（安全技术及工程专业论文）气动式锚杆钻机气动马达消声器的理论与试验研究.pdf

气动式锚杆钻机气动马 达消声器的理论与试验研究 a b s t r a c t a s r o o f b o lt i n g t e c h n o l o g y h a s m a n y a d v a n t a g e s s u c h a s h i g h e ff i c i e n c y a n d l o w c o s t , i t h a s b e e n w i d e l y u s e d i n u n d e r g r o u n d e n g i n e e r i n g . a t p r e s e n t , t h e p n e u m a t i c r o o f b o l t e r th a t i s l i g h t w e i g h t , s i m p l e s t r u c t u r e , a n d e a s y o p e r a t i o n a n d m a i n t e n a n c e i s t h e d o m i n a n t m a c h i n e i n a p p l i c a t i o n . h o w e v e r , t h e n o i s e m a d e b y t h e p n e u m a t i c r o o f b o l t e r i s u s u a ll y a s h i g h a s 1 2 0 d b , w h ic h m u c h e x c e e d s t h e r e g u la t i o n o f t h e s a f e t y o p e r a t i o n a n d h a s a b a d e f f e c t o n t h e h e a lt h o f t h e o p e r a t o r s . me c h a n i s m o f t h e n o i s e c r e a t e d b y t h e p n e u m a t i c m o t o r a n d t h e c h a r a c t e r i s ti c s o f t h e n o i s e fr e q u e n c y a r e s t u d i e d b a s e d o n t h e e x p e r i m e n t s a n d t h e o r y r e s e a r c h a n d t h e m e c h a n i s m o f t h e n o i s e r e d u c t io n o f th e m i c r o p e r f o r a t e d m u f fl e r a n d t h e p o r o u s d i f f u s e d m u f fl e r a r e a n a l y s e d . s e v e r a l d i ff e r e n t p o r o u s d i ff u s e d m u f fl e r s o f d i f f e r e n t m a t e r ia l s a n d s t r u c t u r e a n d o n e k i n d o f m i c r o p e r f o r a t e d m u f fl e r a r e d e v e l o p e d . c o m p a r e d t h e i r c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e n o i s e fr e q u e n c y a n d fl o w r e s i s t a n c e b y s e t s o f e x p e r i m e n t s , t h e p o r o u s d i ff u s e d c y l i n d r i c a l m u f f l e r w h i c h u s e s t h i c k n e s s o f 2 5 m m , 7 0 d p i ( 7 0 h o le s / s q u a r e i n c h ) w e b b y p o l y e s t e r a s t h e r e d u c t i o n m a t e r i a l a n d h a s a s e g m e n t a l b a ff l e r a t t h e r i g h t t o p o f t h e e n t r a n c e o f th e a i r i s s e l e c t e d . t h i s m u f fl e r c a n r e d u c e p n e u m a t i c n o i s e fr o m 1 1 3 d b t o 9 5 d b ,w h i c h c a n s a t i s f y t h e r e q u i r e m e n t o f t h e o p e r a t i o n i n t h e t u n n e l . wh a t s m o r e , t h e m u f f l e r c a n e l i m i n a t e t h e o i l m i s t b e t t e r b e c a u s e o f t h e p o l y e s t e r s a b s o r b a b i l i t y t o t h e o i l a t t h e s a m e t i m e , a d d i n g t h e s e g m e n t a l b a f f l e r c a n i n c r e a s e t h e fl o w 北京交通大学硕士学位论文 u n i f o r m i ty o f t h e a i r a n d h a s d i s t i n c t e ff e c t s o n r e d u c i n g n o i s e i n a d d i t i o n , t h e f e a s i b i l i ty o f m i s c r o p e r f o r a t e d m u f fl e r a p p l i e d t o t h e p n e u m a t i c m o t o r i s d i s c u s s e d . t o t h e m i s c r o p e r f o r a t e d m u f fl e r , t h e d i a m e t e r o f n a r r o w h o l e i s r e d u c e d t o l e s s t h a n 1 . o m m , t h e p e r f o r a t i o n r a t io o f it i s b e t w e e n 1 -5 % a n d t h e a i r la y e r o f s p e c i f i c t h i c k n e s s i s l e ft b e h i n d t h e m i s c r o p e r f o r a t e d p a n e l . d o u b l e - l a y e r m i s c r o p e r f o r a t e d p a n e l c a n i n c r e a s e t h e w i d t h o f t h e f r e q u e n c y . t h e e x p e r i m e n t s h o w s t h a t t h e m i s c r o p e r f o r a t e d m u f fl e r c a n r e d u c e t h e s p e c i f i c fr e q u e n c y n o i s e w e l l . che n 幻u a n( me c h a n i c a l , e l e c t r o n i c s c o n t r o l e n g i n e e r i n g) d i re c t e d b y v i c e p r o f . z h o u mi n g l i a n k e y w o r d s : p n e u m a t i c m o t o r , n o i s e , mu f fl e r , p o r o u s me d i u m - i t t - 北京交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 1 . 1锚杆支护的原理及其发展 1 . 1 . 1 锚杆支护的原理 锚杆支护的形式如图曰 所示， 在巷道的顶板和两边铺上金属丝 4后，在岩体或媒体中钻孔，然后插入锚固剂 ( 树脂药卷)和锚杆杆 体1 . 搅拌后使锚杆和孔壁锚固。 尾部再装上背板2 和螺母3 ， 拧紧螺 母，使每跟锚杆产生 3 吨以上的预紧力。 圈卜1 锚杆支护旅理 困中。卜 锚杆杆体卜 背板3 一 蟋母夺金属网5 - 岩体( 煤体) 气动式锚杆钻机气动马达消声器的理论与试验研究 1 . 1 . 2 锚杆支护的发展状况 在矿井和隧道施工中首要的问题是支护问题。 如果支护措施做的不 好，就极有可能造成人身伤亡，甚至带来重大的经济损失。支护技术 的发展经历了一个很长的阶段。 大致来讲， 起初， 人们一般采用木架， 后来又换成钢架结构支撑在坑道中，靠这种方法防止塌方。但这种方 法给施工带来很多不便， 而且带来很大的经济损失: 一来在施工初期， 需要投入大量的人力和时间来支撑钢架，而且所用的钢材大多很重， 增大了工人的劳动强度，也耗费了大量钢材。施工完毕后，在回收过 程中，如果拆卸不慎，很可能造成塌方。所以很多钢材都无法回收以 致白白浪费。在这种情况下，锚杆支护技术出现了。 锚杆支护是一种新的煤岩巷道支护方式。与传统的支护方式相 比， 在改善支护效果， 降低支护成本， 加快成巷速度， 减轻劳动强度， 提高巷道断面利用率，简化回采用端头区维护工艺等方面的优越性十 分突出，受到世界各主要产煤国家的普遍重视并竞相采用，被认为是 发展高产高效采煤必不可少的配套技术。美国，澳大利亚自 七十年代 发展长壁开采以来，回采巷道就一直沿用锚杆支护，所占比例接近 1 0 0 %。 英国从八十年代后期开始在回采巷道中用锚杆支护取代金属支 架支护，虽然起步较晚，目 前锚杆支护率也达到9 0 %以上。我国也把 锚杆支护作为回采巷道支护改革的主要技术途径和发展重点。锚杆支 护的技术机理及施工设备被列入国家七五，八五，九五的攻关项目。 但是直到目前，从全国范围来看，我国回采巷道锚杆支护率仅占 1 5 . 8 %，与国外先进水乎相比差距颇大。国内锚杆支护普及率低的主 要原因就是国产锚杆钻机性能不好。锚杆钻机是推行锚杆支护的关 键，它不但影响锚杆支护的效率，还关系到锚杆支护施工的安全与支 护效果。因此，国内外都非常重视锚杆钻机的开发与应用。 北京交通大学硕士学位论文 1 .2气动锚杆钻机的噪声危害 噪声污染和空气污染以及水污染一起被列为当代三大污染。 近年 来随着工业的发展，噪声的危害日 趋严重。噪声会损伤人的听力，诱 发出多种疾病，影响人们的休息和工作，降低劳动生产率，干扰语言 交谈和通讯联络，特强的噪声还会影响设备的正常运转甚至损坏建筑 结构。所以，对噪声的研究和控制是一个垦需解决的问题。 气动式锚杆钻机其特点是轻便、结构简单、易于维修。然而气动 式锚杆钻机在煤矿工作中带来了一系列环境问题，比如噪声、水汽和 油雾，对工人的身体健康产生了非常不利的影响。尤其是噪声的影响 最为严重，锚杆机的噪声高达 1 2 0 多分贝。噪声的影响是多方面的， 长年累月的在强噪声下工作，会使人的听觉失去作用，导致噪声性耳 聋。 试验证明， 经常在4 0 分贝以上的环境下工作， 会产生噪声性耳聋。 能够引起多种疾病，降低工作效率。在噪声的刺激下人们的注意力很 不容易集中，影响人们的工作效率，而且，在地下煤矿这种恶劣的环 境下，由于注意力的不集中，易引起工伤事故。所以，应采取措施降 低锚杆机的噪声。 1 . 3 空气动力性噪声的研究背景 l ig h th ill c i】 的 著 作 出 版 于 五 十 年 代 早 期 ， 提 出 了 气 动 声 的 第 一 个普遍理论。他研究了空间的一个无界区域，它的一部分包括了波动 的流体流动，并将流体运动的动力方程中的全部非线性项组合在一起 作为非齐次方程右边的声源项。因此，l i g h t h i l l 声学模拟是基于这样 的事实，即声源是精确的流体运动定律与线性化的声学近似法之间的 差异，是非线性特性发出的声。 已 经证明l i g h t h i l l 模拟 适用于 低马赫数 流动声场的 精确分 析， 但 是在较高流速下出现由于流动一声交互作用的 “ 过度噪声” 。 l i g h t h i l l 另一 个被 广 泛采纳的 研究 成果是他的 速度八次 方公 式， 气动式锚杆钻机气动马达消声器的理论与试验研究 该公式用量纲分析的方法得到: w= k p , u s a n - i 2( i 一1 ) 后来p o w e l l 等 人发 展了l i g h t h i l l 的 理论， 引 入了固 体的 效应， b l a k e 出版的me c h a n i c s o f f l o w -i n d u c e d s o u n d a n d v i b a r a t i o n 对气动 发声领域的研究进行了回顾和总结。 在 流 场 中 产 生 的 声 源1 2 7 可 分 为 三 类 : i ) 单极子声源 单极声源简称单极子源或点源， 如一个周期的小幅度的膨胀收缩 的球体脉动球，向四周空间均匀地辐射球面波，就把这个脉动球 看成一个单极声源。如果以半径为r 的球面上对平均声强求积分，可 以 得到脉动球或单极声源的声功率: w “ (1 一 2) 尸为空气密度k 为 波 矢 k 二 鱼 , f 。 为 脉 动 球 的 振 动 圆 频 率 ， (= 2 ) r f: q为单源强度是脉动球面处的空气体积流的最大值， 0 = 二 护、 ， d 为 脉动 球 直 径。 ( 2 )偶极子声源 偶极子声源是由两个相距很近、相位相反的单极声源组成。一个 沿固定轴做往复直线运动的振动球， 当其振幅远小于辐射声波波长时， 就可当作一个偶极声源。 偶极声源的声场有明显的方向性，其声强只 有在远场条件下测量才具有实际意义。偶极声源的声功率在k r l 远 场区的以声源中心为球心的球面上声功率为: tl， a c k 4 ( q 2 1 ) 2: 1 一: 、 w , 二二二 二 一 二 二 二 二 -k 一 j少 2 4 r c ( 3 )四极子声源 四极子声源有横向和纵向两种构成形式。 横向四极子声源由两个彼此平行的相距很近的偶极子声源构成。 其声场由于各单极声源之间相互干涉，其指向图呈四个花瓣状。横向 四极声源的声功率为: 北京交通大学硕士学位论文 w lt = p c k 6 q 2 1i$ 1a 2 4 8 0 i r (1 一 4) 式中q 1 ,1 , 为f 9 极声x强 度。 纵向四 极声 源是由 两 个极性相 反、 在同 一 直线上的偶极声源组成。其指向图与偶极声源相似，其声功率为: 二_p c k 6 q 2 1 12 12 2 p ， m . 一 m 4 0 z (1 一 5) 由于空气动力噪声本身的复杂性，所以一般把基本的喷注噪声作 为研究的基础，在喷注噪声中，按其噪声的产生条件和变化规律，又 被分为湍流噪声和冲击噪声。 ( 幼 湍流4声: 流体喷注的一般波动方程是: _ 。a o ( x . t ) 一 o - x v 0二 一 叫 ， 二 一 一 济 _ a f , (x , t) 十 a 2 t . a x ;截祝 ( 1 一6 ) 户一2 a一e t ,t 二 p v ,v i + 几一 % 2 x 0 .5 , ( 1 一7 ) 二 0 v, v , + ( p一 p d ; ) ( p 一 c o z p ) , j ( 1 一 8 ) ( 动量对流)( 粘滞应力)( 热传导) 在稳定喷注中， 如果没有任何固体， 则日一 6 ) 式右边第一项( 单 极 子 源) 和 第 二 项( 偶 极 子 源) 都 为 零 ， 在四 极 子 项t y 中 ， 粘 滞 应力 项 和 热 传 导 项 都 很 小 ， 只 有 第 一 项p v r p p o v iv , 可 有 效 地 辐 射 声 能 ， 因此可解为: 1 0 2 0一0 o一 一 丁x 了， 了 一 弓 - r c o o x ; -; y o 一 r l c , l d r ( y ) ( 1 一 9) 充分发展的湍流喷注分三个部分:混合区、过渡区和充分发展区， 湍流强度( 用轴向速度与喷口 速度之比表示) 的大小和速度梯度有关， 在混合区内，径向速度基本不变，直到喷注边缘附件才陡地下降，到 充分发展区，速度变化曲 线几乎不变， 湍流强度也降低了。噪声的一 些试验测量中也表明，喷注噪声大部分是由混合区和过渡区内的湍流 产生的。 气动式锚杆钻机气动马达消声器的理论与试验研究 ( 2 )冲击噪声: 对冲击噪声的研究已有四十多年的历史，当气流的驻点压力大于 临界 压 力( i s i .8 4 3 p o ) 时， 在 喷口 处由 于 压 力 的 不 连续 性而 产 生的 冲击波就互相干涉，形成一串冲击室，因而产生额外的噪声，即冲击 噪声。 冲击噪声包含两部分， 即离散频率的尖叫声和宽带高频噪声。 在 前 人 的 试 验 基 础 上 ， 得 到 一 些 冲 击 噪 声 的 经 验 规 律 3 盆 : ( i ) 在 驻压比在3 一8 之间时， 冲击噪声高于湍流噪声， 成为阻塞喷注的主要 部分; f 2 ) 冲 击 噪 声 在大 角 度时 影 响 较 大， 1 8 0 。 方向 的 冲击 噪声 最 强; ( 3 ) 抑止冲击噪声的方法多而且较为简单，一 般是在出日处加一些扰 动，破坏冲击室结构，这时候冲击噪声几乎可以被完全抑止。 1 . 4 论文研究的要点 本课题以试验为基础， 通过试验分析气动马达的噪声特点; 结合理论分析和计算， 设计改造出 不同类型的消声器: 比较各个消声器的性能; 设计出适合气动锚杆钻机气动马达的消声器. 北京交通大学硕士学位论文 第二章 气动马达噪声的理论分析和消声器的定义 及研究意义 2 . 1 齿轮式气动马达噪声的产生机理及频谱特性 气动锚杆钻机的噪声按它产生的性质可分为空气动力性噪声，机 械噪声。其中气动马达产生的噪声为主要的噪声。空气动力性噪声包 括进气和排气产生的噪声:机械噪声是由 于运动部件之间及运动部件 与固定件之间机械作用力的周期性变化而产生的噪声 气动锚杆钻机的噪声主要是气动马达的排气噪声川。 一 般定 义 为 排气系统所有部件的辐射噪声， 包括排气系统的管道和消声器外壳机 械振动辐射的噪声r以 及排气口 所辐射的噪声。 前者属子机械振动的 表面噪声，后者基本属于空气动力性噪声。而在气动锚杆钻机的排气 噪声中，主要以 排气口 辐射的空气动力性噪声为主。因此， 本章讨论 的主题是气动马达排气流动产生的空气动力性噪声，并且简单介绍目 前消声器的定义， 种类及其原理。 试验所用气动马达是齿轮式气动马达， 是锚杆支护中的动力设备， 约1 0 k w的空气压缩机释放出压缩空气，压力在o.4- 0 ,6 mp a 之间， 带动气动马达的旋转，同时气动马达排气口 排出高速气流。齿轮式气 动马达的装配图如图2 . 1 所示。 高压气体从进气口 进入， 在排气口由于高压气体的排出，对周围 空气有卷吸作用，从而在排气日附近与空气急剧混合，引起强烈的湍 流运动。同时瞬时压力和流速发生随机起伏脉动，从而以声波的形式 辐射噪声。 戆衷交逶太攀琰学链论文 第三章气动马达噪声的理论分析和消声器的定义 及研究意义 2 1 齿轮式气渤骂达嗓声的产生祝瑷授频谱特性 气动镭抒钴枫的噪声按它产生的性质可分为空气动力憔蟆声，机 械噪声。萁孛气璐马运产生懿礤声为主要的噪声。空气动力缝臻声惫 括谶气和排气产生的噪声：机械噪声是由予避动部件之间殿运动部件 与圃定件之间机械作用力的周期性变化而产生的噪声。 气袭锤抒镰缀嚣噪声主要楚气动马达静簿气曝声”1 。簸定义热 稚气蕊统所有部件的辐射嗓声，包括排气系统静管道和消声器外壳褪 械掇渤辐射的噪声，以及排气口所辐射的噪声。前者属予机械振动的 表蕊噪声。螽者蘩本属予空气幼力性噪声。蕊在气动镪杼钻机豹播气 噪声中，主要戳孛罄气盛辐鬟鹣窆气动力靛啜声为主。匿此，本章讨论 的主题是气动马达排气流动产生的空气动力性噪声，并且简单介绍巨 前消声器的定义，种类及其原理。 试验掰孺气动避这是蠢轮笈气穗马达，楚锚耪支梦孛翡动力设备， 静l o k w 的空气压缩机释放出蕊缩空气，压力在o 4 0 6 m p a 之淹， 带动气动马达的旋转，同时气渤马达排气口排出高速气流。齿轮式气 动马达翡装配墨始潮2 i 掰示。 离压气薄麸进气口送天，褒撑气盈枣予窝蓬气薅瓣游艇，薄弱蠢 空气有卷吸作用，从而在排气刚附近与空气急剧混合，日l 趟强烈的湍 流运动。同时瞬时压力和流速发生随机起伏脉动，从而以声波的形式 箍射噪声。 t 革。 气动式锚拇链楹气动马达淤声器豹理论与试验器究 盟 巨2 砉轮式气旗骂达装醚躞 图中1 一主动轮，2 、4 ，8 、7 一轴承，3 从动轮，5 一马达壳体，6 、9 轴承底 窿 在个标准大气蔗下，空气骶缩祝的最大辩蛩是3 6 m 3 l m i n ，气动 马达的两个排气e l 瓴径分别为1 4 5 r a m 和1 9 5 m m ，计算出气动马达 费 气默躺沆速毙： 3 6 ，6 0 v = ；w ”w - ”。”“。“。一 要4x ( 1 4 5 2 + 1 9 5 2 1 1 0 6 嚣照在气凌马达豹辩气弱鹫残蠢遥气滚，产生璞瓣鞣声。 ( 1 ) 喷射嗓声h 姻产生杌理 喷射噪声是从管口喷射出来的高速气流与周围静止空气激烈混合 时产生的，最楚单的爨虫喷射是由一个高压容嚣内通过一麟澎喷嘴排 敬气体妊图2 2 骶示； 一8 黛怠 托衷交通夫学嫉学位釜文 湍流漏台遴 蛰2 , 2 嵝嚣臻事瓣漉赞 管岛喷辩礴的高速气流，由于内部静篷憾予震圈静止气体静压 强，所以在高速气流周围产生强烈的引射现缘，沿气流喷射方向的一 定鞭离内丈量气体被喷射气漉毖啜进去，从掰喷射气流体积越来越大， 速度遥海簿糕；照在凌酲澍遥，仍爨持藿钵积逶澎壤小於一股毫速气 流，其速度仍保持喷i u 直径的s 倍。在势核阁围，高速气流与被吸进 的气体剧烈混合，这是一段湍化程度极高的定向气流。这段区域内由 势挟到潼合适器麴遮凄撵囊太，气流之瓣存在着菱杂多变嚣应力，瀑 流强度高，气流肉各处的压强和流速迅速变化，从雨辐射出较强的嗓 声。 在麓究喷射娱声的波动方程之兹，先介绍下流体钓波动方程。 在流体夯蘑孛瘟瀵足质量连续牲方程，帮 詈十警刈脚) ( 2 - 2 ) 式中p 浚髂奔攫翡密度； p 介质质点在f 方向上的分速度，f = l ，2 ，3 ，裙应予空阔坐标酶 三个方向。 塑：曼十塑盟丝咝( 2 。3 ) 勰!鑫x xa x z丞x 3 望! 融表示在空侧x 的位置上，单位体积魄位时间质量的增量；9 为 1 气动式镪抟链挺气动马达谤声嚣麓理论与试验霹究 质量的产生率；p - v ，a 均楚空间位置和时间的函数。 流体同时要满足燃动方程： 掣蚩；告驴张) 4 上式为牛顿第二定律在流体运动中的应用。式中，t 表示广义应力张 量。 巧= p v , v _ ，+ ( 岛一。屯+ ( 产一矿妒确 ( 2 5 ) 3 式中舻t o = 以弋转移动燃： 、j t l ( 岛一溉) 辩滞鏖力强量； ( p - c 2 p ) 矗热传导引起的_ 陂力变量。 黾= 芸 i 、，= l 、2 、3 将式( 2 - 3 ) 对t 避行微分得到； 黧+ 立塑；箜2 - 6 魏二 o t c 3 x , o t 将式( 2 5 ) 对x 进行微分得剿： 娶掣 - c 2 黧：墼翼+ 娶 ( 2 7 ) 强畚 蠢磁褪j 馘： 以上两公式等号两端相减，则错： 馨c 2 皂；罂+ 三旦一霉( 2 8 f 奄x 氇c 3 x j x 上式霹为流体奔演中酶渡, o x 动方程，渡瑟方稷瞧霹戮写戚如下形式： 孥黧一挈堕盟十盟：o ( 2 9 ) a 二o x 2 赫,o x , a x o x , 在稳定蕊塞国喷耪滚孛，气铬脖滚毒邃攀建不交藩，媳累存在嚣 体与气流作用产，主的力。叉因为在亚声速与踌声速的喷射气流中稿 滞应力与热传导的慰响可以忽略不计，所以波动方程式( 2 9 ) 可以写 北京交通大学磺士学位论文 u + “ 式中p v v ，表示转移动量，为9 项的和； p v 为f 方向的劭量： v ，是沿，方囱戆气滚速凄。 由上式看出，稳态喷射流中唯一的噪声源来自子转移动量的梯度张量。 为了清楚说明该项的物理意义，用坐标( x 、y 、z ) 代替置，用喷射 方囱( x 方囱) 夔气浚速度i 、；、；我蛰弘。；、；、茹分囊表示 沿x 、y 、z 轴向的较小气流速度分量。 鼹然，各项中一定含有嬲项，由于喷射气流中垂囊于射流方向 穆 的平面内存在着遮度梯度，所以娑项被芸放大。喷射噪声源主要产 麟 o y 生予在高速度剪切层肉。在图2 3 中，液体体无从a 点流向b 点，由 于从a 到b 的兰o ，所以体元在这段处于减速状态，从黼辐射喷射 砂 噪声。由此可知，喷射噪声主鼷取喷射流速艘场，并且只有存在高速 疫剪切层帮强漫纯送方藐产生喷瓣噪声。凰2 + 3 瑟示曳诗嚣瑟褥匏翡 线，计算点选在喷射下游出距喷口不同位惹，计算湍化强度和由剪切 层辐射的噪声频谱、相对强度。由图可见，农距离喷口4 5 倍喷口直 径处，喷射噪声墩强。这说明程接近势核恳部区域的剪切朦内，气体 的漓他褥至充分撬离，气流内各自应力的急裂变亿使气流内介质俸元 的运动状态、密度、压力发生复杂的变化，阂而辐射较强的噪声。而 在离喷口较近的地方，由于剪切层内气流尚米充分混合，因而湍化强 痊不麓。喽妻季噪声氇较糕。在遮褰凑日豹蟪方，襄疰l 予在挟良乡 漏 多i i 茎锚杆钻机气动马达消声器的理论与试验研究 击 压 级 ，、 n 频率h z 幽2 3 图中1 、3 、5 、7 分别表示以喷口直径表示的到喷口的下游距离 流得到充分发展，体积增大、强度减弱，剪切层速度梯度大大减小， 使得射流噪声又逐渐降低。所以，在距喷口为喷口直径6 倍的区域内设 法降低噪声，对控制射流噪声具有重要意义。 喷射噪声具有四极子声源的辐射特性，从理论分析和试验得知， 射流速度在亚声速至声速的范围内，喷射噪声的声功率为： ：k s p y 3 ：足m 5 s p y 3 ( 2 11 ) 2 c 。2 式中s 喷口截面积； p 介质密度； v 表示喷射流出口速度； c 介质中的声速； m 马赫数，m = 二； 兰生喷射的机械功率。 2 喷射噪声的辐射效率为： 驴篇豢= 刚5 北京交通大学磺士学位论文 式中k 在一定状态下的比例常数，与喷射气流和周围静止气体的 密度及热力学温度有关。 骥麓噪声是宽豢噪声在囊巍喷射流斡远场送，喷射嗓声戆频谱匿 象为中闻高两边逐渐降低的馒头形，频率峰德可由下式决定： f - 詈 ( 2 - 1 3 ) 式中蘩簸越埝象鼗，可取凳0 2 ； v 一喷嘴口处喷射流速度( m s ) ； d 喷嘴直径( r n ) 。 7 。 倍壤带中心频率与蜂整频率之毙 图2 4 射流噪声倍频程声压缀频谱 试验中所用马达的两个出气口直径分别为1 4 5 m m ，1 9 5 m m ，流 速大约为1 2 9 r r l s ，由式( 2 1 3 ) 计算得在马达自由喷射流驰远场区的 频率婚篷分嗣为 ：廖羔：0 2 塑_ ；1 7 8 0 ( h z ) d1 4 5 l o ，：露羔：0 2 。! i ! ；。1 3 2 3 ( h z ) 。 d1 9 5 1 0 1 在压力0 ，6 m p a ，最大流麓下，测得气动马达在没有安装消声器 * 1 3 - 气韵式锚抒钻机气幼马达消声嚣的理论与试验研究 的噪声如图2 5 所示 由气动马达的频谱分析可以看出，噪声频谱很宽，频率峰值大约 为1 8 0 0 z 。 气动马达不安装消声器时的娣声 圈2 5 气动马达的噪声频谱 2 2 消声器的结构、原理与分类 潜声器“。楚一耱繇可隧傻气流颓秘逶过又能毫效圭| 羹降低噪声的 一种设备。目前消声器的种类日趋繁多，搬据其消声原理的不同，大 致可以分为阻性、抗性、多孔扩散消声器、微穿孔板消声器和阻抗复 合式瀵声器。 2 2 1 消声器的分类 ( 】) 隘性消声嚣 阻性消声器是种吸收烈消声器。它戆利用声波在多孔而且串通 j 京交通大学磺士学位论文 的吸收材料中，因摩擦和粘滞阻力，将声能转化为热能消耗掉，从而 达到消声的目的。阻陛消声器结构简单，充分利用对中、隋频吸声特 性较好的吸声材料，其有疑好秘中、高频瀵声效果，所叛这秘溃声嚣 被广泛应用。阻苣羹消声器的声学衰减量可嗣下式近似计算： p a = k 二_ s 其中袋表示消声系数：p 表示游声嚣积；s 袭示管道横截覆。霉凳的 阻性消声器有以下几种： o 一固 a 1b )c ) 圈2 6 阻性消声器 图中a ) 圆管b ) 方管c ) 矩形管d ) 管式消声器的剖面图( 长度方向) ( 2 ) 抗式消声器 挠往漓声器羔三囊是翻用声靛瓣大，l 、来潼声。它不使爱彀声毒孝辩， 而是利用管道截面的突变或旁横共振腔使系统的阻抗失配，产生声波 的反射、干涉现象从而降低由消声器向外辐射的声能，达到消声的目 气动式镶轷链鞔气动马达消声器的理论与试验硪究 的。抗性消声器的选择性较强，适用于窄带噪声和低、中频噪声的控 制。常用的有扩张式消声器和戴振腔消声器两大类。 下蘧以最箍荤黥蕊往渚声器单节扩张式瀵声器为捌，麓单阐 明抗住消声器的主瑟特性。如圈2 7 所示： l 。：- i 图2 7 单扩张室消声器 荤节扩张室漕声器懿湾声量诗黧公式受： 广111 三月；l o l g 1 + ( 州一土) 2s i n2 肼f ( 2 1 5 ) l 斗m j 式中m 扩张魄，掰= 口的声功率级。 传递损失不仅反映消声器本身的传递特性， l x ; 1 l w , 为 入口 和出 而不受管道系统及消 北京交通大学硕士学位论文 声器出口 端尾管的影响，即与声源、消声器出口 端阻抗无关。因此传 递损失和插入损失在数值上略有差异。值得指出的是，在噪声控制中 通常用a声级来评价噪声， 由于消声器的传递损失一般与声波频率密 切相关，因此入射声与透射声a声级之差是与噪声源频谱有关， 并不 是消声器单独具有的属性。一般不直接测量声功率级，而是通过声压 级的测量，然后再计算出传递损失。 ( 2 )消声器的空气动力性能 消声器的气体动力性能也是评价消声器优劣的一个重要指标。安 装消声器后增加的气流阻力要尽可能低，并应保证不能明显的影x 1研肖 声器的消声性能。气体动力性能通常用压力损失或阻力系数来衡量。 压力损失是由于消声器内壁和气流摩擦、 管道弯头、 穿孔板及管 道截面突变所致。一般消声器的压力损失用进出口端与出口端气流的 全压之差来表示。如果进口 端与出口端截面面积相同，并且可以近似 假定流速沿截面分布的流场相同，那么压力损失也就是进口端与出口 端气流的静压之差。即: a p二p , 一 几 (2一18 ) 由 于消声器的压力损失大小，既同消声器的结构形式有关，也同通过 消声器的气流速度有关，因此在用压力损失值表征消声器的空气动力 性能时，必须同时表明通过消声器的气流速度。 消声器的阻力系数为通过消声器前后的压力损失与气流动压之 比值，即: (2一19) 廿 南 n， 八p v - 其中尸= 1 0 - 2 g 式中a p 压力损失值 ( p a ) ; p , 动压值 ( p a ) ; p 空 气密 度( k g / m ) ; v消声器内的平均气流速度 ( m t s 7 : 气动式锚杆钻机气动马达消声器的理论与试验研究 9 重 力 加 速 度 ( m / s 2 ) ; 阻力系数能比较全面地反映消声器的空气动力特性。根据阻力系数就 可以方便的求得不同流速条件下的压力损失值。 ( 3 )消声器的机械性能 消声器要求体积小、重量轻、结构简单、加工方便、造型美观、 便于维修、造价便宜、经久耐用等特点。 以上三个方面的要求是相互联系，相互制约的，根据具体情况可 以有所侧重但不能偏废。而且设计消声器时，必须考虑噪声法规的限 制以及用户可以接受的能量损失百分比，这就要求设计者在分析主要 噪声源的基础上， 确定可行的噪声降低指标， 并选择适当的控制措施。 2 .3气动消声器的研究现状 目前国内外对空气动力噪声和消声器的研究主要采取试验的手 段，理论研究相对不够完善。在气动系统降噪和消声器的试验研究方 面 ， 中 野 政 身【 s l ， 长 尾 光 雄l s l 等 人 对 空 气 压 系 统 和 流 体 机 械 中 的 噪 声 特 性 及 其 消 减 方 法 进 行 了 概 述 。 戴 根 华 10 l 等 人 研 究 了 直 径 膨 胀 管 的消声特性，得到了一些经验公式和有用的规律，如消声器有压力选 择 范 围 和 膨 胀 比 选 择 性 等 : 同 样 ， s h a k a w a y l l 等 人 也 研 究 了 抗 性 消 声器尾管发射对消声性能的影响。诸如此类的汽车尾管排气，锅炉放 空，飞行器等系统的大型消声器的研究非常多， 但对气动技术系统领 域的专业用小型消声器的研究却非常少见。目 前世界上各气动专业厂 商为追求高性能消声，基本上都采用多孔阻性消声器。是指外壳除对 阻性材料进行定型和机械强度上要求外，气流从多孔材料出流后，再 从消声器外外壳上的小孔喷射出去，与外壳周围静止空气相互作用。 消声器的外壳上的孔型和孔径对消声器性能有重要影响。关于多孔板 取代单孔可提高消声效果， 在很早就为人们所认识， 如1 9 7 7 年马大酞 ( 2 等 人 关 于 小 孔 喷 注 噪 声 和 小 孔 消 声 器 的 研 究 就 概 括 了 小 孔 喷 注 的 一些特性，中野政身等人研究了多孔板孔型，孔分布，孔间距等对降 噪的影响，这些研究工作对消声器的外壳设计有一定的借鉴和参考作 北京交通大学硕士学位论文 用1 19 1 14 1 ( 15 1 。 各 气 动 专 业 厂 商 的 消 声 器 的 外 壳 大 多 是 方 孔 和 长 条 孔 型，这种孔型的出流，使液体易发生剪断，同时由 于其锐边缘附近易 形成涡，增大了湍流度，使噪声升高;外壳的开孔率较低，若开孔率 能加大，可以使现有的消声器小型化;另一方面外壳同消声材料之间 是间隙配合，流体同外壳之间有可能产生附加噪声。那么怎样设计出 比较理想的多孔消声器仍然是一个巫待解决的问题。 2 . 4 小结 在本章中， 我们论述了齿轮式气动马达的产生噪声的机理， 并计算 出气动马达产生的噪声为喷射噪声， 并分析了该喷射噪声的频谱特性， 马达的排气噪声具有宽频带的特性，且主要在高频段;介绍了目 前消 声器的分类及其评价指标:论述了目 前气动消声器的发展状况，设计 出较为理想的多孔扩散消声器仍是一个急需解决的问题。 气动式锚杆钻机气动马达消声器的理论与试验研究 第三章 气动马达消声器的理论研究 3 . 1 多孔扩散型消声器的理论分析 3 . 1 . 1多t l 扩散消声的原理 多孔材料的气流系统如图3 . 1 所示 一 -一一 鑫 牛 气流 图3 . 1 通过多孔材料的气流系统 多 孔 材 料 16 1 ( 1 7 1 1 18 1 在 表 面1 和2 之 间 ， 厚l , 截 面 积s , 气 流 通 道 总面积是常数， 等于a， 材料的流阻率为r( 各个量都用公制) 二设气 体的驻压p s ( 到达喷口以前的有效气室压力， 绝对压力) ， 在材料入 口 面1 上的值为p f ，在出口 面2 上的值为p s2 得到的气流方程为: : 不丁。 。1 . : 一 1: 、 揣， ， _， 、 2 。 = j = .p , = j， 一 二 二 - ( 1+: es es 二 m， ) 粼一 1)( 3 一 1 ) 丫 2 y il l , 2 式中m= u l c 是气流马赫数，u 是气流速度，。 是声速:y 是比 热比; 北京交通大学硕士学位论文 j 二 p 。 一 r p m = y 型 丝 = c o n s t ， p 是 流 压 ， 限密 度 c u ， . 。、 子 、2 . -_ _ _ _。_ _ u , 刀+4 tn y r za= u . - ( -) z c q = v . y 1 s c o ，几a t a,c 户迷 y十i 在空气出流时，y 二1 .4 ( 1 )在出流阻塞的情况下，驻压与流量的近似式为: 只 苏 鱼 丝 旦 (i + 1 .4 x 1 * ) 十 一 a 1 十 里上一 一 2 0 s r 6 . 2 x 1 0 - r (3一 2) 式中q为总 流量 ( 2 )当马赫数m小于0 . 1 时，多孔材料的出流特性可表示为: 。_ ， 、 ， y 一 i ， ， 2 、 工r 飞= t 1 宁 j 以 ， ) 2 y a凡 + r u e ) ( 3一 3) 式中p 2 为材料出口压力。 扩散消声器的噪声能量由两部分组成:一部分是由大量小孔喷注 所发的噪声:另一部分是小孔喷注汇合成为面积较大速度较低的扩散 产生的噪声。 多孔材料的作用可以 看作是把气流分作大量细小的喷注，经过一 段距离后，所有小喷注汇合成速度较低的一个大喷注，这就是扩散的 过程。 气流流经多孔材料后， 驻点压力降为p s2 ， 气流通路的总面积为 材料总面积为s ，令通路面积比a / s =口。多孔材料出流与直接通 过喷口 ( 面积为a)的出流相比，噪声降低除了是由于材料引起的驻 压降低的作用外， 还由 于形成了大量的小孔喷注并随后又扩散为面积 s的低速喷注。 气 流在 驻 点 压力p 二 作 用 下，自 面 积为a的 喷口 流出 时， 在4 0 0 方向、距离喷口1 米处产生声压级为 l= 8 0 + 2 0 1 o g ( 只 : 一 p 0 ) 2 ( 只 : 一 0 . 5 几) p o + 2 0 l o g d，d b = 7 5 + 8 0 lo g 二+ 2 0 l o g d ， d b哑声 速 喷 注 适 用 )( 3 一4 ) 上两式中d是面积a作为圆时的直径， u 是出流速度， u 是临界速度 气动式锚杆钻机气动马达消声器的理论与试验研究 p 。 是环境压力。压力和速度单位用公制，d用毫米表示。 气流分散为大量小喷注，以后又汇合成大面积的低速喷注所产生 的噪声有两部分，一部分是小喷注的总噪声，这部分噪声能量的主要 频率在超声频，对人的干扰部分只是它的a声级: r 2_ ，x 、 l i , = l + l u l o g 一l o a n - x 一 下 份z 1 l 兀l +x ( 3一 5) 而小孔作用引 起的噪声降 低峪 为 ， 八 ，f 2_ .x , 1 凸 与 =l一 刁=一 1 u l o g 一 c a n x一 i川 l 汀1 +x ( 3一 6) 式中，x =0 . 1 6 5 d , d 是每个小孔的直径 ( m m) 另一部分噪声是大量小喷注汇合成为大喷注所产生的。 扩散后的噪 声可分为三种情况计算。 ( 1 ) 高压下，气流在总面积a和扩散面积 s 处阻塞 以p , u , p 表示s 面上的密度、 流速、 气流由 面积a扩散到面 积 s时，有质量守恒方程及能量守恒方程 p , u , a= p u s +( 3一 7) 二 。 、 厂 、 丫 2 p 1 1、 。 ，y + l u , )2一l 几 。 / v i “ . “ .7 一l ( 3一 8) 此时 ，峡 = 1 ， u / u , = u z / u , = 1 。 代 入 可 得 尸 = p z v ， 因 此 p = p z a 驻点压力按扩散面积比降低，出口的声压级是: 。 。， 八 ， (p o- 一 p o i， n ， 八 . 。 l = 8 0 + 2 0 1 o g 共井=- 资扮一 l 0 l o g o r + 2 0 l o g d， 一 ( 只 : 一 。 . 5 p , ) 式中d是面积a作为圆时的直径。 c 2 ) 中压，a处阻塞，5 处不阻塞 这时mz =1 , u / u . = 1 ， 但u / u . i , p = p o ( 3 一8 ) 式成为 ( 3一 9) 北京交通大学硕士学位论文 2 2、 去 十吮 一 万l 甲 ， 下 ， 2一1 y一土 p a l u _ 7 旦 只 : cu . y 一 1