道路清掃車(chē)輛降噪途徑研究

劉偉

石家莊煤礦機(jī)械有限責(zé)任公司 河北石家莊 051431

1 前言

隨著國(guó)家對(duì)環(huán)境污染的越來(lái)越重視，大氣污染已通過(guò)各種措施進(jìn)行治理。而噪聲污染也是環(huán)境污染的一種，尤其在環(huán)衛(wèi)部門(mén)對(duì)道路的清掃保潔機(jī)械化程度越來(lái)越高的情況下，道路清掃車(chē)的作業(yè)噪聲逐漸進(jìn)入人們的視野，因?yàn)橛行┝璩孔鳂I(yè)的環(huán)衛(wèi)車(chē)產(chǎn)生的噪聲已經(jīng)擾民。本文從現(xiàn)場(chǎng)噪聲測(cè)試入手，對(duì)現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)道路清掃車(chē)作業(yè)噪聲進(jìn)行分析并對(duì)降噪途徑進(jìn)行研究。

2 道路清掃車(chē)工作原理

目前國(guó)內(nèi)的道路清掃車(chē)主要包含掃路車(chē)、洗掃車(chē)及吸塵車(chē)等，其作業(yè)方式主要以吸為主、以掃為輔，清掃效果和清掃質(zhì)量明顯提升。雖然不同的車(chē)型又有具體不同的作業(yè)模式，但其結(jié)構(gòu)中均含有傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及風(fēng)機(jī)。傳動(dòng)裝置是動(dòng)力的傳遞轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，可將從動(dòng)力源處接收的扭矩及功率傳遞給風(fēng)機(jī)、油泵以及水泵等執(zhí)行元件，同時(shí)傳動(dòng)裝置也是清掃車(chē)噪聲源的一種。而風(fēng)機(jī)不僅是清掃車(chē)的核心部件，更是產(chǎn)生噪聲的最大噪聲源。

道路清掃車(chē)在運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò)風(fēng)機(jī)的抽吸作用，使清掃車(chē)的垃圾箱形成負(fù)壓，進(jìn)而使得清掃車(chē)吸嘴處的垃圾全部進(jìn)入垃圾箱，但要使路面垃圾進(jìn)入垃圾箱需要大量的動(dòng)能，這就需要風(fēng)機(jī)能長(zhǎng)時(shí)間提供較高的風(fēng)量風(fēng)壓，如此，高速運(yùn)轉(zhuǎn)的風(fēng)機(jī)就會(huì)產(chǎn)生較大的噪聲。如果不能及時(shí)地進(jìn)行降噪處理，長(zhǎng)時(shí)間的噪聲作業(yè)會(huì)對(duì)駕駛清掃車(chē)的環(huán)衛(wèi)工人的身體健康造成較大的傷害。

隨著科技的不斷發(fā)展，技術(shù)水平的逐漸提高以及人們對(duì)噪聲污染的重視，迫切需要對(duì)道路清掃車(chē)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)行主動(dòng)降噪技術(shù)的研究，從而有效控制噪聲污染。

3 道路清掃車(chē)噪音測(cè)量及噪聲源分析

首先，根據(jù)近場(chǎng)測(cè)量法對(duì)某新型研制的單發(fā)洗掃車(chē)各部位噪聲進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量點(diǎn)布置如圖1所示。

圖1 傳聲器和傳感器布置圖

圖1中序1、2、3、4、6、11、12處為傳聲器，序5、7、8、9、10、13處為傳感器。再者，依據(jù)QC/T 957-2013洗掃車(chē)標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)該洗掃車(chē)按圖2的方法測(cè)量。

圖2 清掃車(chē)測(cè)量位置示意圖

根據(jù)上述兩種測(cè)量方法，進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總統(tǒng)計(jì)。匯總統(tǒng)計(jì)測(cè)量結(jié)果如表1所示。

表1 3種工況下清掃車(chē)各部位噪聲測(cè)量值匯總表 單位：dB（A）

通過(guò)上述測(cè)量結(jié)果，根據(jù)分步轉(zhuǎn)運(yùn)法原理公式Lp1=10lg(100.1Lp－100.1Lp2)分析得出，影響洗掃車(chē)作業(yè)噪聲的主要因素為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)機(jī)械噪音以及風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的噪聲。而在風(fēng)機(jī)停止?fàn)顟B(tài)下，其他部件的噪音最高可達(dá)82 dB，其中主要噪聲為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生噪音。從實(shí)際情況來(lái)看，凌晨作業(yè)的道路清掃車(chē)的噪聲主要為風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的噪音。因此若對(duì)道路清掃車(chē)進(jìn)行降噪處理，主要通過(guò)風(fēng)機(jī)及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)降噪為主，其他噪聲以吸收、隔音為輔。

4 道路清掃車(chē)降噪措施研究

根據(jù)上述噪聲測(cè)量結(jié)果，針對(duì)道路清掃車(chē)主要通過(guò)風(fēng)機(jī)降噪、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)降噪、消音器降噪和密閉腔體結(jié)構(gòu)降噪這4措施進(jìn)行降噪。

4.1 風(fēng)機(jī)降噪

目前國(guó)內(nèi)道路清掃車(chē)的風(fēng)機(jī)多采用發(fā)動(dòng)機(jī)或電動(dòng)機(jī)通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。風(fēng)機(jī)主要通過(guò)風(fēng)流進(jìn)行工作，風(fēng)機(jī)在使用時(shí)風(fēng)流中會(huì)夾雜塵土、沙粒、水霧以及其他一些雜質(zhì)顆粒。清掃車(chē)風(fēng)機(jī)主要由風(fēng)機(jī)葉輪、蝸殼、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、風(fēng)機(jī)帶輪、進(jìn)氣室和出氣室等部分構(gòu)成。

清掃車(chē)風(fēng)機(jī)噪聲的形成主要為機(jī)械噪聲、氣固耦合噪聲以及氣動(dòng)噪聲。機(jī)械噪聲主要取決于葉輪和軸承以及皮帶輪等機(jī)械部件的安裝情況；氣固耦合噪聲主要形成于不均勻的氣流作用于殼體面上；氣動(dòng)噪聲是風(fēng)機(jī)由于高速旋轉(zhuǎn)噪聲和渦旋噪聲疊加而成，是風(fēng)機(jī)的最主要噪聲。

目前有兩種方式降低風(fēng)機(jī)噪聲：一是設(shè)計(jì)風(fēng)機(jī)時(shí)采用氣動(dòng)聲學(xué)原理進(jìn)行初始降噪設(shè)計(jì)；二是利用吸聲、消聲以及隔聲等措施進(jìn)行噪聲后處理。前者是因?yàn)槭苣壳凹夹g(shù)水平所限難以大幅度降低風(fēng)機(jī)初始噪聲，后者則是利用噪聲的有源控制和無(wú)源控制兩種方式進(jìn)行噪聲后期處理。

噪聲有源控制主要是使用噪聲吸收、噪聲削弱以及噪聲的互相干涉削減等，從而達(dá)到指定區(qū)域內(nèi)噪聲降低或消除的目標(biāo)。因?yàn)橛性纯刂萍夹g(shù)具備優(yōu)良的低頻特性,使其成為降低風(fēng)機(jī)低頻噪聲問(wèn)題的有效降噪方式。

噪聲無(wú)源控制主要是從優(yōu)化風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行研究，例如改變風(fēng)機(jī)風(fēng)舌的曲率半徑及風(fēng)道結(jié)構(gòu)、優(yōu)化風(fēng)機(jī)扇葉驅(qū)風(fēng)方式等。據(jù)理論研究得知：加大風(fēng)機(jī)風(fēng)舌與風(fēng)機(jī)葉輪之間的間隙δ可使基頻和諧波降低，葉片與氣流做相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，葉片后緣的氣流尾跡中，風(fēng)速壓力都小于主流區(qū)，使扇葉后的氣流壓力和速度散布皆不均勻。如果在動(dòng)葉后部有靜葉或風(fēng)舌，則此類(lèi)亂流與靜葉或風(fēng)舌相互作用會(huì)形成噪聲。間隙愈小，噪聲愈大；依據(jù)相關(guān)試驗(yàn)得知，當(dāng)間隙s大到特定數(shù)值后，噪聲不再下降，卻使風(fēng)機(jī)作業(yè)性能變差，如風(fēng)量、風(fēng)壓均有所降低（如圖3）。當(dāng)風(fēng)舌間隙與葉輪半徑比值s/D2=0.25和風(fēng)舌半徑與葉輪半徑r/D2=0.2時(shí)，具備最大風(fēng)機(jī)效力和最小噪聲比值。

圖3 風(fēng)機(jī)蝸舌結(jié)構(gòu)圖

在圖3中，尖舌用于高效風(fēng)機(jī)，深舌用于低轉(zhuǎn)速風(fēng)機(jī)，短舌用于高轉(zhuǎn)速風(fēng)機(jī)，平舌用于低效率風(fēng)機(jī)。

因此，道路清掃車(chē)的風(fēng)機(jī)在滿足一定轉(zhuǎn)速下的風(fēng)量風(fēng)壓要求時(shí)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能優(yōu)化葉輪以及風(fēng)舌結(jié)構(gòu)。具體可采取如下降噪方法。

a.改良葉輪結(jié)構(gòu)：將風(fēng)機(jī)葉片打孔減少渦輪噪音影響，采取燕尾式葉片降噪，采取前掠式葉片降噪、采取特殊翼型葉片降噪、葉片布置不等距降噪、軟邊處減少流量區(qū)噪音、加大葉片數(shù)削減原生場(chǎng)效應(yīng)降噪等（如圖4和圖5）。

圖4 風(fēng)機(jī)葉輪結(jié)構(gòu)圖

圖5 前掠式葉片圖

b.削弱氣流場(chǎng)內(nèi)的渦旋：通過(guò)采取引入外界氣流沖擊來(lái)減少渦旋的增加，以改變結(jié)構(gòu)形式來(lái)削弱通風(fēng)道內(nèi)的渦旋碰撞，從而降低氣流的碰撞，實(shí)現(xiàn)有效降噪的目的。

c.減少氣流沖擊脈動(dòng)：利用翼型葉片取代板型葉片；依據(jù)氣源流動(dòng)理論，將扇葉前緣向進(jìn)氣室方向延伸，避免脈沖逆流；更改翼型葉片進(jìn)出口之間的彎度結(jié)構(gòu)使頻率降低，從而削減噪聲傳動(dòng)。

4.2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)降噪

傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的噪聲主要為機(jī)械噪聲。由于傳動(dòng)裝置承擔(dān)著從發(fā)動(dòng)機(jī)或電動(dòng)機(jī)為風(fēng)機(jī)等執(zhí)行元件傳遞扭矩及功率的橋梁作用，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)往往為一進(jìn)多出的空間層次結(jié)構(gòu)。機(jī)械結(jié)構(gòu)件之間的銜接而引發(fā)的摩擦和傳動(dòng)軸的高速轉(zhuǎn)動(dòng)都將產(chǎn)生噪聲。該處噪聲主要為振動(dòng)噪聲，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能減少機(jī)械結(jié)構(gòu)件之間的硬性連接，以及通過(guò)降低傳動(dòng)軸振動(dòng)來(lái)降低噪聲。具體方法可采取以下降噪途徑：

a.將傳動(dòng)系之間的螺栓硬性連接傳遞動(dòng)力更改為皮帶傳動(dòng)，以降低機(jī)械噪聲。

b.合理設(shè)計(jì)各個(gè)傳動(dòng)部件之間的速比，降低轉(zhuǎn)速?gòu)亩档驼駝?dòng)頻率，以減少噪聲。

c.增加連接法蘭接觸面的粗糙度等級(jí)，降低接觸面之間的摩擦力，以減少噪聲。

d.合理選擇傳動(dòng)軸承的型號(hào)及種類(lèi)，在滿足使用要求的前提下便于潤(rùn)滑，以降低振動(dòng)噪聲。

e.合理設(shè)計(jì)傳動(dòng)軸尺寸，在滿足傳遞扭矩及載荷的情況下，減少萬(wàn)向軸兩傳動(dòng)軸的夾角，以降低振動(dòng)噪聲。

4.3 消音器降噪

風(fēng)機(jī)出風(fēng)口的氣動(dòng)噪聲是風(fēng)機(jī)噪聲的主要來(lái)源，通過(guò)在風(fēng)機(jī)口增加具有分層吸音裝置的特殊消音器，將風(fēng)機(jī)出口處的氣流進(jìn)行逐步引導(dǎo)，并將其產(chǎn)生的噪聲進(jìn)行吸收，以達(dá)到降噪目的。

4.4 密閉腔體結(jié)構(gòu)降噪

密閉腔體結(jié)構(gòu)降噪通過(guò)以下2種措施:

a.采用隔聲原理：將傳動(dòng)機(jī)構(gòu)下部完全密封，加上上部的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)護(hù)罩，以形成密閉隔音罩，使得風(fēng)機(jī)及傳動(dòng)裝置處于完全密閉的空間，將噪聲控制在一定的范圍內(nèi)，使噪聲在空氣中的傳播受阻而不能順利傳播到車(chē)輛外側(cè)，實(shí)現(xiàn)降低車(chē)外噪聲的目的。

b.采用吸聲原理：首先，在傳動(dòng)裝置護(hù)罩內(nèi)壁上粘貼高密度隔熱吸音棉，在吸音棉外側(cè)固定有微穿孔吸聲結(jié)構(gòu)。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及風(fēng)機(jī)水泵等形成的噪音穿過(guò)微穿孔板時(shí)，將使多孔板材料中的無(wú)數(shù)小孔中的氣體分子產(chǎn)生劇烈的運(yùn)動(dòng)，此中大部分聲能用于克服摩擦阻力和黏滯阻力并轉(zhuǎn)化成熱能而消耗掉，從而可使風(fēng)機(jī)形成的氣體動(dòng)力噪聲降低，使低頻噪聲經(jīng)過(guò)網(wǎng)孔薄板的共振來(lái)實(shí)現(xiàn)吸聲降噪的目的。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

依據(jù)上述降噪措施，在研發(fā)該洗掃車(chē)時(shí)采用上述措施，以實(shí)現(xiàn)各部件降噪。樣機(jī)完成后，進(jìn)行噪聲測(cè)試試驗(yàn)如表2所示。

表2 試驗(yàn)樣車(chē)噪音測(cè)量結(jié)果及對(duì)比 單位：dB(A)

由表2測(cè)量數(shù)值可知，通過(guò)上述降噪措施，可使道路清掃車(chē)的作業(yè)噪聲大大降低。

6 結(jié)語(yǔ)

道路清掃車(chē)的降噪對(duì)于環(huán)衛(wèi)車(chē)司機(jī)身心健康以及環(huán)衛(wèi)車(chē)環(huán)境治理、噪聲污染治理都具有很重要的意義。通過(guò)對(duì)道路清掃車(chē)風(fēng)機(jī)噪聲降噪分析試驗(yàn)和對(duì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)降噪處理以及增加消音、吸音、隔音等措施的實(shí)施，能大大降低道路清掃車(chē)的作業(yè)噪聲。道路清掃車(chē)輛的降噪途徑研究可為新型低噪音環(huán)保環(huán)衛(wèi)車(chē)的發(fā)展提供指導(dǎo)意義。