減振降噪在機械設(shè)計中的應用

張春幸，秦夢濤

（濟南二機床集團有限公司，山東 濟南 250022）

機械設(shè)備在運行過程中會產(chǎn)生一定的噪聲問題，有設(shè)備內(nèi)部零部件運行形成的噪聲，還有空氣動力性噪聲，需將機械運行的噪聲控制在標準值的范圍內(nèi)，減少機械噪聲污染問題，保護機械周邊環(huán)境與人員的安全。因此，在機械設(shè)備設(shè)計階段采用減振降噪措施，對噪聲源及噪聲傳播途徑加以控制，增強機械設(shè)計消聲、隔聲、吸聲的作用，提前預防機械振動與空氣動力噪聲，形成對機械設(shè)備運行階段的振動及噪聲的良好控制，強化機械設(shè)計的減振降噪效果，保證機械設(shè)備投入使用后的安全可靠。

1 機械噪聲的來源

1.1 空氣動力性噪聲源

該類噪聲是氣流與氣流之間，或者是氣流與機械零部件之間相互作用產(chǎn)生的噪聲，包括運動氣流之間形成的氣流噪聲，氣流與靜止機械零件之間形成的渦流噪聲，以及靜止大氣與機械運動部件之間的旋轉(zhuǎn)噪聲等。此外，機械設(shè)備類型的不同，產(chǎn)生的空氣動力性噪聲也有著很大的差異。比如，燃油機械設(shè)備會產(chǎn)生噴射噪聲或燃燒噪聲，由電力驅(qū)動帶有大型風扇的機械設(shè)備，則會有旋轉(zhuǎn)噪聲、渦流噪聲等。

1.2 機械性噪聲源

該類噪聲是由機械設(shè)備運行形成的噪聲，像是機械零部件安裝精度不夠，零部件之間碰撞產(chǎn)生噪聲，或是機械設(shè)備運轉(zhuǎn)速度過快，出現(xiàn)大幅度的振動形成機械噪聲[1]。機械噪聲的類型較多，主要有碰撞噪聲、摩擦噪聲、電磁噪聲等等。機械噪聲的出現(xiàn)與機械設(shè)計、零部件材料選用、生產(chǎn)制造工藝，以及機械設(shè)備使用過程中的檢修、維護質(zhì)量，乃至于機械設(shè)備工作環(huán)境等，都有著較大的關(guān)系。需要在設(shè)計階段提前進行機械的減振降噪設(shè)計，盡可能在設(shè)計階段解決機械性噪聲問題，降低機械設(shè)備投入使用后噪聲污染發(fā)生的概率。

2 機械噪聲源的控制設(shè)計

2.1 材料的選擇

材料選擇是機械設(shè)計的首要內(nèi)容，出于機械減振降噪的考慮，在選擇材料時需著重考慮其阻尼性能，還要考慮到材料的物理、化學性能，以及材料制造過程中選擇使用的工藝等，綜合分析評價材料的各項性能，以保證機械的高品質(zhì)設(shè)計。從機械制造常用的幾種金屬材料來看，阻尼性能無法滿足減振降噪的需求，像銅、鐵、鋁等，這些金屬在激振力的作用下，振動能量消耗過少，從而產(chǎn)生較大的噪聲。而阻尼材料或是高分子材料則表現(xiàn)出了良好的阻尼性能，當材料遭到激振影響時，材料組分阻礙振動，并將振動能量轉(zhuǎn)化為熱量，達到降低振動噪聲的目的。基于此，在機械減振降噪設(shè)計中，針對噪聲源選擇使用阻尼材料或高分子材料，以此形成對振動噪聲的有效控制。比如機械設(shè)備的運行環(huán)境粉塵過多，機械齒輪選用阻尼材料制造[2]，減少噪聲的同時，避免不良工作環(huán)境導致的齒輪腐蝕問題。

2.2 深化機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

機械設(shè)備在運行過程中會產(chǎn)生結(jié)構(gòu)噪聲，該噪聲在機械設(shè)備內(nèi)部不是以空氣為介質(zhì)傳播，而是通過機械的零件、構(gòu)件傳播至外部，比如機械設(shè)備內(nèi)部封閉殼體結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部的零件振動引發(fā)的結(jié)構(gòu)噪聲。該噪聲占據(jù)機械總聲能的九成以上，噪聲的影響范圍較大，需通過機械結(jié)構(gòu)的深化設(shè)計，改善機械結(jié)構(gòu)零部件之間的協(xié)調(diào)性、整體性等，以形成對該噪聲的良好控制。

2.2.1 振動篩結(jié)構(gòu)設(shè)計

振動篩機械設(shè)備在工作狀態(tài)下，持續(xù)振動會產(chǎn)生較大的噪聲。在該機械結(jié)構(gòu)設(shè)計中，進行振動篩軸承滾動體結(jié)構(gòu)的改善，或者是可專門針對其噪聲源采用減振器設(shè)計，形成對結(jié)構(gòu)噪聲的抑制。比如，振動篩對于軸承結(jié)構(gòu)相對運動的要求較低，在此處安裝減振器，起到減緩激振的效果。在要求較高的情況下，則建議振動篩采用空心滾動體軸承，提高整體軸承的強度，穩(wěn)定振動篩結(jié)構(gòu)，從而抑制振動噪聲。

2.2.2 齒輪結(jié)構(gòu)設(shè)計

機械內(nèi)部齒輪在運行狀態(tài)下，齒輪組中各個齒輪相互之間嚙合運動完成機械動作要求，由此引起齒輪之間的碰撞與摩擦，導致齒輪過大的振動而產(chǎn)生噪聲。齒輪在高速轉(zhuǎn)動的過程中，包括齒輪組在內(nèi)的整個齒輪箱體在振動的影響下，易發(fā)生共振現(xiàn)象，會進一步增加噪聲分貝。因此，齒輪結(jié)構(gòu)深化設(shè)計應從以下幾點入手：一是在用戶機械結(jié)構(gòu)設(shè)計需求的范圍內(nèi)，盡量采用斜齒輪及人字齒輪設(shè)計，使機械運動更加平穩(wěn)，齒輪結(jié)構(gòu)力傳遞得更加均衡，降低激振力，起到降噪的效果；二是將齒輪的壓力角控制在20°左右[3]，但要保證齒輪可滿足負載要求；三是齒隙的準確控制，齒側(cè)的間隙過大與過小都會引起噪聲，合適的間隙設(shè)計對于減振降噪非常重要；四是對于因齒輪在生產(chǎn)制造期間精度不夠?qū)е碌脑肼?，可通過齒輪修齒進行彌補，保證齒輪之間的良好嚙合，減少齒輪運行中的摩擦和撞擊；五是加強齒輪質(zhì)量的檢驗，設(shè)計階段進行齒輪制造精度的嚴格把關(guān)，可有效避免機械投入使用后的噪聲；六是齒輪設(shè)計階段選用大黏度的潤滑油，維持齒輪高質(zhì)量的傳遞功率，保持齒輪之間的潤滑，并起到緩沖撞擊和摩擦的作用；七是在齒輪材料選用上，注重材料的阻尼性能，合理地運用該材料，可起到減振、隔振的作用。比如阻尼金屬、黏彈性阻尼材料等，也可使用阻尼材料制作成阻尼層，直接粘貼在齒輪表面，達到減振降噪的目的。

2.2.3 電機結(jié)構(gòu)設(shè)計

電磁噪聲主要發(fā)生在用電機械設(shè)備上，比如變頻器、電動機、變壓器等，尤其是大型設(shè)備的電磁噪聲表現(xiàn)明顯。以工業(yè)用交流異步電動機槽噪聲為例，在機械結(jié)構(gòu)設(shè)計中，可加大氣隙間距達到減小噪聲的目的，主要是因為通過氣隙的增加，形成對磁極磁通密度的飽和程度的控制，減少功率因數(shù)。也可應用氣隙間距的變化設(shè)計，或是聯(lián)合使用斜槽轉(zhuǎn)子設(shè)計，提高降噪的效果。經(jīng)過以上設(shè)計分析，在電磁噪聲控制中，采用如下設(shè)計方案：一是減少氣隙磁密，形成對高次諧波的控制；二是應用斜槽轉(zhuǎn)子設(shè)計[4]，起到降低齒諧波的效果；三是優(yōu)化定子轉(zhuǎn)子磁場均勻度，增加氣隙設(shè)計，降低磁拉力，并提高兩者的制造精度，保證氣隙的均勻，同樣具備控制電磁噪聲的效果；四是進行閉口齒槽設(shè)計以控制高次諧波。

2.2.4 液壓泵結(jié)構(gòu)設(shè)計

液壓泵在運行過程中，會形成液體與機械兩種噪聲。液壓泵在泵送液體時，液體流動或是其對泵結(jié)構(gòu)產(chǎn)生沖擊與摩擦，形成了噪聲，結(jié)構(gòu)設(shè)計方案可選用阻尼材料進行解決。液壓泵持續(xù)作業(yè)形成動力壓強產(chǎn)生噪聲，該噪聲分為兩種：一種是機械噪聲，比如機械振動形成的噪聲，或是機械零部件接觸形成的噪聲；另一種是流體噪聲，液壓泵運行形成的壓力流量以及氣穴、氣蝕等。根據(jù)噪聲的形成原因進行減振降噪的結(jié)構(gòu)設(shè)計，首先是主閥閥口與閥座的氣蝕噪聲，閥芯半錐角-閥座半錐角=3°，并減少閥體回流腔的尺寸，節(jié)流口設(shè)計為長通道形，以達到減少旋渦的目的，降低噪聲分貝；其次是壓力波動噪聲，維持液壓溢流閥壓力的平衡，增加先導閥彈簧的剛度，并調(diào)整芯錐閥頭部的流動狀態(tài)，建議使用圓弧形[5]，以消減渦流區(qū)的作用力；最后，基于機械噪聲的成因，應從液壓泵溢流閥閥芯與閥套間材料選擇上入手，建議使用金屬石墨、陶瓷等，保證零部件之間的潤滑特性，減少摩擦與碰撞形成的噪聲。

2.2.5 進排氣結(jié)構(gòu)設(shè)計

以內(nèi)燃機噪聲為例，在其排氣過程中，會釋放高壓與高溫氣體，這些氣體與空氣碰撞形成噪聲。比如進氣沖程時，氣流高速進入內(nèi)燃機，與其燃氣室結(jié)構(gòu)產(chǎn)生氣流沖擊[6]。進排氣噪聲主要是由于進氣和排氣與空氣或內(nèi)燃機結(jié)構(gòu)發(fā)生相互沖擊，從而產(chǎn)生了噪聲。在機械結(jié)構(gòu)設(shè)計中，對噪聲源進行減振降噪設(shè)計，建議增加空氣濾清器設(shè)計，并進行進氣通道、排氣通道的設(shè)計優(yōu)化，降低內(nèi)壓力脈動，使氣流順暢流動，以此降低進排氣噪聲。

2.2.6 風機結(jié)構(gòu)設(shè)計

風機噪聲是由氣流引起的，主要有旋轉(zhuǎn)噪聲與渦流噪聲，屬于空氣動力性噪聲。在風機結(jié)構(gòu)降噪設(shè)計中，相關(guān)的研究人員針對普通風機與傾斜蝸舌風機進行了比對，發(fā)現(xiàn)兩者聲級曲線不同，普通風機產(chǎn)生的聲級較高。所以，風機結(jié)構(gòu)優(yōu)化可參照傾斜蝸舌風機，一是提高蝸舌間距，給予風流一定的緩沖，同時增加蝸舌的傾斜度，對風流形成一定的阻擋，并降低沖擊力；二是蝸舌曲率半徑的調(diào)整，進行旋轉(zhuǎn)噪聲的抑制；三是風機葉道出口影響著渦流噪聲，減少其相對寬度，形成對該噪聲的有效控制。

3 機械噪聲傳播途徑的控制設(shè)計

3.1 吸聲與隔聲材料設(shè)計

吸聲材料使用吸聲技術(shù)制作，噪聲在經(jīng)過吸聲材料過程中，材料中的細小纖維發(fā)生振動，吸收噪聲并轉(zhuǎn)換為熱能。隔聲材料主要是阻擋噪聲的傳播，材料內(nèi)部為隔聲結(jié)構(gòu)，具有很好的降噪效果[7]。在機械噪聲傳播途徑的控制設(shè)計方面，聯(lián)合使用吸聲與隔聲材料，實現(xiàn)雙重的降噪效果。比如，在鋼球磨煤機中的應用，可以采用以下方法：一是在煤機筒體上設(shè)計多層吸聲與隔聲材料，降低筒體的噪聲；二是設(shè)計一個隔聲罩，將煤機與外部隔離，阻斷噪聲輻射；三是使用隔聲與吸聲材料制作降噪屏障，在距離噪聲源較遠的位置，使用吸聲屏障，主要是因為吸聲材料為吸聲處理，針對直達噪聲的處理效果不佳。而在操作者與噪聲源較近的情況下，噪聲輻射的為直達聲，使用隔聲屏障，其對于直達聲處理效果良好。如果距離較遠，操作者主要受反射聲的影響，應使用吸聲屏障進行降噪。

3.2 消聲裝置設(shè)計

噪聲的消聲方式主要有以下兩種：一種是主動消聲，主要應用在高精尖設(shè)備上；另一種是被動消聲，該技術(shù)成熟度較高，在機械設(shè)計消聲中應用較多。其中消聲裝置較為常見，該裝置阻擋噪聲效果好，同時不會對氣體流動造成影響，但是應用較為局限，一般適用于機械管道噪聲的消除，或者是安裝在排氣口位置進行消音，不能用于其他噪聲的消除[8]。消音器主體結(jié)構(gòu)為進口管和出口管，主要用于機械設(shè)備的氣流降噪。比如空調(diào)回風管道、鍋爐的進出口、冷卻塔的風口等，以及擁有柴油發(fā)動機設(shè)備的廢氣排放口等。在高精尖機械設(shè)備上，采用的是自適應被動共鳴板消聲器，例如在核潛艇上的應用，雖然為被動消聲，卻可進行頻率的調(diào)整，實現(xiàn)降噪的目標。目前，基于噪聲的頻率調(diào)整，已經(jīng)出現(xiàn)了智能降噪系統(tǒng)，在系統(tǒng)中輸入抗性聲能，主動進行噪聲的消除。除了消聲器之外，還有幾種應用較多的消聲設(shè)備：1）消聲坑，在機械設(shè)計中應用的經(jīng)濟性好，使用簡單方便，降低壓力損失，可有效消除噪聲；2）消聲百葉扇，在機械進氣和排氣過程中，促進葉輪旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)變阻消音。葉輪在氣流的作用下旋轉(zhuǎn)，使進氣或排氣流動產(chǎn)生不同的阻尼，并且葉輪在旋轉(zhuǎn)過程中積累氣流能量，然后對流經(jīng)氣流進行抽吸[9]，維持氣流的穩(wěn)定流動，避免氣流相互沖擊產(chǎn)生噪聲。

3.3 隔振設(shè)計

機械設(shè)備在運行過程中難免振動，由振動產(chǎn)生的噪聲可使用隔振技術(shù)進行處理。在機械設(shè)計中，針對機械振動噪聲源，可將其與地基連接，或者是將振動噪聲源與接觸構(gòu)件之間使用隔振裝置進行連接。一是使用彈性元件處理以減弱振動，達到降噪的目的；二是使用阻尼件進行連接，構(gòu)建振動噪聲隔離屏障。隔離振動分為以下兩種，一種是主動隔振，將振動源與其支撐隔離；另一種是被動隔離，是在防振部位設(shè)置隔振系統(tǒng)，將振源隔離。隔振系統(tǒng)由彈簧與阻尼器構(gòu)成，建立振源與被隔離對象之間的降噪屏障，以消除和降低噪聲[10]。隔振技術(shù)在機械設(shè)計中應用廣泛，例如在轎車中聯(lián)合應用主動與被動隔振技術(shù)，在啟動轎車發(fā)動機后，發(fā)動機形成扭轉(zhuǎn)振動，設(shè)置懸置隔振系統(tǒng)，將振動減弱后傳遞出去。在轎車行駛過程中，地面不平引起轎車振動，該振動導致發(fā)動機共振，影響到發(fā)動機的正常運行，使用該系統(tǒng)將發(fā)動機與車身進行隔離，消減這些振動力，實現(xiàn)主動隔振，避免振動噪聲的同時，減少振動對發(fā)動機的損壞。此外，阻尼材料可用于隔振系統(tǒng)中，降低機械的共振幅度，使機械結(jié)構(gòu)受到?jīng)_擊后快速恢復原狀，并且減少機械振動的噪聲輻射，達到抑制共振、減少噪聲的效果。

4 結(jié)語

機械設(shè)備的振動與噪聲分貝一旦超出正常標準，會對機械本身運行造成影響，形成噪聲污染。所以，在機械設(shè)計階段需著重解決這一問題，機械設(shè)計是機械設(shè)備生產(chǎn)制造的指導性文件，決定著機械投入使用后的各項性能。通過在設(shè)計階段應用減振降噪技術(shù)，將振動程度控制在合理的范圍內(nèi)，并在機械結(jié)構(gòu)設(shè)計中使用阻尼材料，根據(jù)噪聲源的類型進行機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的深化，并且在機械噪聲的傳播途徑上，恰當使用隔聲、消聲、隔振等技術(shù)，達到機械結(jié)構(gòu)設(shè)計減振降噪的目的，全面提高機械設(shè)計的環(huán)保性、經(jīng)濟性與實用性。