（车辆工程专业论文）zl50g轮式装载机噪声控制.pdf

摘要 z l 5 0 g 轮式装载机噪声控制 研究生：蔺宏伟导师：张建润 摘要 本文结合徐工研究院结构实验室建设技术支持项目( 项目编号：7 7 0 2 0 0 9 0 0 4 ) ，以徐工 z l s o g 轮式装载机作为研究对象，在对其进行噪声源识别的基础上，提出和实施一些有效 的减振、降噪措施，改善装载机的振动和噪声状况。本课题研究的主要工作有以下几个方面： 1 按照国家标准应用积分声级计对z i 5 0 g 轮式装载机的噪声现状进行了测试评价，采 用声强测试技术对z l 5 0 g 轮式装载机进行了噪声测量，得出了其声场分布规律，同时对装 载机的振动和噪声进行了相关性测试与分析，确定了装载机的主要噪声源，从而为实施有效 的降噪减振措施做准备。 2 针对装载机发动机机罩和冷却风扇导流罩的振动引起的声辐射，进行了自由阻尼处 理和吸声设计。 3 风机导风罩内产生的紊流空气动力噪声是装载机的主要噪声源，论文建立了导风罩 的三维实体模型，并对其进行了模态分析避免导风罩壳结构在气流场的激励下产生共振。对 导风罩内流场进行了仿真分析，提出了点声源等效原理建立了风机导风罩的声辐射模型，定 量分析了导流罩紊流声场声功率及声场任意一点的声压值，分析了三种改进设计的导风罩， 通过综合评价选择最优设计。 4 发动机的振动是导致车架振动产生低频噪声的原因，论文建立了隔振系统简化的三 维有限元模型，运用a n s y s 的优化模块，对隔振垫三个方向的刚度进行了优化设计，最大 限度地减少了发动机对车架的激励。 关键词：轮式装载机；噪声；振动；声强测试；流场分析：优化设计 n o i s ec o n t r o lo fz l 5 0 gw h e e ll o a d e r a b s t r a c t s u p p o r t e db yt h ep r o j e c to fo fx c m gr e s e a r c hi n s t i t u t e ( ：7 7 0 2 0 0 9 0 0 4 ) ，t h i st h e s i si s f o c u s e do nt h ez l 5 0 gw h e e ll o a d e ro fx c m gb a s e do nt h es o u n dn o i s ei d e n t i f i c a t i o n s u g g e s t i o n sw e r ep u tf o r w a r dt or e d u c et h en o i s ea n dv i b r a t i o no ft h el o a d e r n ew o r kh a sm a i n l y b e e nc o n d u c t e da sf o l l o w i n ga s p e c t s ： 1 a c c o r d i n gt ot h en a t i o n a ls t a n d a r d ，t h en o i s es i t u a t i o no fz l 5 0 gw h e e ll o a d e rw a s t e s t e da n de v a l u a t e dw i t ht h et o o lo fi n t e g r a t i n gs o u n dl e v e lm e t e r sf r o mt h ev i e wo f a c o u s t i c s a l s ot h es o u n di n t e n s i t yt e c h n i q u ei sa p p l i e dt oi d e n t i f yt h en o i s es o u r c eo f t h ew h e e ll o a d e r ，t h ea c o u s t i cd i s t r i b u t i o na n dt h ee x a c tl o c a t i o n so fn o i s es o u r c e s w e r eo b t a i n e d l a yo nt h ee f f e c t i v em e a s u r e st a k e ni nt h er e d u c t i o no fn o i s ea n d v i b r a t i o no ft h ez l 5 0 gw h e e ll o a d e l 2 t or e d u c et h ea c o u s t i cr a d i a t i o nf r o mt h ev i b r a t i o no ft h ee n g i n ec o v e ra n dc o o l i n g f a nd o m e ，t h ef r e ed a m p i n gt r e a t m e n ta n ds o u n da b s o r p t i o nd e s i g na r er e a c h e d 3 t h et u r b u l e n c en o i s ei n s i d et h ef a nd o m e ，a so n eo ft h em a i ns o u n ds o u r c e so ft h e z l 5 0 gw h e e ll o a d e r , t h r e e - d i m e n s i o n a ls o l i dm o d e lo ft h ed o m ei sb u i l t a n dt oa v o i d r e s o n a n c e ，m o d a la n a l y s i si sp r e c e d e da tt h ee x c i t a t i o no fa i r f l o wf i e l d f u r t h e rm o r e t h ee q u i v a l e n tm o d e lo fp o i n ts o u n ds o u r c ei se s t a b l i s h e d s ot h a tq u a n t i t a t i v ea n a l y s i s o fs o u n dp o w e ro ft h et u r b u l e n tf l o wf i e l da n da c o u s t i cp r e s s u r ev a l u e so fa n yp o i n t a r eo b t a i n e d ，a f t e rs i m u l a t i o na n a l y s i so ft h ef l o wf i e l di n s i d et h ef a nd o m e t h eb e s t d e s i g ni sc h o s e na f t e rc o m p r e h e n s i v ec o n s i d e r a t i o no ft h et h r e ei m p r o v e dm o d e l s 4 田忙v i b r a t i o no ft h ee n g i n el e a d st ol o wf r e q u e n c yn o i s et h r o u g hf r a m e a d v a n c e d m o d u l u si na n s y sh a sb e e nu s e dt or e a c ht h es t i f f n e s so p t i r n i z a t i o n ，n o to n l y r e d u c i n gt h ef o r c et r a n s m i s s i b i l i t yf r o me n g i n et of r a m e ，b u ta l s oi m p r o v i n gt h en o i s e c o n d i t i o no ft h ew h e e ll o a d e r k e yw o r d s ：w h e e ll o a d e r ；n o i s e ；v i b r a t i o n ；s o u n di n t e n s i t yt e s t ；f l o wf i e l da n a l y s i s ； o p t i m i z a t i o nd e s i g n i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所 知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：趔嘲捌立圣 东南大学学位论文使用授权声明 东南人学、中国科学技术信息研究所、国家图f 5 馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相 一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被贪阅和借阅，可以公布( 包括以电子信息，眵式埘登) 论文的全部内容或中、英文摘要等部分内容。论文的公布( 包括以电子信息形式刊登) 授权东南大 学研究生院办理。 研究生签名：1 擗师签名：蛳期：2 竺! ! ：圣：- 第1 章绪论 1 1 研究背景和课题来源 第1 章绪论 装载机是一种用途十分广泛的工程机械，它既可以用于散装物料的铲装、短途搬运、卸 载、平整，也可对岩石、硬土等进行轻度的铲掘工作，如果更换工作装置，还可以进行推土、 除雪、吊装、圆木( 管类) 的夹抓等工程作业。因此被广泛应用于建筑、公路、铁路等建设 施工中。 随着我国经济的发展，国家对基础设施建设的投资不断扩大，工程机械凭借其高效性， 越来越多地被应用于各种工程机械项目和生产过程中，至今已成为人们经济建设不可或缺的 工具。而装载机作为工程机械行列的主力军之一，其高效的铲运和装载性能备受人们的青睐。 正如大家所知道的，包括装载机在内的工程机械在行走和工作过程中会发出较高的噪声。随 着现代工业和建设事业的发展，我国城市噪声在逐年提高，据统计，近十年来增加了1 0 d b ( a ) 。工程机械是城市建设和道路施工的主要设备，已成为城市噪声的主要来源之一。这 些噪声污染环境，干扰了工作现场附近人们的生活、学习和工作。而驾驶员更是最直接的受 害者；装载机发出的噪声每时每刻都危害着他们的身心健康，引起各种疾病，严重的会造成 他们永久性的听力损失乃至耳聋。 噪声水平是工程机械的评价指标之一。高噪声不仅带来上述危害，而且也直接影响产品 本身质量和使用效果，增加能耗，缩短产品的使用寿命。噪声的控制，不仅关系到乘坐舒适 性，而且还关系到环境保护。一切噪声又源于振动，振动能够引起某些部件的早期疲劳损坏， 从而降低工程机械的使用寿命；过高的噪声既能损害驾驶员的听力，还会使驾驶员迅速疲劳， 从而对工程机械行驶作业安全性构成了极大的威胁。噪声控制也关系到工程机械产品的工作 的平顺性、耐久性和安全性。 早在1 9 8 3 年，一部分国产装载机因噪声过高，北京市公安局不发给使用牌照，购买单 位纷纷要求退货，使工程机械生产企业受到了一次强烈的冲击。进入2 1 世纪后，人类为了 实现可持续发展，提出了工程机械的环保技术和信息技术，使工程机械发展进入了新的发展 阶段。欧美和日本市场对工程机械产品的噪声实施了更加严格的要求。因此工程机械的环保 技术和信息技术是今后国际工程发展趋势的主流。 高噪声产品不仅污染环境，危害人体健康，对企业而言，最关键的是影响到销售竞争能 力。随着全球经济一体化的加快，特别是随着中国加入w t o 以后，我国的装载机企业要想 走出国门，进一步开拓并占领国际市场，将机器卖到欧盟国家，需向一家第三方独立测试机 构提交所售机器的噪声数据，并从该机构获得销售证书。该第三方机构必须是机器购买国承 认的有资格进行产品测试的机构。欧、美等发达国家对工程机械噪声限制较严，因此，高噪 声产品不能出口到欧、美等发达国家。因此我国的装载机企业要想走出国门，进一步开拓并 占领国际市场，必需进行环保、节能、操作舒适性等技术的研究f 1 1 。 产生装载机噪声的主要因素是空气动力、机械传动、液压三部分。从结构上可分为发动 机( 即燃烧噪声、排气噪声、冷却风扇噪声、发电机噪声) ，发动机本体噪声( 如发动机振 动，配气轴的转动，进、排气门开关等引起的噪声) 。传动系噪声、底盘各部件的连接配合 引起的噪声，车身噪声( 发动机引起车身结构的振动，附件的安装不合理引起的噪声) ，液 压噪声( 齿轮泵，液压阀及管路振动引起的噪卢) ，制动系统排气噪声，工作装置动作冲击 噪声。其中发动机及其相关部件产生的噪声占二分之一以上。因此发动机的减振、降噪成为 工程机械噪声控制的关键之一。 根据噪声产生和传播的机理，可以把噪声控制技术分为以下三类：一是对噪声源的控制， 二是对噪卢传播途径的控制，三是对噪声接受者的保护。其中对噪卢源的控制是最根本、最 东南大学硕士学位论文 直接的措施，包括降低噪声的激振力及降低发动机部位对激振力的响应等，即改造振源和声 源。当对噪声源难以进行控制时，就需要在噪声的传播途径中采取措施，例如吸声、隔声、 消声、减振及隔振等措施。工程机械产品的减振降噪水平与整车的热平衡性、动力性、经济 性、可靠性及强度、刚度、质量、制造成本密切相关。 综合考虑多种降噪减振方法，并将其结合在一起使用，提高装载机的环保性能，是未来 装载机发展的方向和必然趋势，本课题就是致力于此领域的研究和探索。 课题来源于徐工研究院结构试验室建设技术支持和装载机噪声控制。项目编号： 7 7 0 2 0 0 9 0 0 4 。 1 2 研究的目的与意义 国内装载机产品为开拓国际市场，扩大品牌的知名度和影响力，今后的发展趋势应当有 两个方面：一是配合国际化战略，以国际先进产品标准为指导，提升产品技术水平；另一方 面是进行节能、环保、操作舒适性等技术的研究。 2 0 0 6 年8 月3 1 日，国务院关于加强节能工作的决定正式发布，决定对加快机械 工业产业结构调整将有很强的指导作用。有关专家分析说，决定对我国机械工业发展提 出了更高层次的要求，低技术机械制造将进一步受到控制，相关项目的立项审查也将更加严 格。而另一方面，具有节能、环保技术的机械产品将被快速推向市场。作为国内工程机械行 业，从生产到最终形成销售，节能和环保技术的应用还没有引起足够的重视，国外一些先进 的工程机械厂商却早就注意到了这一点。2 0 0 6 年初，环保型机械产品的呼声已经开始广泛 响起。 随着工程机械行业的迅速发展，人们对于工程机械的舒适性和振动噪声控制的要求越来 越严格。据国外有关资料表明，车辆噪声，尤其是工程机械噪声，严重地污染着城市环境， 影响着人们的生活、工作和健康。所以噪声的控制。不仅关系到乘坐舒适性，而且还关系到 环境保护。一切噪声又源于振动，振动能够引起某些部件的早期疲劳损坏，降低机器的使用 寿命；过高的噪声既能损害驾驶员的听力，还会使驾驶员迅速疲劳，从而对汽车行驶安全性 构成了极大的威胁。所以振动和噪声控制，也关系到工程机械产品的工作的平顺性、耐久性 和安全性。振动、噪声和舒适性这三者是密切相关的，既要减小振动，降低噪声，又要提高 乘坐舒适性，保证产品的经济性，使工程机械产品的噪声控制在标准范围之内。 进入2 l 世纪后，人类为了实现可持续发展，提出了工程机械的环保技术和信息技术， 使工程机械发展进入了新的发展阶段。欧美和日本市场对工程机械产品的噪声实施了更加严 格的要求。因此工程机械的环保技术和信息技术是今后国际工程机械发展趋势的主流。为配 合国际化战略，以国际先进产品标准为指导，提升产品技术水平，尤其为进一步开拓国际市 场，国内各大工程机械生产企业都开始进行节能、环保、操作舒适性等技术的研究【引。 由于轮式装载机功能和使用场合的特殊性，装载机噪声控制水平和实际工程应用相对汽 车行业滞后，在机外辐射噪声声源识别、振动和噪声控制措施的有效性和实用性方面，都还 很薄弱，这方面的理论探讨和实际应用研究都有很大空间。因此，加快国产工程机械的振动 噪声控制技术研究具有重要意义。在国产装载机产品上采用和推广振动噪声控制技术，经济 效益和社会效益会非常可观。 1 3 轮式装载机振动和噪声问题及国内外研究现状 1 3 1 轮式装载机振动和噪声问题 随着工程机械行业的迅速发展，人们对于1 = 程机械的舒适性和振动噪卢控制的要求越来 越严格。在对各类车辆品质的评价中，除了动力性、经济性和排放之外，噪声已经列为另一 个重要的性能指标。 2 第1 章绪论 噪声、振动和舒适性，是衡量汽车制造质量的一个综合性问题，它给用户的感受是最直 接和最表面的。噪声、振动与舒适性的英文缩写为n v h ( n o i s e 、v i b r a t i o n 、h a r s h n e s s ) ， 统称为车辆的n v h 问题，它是国际各大整车制造企业和零部件企业关注的问题之一。有统 计资料显示，整车约有1 3 的故障问题是和车辆的n v h 问题有关系，而各大公司有近2 0 的研发费用消耗在解决车辆的n v h 问题上。 与以前相比，振动与噪声问题在车辆工程技术研究领域中的地位己经大大提高了，汽车 n v h 特性研究已不仅仅局限于振动与噪声的范畴，还包括汽车零部件设计以及强度和可靠 性分析等内容：汽车n v h 特性研究应用于汽车产品的设计过程中，基本上是与整个开发过 程同步进行的，在分析中发现的问题可以在开发过程中及时得到修改，而不必等到生产出样 车之后，从而节省了大量的时间和资金。 汽车n v h 特性研究在国外汽车工程界受到广泛的重视，各大汽车公司( 如福特，克莱 斯勒，菲亚特等) 都成立了专门的n v h 研究机构。国内各汽车厂家也纷纷与各高等院校合 作，借助高校的资源，进行n v h 试验研究。据国外有关资料表明，汽车噪声，尤其是工程 机械车辆噪声，严重地污染着城市环境，影响着人们的生活、工作和健康。所以噪声的控制， 不仅关系到乘坐舒适性，而且还关系到环境保护1 3 j 。 现在国内装载机产品振动和噪声的问题普遍存在。成为了个装载机生产厂家必须面对和 设法解决的现实问题，也是各高校和科研机构所面对的课题。振动与噪声分析控制作为一个 系统工程，工程机械行业技术研究投入相对低，不论在发动机技术，还是传动、液压部件等 各方面，还是振动、噪声方面指标与国际先进水平还有一定的差距。 1 3 2 轮式装载机噪声控制国内外的研究现状 噪声污染是当今社会的三大公害之一。无论是发展中国家还是发达国家，噪声对人们 的生活、学习和工作都产生了巨大的负面影响。国外工业发达国家对汽车噪声所带来的这种 负面影响引起了高度的重视，如欧盟、日本、美国等国家从7 0 年代起每5 年左右就修订一 次相关法规和标准，使得车辆噪声得到了有效的控制。相比之下，我国的车辆噪声污染更显 突出，由于我国制造业的科研实力和技术水平以及执法力度等客观因素的限制，我国车辆的 实际噪声与发达国家还存在较大的差距。相对汽车行业来说，我国工程机械产品机外辐射噪 声尚待解决的问题更为突出，因此工程机械机外辐射噪声控制研究逐渐受到重视，展望未来， 我们必须积极开展机外辐射噪声控制研究，以便缩短与发达国家的差距。 表1 1 我国强制性标准对于工程机械的噪声限值与欧盟的比较 标定功率n e b ( k w )4 0 4 0 5 0 5 0 - 6 5 6 5 - 8 0 8 0 - 1 0 0 允许声功率极值d b ( a ) g b1 6 7 1 0 1 1 0 61 0 8 1 1 01 1 2 1 1 4 2 删1 4 e c1 0 1 ，1 0 61 0 2 ，1 0 61 0 3 ，1 0 71 0 4 ，1 0 81 0 5 ，1 0 9 标定功率n e b ( k w ) 1 0 0 - 1 3 01 3 0 1 6 01 6 0 2 0 0 2 0 0 - 2 5 02 5 0 3 0 0 允许声功率极值d b ( a )g b1 6 7 1 0 1 1 1 61 1 81 2 01 2 21 2 4 2 0 0 0 1 锄e c1 0 6 ，1 1 01 0 7 ，1 1 11 0 8 ，1 1 21 0 9 ，1 1 31 1 1 ，1 1 5 早在1 9 9 7 年美国开始对车内噪声特性进行研究，八十年代，美国上程力学研究所在研 究车内噪声特性预测方面做了大量的研究工作，他们系统研究了声学模态分析的有限单元建 模方法，探讨了车身结构振动对车内卢场的影响以及车内声压对边界振动的影响，建立了结 构声学藕合的有限单元模型。完成了弹性边界的声学模态分析和车身结构受迫振动时车 内声压分布的计算，推导出结构振动一声压波动在受到外界干扰力作用时的有限元计算公 式，为车内噪声预测分析打f 了良好的基础。 日本对j l ：程机械噪声的研究也非常重视，在主要传动件噪声得到有效控制后，深入研究 3 东南大学硕士学位论文 不同结构形成的空气流噪声，并应用在新一代挖掘机等工程机械上。国内在车辆噪声研究方 面起步较晚，工程机械噪声的分析研究则更晚。近二十年来，治理工程机械噪声已成为许多 生产厂和科研部门急需解决的重要课题。出于对舒适性的要求，国内外对车体和驾驶室的振 动及噪声研究较多，对车外噪声的分析研究相对较少，但近几年来也在逐步增加。 从上世纪8 0 年代起，为适应日益严格的机器设备噪声排放法规，欧盟国家就逐渐研制 出多种方法，用来评价和限制工程机械产生的噪声。在最初的欧洲8 6 6 6 2 e e c 标准中，要 求被测量样机以不低于发动机额定转速的速度运转，机器置于硬地面上，并在一个开阔的空 间内，不会因为附近的建筑物或物体反射而附加噪声。测量过程中，样机是固定的并以稳定 的发动机转速运转，不带负荷。8 6 6 6 2 e e c 标准中给出了不同发动机功率下的可接受的声 功率水平，并要求将机器的声功率标注在机器上：标准还要求测定司机耳边的a 计权声压 级( u a ) ，测试应在关闭司机室并启动冷却风扇的条件下进行。9 0 年代初期，由于环保压 力加大导致修订标准8 9 5 1 4 e c 和9 5 2 7 e c 的出台，推出了一系列新的试验测试方法和噪 声限值的确定方法。与以前的测试方法不同，所有的测试样机都要以最高速度模拟工作循环。 此时声功率限制标准已经改为以对数关系来表示，这样便消除了以前的较宽限制，某些标准 值被降低了2 3 d b 。由于新标准测量时间的增加和要求第三方认证，这些无疑都加大了产品 的制造成本。经过几年的发展，2 0 0 0 年颁布了新的欧洲指令一“户外使用设备环境噪声 排放标准”删1 4 e c 。新标准规定了一整套噪声限制指标，并对5 7 种不同设备的噪声限 制进行了标识1 4 j 。 轮式装载机工作环境恶劣，其工作场地大多数是在矿山、石场、煤矿、建筑工地、筑路、 水利设施建设等，路况复杂且不可预料。由于轮式装载机工作过程是不停地前进、后退，并 且频繁的在高、低档之间变换运行，同时工作装置不停地装料、卸料，负载变化频繁。轮式 装载机动力传动系统包括发动机、变速箱、变矩器、传动轴及液压泵、阀油缸等部件的运转 过程往往是一种循环、脉动的冲击波。装载机复杂多变的工作状况决定了机器存在较普遍的 噪声与振动问题。 轮式装载机噪声产生的主要因素是空气动力、机械传动、液压、制动等部分。从结构上 可分为发动机噪声( 即燃烧噪声、排气噪声、冷却风扇噪声、发电机噪声) ；发动机本身机 械噪声( 如发动机振动，配气轴的转动，进、排气门开闭等引起的噪声；传动系噪声、底盘 各部件的连接配合引起的噪声；车身噪声( 发动机引起车身结构的振动，附近的安装不合理 引起的噪声) ；液压噪声( 齿轮泵，液压阀及管路振动引起的噪声) ；制动系统排气噪声；工 作装置动作冲击噪声。 除了动力传动系统之外，典型液压系统元件也是机器的主要噪声源。液压噪声通过车辆 的结构传递，或是直接从某个部件借助空气传播。各种形式的液压泵的声响效应与转速和齿 数活塞数有关。近来已有很多报道，介绍采用螺旋齿轮、拼合齿轮降噪的有效方法。由于 大部分液压元件都以一定的速度工作，要注意避免与车体或者司机室发生共振。运片j 频率分 析得到发动机、风扇、泵或阀的工作频率，供产品设计人员使用以避免共振。对以固定速度 运转的装置，可以用固定尺寸的阻尼腔来消声或在液压回路中采用蓄能器。注意泵和阀体的 安装，采用简单的橡胶减振方法也可以有效降低结构传递的噪声。在安装管路时，要防止它 们与其它任何潜在的可能发出噪声的表面接触。液压油箱的位置和结构对于液压噪声起到关 键作用。当进行分析测量时，务必将样机加热到上作温度，因为油冷时液压噪声特性会被掩 一 盅。 许多其它方面都会引发整机噪声。如进气管和变速器都会明显地增大整机的噪声水平。 进气口采用裹带的软管，变速器采用斜齿轮，都有助于解决噪声问题。对司机室所用的方法 包括采用顶棚衬面、地板铺毯以及用绑带和橡皮孔眼封闭司机室的所有孔道，都能有效地进 行隔声和减振。 4 第1 章绪论 噪声的控制研究被分为两大方向，一种是基于吸声消声原理的有源消声( 噪声主动控 制) 。该技术以前一直发展比较缓慢，但最近十几年以来，在高速微机和d s p ( d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s i n g ，数字信号处理器) 出现的情况下，已经在管道销售有源消声耳塞和某些频率比 较单一且较为稳定的小范围内的噪声获得了一些应用，出现了比较成熟的有源消声产品，能 够有效地降低低频噪声。不过，由于其理论比较复杂，对适时性要求比较高，即只有保证两 个声波的相位相反或接近相反，才能起到真正的消声作用，否则还会起到扩大噪声的反作用， 因此其适用范围受到了很大的限制。另一种是被动消声，即我们经常所采用的一些传统的消 声办法。比如吸声降噪，隔声降噪，阻尼降噪，通过提高制造加工精度和工艺水平来降噪， 使用低噪声产品来降噪，使用附加产品，如进气消声器来降噪。对产品进行结构改型，使结 构振动固有频率与激振频率避开而降噪等等，由于上述方法原理比较简单，且已经总结出了 比较成熟的系统理论，因此实施相对比较容易 5 1 。 日益严格的排放和噪声限制，有时往往使工程技术人员顾此失彼，不能兼顾。但是，噪 声排放的限制是必然的，由此而引发的技术挑战促使工程机械向高效而环保的方向发展。 1 4 本文的主要研究内容 本课题是徐工研究院结构实验室建设技术支持项目。以徐工z i 5 0 g 轮式装载机作为 研究对象，在对其进行噪声源识别的基础上，提出和实施一些有效的减振、降噪措施，改善 装载机的振动和噪声状况。是振动和噪声控制技术在装载机产品上的工程应用实例，本课题 研究的主要工作有以下几个方面。 1 按照国家标准应用积分声级计对z l 5 0 g 轮式装载机的噪声现状进行了测试评价，采 用声强测试技术对z l s o g 轮式装载机进行了噪声测量，得出了其声场分布规律，同时对装 载机的振动和噪声进行了相关性测试与分析，确定了装载机的主要噪声源，从而为实施有效 的降噪减振措施做准备。 2 针对装载机发动机机罩和冷却风扇导流罩的振动引起的声辐射，进行了自由阻尼处 理和吸声设计。 3 风机导风罩内产生的紊流空气动力噪声是装载机的主要噪声源，论文建立了导风罩 的三维实体模型，并对其进行了模态分析避免导风罩壳结构在气流场的激励下产生共振。对 导风罩内流场进行了仿真分析，提出了点声源等效原理建立了风机导风罩的声辐射模型，定 量分析了导流罩紊流声场声功率及声场任意一点的声压值，分析了三种改进设计的导风罩， 通过综合评价选择最优设计。 4 发动机的振动是导致车架振动产生低频噪声的原因，论文建立了隔振系统简化的三 维有限元模型，运用a n s y s 的优化模块，对隔振垫三个方向的刚度进行了优化设计，最大 限度地减少了发动机对车架的激励。 5 东南大学硕士学位论文 第2 章装载机的噪声测试与噪声源分析 要进行装载机的噪声和振动控制，首先必须对装载机的噪声现状进行评估，确定与 国家标准的差距，明确降噪目标；采用声强测试技术找出装载机的主要噪声源，从而针对装 载机的主要噪声源进行有效的减振降噪的处理。 2 1z l 5 0 g 轮式装载机原始噪声测量 2 1 1 装载机原始噪声的测量 按照国标g b t 1 6 7 1 0 2 1 9 9 6 标准中的要求，对于工程机械机外辐射噪声的测定，试 验场地的测量地面应为混凝土或沥青硬反射面，等效连续a 声级的测量面为半球面，半球 面的半径取决于机器的主体长度，由于z l s o g 装载机的主体长度大于4 m ，因此在这里取 1 6 m ，测点的布置如图2 1 ，装载机沿着a 至b 的方向开进为正行程，反方向为反行程，在 测量过程中采用的是h s 5 6 1 8 积分声级计。 腐_ ll 一 j 7 到疹 级： a _ b a ) 膏视田 图2 1 等效连续a 声级测点位置图 由6 个点的测量数据计算出机器测量平面上平均的等效连续a 声级和a 计权声功率 测量面上平均的等效连续a 声级的计算公式为： i 一加g 臃付肛州 眨t ， 式中，脚吲从第i 个传声器测点测得的等效连续a 声级，单位d b ( 基准声压 2 陬p a ) ； n 传声器测点总数( n - 6 ) 。 机器的a 计权声功率级计算公式为： = i k + 1 0 l g i s ( 2 2 ) 6 第3 章装载机结构声辐射的阻尼处理技术 式中，s - - 澳4 量面的面积，单位m 2 ，对于半球面s 一2 a t 2 ； s o = 1m 2 ； c 对于r - - 1 6 m ，1 0 l g 二，3 2 ； 一s o k _ 环境修正值，单位d b ，由于从声源( 装载机) 中心至低测点最大距离三 倍的范围内无声反射体，认为k 小于0 5 d b ，忽略不计。 基于以上的测试标准和要求，装载机原始噪声数据汇总附表1 。根据此表可以得出一些 初步结论：在国标g b t 1 6 7 1 0 2 一1 9 9 6 下测试的z l 5 0 g 轮式装载机的声功率是1 1 4 d b ( a ) 。 而根据装载机噪声限制标准8 2 + 1 1z gp 计算该装载机噪声标准为1 0 6 3 d b ( a ) 。该装载 机相对标准值声功率级超标7 7 d b ( a ) ，急需进行降噪处理。 2 1 2 装载机驾驶室噪声测试 在驾驶室中，也做了一定的噪声测量，对在开空调和不开空调时司机的两耳的声压值做 了记录根据装载机的原始噪声数据，在驾驶室中，不论开空调与否，司机耳朵所听到的声压 值均没有超标，而在机体外的6 个测点测得的噪声值，均大于1 0 0 d b ，可想而知，这肯定是 不符合标准的，因此对整个装载机进行降噪设计势在必行。通过噪声数据表可以得到以下一 些结论： 1 右边测点1 、3 、“相对驾驶员来说右边) 普遍高于左边测点2 、5 、6 平均约1 3 r i b ( a ) ， 造成的原因在于排气组合阀安装在车辆右边。 2 相对驾驶室驾驶员双耳噪声标准8 2d b ( a ) ，该装载机低于标准约2 5d b ( a ) 。驾驶室 噪声达到国家标准，双耳噪声基本均衡相差不大 3 车后部噪声高于前面噪声约3 6d b ( a ) 2 2 装载机噪声源确定与振动信号频谱分析 2 2 1 装载机噪声源分析初步 要进行装载机的噪声控制，首先要确定主要 噪声源。由于在测试现场观察中，初步发现装载 机冷却风扇罩的结构不尽合理，风扇对装载机的 噪声影响很大。因此针对装载机冷却风扇罩做了 专门的测试，以验证风扇噪声是否为装载机的主 一 要噪声源。其测试点的布局如图2 2 。 测点距机器8 m ，测试工况两种：一种是风 扇停止工作和另一种是风扇工作，装载机原地运 转时，待装载机发动机运行稳定后进行测量，测 点1 、2 的测试结果如表2 2 ： ， l i i 图2 2 风扇测点位置图 表2 2 装载机有风扇和无风扇时噪卢数值表 7 东南大学硕士学位论文 背景噪声：5 5 d b 机外测点测量次数声压级( a )声压级平均值( a ) ( d b ) ( d b ) 装载机风 118 08 0 3 扇停止工28 0 5 作2 1 7 97 9 3 27 9 6 装载机风118 7 88 8 扇重新工 28 8 2 作218 4 98 5 2 8 5 1 结论：两种工况下的测量表明发动机冷却风扇对整机的噪声影响很大，停掉风扇后与安装 风扇噪声值相差约8d b ，但这个噪声源是风机还是导风罩则有待进一步确定。 2 2 2 装载机振动测试分析 测试仪器：动态信号分析仪a c e ( d p 2 4 0 ) 声传感器：i c p 型集成传感器1 3 0 d 2 0 振动传感器：i c p 型高灵敏度加速度传感器3 5 3 8 3 3 由于在最初的噪声测量中，已经发现装载机的前后支架有明显的振动，此外，在上一节 的噪声评价中指出排气组合阀和风扇罩壳可能是主要声源，因此在试验中，测量振动的加速 度传感器分别布置于装载机前后支架、风扇罩壳、储气包；鉴于考虑整机噪声信号，声传感 器放置于距装载机一米处。 i 、测试工况：装载机正向一档最大功率，声传感器放置于距装载机一米处。 整机噪声信号自功率谱图及1 3 倍频程谱图如下： ( a ) i e 向- - 档时的噪声自功率谱 8 第3 章装载机结构声辐射的阻尼处理技术 2 3 0 h zs 厂卅2 墨2 6 0 h z 1 1 2 5 h z 、2 5 0 h z 分别与发动机的基频和第二谐波的频率基本吻合，由此可见这两个频 率正是发动机的排气噪声。由原始资料机体底部的组合阀的排气噪声又与2 5 0 h z 吻合，因 此2 5 0 h z 噪声的表现形式也就应该是组合阀的排气噪声，该组合阀安装在机体右部，这与 9 东南大学硕士学位论文 2 2 1 节中声级计测试时得出的结论吻合。 i i 、测试工况：装载机反向一档最大功率，声传感器放置于距装载机一米处 硫j ? ? 。量? j 。? 卅川甜：矗嘶? ￥曩j ，二。，懈i 峨t 耐? j n i 砒w 。? t j y ，岛t j 一? i ：_ 。竹蝴嘶确： _ t 锄 ( a ) 反向一档时的噪声自功率谱 l ) 反向一档时的1 3 倍频程分析 图2 4 反向行驶噪声自功率谱与1 3 倍频程分析 图2 4 表明，装载机在正向行驶和反向行驶时，主要的峰值频率没有发生太大的变化， 这也说明装载机的其中两个主要噪声源是风扇的旋转噪声和排气阀的排气噪声。 、测试工况：装载机风扇停止工作，发动机原地空档最大功率，声传感器放置于装载 机一米处，加速度传感器置于罩壳上 驴2 0 0 ，鼍：嚣1 0 0 。加 呈甥 m 口 ( a ) 罩壳振动信号谱图 8 - 耐滞一j i 1 0 二嘛 | ；萎i ；l 器： ( b ) 装载机噪声信号谱图 1 0 b o 5 0 5 o 5 d 5 0 矗0 0 o o o o 弓 v 辱乱|6行王皿口 笏，、|、， ，：。 砺ll口gl$1i缀 第3 章装载机结构声辐射的阻尼处理技术 ( c ) 噪声信号l 3 倍频程分析 一 c a ) 前支架振动信号谱图 ( b ) 后支架信号谱图 8 0 口o 0 0 0 8 o 4 与 0 a p 罐伯”镗 东南大学硕士学位论文 1 ，jj ，? ，一”，f j ，q ，a ? ? ? ? ? ，栈。，t _ ，? ，、? ：? ；，? ? 、? & ( c ) 噪声信号谱图 图2 6 噪声信号与前后支架振动信号谱图 测试信号的功率谱图表明，前后支架与噪声信号的峰值频率并没有出现吻合，这说明前 后支架的振动与噪声的相关性不是很大，不是主要噪声源。 v 、测试工况：发动机原地空档最大功率，声传感器放置于距装载机一米处，加速度传 感器放置于储气包上 罗瑚彳一j 锈0 触 ；懿：卜：删 ， - 1 1 q ：。 ”酞。：2 k 7 。3 奄k 一。7 i b i 。，? ? ? ? ￥过：?。-： ( a ) 储气包振动信号谱图 ” 5 0 判i 剿0 2 , 2i圈g2,2i囡02,2 i j ：囊 o - 专； 一 ，：， ，盛 5 0 - 芷 1 0 奄 君 一，5 荟2 d 璺l 牲，、，、网 2 5 一 一d 1 奄k 。- 。 一 2 o k s b k i 6 l “!7 ，? 、i - l z 一? ? l ( b ) 噪声信号谱图 图2 7 噪声信号和储气包振动信号谱图 噪声信号和振动信号谱图表明，峰值频率只有在1 0 0 0 h z 处重合，意味着汽包的振动不 构成装载机中低频噪声的主要声源。 ( 2 ) 噪声信号与振动信号测试分析结论 根据装载机的噪声信号谱和相关部件的振动信号谱，可以得出以下几个结论： 1 装载机噪声的几个主要频率均位于1 0 0 h z - - 7 0 0 h z 的频率区间内，因此装载机的噪 声以低频噪声为主。 2 通过谱图和相关函数的分析，进一步明确装载机的主要噪声源为：( 1 ) 风扇及其罩 壳、( 2 ) 组合阀的排气。 3 罩壳的结构不合理，其同有频率与风扇噪声旋转频率相近，引起结构噪声。 4 产生1 0 0 0 h z 以上的高频噪卢的声源有两个：( 1 ) 汽包的振动、( 2 ) 风扇和排气噪 1 2 第3 章装载机结构声辐射的阻尼处理技术 声。 2 3 装载机声强测试： 要进行装载机噪声控制，首先要分析其噪声的来源和大小，其大小通常用声压、声功率 和声强来表示。但声压是标量，难以通过它找出噪声的方向和位置：声功率的测量需要昂贵 的消声室或混响室；而声强是矢量，既代表了声场中某点声能量的大小、又代表了该点声能 流动的方向，比声压更能反映声源的本质，同时测试过程中受环境的影响小。随着信号处理 技术、计算机技术的发展，使得声强测量技术在噪声源识别与定位中得到广泛应用。 2 3 1 声强测量的基本原理 声强定义 设空间某点a ，a 点r 方向的声强定义： ，( t ) - p ( t ) u , ( t ) ( 2 6 ) 式中：( f ) _ a 点f 方向的声强 玑( f ) - a 点r 方向的空气质点振动速度 1 i t ) - a 点的声压 卜时间 式( 1 ) 中所定义的声强称为瞬时声强，工程实际中常用的是一段时间内瞬时声强的平均值。 称为时均声强，简称声强，t ) 。 2 3 2 声强测量的双传声器法 一般情况下，我们将声强测量方法分为两种，一种是传声器与测速传感器结合即p - u 法， 可以同时测出声压和速度，然后根据式( 1 ) 可以直接得到声强值，所以这种测量方法的效率 很高。但是，这种方法中质点速度不易直接测得。另外一种是双传声器方法又称p - p 法，两 传声器a 和b 安装相距一小段距离，设两传声器的声学中心的连线方向为x ，当声波沿x 方向行进时，所测出的两个声压儿( f ) 及p 口( f ) 之间存在梯度。据罢。一罢 有 比) = - 扩些 ( 2 7 ) 设两传声器声学中心之间的距离为d ，当d 远远小于波长a 时，皇盟可以近似的改写为 a x 翌坐上里4 1 1 ，于是上式可改写为 d “( r ) 一一扫叫r ) 一p a ( r ) p 汜8 ， 两传声器之间中点的声压可以认为是儿( f ) 及办( f ) 的平均值p ( f ) ：掣 1 3 末南大学碗士学位论文 则x 方向的瞬时声强为 ，i ( r ) - p o b ( r ) 。云万【 ( r ) + 几( r ) j 【n ( r ) 一p 一( r ) p z 9 ) 墩其时间平均就可以得到x 方向上的有功声强阻i 。 2 3 3 装载机声蔼铡量与噪声源分析 ( 1 ) 装载机声强测试方法 试验用的声强铡试仅采用丹麦b k 公司的p u l s f e 3 s 6 0 b ，传感器采用4 1 9 7 型。测试时 声强探头采用了面对面布置的方式如下翻所示，对于对置式的探头，由于上节分析噪声主 要分布于低频区，其定距柱长度选取5 0 衄，噪声分析频辜区问3 1 - 5 h z - 12 5 k h z 。 圈2 8 声强探头示意图 鉴于上述两节的分析结果，装载机的主要蟪声源，无论是风扇还是发动机、捧气阚，均 位于机尾困此测试平面选在装载机的车尾右俩面( 左右的区分毗驾驶员为准) ，测试工况 为空旷场地，原地空挡最大功率。 图2 9z i 5 0 g 轮式装载机 图2 1 0 装载机声强潮量面 由于合理的点阵布置是取得满意测量结果的基础，点阵过密，会使测试工作过于繁重； 而点阵过疏又会使噪声源无法区分。但整车上疑似主噪声源的范围一般是确定的。根据以 前的噪声谱分析，车次试验设计测试面积42 m * 3 m ，水平和垂直每隔0 3 m 形成一个测点，等 间隔划分出1 0 行1 4 列测量鄹格，共计1 4 0 个测点。面向测面左下角为第一测点先行后列依次 编号为1 、2 、3 1 4 0 ；左上角是最后测点 距离对声强的获取有较大影响，距离较近时所测的卢强缓太小不稳定：而当距离扩大 到1 0 0 n 后，随着距离的增加。声强级不断衰减。但距离太远，各个测点之问的声强级梯度 太小难以找出主噪声源因此实际测量中选择距装载机车身表面3 0 c r a 为测量距离”“ 因为实验现场不允许有大的背景噪声存在，所以对周围影响较大的噪声源作了停机、隔 声等处理：实验现场尽量避免讲话，喧哗和发出异畴从而提高测量信号的信噪比；不允许 1 # 检测人靠近测量面一侧，以免形成附加发射声影响测量精度。在实验过