沈蘇藝 ，翁澤宇*，李明輝，沈曉慶，相曙鋒，王志剛

(1.浙江工業(yè)大學 機械工程學院，浙江 杭州 310014;2.杭叉集團股份有限公司，浙江 杭州 311305)

0 引言

內(nèi)燃叉車是用于物料搬運作業(yè)的工程車輛，是實現(xiàn)物流機械化作業(yè)、減輕工人搬運勞動強度、提高作業(yè)效率的主要設備。但在使用過程中，其噪聲問題對叉車駕駛?cè)藛T及周圍的操作人員有很大的影響，并且已經(jīng)成為內(nèi)燃叉車進一步發(fā)展的關鍵問題。進氣系統(tǒng)噪聲是內(nèi)燃叉車的主要噪聲源，因此，對內(nèi)燃叉車進氣系統(tǒng)噪聲進行研究和控制具有重要的意義［1］。

筆者研究的內(nèi)燃叉車進氣系統(tǒng)由擴張式進氣消聲器、空氣濾清器和包括進氣連接管在內(nèi)的進氣管路等部件組成，同時，立柱作為車架的組成部分，也作為進氣管路的一部分。

內(nèi)燃叉車的動力來自于發(fā)動機內(nèi)部燃料的燃燒，對進氣系統(tǒng)消聲性能的研究，也可以與其他內(nèi)燃機動車輛之間進行相互借鑒，研究重點是研制具有理想消聲性能的進氣系統(tǒng)部件。不少學者已經(jīng)開展了對進氣系統(tǒng)消聲部件的設計與研究。在結(jié)構(gòu)設計方面，主要是分析消聲部件結(jié)構(gòu)參數(shù)對消聲性能的影響:Selamet和Dickey［2］對赫姆霍茲消聲器進數(shù)值計算，分析了各結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)對赫姆霍茲消聲器消聲性能的影響，并通過實驗驗證;林進修等［3］研究了空濾器連接管道長度和消聲頻率的關系，發(fā)現(xiàn)增大管道長度，進氣系統(tǒng)的消聲頻率會向低頻處移動。對于復雜的消聲部件，利用有限元方法進行研究是一種有效的手段:Mehdizadeh 等［4］對對包層及片狀的的阻性消聲器傳遞損失進行了有限元計算，并得到與試驗數(shù)據(jù)相符合的結(jié)果;靳曉雄等［5］對某空氣濾清器結(jié)構(gòu)進行改進設計，建立聲學有限元模型，利用聲學有限元仿真軟件計算空氣濾清器的傳遞損失，并通過實驗證明了在消聲性能分析過程中濾芯材料設置方法的正確性。

由于整個進氣系統(tǒng)各部件的消聲性能是相互聯(lián)系和相互影響的，本研究在設計內(nèi)燃叉車進氣系統(tǒng)時，將進氣系統(tǒng)作為一個整體進行改進設計，有效地發(fā)揮進氣系統(tǒng)各部件的消聲特點，得到改進設計方案，并通過聲學有限元仿真和進氣系統(tǒng)噪聲試驗對設計方案進行評價和驗證。

1 消聲設計計算方法

1.1 阻性消聲器的計算方法

在內(nèi)燃叉車進氣系統(tǒng)中，空氣濾清器的濾芯材料是多孔吸聲材料中的纖維材料，所以空氣濾清器在聲學意義上具有阻性消聲器的作用。最簡單的阻性消聲器是圓管式消聲器，消聲量的常用計算公式如式(1)所示［6-7］:

式中:φ(α0)—與材料吸聲系數(shù)α0有關的吸聲系數(shù)，α0—正入射吸聲系數(shù)，P—管道截面周長，S—管道截面積，l—消聲器有效長度，D—管道直徑，m。

1.2 擴張式消聲器的計算方法

擴張式消聲器的原理是管道中聲波在截面突變(擴大或縮小)處發(fā)生反射而衰減噪聲。

單節(jié)擴張式消聲器消聲量計算公式如式(3)所示［8］:

式中:m—擴張比，m=SD/Sd;SD—擴張腔的橫截面積;Sd—管道截面積;k—波數(shù)，k=2π/λ;λ—聲波波長;L—擴張室長度。

單節(jié)擴張式消聲器的消聲特性成正弦波形，由式(3)可見，當kl 為π/2 的奇數(shù)倍時，sin(kl)=1，此時消聲量為最大值;當kl 為π/2 的偶數(shù)倍時，sin(kl)=0，此時消聲量為零，相對應的頻率為通過頻率。由于單節(jié)擴張式消聲器有許多周期性的通過頻率，在工程中常采用內(nèi)插管的方法，以消除通過頻率。當插入管長度為L/2 時，可消除1/2 波長的奇數(shù)倍通過頻率，當另一端插入管長度為L/4 時，則可消除1/2 波長的偶數(shù)倍通過頻率。

1.3 赫姆霍茲共振消聲器的計算方法

赫姆霍茲共振消聲器是一種旁支消聲器，在以共振頻率為中心的一定頻率范圍內(nèi)起有效的消聲作用，具有較強的頻率選擇性。

單節(jié)共振消聲器的共振頻率和傳遞損失分別由式(4，5)計算:

式中:fr—共振頻率，Sc—連接管的截面積，V—共振腔的體積，lc—連接管長度，f—頻率，Sp—主管道截面積。

由式(4，5)可以看出，赫姆霍茲共振消聲器的共振腔體積、連接管長度和截面積及主管道的截面積可以決定共振頻率和傳遞損失。

2 進氣系統(tǒng)改進設計

筆者研究的內(nèi)燃叉車原進氣系統(tǒng)如圖1 所示，包括擴張式進氣消聲器、空氣濾清器和包括進氣連接管在內(nèi)的進氣管路等部件。

圖1 內(nèi)燃叉車進氣系統(tǒng)組成

改進設計的依據(jù)來源于對實驗數(shù)據(jù)的分析，從進氣系統(tǒng)進氣噪聲的測試分析，可以得出對進氣系統(tǒng)的進氣噪聲貢獻大的頻段是:60 Hz～100 Hz、250 Hz～350 Hz、500 Hz～800 Hz，其中重點頻率是:87 Hz、320 Hz、596 Hz、659 Hz、750 Hz、890 Hz。

為了提高進氣系統(tǒng)整體的消聲性能，改進設計方案以原車進氣噪聲測試結(jié)果為依據(jù)，重點對進氣消聲器、空氣濾清器和進氣管進行結(jié)構(gòu)改進。

2.1 進氣消聲器改進設計

原進氣消聲器的空氣入口端通過車架上的一個連接腔與立柱管道相通，空氣出口端連接空氣濾清器，開口向上。為了不與空氣濾清器和車架發(fā)生干涉，進氣消聲器呈階梯型，在中間連接處設計成斜面。

本研究對進氣消聲器進行如下改進:

(1)充分利用車內(nèi)可安裝進氣消聲器的空間，擴大進氣消聲器的體積V，同時盡可能獲得最大的擴張比m;

(2)為了獲得截面突變帶來聲阻抗變化的效果，在不干涉的前提下，去掉原進氣消聲器的斜面，同時也有利于擴大擴張腔的體積;

(3)在空氣入口端內(nèi)置插入管，可以消除部分通過頻率。

2.2 空氣濾清器改進設計

空氣濾清器在聲學意義上是一個阻抗復合型消聲器，濾芯除了有凈化空氣的功能外，還有一定的吸聲作用。

由于空氣濾清器安裝空間和布局的限制，空氣入口和出口的位置無法改動，且腔體的橫截面積也無法擴大，擴張比m 無法改變，只能通過增加腔體的長度來擴大腔體體積，以獲得更好的低頻消聲效果。空氣濾清器腔體原長為300 mm，改進后長度增加為360 mm，相當于體積擴大了20%。

2.3 進氣接管改進設計

空氣從入口處進入進氣接管后，氣流被分成兩股并最終匯合，由出口處進入發(fā)動機。進氣接管的結(jié)構(gòu)是根據(jù)發(fā)動機結(jié)構(gòu)和接管安裝位置決定的，是一段不規(guī)則的管路，管內(nèi)截面積沒有明顯的變化，消聲的作用不佳。

本研究針對重點頻率對進氣接管進行改進設計，去掉分流結(jié)構(gòu)，在管道兩側(cè)針對特殊頻率設計赫姆霍茲共振腔A、B，在避免干涉的前提下設計結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1 所示。

表1 新進氣接管結(jié)構(gòu)設計參數(shù)

3 聲學有限元仿真

由改進后的進氣消聲器、空氣濾清器和進氣接管等組成新的進氣系統(tǒng)如圖2 所示，整個進氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具有一定的復雜性和不規(guī)則性。為了能夠?qū)碗s且不規(guī)則的系統(tǒng)進行消聲性能分析，傳統(tǒng)的數(shù)值計算方法是很難完成的，最有效的手段是利用聲學有限元技術進行仿真分析。

圖2 新進氣系統(tǒng)

仿真分析以傳遞損失TL 作為分析結(jié)果的評價指標，對原進氣系統(tǒng)和改進后進氣系統(tǒng)，應用Virtual.Lab 軟件，分別進行聲學有限元分析。在此，本研究不考慮進氣系統(tǒng)壁面對其內(nèi)部聲場的影響，即忽略流體與剛體之間的耦合作用［9］，設置的邊界條件是:

(1)壁面為無反射剛性壁面;

(2)入口處施加單位質(zhì)點速度作為激勵;

(3)出口處施加全吸聲屬性。

分析計算的頻率上限為1 000 Hz。原進氣系統(tǒng)和改進后進氣系統(tǒng)的聲學有限元分析結(jié)果如圖3 所示。

圖3 原進氣系統(tǒng)與改進后進氣系統(tǒng)的傳遞損失曲線

從分析結(jié)果可得，改進后進氣系統(tǒng)的傳遞損失TL在大部分頻段比原進氣系統(tǒng)有所提高，在中、低頻段尤其是280 Hz～340 Hz 頻段消聲特性有大幅提高;在中、高頻段提高范圍較大，尤其是750 Hz～850 Hz 頻段效果明顯，聲學有限元分析結(jié)果可以滿足設計要求。

4 試驗結(jié)果與分析

本研究根據(jù)《聲學消聲器測量方法》(GB/T 4760—1995)［10］，制定該內(nèi)燃叉車進氣系統(tǒng)噪聲的試驗方案。依據(jù)叉車噪聲測量規(guī)范，分別在叉車發(fā)動機怠速工況和發(fā)動機最高轉(zhuǎn)速工況下，測量該內(nèi)燃叉車進氣噪聲。

本研究利用LMS Test.lab 測試分析系統(tǒng)進行聲壓級和1/3 倍頻程分析，分析結(jié)果如圖4～7 所示。

圖4 原進氣系統(tǒng)與改進后進氣系統(tǒng)在怠速工況下

圖5 原進氣系統(tǒng)與改進后進氣系統(tǒng)在怠速工況下

圖6 原進氣系統(tǒng)與新改進后進氣系統(tǒng)在最高速工況下

圖7 原進氣系統(tǒng)與改進后進氣系統(tǒng)在最高速工況下

分析試驗結(jié)果，從進氣口的聲壓級來看，改進后的進氣系統(tǒng)方案在怠速工況下達到了2.7 dB 的降噪量，在發(fā)動機最高速工況下都達到了3.16 dB 的降噪量。從頻譜和1/3 倍頻程圖來看，在怠速工況下，改進后的進氣系統(tǒng)在低頻段噪聲值有明顯降低，在中心頻率為80 Hz～160 Hz 的頻段有2 dB～3 dB 的消聲效果，在中、高頻段的消聲效果更為顯著，尤其是中心頻率為315 Hz、630 Hz和800 Hz 3個頻段都有大于4 dB 的降噪量;在發(fā)動機最高速工況下，消聲效果主要在中、高頻段，其中，中心頻率為315 Hz和500 Hz 頻段有1 dB～2 dB的消聲效果，中心頻率為400 Hz～800 Hz 頻段的消聲效果達到4 dB～6 dB。

5 結(jié)束語

本研究對內(nèi)燃叉車進氣系統(tǒng)進行改進設計，其中，對進氣消聲器的改進是擴大體積并設置插入管，對空氣濾清器的改進是增加腔體長度來擴大腔體體積，對進氣接管的改進是針對重點頻率設計赫姆霍茲共振消聲器，并通過聲學有限元對整個進氣系統(tǒng)進行仿真分析和比較。仿真結(jié)果表明，改進后進氣系統(tǒng)的傳遞損失在大部分頻段都有提高。為了驗證改進設計方案在實車上的消聲效果，筆者進行了進氣系統(tǒng)噪聲試驗分析，對進氣系統(tǒng)進氣口測量聲壓級并進行比較。結(jié)果表明，改進后進氣系統(tǒng)的消聲特性的到了顯著提高，在發(fā)動機怠速和最高速兩種工況下均可以達到2 dB～3 dB的消聲效果，在部分頻段的消聲量可以達到4 dB以上。

［1］楊明亮，徐格寧.基于約束剛?cè)狁詈舷到y(tǒng)的叉車振動研究［J］.機械工程學報，2011，47(20):89-94.

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［6］李曙光，劉 波，韓思晨，等.EMD 降噪和關聯(lián)維數(shù)相結(jié)合在滾動軸承故障診斷中的應用［J］.液壓氣動與密封，2011(4):33-35.

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［10］國家標準化工作委員會.GB/T 4760—1995《聲學消聲器測量方法》［S］.北京:中國標準出版社，1995.