某液壓挖掘機發(fā)動機噪音改善措施分析

邢志茹

摘要：針對液壓挖掘機某種工況下發(fā)動機最常見的噪音聲音，本文從理論上分析了液壓挖掘機發(fā)動機產(chǎn)生噪音的原因，利用多方面、多角度的不同方案，有效降低發(fā)動機的噪音。在確保挖掘機性能又容易實現(xiàn)的情況下，讓該液壓挖掘機發(fā)動機的噪音有效減小。

關(guān)鍵詞：挖掘機;發(fā)動機;降噪;改善措施

前言：隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，人們生活水平的不斷提高，環(huán)境保護意識大大加強，噪聲危害越來越引起人們的重視，噪聲污染同空氣污染、水污染一起被認為當(dāng)代三大污染。在操作挖掘機作業(yè)過程中，駕駛員長時間處于噪音環(huán)境中。研究表明，噪音對人體的危害是全身性的，不僅可以引起聽覺系統(tǒng)的變化，也可以對人體的神經(jīng)系統(tǒng)、內(nèi)分泌系統(tǒng)等各方面造成影響。早在我國2010年全國土方機械標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會對《土方機械噪聲極值》強制性國家標(biāo)準(zhǔn)進行了修訂，新標(biāo)準(zhǔn)大幅降低了司機耳旁噪聲極限值。能否滿足國家法令法規(guī)要求，決定著挖掘機能否在市場上銷售，因此，研究和分析液壓挖掘機噪聲產(chǎn)生機理，識別與定位主噪聲源，有的放矢地降低其輻射噪聲，改善環(huán)境，是挖掘機制造企業(yè)的一項十分重要的任務(wù)。工程機械行業(yè)經(jīng)過十幾年的快速發(fā)展，整體技術(shù)水平得到了巨大提升，各大生產(chǎn)廠商的同噸位產(chǎn)品在比拼效率、油耗等性能參數(shù)的同時，也對駕駛員舒適性提出了更高要求。

1噪音現(xiàn)狀及方案設(shè)計驗證

液壓挖掘機噪聲主要是由發(fā)動機所產(chǎn)生的。同時，在挖掘機工作過程中，由于負載的不斷變化，液壓系統(tǒng)泵的壓力和流量隨著負載不斷變化，壓力和流量的變化形成壓力脈動，引起振動，產(chǎn)生噪聲。主控閥的噪聲是液壓系統(tǒng)另一個噪聲源。液壓挖掘工作過程中，主控的閥各個閥芯不斷開啟和關(guān)閉，開啟和關(guān)閉過程中會產(chǎn)生液壓沖擊，引起振動，產(chǎn)生噪聲。某液壓挖掘機所配發(fā)動機，在特定的轉(zhuǎn)速下會出現(xiàn)明顯的噪音，且噪音的分貝較大。對于該噪音優(yōu)化的途徑大體上有兩個方向：第一方面：主動降噪，減小或者消除噪音源（發(fā)動機由于性能問題造成的噪音）;第二方面：被動降噪，合理進行噪音傳遞路徑匹配，阻斷噪音傳播路徑。在主動降噪方面要涉及發(fā)動機本體的噴油器及其組件或標(biāo)定程序的更改。但是由于挖掘機發(fā)動機的開發(fā)周期長且成本高，且可靠性還需要長期驗證，改進的話需要極大的經(jīng)濟成本，并且發(fā)動機及配套附件一旦選定，很難對其做出優(yōu)化。因此為了低成本的解決該噪音問題，本文將從傳遞路徑入手，采用被動降噪的方法，利用PUR發(fā)泡等聲學(xué)材料對噪音進行吸收和隔離。由于噪音的聲音主要是通過發(fā)動機上蓋處進行傳播的，可以將聲學(xué)材料制作成發(fā)動機PUR吸音罩蓋進行降低噪音。首先是在整車上展開測試，測試在中低轉(zhuǎn)速下駕駛室內(nèi)的耳旁噪音，同步在臺架測試發(fā)動機本體噪音。實驗采集了發(fā)動機轉(zhuǎn)速在2000轉(zhuǎn)的狀態(tài)下的駕駛室內(nèi)耳旁噪音和臺架噪音并進行對比測試，根據(jù)單一變量原則，分3種狀態(tài)進行測試：（1）不采用聲學(xué)材料，原始數(shù)據(jù);（2）采用PUR發(fā)泡材料將發(fā)動機上表面按照實際可實現(xiàn)的包裹方案，包裹厚度約20～50毫米，根據(jù)實際邊界進行包裹;（3）采用PUR發(fā)泡材料將發(fā)動機上表面完全包裹，包裹厚度約30～50毫米，采用膠粘固定貼緊。采用相關(guān)整車的測試標(biāo)準(zhǔn)，在空載狀態(tài)下測試。選擇環(huán)境空曠周圍無其他噪音影響的地點（環(huán)境噪音50分貝以下），開啟空調(diào)至2/3擋，旋轉(zhuǎn)旋鈕控制發(fā)動機轉(zhuǎn)速在2000轉(zhuǎn)的情況下進行測試，通過測試儀器實時讀取司機耳旁噪音的數(shù)據(jù)。[1]依據(jù)實驗數(shù)據(jù)可以得出結(jié)論，采用PUR發(fā)泡材料將發(fā)動機上表面完全包裹，有著較為顯著的效果：無論機外輻射噪音還是駕駛室內(nèi)的司機耳旁噪音改進效果都很明顯，尤其駕駛室內(nèi)的司機耳旁噪音能夠降低2～3分貝，駕駛室內(nèi)主觀基本感覺不到明顯的噪音，極大提高了人的舒適程度，達到了降低噪音和提高車輛品質(zhì)的目的。

2噪聲源

2.1噪音源分析

隨著國家出臺相關(guān)規(guī)定，到2022年12月1日起將禁止生產(chǎn)、進口和銷售國三排放標(biāo)準(zhǔn)的工程機械，目前國內(nèi)的研發(fā)及技術(shù)儲備重點是滿足四階段排放標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品。本次測試的產(chǎn)品為我公司生產(chǎn)的滿足國四排放標(biāo)準(zhǔn)的6噸液壓挖掘機。對該6噸液壓挖掘機進行噪聲分析，可發(fā)現(xiàn)主要噪聲源為：發(fā)動機風(fēng)扇引起的噪聲、液壓系統(tǒng)噪聲、進氣系統(tǒng)噪聲等幾部分。[2]設(shè)定挖掘機處于工作狀態(tài)下，空調(diào)開啟到中速擋位，進行噪聲測試。經(jīng)測試，當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速較高時（轉(zhuǎn)速>700r/min），發(fā)動機風(fēng)扇引起的噪聲對整機噪聲的影響最大，為主要噪聲源，泵閥及管路等液壓系統(tǒng)對挖掘機噪聲的影響較小，當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速較低時（轉(zhuǎn)速<700r/min）液壓系統(tǒng)噪聲對整機噪聲的影響最大。由于挖掘機工作時，發(fā)動機轉(zhuǎn)速大多處于高速狀態(tài)，液壓系統(tǒng)對噪聲影響不大。

2.2影響因素

風(fēng)扇轉(zhuǎn)速高低直接影響風(fēng)扇引起的噪聲大小，降低風(fēng)扇的工作轉(zhuǎn)速可以明顯降低風(fēng)扇引起的噪聲。目前國外挖掘機產(chǎn)品已經(jīng)開始采用的做法有2種，一種是采用大扭矩低轉(zhuǎn)速的設(shè)計方案，在保證發(fā)動機輸出功率不變的情況下，大幅提升使發(fā)動機的輸出扭矩，降低發(fā)動機的工作轉(zhuǎn)速，從而降低風(fēng)扇噪聲。另一種是采用獨立散熱系統(tǒng)，對風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速進行獨立控制，在滿足散熱要求的前提下，降低風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速。風(fēng)扇葉片的形狀和數(shù)量也會對噪聲產(chǎn)生較大影響。現(xiàn)有挖掘機風(fēng)扇的葉片形狀，數(shù)量為9片，將葉片的數(shù)量改為8片和6片，并相應(yīng)增加單個葉片的寬度，通過軟件模擬發(fā)現(xiàn)，葉片數(shù)量由9片改為8片對發(fā)動機的散熱影響較小，但可以降低噪聲。[3]合理設(shè)計發(fā)動機散熱器的進排氣孔布局，現(xiàn)有進排氣孔布局，使用軟件進行模擬，可以看出圓圈區(qū)域內(nèi)，風(fēng)扇排出的空氣在此處聚集形成渦流，很容易產(chǎn)生轟鳴及其他異響。經(jīng)分析，造成這種情況的原因是排氣面積遠小于進氣面積，且開孔位置不利于空氣排出，若要改善，需要增加散熱器排氣孔的數(shù)量，尤其是在靠近散熱器的位置吸音材料的運用在發(fā)動機和風(fēng)扇周圍的封板、發(fā)動機罩和駕駛室底板等位置粘貼吸引海綿，阻隔噪音的傳遞。駕駛室底板隔音結(jié)構(gòu)的設(shè)計，盡量減少在封板上開大孔，有時候為了穿過液壓接頭和電氣插接件，必須開大孔的，也要進行密封處理。

3隔聲處理

挖掘機的主要噪聲源是發(fā)動機、風(fēng)扇和液壓系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)噪聲主要是液壓泵和馬達的旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的峰值噪聲和主閥的節(jié)流噪聲，液流的沖擊振動和共軛振動。為降低噪聲直接向外輻射，可采用隔聲的方法，同時必須在保證足夠的散熱效果基礎(chǔ)上進行一定的隔聲。

（1）發(fā)動機四周形成一個封閉的隔倉，但在挖掘機的頂罩，必須留有一定的散熱孔，便于風(fēng)扇吸進的氣流流經(jīng)散熱器后冷卻發(fā)動機機體，形成一個氣流通道。

（2）液壓泵四周在滿足散熱的條件下，形成一個密封的隔倉，可有效降低泵的噪聲向外輻射。在炎熱環(huán)境下，可在泵下部的封板上開一些散熱孔。

（3）在左右側(cè)門上增加橡膠密封條，在整機運行時可降低門和框架的沖擊，另一方面增加隔倉的密封效果。

（4）為增強散熱效果，風(fēng)扇側(cè)門上一般采用沖孔或開百葉窗的形式，增加空氣進氣量·降低空氣阻力，但對風(fēng)扇的隔聲效果較差。在改進時加強散熱器與發(fā)動機隔倉的密封處理，防止熱風(fēng)的回流，護罩頂部保留足夠的通流面積，取消側(cè)門開孔，從而改善了風(fēng)扇的隔聲效果。

（5）為降低駕駛室司機耳旁噪聲，底板架四周與轉(zhuǎn)臺之間采用海綿密封·底板架上盡量取消開孔，穿過線束和液壓管路時采用內(nèi)置海綿墊或在孔的四周用海綿密封;底板架與駕駛室之間也采用海綿密封。[4]通過一系列的隔聲處理，有效地加強了整體和局部的隔聲效果，通過檢測，整機噪聲大約下降2分貝。

結(jié)語：本文利用試驗分析的技術(shù)對發(fā)動機噪音的各種處理方式，進行了聲學(xué)方案設(shè)計來解決駕駛室內(nèi)擾人的發(fā)動機的噪音，并對整車效果進行了驗證，取得了較好的效果，對降低駕駛室內(nèi)噪音、提高聲學(xué)品質(zhì)和舒適性具有一定的參考意義。經(jīng)過上述措施的改進，駕駛室內(nèi)的噪音能夠有效降低。當(dāng)然想要更加深入的降低噪音值，還需對聲學(xué)材料做更精細的研究。后續(xù)在項目應(yīng)用過程中，同步完善聲學(xué)數(shù)據(jù)的積累，形成數(shù)字化選型匹配，能夠更好的實現(xiàn)整車噪音的降低。

參考文獻

[1]仝振，陳彥兵，陳誠貴.液壓挖掘機噪聲分析與降噪處理[J].商品與質(zhì)量·建筑與發(fā)展，2013，000（007）：473-473.

[2]張群，衛(wèi)海橋，舒歌群，梁興雨，王養(yǎng)軍，劉岳文.高壓共軌發(fā)動機降噪及其性能對噪音的影響[J].機械工程學(xué)報，2009，11.

[3]劉跟生， 鞏泉泉， 竇丹丹，等. 某液壓挖掘機項目噪聲危害及防護分析[J]. 中國科技投資， 2019， 000（029）：200，254.

[4]顧曉軍;劉利軍;殷學(xué)文，朱蓓麗;多自由度波導(dǎo)抑振器平面陣列的吸聲性能研究[J];噪聲與振動控制;2008年01期.