高度，站立為1.5 m。個體聲暴露計傳聲器應(yīng)盡可能地放在離外耳道入口大約0.1 m的位置。傳聲器的指向為聲源方向。應(yīng)保持測試者與傳聲器的間距大于0.5 m。

工作場所聲場分布均勻(A聲級差別小于3 dB(A))，選擇3個測點，取平均值。工作場所分布不均勻時，應(yīng)將其劃分若干聲級區(qū)，同一聲級區(qū)內(nèi)聲級差小于3 dB(A)。每個區(qū)域內(nèi)，選擇2個測點，取平均值。穩(wěn)態(tài)噪聲的工作場所，每個測點測量3次，取平均值。非穩(wěn)態(tài)噪聲的工作場所，根據(jù)聲級變化(聲級波動≥3 dB(A))確定時間段，測量時間段的等效聲級，記錄時間段的持續(xù)時間[11-12]。

為了進行治理前后的噪聲對比，對車間進行噪聲量測布點，共布置67個測點，測點位置分別用序號1～24，A～Z，I～XVII進行標(biāo)注，如圖3所示。測量的發(fā)生源是機器2作業(yè)區(qū)數(shù)控裙板機加設(shè)備，測量時間段是加工某種工件所用時間。后續(xù)數(shù)據(jù)分析均基于上述布點采集進行。

圖3 測點布置示意Fig.3 Layout of measuring points

2.2 環(huán)境噪聲測量

圖4～5是選取的機器2作業(yè)區(qū)數(shù)控裙板機加設(shè)備減噪工程治理前、后，在操作工位，加工1個工件過程的噪聲聲級圖。

圖4 噪聲工程治理前加工1個轉(zhuǎn)向架平板過程噪聲變化Fig.4 Changes noise of a process board before noise engineering treatment

加工1個轉(zhuǎn)向架平板件需要持續(xù)時間7～8 min。治理前和治理后的數(shù)據(jù)見表1。治理前的總值是LAeq85.9 dB(A)，其中有81 s超過85 dB。治理后的數(shù)據(jù)LAeq55.1 dB(A)，過程中低于85 dB?，F(xiàn)場工程減噪降低了30.8 dB(A)。

表1 加工1個轉(zhuǎn)向架平板件治理前后噪聲總值Table 1 Total noise values before and after management when processing a work piece of bogie plate

圖4顯示工程治理前瞬間最高值是LAeq103.8 dB(A)，圖5顯示工程治理后瞬間最高值是LAeq69.4 dB(A)，出現(xiàn)在加工起始至6 min時。加工1個工件的最大值降低了34.4 dB(A)。

圖5 噪聲工程治理后加工1個轉(zhuǎn)向架平板過程噪聲變化Fig.5 Changes noise of a process board after noise engineering treatment

噪聲工程治理前、后67個測點的測量數(shù)據(jù)見表2～3。

表2 治理前噪聲測量數(shù)據(jù)Table 2 Measurement data of noise before management

表3 治理后噪聲測量數(shù)據(jù)Table 3 Measurement data of noise after management

根據(jù)圖3布點位置和表2～3測試的數(shù)據(jù)，分別繪制某機加車間工作場所噪聲工程治理前、后噪聲聲級分布，如圖6～7所示。

圖6 噪聲工程治理前噪聲聲級分布Fig.6 Sound pressure level distribution of noise before noise reduction engineering management

圖6和圖7對比可見超標(biāo)區(qū)域明顯被控制，整個車間降至56.5 dB(A)以下。操作工人操作位和車間通道的噪聲級從原來的85 dB(A)或以上，全部降至56 dB(A)以下。

圖7 噪聲工程治理后聲級分布Fig.7 Sound pressure level distribution of noise after noise reduction engineering management

2.3 個體噪聲暴露測量

以某機加車間機器2作業(yè)區(qū)數(shù)控裙板機加設(shè)備的操作工為例，具體說明操作人員在減噪工程治理前、后一天8 h工作時間里的噪聲暴露量。測量時發(fā)生源是機器2作業(yè)區(qū)數(shù)控裙板機加設(shè)備，其他設(shè)備未工作。測量位置是機器2作業(yè)區(qū)數(shù)控裙板機加設(shè)備人員操作位置①、②、A(見圖3)。

操作工人加工2個件之間有間歇，用于整理、搬運、碼放、安裝固定機件的時間。所以在一天的工作時間中噪聲值是起伏變化的，如圖8～9所示。

圖8～9分別是某數(shù)控機操作崗位工人減噪工程治理前、后一個工作日里噪聲暴露記錄，歸一到8 h額定工作日的A計權(quán)暴露聲級，LAeq,8H值分別是89.2 dB(A)和74.3 dB(A)。數(shù)控機操作崗位工人LAeq,8H治理后比治理前降低了14.9 dB(A)。

圖8 治理前操作工人一天工作時間的噪聲暴露記錄Fig.8 Noise exposure records in 1 day working time of operator before management

同時可見，治理前噪聲聲級主要集中在70～100 dB(A)之間，絕大多數(shù)噪聲聲級超過85 dB(A)；治理后聲級主要集中在50～65 dB(A)之間，絕大多數(shù)聲級在70 dB(A)以下，由于上午加工件工作量較密集，個別噪聲聲級值超過85 dB(A)，下午正常加工工作量時只有一個數(shù)據(jù)超過85 dB(A)噪聲聲級。

圖9 治理后操作工人工作時一天工作時間的噪聲暴露記錄Fig.9 Noise exposure records in 1 day working time of operator after management

治理前后操作工人一日工作時間測量數(shù)據(jù)見表4。從表4可以看出，減噪工程治理前A聲級最大值LASmax114.9 dB(A)，治理后A聲級最大值LASmax108.2 dB(A)。

表4 操作工人一日工作時間治理前后噪聲總值Table 4 Measurement data in 1 day working time of operator before and after management

3 測量結(jié)果及分析

圖10是距機加車間機器2作業(yè)區(qū)數(shù)控裙板機加設(shè)備操作位置0 m處治理前、后噪聲頻譜對比。從圖10中看到，治理前頻率在500～5 300 Hz間有峰值，治理后這個范圍趨近平緩。500 Hz從治理前的74.4 dB(A)，治理后降到44.0 dB(A),下降30.4 dB(A)；5 000 Hz從治理前的79.3 dB(A)，治理后降到36.1 dB(A),下降43.2dB(A)。比較起來高頻的降噪幅度更大。在該頻段不但具有較好地降噪效果，使現(xiàn)場感受到噪聲大幅減小，而且高頻噪聲的降低使得現(xiàn)場噪聲沒有原來尖利了。

圖10 設(shè)備操作位置0 m處治理前后噪聲頻譜對比Fig.10 Comparison of noise spectrum before and after management with 0 m distance away from operating position

圖11～12分別為距機加車間機器2作業(yè)區(qū)數(shù)控裙板機加設(shè)備0，5，10，15，20，25 m處治理前、后噪聲頻譜。減噪工程治理前(見圖11)最大峰值有4個在500，800，2 000，5 000 Hz，當(dāng)測量距離變化時最大峰值始終在500,800，2 000，5 000 Hz這4個頻率左右。減噪工程治理后最大峰值在1 000 Hz左右(見圖12)，當(dāng)測量距離變化時各頻段的最大峰值始終在1 000 Hz左右。減噪治理前后各自的最大噪聲級所在頻率，不隨距離的改變而改變。

圖11 距設(shè)備操作位置不同距離治理前噪聲頻譜Fig.11 Noise spectrums before management with different distances away from operating position

圖12 距設(shè)備操作位置不同距離治理后噪聲頻譜Fig.12 Noise spectrums after management with different distances away from operating position

通過上述治理后不同距離裙板機加設(shè)備的噪聲頻譜曲線可以發(fā)現(xiàn)，盡管在中高頻區(qū)域噪聲相對治理前有較高的衰減比，但噪聲聲級仍然較高。針對中高頻噪聲源，單純的安裝隔聲減噪裝備具有一定的吸收和消除噪聲能力，為了進一步消除上述中高頻噪聲需要通過強吸聲吊頂，增加使用多孔吸聲材料，利用其對中高頻聲波吸聲系數(shù)大的特點，進一步降低中高頻噪聲。

4 結(jié)論

1)通過當(dāng)前的隔聲減噪裝備，低頻噪聲的衰減并不明顯，但由于低頻分量較小，因此對降噪效果的影響不大。

2)對數(shù)控機床減噪工程治理前和治理后的頻譜進行分析，各自最大聲級所在頻段不隨距離的改變而改變。因此建議在后續(xù)處理中在當(dāng)前隔聲降噪?yún)^(qū)外再引入多層降噪?yún)^(qū)，進一步降低遠距離的噪聲聲級。

3)通過降噪后噪聲頻譜分析可以發(fā)現(xiàn)，盡管高頻噪聲衰減比高，降噪效果較好，但由于中高頻噪聲的固有聲級較高，因此建議在后續(xù)降噪方案中引入強吸聲吊頂和多孔吸聲材料，進一步降低中高頻噪聲。