小型收割機降噪設(shè)計及噪聲分析

馮 偉，崔晉波，李 平，曹中華，李亞麗，丁小兵，湛小梅*

(1. 重慶市農(nóng)業(yè)科學院，重慶 401329；2. 重慶鑫源農(nóng)機股份有限公司，重慶 401329)

【研究意義】隨著人民生活水平的日益提高，用戶對收割機駕乘舒適性要求越來越高，然而，國產(chǎn)小型收割機在收割作業(yè)時普遍存在振動大、噪聲高等問題，收割機工作時，發(fā)動機、工作部件、傳動系統(tǒng)等處噪聲強烈，操作者不堪忍受，既影響工作者的身體健康，又降低勞動生產(chǎn)率[1]?！厩叭搜芯窟M展】國外學者對聯(lián)合收割機的噪聲源識別及成因分析開展了很多研究，Kanda等[2]對聯(lián)合收割機上發(fā)動機噪聲對整機噪聲貢獻量進行了研究；Eiji等[3]對聯(lián)合收割機工作部件噪聲與駕駛員操作效率之間的關(guān)系開展了研究；Talamo等[4]通過對工作部件的低頻振動對整機降噪性能 開展了相關(guān)研究；Sarp等[5]對駕駛員頭部位置處的聲壓級進行了分析。在聯(lián)合收割機噪聲測試與噪聲源識別方面，唐忠等[6]通過對比分析聯(lián)合收割機各部件噪聲能量及對駕駛員耳旁噪聲的貢獻量進行了研究；曹元軍等[7]對各工況下的聯(lián)合收割機噪聲進行了試驗測試；劉臣富等[8-9]對發(fā)動機噪聲進行試驗測試分析；鄭志昊等[10]對拖拉機駕駛員耳旁噪聲進行了測試與分析?！颈狙芯康那腥朦c】國內(nèi)外研究主要集中在大、中型聯(lián)合收割機方面，對小型收割機噪聲控制相關(guān)研究甚少。【擬解決的關(guān)鍵問題】降低噪聲對收割機駕駛?cè)藛T的有害影響，結(jié)合噪聲源、噪聲傳遞路徑控制等方法，設(shè)計一款適用于丘陵山區(qū)作業(yè)的小型收割機，采用聲強測試技術(shù)和噪聲源分離識別技術(shù)相結(jié)合的方法，對收割機在額定功率運行時的噪聲進行測試與評價。

1 整機結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 整機結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計的小型收割機主要由發(fā)動機、行走裝置、割臺與輸送裝置、脫粒分離裝置、二次清選裝置、動力傳動系統(tǒng)、液壓裝置、操縱控制裝置等組成，整機結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。行走裝置為三角履帶式底盤，由機架、變速箱、橡膠履帶等組成；割臺與輸送裝置由喂入割臺、撥禾輪、喂入滾筒、中間輸送等組成；脫粒分離裝置由脫粒滾筒、罩殼、凹板篩及一次清洗倉等組成；二次清選裝置由提升螺旋、分離筒組件、吸風管、吸雜風機等組成。

1.2 工作原理

田間作業(yè)時，谷物植株在分禾器和撥禾輪的作用下?lián)芟蚋钆_，下端被切割器割斷落入割臺，剩下的莖稈利用下割刀二次切割還田。落入割臺的部分通過喂入螺旋滾筒匯集到中間輸送，輸送槽將谷物送入脫粒倉，脫粒后，大部分雜余從排草口排出，谷物同少部分莖稈進入一次清洗倉，根據(jù)谷物和雜余的懸浮速度不同，進行一次風選，然后將風選后谷物通過螺旋輸送進入分離筒組件中，在吸雜風機作用下，剩下的雜余進一步通過吸風管吸走并從吸雜風機中排出，凈谷則落入接糧裝置中，從而完成整個收割過程。

1.撥禾輪，2.分禾器，3.割臺總成，4.下割刀，5.中間輸送，6.履帶底盤，7.脫?？偝?，8.座椅，9.二次清選裝置，10.發(fā)動機1.Reel, 2.Divider, 3.Header assembly, 4.Lower cutter, 5.Intermediate conveying, 6.Track chassis, 7.Threshing assembly, 8.Seat, 9.Secondary cleaning device, 10.Engine圖1 收割機整機結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of harvester

2 主要噪聲部件的降噪設(shè)計

2.1 發(fā)動機支座的降噪設(shè)計

發(fā)動機通過支座安裝在行走裝置上，是收割機工作時的主要噪聲源之一。發(fā)動機工作時，因活塞往復運動、氣缸燃燒及其運動部件轉(zhuǎn)動會產(chǎn)生振動。如果發(fā)動機與行走裝置采用硬連接，其振動會通過發(fā)動機支座傳遞到收割機其他部位，為控制行走系統(tǒng)振動噪聲，要求發(fā)動機支座必須要有很強的減振、降噪能力，減小來自發(fā)動機的振動，避免產(chǎn)生共振，以降低行走系統(tǒng)噪聲，本文設(shè)計的減振發(fā)動機支座如圖2所示。發(fā)動機支座主要由支座、橡膠安裝座、緩沖橡膠墊、支座安裝孔等組成。由于橡膠具有低的可調(diào)正的模量和較高的本征阻尼，大應(yīng)變下不被破壞和在一定變形方式下承載高負荷的能力，可有效減少振動能量的傳遞，所以本文根據(jù)發(fā)動機、支座、行走裝置之間的裝配關(guān)系，采用發(fā)動機與支座硬連接，支座通過緩沖橡膠墊與支座安裝孔連接，并通過支座安裝孔固定在行走裝置上的方式，以達到減振降噪的目的。

1.支座，2.橡膠安裝座，3.緩沖橡膠墊，4.支座安裝孔1.Support, 2.Rubber mounting base, 3.Buffer rubber pad, 4.Mounting hole of support圖2 減振發(fā)動機支座Fig.2 Damping engine mount

1.提升螺旋總成，2.分離筒，3.吸音棉墊，4.吸風管，5.吸雜風機1.Lifting screw assembly, 2.Separating cylinder, 3.Sound absorption cotton pad, 4.Air suction pipe, 5.Impurity suction fan圖3 二次清選裝置簡Fig.3 Schematic diagram of secondary cleaning device

2.2 二次清選裝置的降噪設(shè)計

二次清選裝置可有效提升收割機綜合作業(yè)性能，提高谷物清潔度，降低含雜率，但同時也增加了振動噪聲源。吸雜風機在運行時因旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的振動，吸風管內(nèi)流通的空氣與吸風管壁摩擦引起的風管振動，吸風管內(nèi)空氣摩擦產(chǎn)生渦流振動，以及內(nèi)外壓力不平衡產(chǎn)生的振動，均會通過連接機構(gòu)傳遞到收割機，并產(chǎn)生振動噪聲。為此，對風機和吸風管進行降噪設(shè)計，設(shè)計的二次清選裝置如圖 3所示。由圖可知，二次清選系統(tǒng)主要由提升螺旋、喂入口、分離筒、吸音棉墊、吸氣管、吸雜風機等組成。吸雜風機通過選用剛度較好的材料、進風口使用圓弧過渡、延長出風口長度，減小風機自身振動，降低氣流紊亂、渦流脫落引起的噪聲，吸風管選用橡膠材質(zhì)，并在吸風管與吸雜風機和分離筒連接的部位增加吸音棉墊，以改進風場內(nèi)壁的空氣流紊流現(xiàn)象，改善空氣動力性，來降低風場噪聲。

2.3 傳動系統(tǒng)的降噪設(shè)計

收割機常見的動力傳遞方式有皮帶傳動、鏈條傳動等。鏈條傳動工作時，通過鏈條上鏈節(jié)與鏈輪輪齒的相互嚙合來傳遞運動和動力，由于鏈的瞬時速度是變化的，傳動平穩(wěn)性較差，存在沖擊振動和噪聲，為了降低收割機的工作噪聲，本文在保證傳動效率的前提下，主要傳動方式均選擇皮帶傳動。

3 噪聲分析研究

3.1 噪聲聲強試驗原理

小型收割機作業(yè)時，由于旋轉(zhuǎn)部件太多，較難于通過人耳聽力直接判斷哪個零部件對收割機噪聲影響較大。本文通過試驗驗證降噪設(shè)計的小型收割機噪聲是否滿足國標要求，并進行了噪聲分析研究。

由于聲強是矢量，克服了傳統(tǒng)的聲壓測量法不能確定聲源方向和位置的問題，本文采用雙傳聲器法，簡稱為p-p法，對收割機進行聲強測試[11]，聲強測量主要是測聲壓和粒子速度。

通過歐拉方程式:

圖4 試驗設(shè)備組成Fig.4 Composition of test equipment

得到質(zhì)點速度，如

其中,p1和p2是從2個傳聲器測得的聲壓信號，d是2個傳聲器間隔。當d遠小于波長時?p(t)/?x≈[p2(t)-p1(t)]/d，該計算使用了有限差分估計，近似于真實的聲壓梯度。探頭中心處的聲壓估計為p(t)=1/2[p1(t)+p2(t)]

則軸向方向上的瞬時聲強分量為

取其中時間平均就可以得到軸向上的聲強。

3.2 試驗方法

本文采用江蘇東華測試技術(shù)股份有限公司DH5902動態(tài)信號采集分析系統(tǒng)和聲強探頭，對小型收割機進行噪聲測試，試驗設(shè)備組成如圖4所示。由圖可知，試驗設(shè)備主要由聲強探頭、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、電腦等組成，聲強探頭用于采集聲壓信號，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用于收集信號并進行信號前處理，電腦可對獲得的信號進行結(jié)果顯示與分析，信號分析程序主要包括聲壓、聲壓級、頻譜分析和聲強分析等[12-14]。

測試噪聲時，將被測對象調(diào)整到預定狀態(tài)，將聲強探頭放置在相應(yīng)位置，聲強探頭應(yīng)與被測表面垂直，通過聲強探頭采集噪聲信號并傳遞到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將信號進行放大處理、模擬信號轉(zhuǎn)數(shù)字信號后傳遞到電腦，數(shù)據(jù)分析軟件根據(jù)試驗要求對信號進行進一步的處理。

3.3 試驗內(nèi)容

(1)空載工況下整機聲強測試。將收割機調(diào)節(jié)至滿功率輸出狀態(tài)，待機器運轉(zhuǎn)一段時間，達到穩(wěn)定狀態(tài)后，開始采集數(shù)據(jù)。根據(jù)預采得的信號調(diào)整合適的量程，將測點間距設(shè)置為40 cm，測量表面與被測設(shè)備間距設(shè)置為20 cm，使用矩形支架對測點分布進行精確劃分，每個測點采集30 s數(shù)據(jù)，分別采集左、右、后三側(cè)噪聲數(shù)據(jù)，找到主要噪聲源位置及噪聲主要頻率成分，聲強測試現(xiàn)場見圖5。

圖5 聲強測試現(xiàn)場Fig.5 Test site of sound intensity

圖6 收割機聲強云圖Fig.6 Sound intensity nephogram of harvester

(2)噪聲分離試驗。為了確定主要工作部件對駕駛員耳測噪聲的影響，需要對收割機進行噪聲分離試驗。按照JB/T 6268-2005《自走式收獲機械噪聲測定方法》確定駕駛員耳側(cè)噪聲測定位置，通過“分別運行法”對機器各運行狀態(tài)進行測試，并采用聲強探頭在駕駛員耳側(cè)位置進行噪聲測試，最終比較確定哪些工作部件對駕駛員耳測噪聲影響較大，同時獲得降噪設(shè)計后的小型收割機駕駛員耳側(cè)噪聲值。

3.4 試驗結(jié)果

3.4.1 空載工況下整機聲強測試 利用聲強映射技術(shù)對采集的數(shù)據(jù)進行分析處理，獲得收割機左、右、后三側(cè)全頻段聲強云圖(圖6)。圖中紅色區(qū)域表示該區(qū)域噪聲強度相對較大，藍色區(qū)域表示該區(qū)域噪聲強度相對較小；收割機左側(cè)聲強的峰值主要集中在脫離滾筒，其余部位聲能量輻射強度較低；右側(cè)聲強峰值主要集中在脫粒滾筒、螺旋輸送、風扇及發(fā)動機排氣口等位置，其余部分聲能量也較大；后側(cè)總體聲強較大，聲強較大點位于脫粒裝置螺旋輸送、風扇等位置。

圖7 后側(cè)200～250 Hz頻段的聲強云圖Fig.7 Sound intensity nephogram in the back 200-250 Hz frequency band

由于駕駛員操作位置位于后側(cè)，后側(cè)噪聲的強弱對駕駛員駕乘舒適性影響較大，因此需要對后側(cè)聲強作進一步分析。通過對收割機后側(cè)各頻段聲強進行分析處理，發(fā)現(xiàn)當頻率范圍在200～250 Hz時，局部聲強較突出(圖7)。收割機后側(cè)200～250 Hz頻段的噪聲源主要位于輸送螺旋左側(cè)、風扇左側(cè)及油箱左側(cè)等區(qū)域，聲強云圖與圖6對比可知，噪聲源位置與全頻段時基本保持一致，說明此頻段對收割機后側(cè)噪聲影響較大。

3.4.2 噪聲分離試驗 按照上述試驗方法對收割機不同運行方法時的噪聲進行測試，為了便于分析，需要對測得的原始數(shù)據(jù)作進一步的分析處理，本文以發(fā)動機單獨運行時的噪聲信號為例來說明，其原始信號如圖8所示。由圖可知，原始數(shù)據(jù)為時域信號，主觀上看不出任何規(guī)律，這是由于收割機在工作時，存在多種噪聲信號，各種噪聲頻率成分疊加導致的，因此需要對數(shù)據(jù)進行分析處理。

將采集的信號進行FFT傅里葉變換，將時域信號轉(zhuǎn)換為頻域信號，獲得噪聲的主要頻率成分，獲得的頻譜圖見圖9。發(fā)動機一階頻率為31 Hz，與收割機工作轉(zhuǎn)速1800 r/min相吻合，前四階振動頻率點為31、62、91、125 Hz，主要頻率點與基頻的倍數(shù)都很接近，這些頻率都是由發(fā)動機及結(jié)構(gòu)件轉(zhuǎn)動產(chǎn)生或引起的諧波。

圖8 原始噪聲數(shù)據(jù)Fig.8 Raw noise data

表1 收割機不同運行方法噪聲聲壓級及其對應(yīng)主頻率值

為了進一步分析各頻率成分對噪聲的影響，對原始噪聲信號進行聲壓分析，通過對信號加A計權(quán)、1/3倍頻程來模擬人耳的聽覺，獲得的A計權(quán)聲壓見圖10。發(fā)動機單獨運行時測點位置的A計權(quán)聲壓為66.7 dB(A)，噪聲較小，梯形圖在全頻率范圍內(nèi)過渡平緩，無較突出的頻率段，說明發(fā)動機減振支座起到了隔振降噪作用。

對收割機不同運行方法時的駕駛員耳側(cè)噪聲進行測試，測試結(jié)果見表1。發(fā)動機單獨運行時產(chǎn)生的噪聲最小為66.7 dB(A)，收割機全部工作部件運行時產(chǎn)生的噪聲最大，說明旋轉(zhuǎn)部件對噪聲影響較大；通過不同運行方法組合時的噪聲聲壓級進行噪聲識別，可以發(fā)現(xiàn)發(fā)動機帶脫?？偝蓵r的噪聲較其余組合大；發(fā)動機僅帶輸送螺旋時，最大聲壓為69.4 dB(A)，與其余狀態(tài)相比，聲壓級最低；發(fā)動機僅帶風扇運行時，最大聲壓為73.7 dB(A)，比僅帶輸送螺旋運行時，噪聲大4.2 dB(A)，說明風扇對脫粒系統(tǒng)噪聲影響相對較大；收割機各工作部件運行時，駕駛員耳側(cè)噪聲主頻均有所不同；發(fā)動機帶脫粒總成和割臺總成的測試結(jié)果與圖7對比可知，工作頻率225 Hz為收割機后側(cè)主要噪聲頻率，主要噪聲點位于風扇、輸送螺旋左側(cè)；降噪設(shè)計后的小型收割機駕駛員耳側(cè)噪聲值為90.9 dB(A)，小于收割機噪聲國家標準限值95 dB(A)。

圖9 發(fā)動機工作時的頻譜Fig.9 Spectrum of engine operation

圖10 A計權(quán)1/3倍頻程Fig.10 A weighted 1/3 octave

4 結(jié) 論

(1)本文設(shè)計了一款具有降噪結(jié)構(gòu)的小型收割機，駕駛員耳側(cè)噪聲總聲壓為90.9 dB(A)，滿足國家標準要求。

(2)收割機聲強較大點主要位于脫離滾筒、發(fā)動機排氣口、風扇、輸送螺旋等位置，收割機后側(cè)主要噪聲頻率為225 Hz，主要噪聲點位于風扇、輸送螺旋左側(cè)，可為收割機降噪設(shè)計提供參考。

(3)收割機各工作部件運行時，駕駛員耳側(cè)噪聲主頻均有所不同，說明各工作部件對駕駛員耳側(cè)噪聲均有一定的影響，發(fā)動機帶風扇運行時，最大聲壓為73.7 dB(A)，比帶輸送螺旋運行時的噪聲大4.2 dB(A)，說明風扇對脫粒系統(tǒng)噪聲影響較大。