桌面金融鈔票處理設備降噪的優(yōu)化設計方法

謝衛(wèi)平

（廣州廣電運通金融電子股份有限公司，廣州 510663）

0 引言

桌面金融鈔票處理設備設計的基本原理為，通過摩擦把鈔票進行分離，利用機構轉(zhuǎn)動進行鈔票傳動，并通過光電磁等檢測后進行分揀[1]。機械零件在轉(zhuǎn)動時的和鈔票在運動過程中的抖動以及對設備的撞擊都不可避免地會產(chǎn)生噪聲，另外隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，銀行每天處理的現(xiàn)金量較之前有很大的增長，銀行對桌面金融鈔票處理設備的處理速度要求越來越高，處理速度從之前的7張/s提升到12張/s，但是伴隨處理速度的提升，設備產(chǎn)生的噪聲也隨之增加，噪聲的對辦公環(huán)境的污染的問題越來越突出。桌面金融鈔票處理設備是放置在銀行柜員的柜面，供銀行柜員進行日常辦公使用，設備的入鈔口和取鈔口都需要開放，方便操銀行柜員隨時進行取鈔和加鈔，所以不能簡單地在設備外增加隔音裝置對噪聲傳播途徑的控制，進行噪聲隔離，這樣會帶來額外的設備外改造和很不友好的用戶體驗。因此需在設備的聲源上對其進行控制。本文依據(jù)噪聲產(chǎn)生的機理，對桌面鈔票處理設備的結構和運動進行理論分析，并通過噪聲振動測試儀對設備進行噪聲檢測，對產(chǎn)生噪聲較大的區(qū)域進行共振模態(tài)分析，得到系統(tǒng)的固有頻率和振型。采用理論分析、數(shù)值模擬和檢測驗證等方法，對桌面金融設備的噪聲特性進行研究，分析桌面金融鈔票處理設備的噪聲源特征及其傳播機理，從聲源和聲傳播角度提出降噪的優(yōu)化設計。

1 設備噪聲分析

1.1 傳動部分噪聲分析

桌面金融鈔票處理設備的鈔票傳輸功能，基本都為利用同步帶和齒輪進行動力傳輸，通道板進行導向，傳動輥對鈔票進行搬運，完成鈔票的傳輸功能?；窘Y構如圖1所示。傳動輥通過滾珠軸承安裝在鈑金框架上，各個傳動輥之間為同步帶、同步輪相連，主電機驅(qū)動其中一個傳動輥，可帶動所有傳動輥一起運轉(zhuǎn)，實現(xiàn)鈔票的傳輸。傳動過程中機構不可避免地會產(chǎn)生振動和撞擊，因此要對鈔票傳輸過程中的各個部件在運動中進行產(chǎn)生噪聲進行理論分析。

圖1 基本結構

1.1.1 滾珠軸承的噪聲分析

桌面金融鈔票處理設備在工作時，可以根據(jù)其處理速度得知傳動輥需要的轉(zhuǎn)速，假設傳動輥的轉(zhuǎn)速為1 800 r/min。同樣滾珠軸承的內(nèi)圈將以1 800 r/min的速度旋轉(zhuǎn)，因此處于靜止狀態(tài)的外圈上會產(chǎn)生振動，用一個速度型檢測頭直接接觸在外圈上，并將徑向機械振動量轉(zhuǎn)換成電氣量進行檢測。檢測到的噪聲振動被分割為3個頻帶，儀器上顯示出各頻帶的噪聲振動的度量值。另外，除了數(shù)量顯示以外，還裝置有覆蓋全部頻帶的揚聲放大器，可以用耳機監(jiān)聽噪聲的聲級。各頻帶的頻率分配如下：低頻帶為50～300 Hz；中頻帶為300～1 800 Hz；高頻帶為1 800～10 000 Hz。

滾珠軸承從原理上講是通過旋轉(zhuǎn)發(fā)揮其功能。滾珠軸承旋轉(zhuǎn)時會產(chǎn)生振動。振動頻率隨轉(zhuǎn)速而變化的振動稱之謂“因強迫旋轉(zhuǎn)引起的振動”，這類振動也作為振動能量對軸承周圍的結構零件的固有振動產(chǎn)生影響造成共振現(xiàn)象。破壞此類共振，對噪聲改善有較明顯效果。關于滾珠軸承因強迫旋轉(zhuǎn)引起的振動頻率內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)時的計算公式如下。

滾珠的公轉(zhuǎn)振動：

保持架的旋轉(zhuǎn)振動：

滾珠的自轉(zhuǎn)振動：

滾珠的通過振動：

式中：Dw為滾珠直徑，mm；Dpw為節(jié)圓直徑，mm；α為公稱接觸角，(°)；Z為滾珠數(shù)；fr為內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)速度，Hz。

假設已知桌面金融鈔票處理設備的轉(zhuǎn)速為1 800 r/min，使用的滾珠軸承為美蓓亞型號為LF-1480ZZ，另外為簡化計算，可以取cosα=1，根據(jù)上列公式：

由上可知滾珠軸承對系統(tǒng)的激勵頻率，滾珠軸承和鈑金框架為直接接觸，桌面金融鈔票處理設備上又有大量的滾珠軸承，在工作時滾珠軸承產(chǎn)生振動不斷地對鈑金框架進行激勵產(chǎn)生噪聲。

1.1.2 同步帶產(chǎn)生的噪聲分析

由于同步帶具有傳動比準確、效率高、功率大、傳動平穩(wěn)、維修保養(yǎng)方便等突出優(yōu)點，桌面金融鈔票處理設備多采用同步帶做傳動。由于同步帶輪之間不平衡的離心力的激勵以及皮帶和帶輪嚙合時引起氣體擾動都會產(chǎn)生噪聲。同步帶帶輪本身的形狀公差及位置公差，包括帶輪的齒向公差、齒厚公差以及軸向及徑向跳動等。同步帶與帶輪的制造精度越高，嚙合是產(chǎn)生的沖擊越小，同步帶噪聲必然越低。由于帶及帶輪嚙合時，引起氣體的擾動從而產(chǎn)生空氣動力噪聲。同步帶輪圓周方向開消音槽帶寬度越寬，氣流運行的路線就越長，氣體的壓力變化亦越大，從而噪聲越大[2]。因而希望同步帶輪與帶的寬度盡量窄，但同步帶的寬度與傳遞的功率有近似正比的關系，為了達到設計的功率，帶輪與帶必須有一定的寬度。

1.1.3 通道中撞擊的噪聲分析

紙幣在通道中高速運行除了擾動空氣產(chǎn)生的噪聲外，其進入傳輸輥時和傳輸輥的撞擊產(chǎn)生的噪聲也非常明顯，理論上當撞擊點的撞擊角度越大時，鈔票撞擊時會產(chǎn)生沖擊力就會越大，同時沖擊產(chǎn)生的噪聲就會越大。

1.2 結構共振噪聲分析

桌面金融鈔票處理設備是由多個零部件組成的一個復雜空間結構體，不同的零件的形狀不同，材質(zhì)不同，材質(zhì)分別有塑料、鈑金、鋁等。所以對不同的零件和結構進行理論計算得出其固有共振頻率相當復雜，所以將其簡化，通過測驗設備對其進行檢測。對其產(chǎn)生噪聲比較大區(qū)域進行共振模態(tài)的分析[3]。通過檢測可知設備不同條件下振動頻率和聲強的分布情況，如圖2所示。

圖2 振動頻率和聲強的分布情況

由上述分析可知，首先滾珠軸承在高速轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生的振動是一個激勵源，會傳遞給與其鏈接的鈑金框架，再傳遞通過框體傳遞至相關聯(lián)的各個零件以及下一級的零件，結構受到激勵較產(chǎn)生共振產(chǎn)生噪聲。其次鈔票在傳輸過程中對通道輥和通道板的撞擊以及對空氣的擾動設備薄壁件的共振產(chǎn)生的二次聲輻射，就成了桌面金融鈔票處理設備的主要噪聲源。

2 優(yōu)化設計方案

根據(jù)分析結果，桌面金融鈔票處理設備工作時的噪聲主要由機械振動噪聲、紙幣傳輸引起的空氣擾動噪聲、結構共振噪聲組成。優(yōu)化設計方案從以下幾個方面著手，進行減振、吸音、隔音。

2.1 減振設計

桌面金融鈔票處理設備大量的軸承作為激勵源對系統(tǒng)進行激勵，因為其材質(zhì)屬性和框架材質(zhì)同為金屬，容易導致共振，必須使鈑金框體的固有振動頻率與軸承的固有振動頻率分開，與激勵的主頻率分開。優(yōu)化設計采用在滾珠軸承外圈增加塑料軸套，如圖3所示，減少滾珠軸承對系統(tǒng)的激勵，降低機械振動。振動的耦合是將振動的能量通過振動系統(tǒng)傳輸給產(chǎn)生響應的零、部件。解耦的目的是改變振動系統(tǒng)的參數(shù)，比便破壞能量傳輸?shù)臈l件，達到減振降噪的效果。

圖3 減振優(yōu)化設計

根據(jù)測試的結果，在振動噪聲大的區(qū)域的結構進行結構剛度優(yōu)化設計，加強結構剛度的薄弱環(huán)節(jié)，進行剛度的合理分配和平衡，加強機械結構的總剛度，提高結構的共振頻率和降低振動響應[4]。對不便于加強剛度的結構，可通過增加阻尼的方式進行優(yōu)化，如圖4所示，在薄壁空腔的零件上在上貼阻尼材料，阻尼有助于降低共振的振幅，對于任何一種結構，當激勵的頻率ω等于共振頻率ωn時，其位移響應的幅值X與各階模態(tài)的結構損耗因子ηn成反比，即：當ω=ωn（n=1，2，3，4…）時，X∝1/ηn。所以，在頻率遠離共振區(qū)時，動態(tài)位移受彈性項和慣性項的影響，而在接近或等于共振頻率時，位移主要受阻尼項的影響，按公式，增大阻尼的損耗因子值ηn，可大幅度降低共振的位移幅度值X，從而降低聲壓，減少噪聲。

圖4 增加阻尼

優(yōu)化傳輸通道鈔票撞擊點從動的角度，傳動輥的主動輪是內(nèi)部合金、外部橡膠的，上面嚙合的從動輪是鋼的。主動輪與從動輪為零間隙，鈔票進來前，主動輪帶動從動輪轉(zhuǎn)動，當鈔票經(jīng)過輪子時，鈔票帶動從動輪轉(zhuǎn)，如圖5所示，在通道板上增加導向特征，目的是當鈔票進入傳動輥時，將鈔票送到更接近主動輪與從動輪離得最近的位置，減小鈔票和從動輪的撞擊，進而降低噪聲。

圖5 優(yōu)化傳輸通道鈔票撞擊點從動的角度

2.2 吸音隔音設計

對桌面金融鈔票處理設備的結構中存在類似箱體的空間在外圍進行密封進行聲音傳播的隔絕，在空間增加吸音棉，消弱駐波，吸收多余的音波，被動阻隔聲源傳播。

根據(jù)以上提出的方案，依據(jù)標準GB 16999-2010規(guī)定的方法測量樣品的噪聲。測量環(huán)境：半消聲室；背景噪聲：16.8 dB(A)(Ref.20μPa)；環(huán)境溫度：23.5℃；環(huán)境濕度：58.5%RH；

樣品工作狀態(tài)：工作電源220 V/50 Hz；測量方法：樣品放置在標準工作臺上，測量點距樣品表面中心前、后、左、右、頂端各1 m。

對優(yōu)化后和優(yōu)化前的桌面金融鈔票處理設備進行了噪聲測試對比。優(yōu)化后的設備的噪聲值有較明顯的下降，測試結果如表1所示，改進前后的頻譜如圖6所示。

圖6 改進前后的頻譜

表1 測試結果

3 結束語

本文對桌面金融鈔票處理設備進行了降噪優(yōu)化設計：改變激勵，使機械的固有頻率避開激勵頻率可有效防止共振；在系統(tǒng)結構無法變更或輸入激勵無法減小的情況下，增加阻尼材料可有效減小振動降低噪聲；優(yōu)化通道的撞擊角，可有效降低鈔票經(jīng)過撞擊點時的噪聲；密封和吸音對消除高頻噪聲有一定的效果。該優(yōu)化設計通過實際檢測，能有效地降低設備的噪聲。隨著金融業(yè)的發(fā)展，金融設備的要求會越來越高，設計師會面臨更多挑戰(zhàn)，后續(xù)還需對桌面金融鈔票處理設備的噪聲進行更全面地深入研究，以便更好地減少設備噪聲，創(chuàng)造更好的工作環(huán)境。