譚雅仙，李其朋，陳翔宇，宋德玉，李　乾TAN Ya-xian，　LI Qi-peng，　CHEN Xiang-yu，　SONG De-yu，　LI Qian（.杭叉集團股份有限公司，杭州 3305；.浙江科技學(xué)院 機械與汽車工程學(xué)院，杭州 3003）

內(nèi)燃叉車擴張式進氣消聲器分析與改進

譚雅仙1，李其朋2，陳翔宇1，宋德玉2，李乾2
TAN Ya-xian1，LI Qi-peng2，CHEN Xiang-yu1，SONG De-yu2，LI Qian2
（1.杭叉集團股份有限公司，杭州 311305；2.浙江科技學(xué)院 機械與汽車工程學(xué)院，杭州 310023）

以內(nèi)燃叉車擴張式進氣消聲器為對象，通過發(fā)動機進氣系統(tǒng)理論分析，確定了消聲器的擴張腔容積、進氣口安裝位置等參數(shù)；利用三維有限元分析，對優(yōu)化后的進氣消聲器進行了仿真研究。仿真和實驗結(jié)果基本一致，表明該進氣消聲器改進了進氣系統(tǒng)的消聲量，在發(fā)動機運行工況下的消聲效果有顯著提高，重點頻率段的消聲量可達4-6dB。

內(nèi)燃叉車；進氣系統(tǒng)；擴張式消聲器；三維有限元仿真；優(yōu)化設(shè)計

0　引言

內(nèi)燃叉車廣泛用于工廠、建筑、石油化工等領(lǐng)域，是進行裝卸、堆垛、拆垛和搬運的現(xiàn)代物流系統(tǒng)的重要裝備之一，能大幅度減輕工人搬運勞動強度，提高作業(yè)效率，但是在作業(yè)過程中，進氣和排氣所產(chǎn)生的噪聲嚴重影響著內(nèi)燃叉車駕駛員及周圍的工作人員身心健康，也嚴重影響了我國內(nèi)燃叉車的出口份額。

從結(jié)構(gòu)上分析，普通內(nèi)燃叉車排氣系統(tǒng)比進氣系統(tǒng)更遠離叉車駕駛?cè)藛T，雖然排氣系統(tǒng)噪聲高于進氣系統(tǒng)噪聲，但是進氣系統(tǒng)噪聲比排氣系統(tǒng)的噪聲對叉車駕駛?cè)藛T的影響更加強烈，因此，對內(nèi)燃叉車進氣系統(tǒng)噪聲及其消聲元件的研究具有重要的意義［1］。

內(nèi)燃叉車進氣系統(tǒng)主要由擴張式消聲器、空氣過濾器以及之間連接用的進氣管路等部件組成，本文研究的內(nèi)燃叉車進氣系統(tǒng)除了前述結(jié)構(gòu)之外同時還將車架上的立柱作為進氣管路中的一個組成部分。內(nèi)然叉車進氣噪聲與進氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及發(fā)動機的轉(zhuǎn)速密切相關(guān)［2］。

目前，對于擴張式消聲器，不少學(xué)者已經(jīng)開展了擴張式消聲器的研究。劉飛等［3］等對一維平面波理論在高頻失效的原因進行了分析，對出口管的位置與數(shù)量以及兩擴張室的擴張式消聲器消聲性能進行了研究；張曉龍［4］對擴張消聲器進行了理論研究，對一維平面波理論分析、有限元仿真分析和實驗測試三者進行了比較，證明了仿真研究對消聲器的設(shè)計的有效性；袁翔等［5］利用SYSNOISE軟件和CFD軟件Fluent對簡單擴張式消聲器與穿孔管消聲器的傳遞損失與阻力損失進行分析，證明了穿孔管的流體力學(xué)性能優(yōu)于簡單擴張腔；以上學(xué)者的研究存在一些不足的地方。很多學(xué)者只是對簡單擴張式消聲器進行了分析，而在實際工業(yè)應(yīng)用中，為了不與其他零件發(fā)生干涉，消聲器常常設(shè)計成異形結(jié)構(gòu)，為此，對異形擴張腔進行優(yōu)化設(shè)計就顯得很有必要。

本文首先對進氣消聲器進行優(yōu)化設(shè)計，然后利用軟件ACTRAN對安裝了優(yōu)化后的進氣消聲器的進氣系統(tǒng)進行仿真，并與原進氣系統(tǒng)進行對比，得出了降噪提高的頻率范圍，并進行了實驗驗證。

1　擴張消聲器的消聲原理

擴張式消聲器也稱為膨脹式消聲器，是利用管道橫截面積的擴張與收縮引起的聲波反射與干涉來進行消聲的［6］。單節(jié)擴張室的消聲量可以用以下式進行計算［7］：

式中，m表示擴張比，擴張腔的值為擴張腔截面積與管道截面積的比值；k表示波數(shù)；l表示擴張管的長度。

2　消聲器聲學(xué)評價指標

消聲元件的消聲效果一般有四種評價指標：傳遞損失（transmission loss，TL），插入損失（insertion loss，IL），聲壓級（sound pressure level，SPL）以及聲壓級差值（level difference，LD）。傳遞損失一般用于評價消聲元件，取決于消聲元件的結(jié)構(gòu)、介質(zhì)的阻抗率和截面面積，與聲源和出口處的聲學(xué)特性無關(guān)；結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計一般使用傳遞損失作為消聲器聲學(xué)評價指標［8］。

傳遞損失是指聲波經(jīng)過消聲元件之后聲音能量的衰減程度，為入射聲功率級與透射聲功率級的差值，傳遞損失為：

上式中，ωin，ωout為入射和透射聲功率，pi，pt分別為入射和透射聲壓，Ain，Aout為入口端和出口端的橫截面積。

3　建立模型

優(yōu)化設(shè)計的方案來自于對進氣系統(tǒng)原始數(shù)據(jù)分析，從進氣系統(tǒng)進氣噪聲的測試分析，可以得出原消聲器對進氣系統(tǒng)在以250Hz、550Hz和760Hz為中心頻率的三個頻率段消聲效果不是很理想，為此，以下的消聲器優(yōu)化設(shè)計主要針對以下幾個頻率段考慮優(yōu)化設(shè)計。

原進氣消聲器的空氣入口與車架上的立柱管道相通，空氣出口與空氣濾清器相連通，空氣出口端開口向上，為了不與空氣濾清器和車架發(fā)生干涉，進氣消聲器被設(shè)計呈階梯型，在中間處設(shè)置有斜面，如圖1所示；本文研究的消聲器主要從以下兩個方面進行改進優(yōu)化。

圖1　原進氣消聲器

1）增加原消聲器的擴張腔容積。原消聲器的容積為0.002421549m3，改進后的新消聲器的容積為0.008301657m3，新消聲器的容積近似相當于原消聲器3.5倍，根據(jù)聲學(xué)理論，新消聲器消聲能力相比原消聲器大大增強。

2）改變進氣口的安裝位置。

進氣消聲器優(yōu)化方案如圖2所示。

圖2　進氣消聲器優(yōu)化方案

4　聲學(xué)有限元仿真

為了不與其他部件之間發(fā)生干涉，優(yōu)化后的消聲器結(jié)構(gòu)變得十分不規(guī)則，再加之本來進氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的不規(guī)則性，使得傳統(tǒng)的數(shù)值計算方法很難完成，而聲學(xué)三維有限元計算的傳遞損失與實驗結(jié)果十分接近［9］，如圖3所示，為一簡單擴張室式消聲器一維平面波理論和三維有限元法計算的傳遞損失與實驗結(jié)果的對比，為此本文采用三維有限元仿真進行優(yōu)化方案分析，比較傳遞損失，確定最優(yōu)進氣消聲器。在此，本文不考慮進氣進氣系統(tǒng)壁面對其內(nèi)部聲場的影響。

對進氣系統(tǒng)進行四面體網(wǎng)格劃分，如圖4所示，網(wǎng)格尺寸設(shè)置為4mm，分析計算的頻率上限為1000Hz，安裝原消聲器的進氣系統(tǒng)與安裝優(yōu)化后的消聲器的系統(tǒng)仿真分析結(jié)果如圖5所示。

圖3　簡單擴張室式的傳遞損失

圖4　優(yōu)化方案進氣系統(tǒng)四面體網(wǎng)格劃分

圖5　進氣系統(tǒng)傳遞損失曲線仿真對比

從分析結(jié)果可得，新進氣消聲器在整個進氣系統(tǒng)的傳遞損失TL在大部分頻率段比原進氣消聲器都有所提高，特別是在我們所需要的200～400Hz、520～570Hz 和730～800Hz有明顯的提高，使得聲學(xué)有限元滿足設(shè)計要求。

5　實驗結(jié)果與分析

本文根據(jù)《聲學(xué)消聲器測量方法》（GB/T4760-1995）［10］，制定叉車噪聲測量規(guī)范，分別在叉車發(fā)動機怠速和發(fā)動機最高轉(zhuǎn)速工況下，測量該內(nèi)燃叉車進氣噪聲。

本文研究利用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6和圖7所示。

圖6　安裝原進氣消聲器進氣系統(tǒng)與安裝優(yōu)化進氣消聲器進氣系統(tǒng)在運行工況下A計權(quán)聲壓級

圖7　安裝原進氣消聲器進氣系統(tǒng)與安裝優(yōu)化進氣消聲器進氣系統(tǒng)在運行工況下1/3倍頻程圖比較

通過測試結(jié)果對比可以看出，在運行工況下，250Hz、315Hz、630Hz和800Hz處噪聲值有明顯的降低，特別在250Hz和800Hz處有4～6.3dB的消聲效果，從整體上看，優(yōu)化后的消聲器具有良好的效果。

6　結(jié)束語

本文主要針對內(nèi)燃叉車消聲器的擴張腔容積，進氣口的安裝位置進行優(yōu)化，然后通過仿真和實驗進行驗證，結(jié)果表明，優(yōu)化后的進氣消聲器比原進氣消聲器的消聲量得到了提高，進一步證明了對于擴張腔消聲器，不管形狀如何，都可以通過增大擴張腔的容積和改變進氣口的安裝位置等方式對消聲效果進行優(yōu)化。

［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(xué)報，2011，47（20）:89-94.

［2］ 賈維新，邵志勇.空濾器聲學(xué)性能預(yù)測及低頻噪聲控制的研究［J］.內(nèi)燃機工程，2006，5（27）:67-70.

［3］ 劉飛，陸森林，劉紅光，汪靜.擴張式消聲器聲學(xué)特性的有限元分析［J］.噪聲與振動控制.2010（03）:144-147.

［4］ 張曉龍，李功宇.擴張消聲器消聲特性理論研究和實驗分析［J］.噪聲與振動控制.2008（01）:105-107.

［5］ 袁翔，劉正士，畢嶸.簡單擴張式消聲器與穿孔管消聲器對比研究［J］.汽車科技，2009（4）:18-21.

［6］ 潘仲麟，翟國慶.噪聲控制技術(shù)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

［7］ 龐劍，諶剛，何華.汽車噪聲與振動［M］.北京:北京理工大學(xué)出版社，2006.

［8］ 陳達亮，顧燦松，王務(wù)林，李洪亮.發(fā)動機進氣消聲元件設(shè)計與聲學(xué)數(shù)值模擬的研究［J］.汽車工程，2011，3（33）:246-249.

［9］ 葛蘊珊，張宏波，宋艷冗，等.汽車排氣消聲器的三維聲學(xué)性能分析［J］.汽車工程，2006，1（28）:51-55.

［10］ 國家標準化工作委員會.GB/T4760-1995《聲學(xué)消聲器測量方法》［S］.北京:中國標準出版社，1995.

Simulation analysis and optimization of the expansion muffler for internal combustion forklift

TH535+.2

A

1009-0134（2016）06-0150-03

2016-03-18

科技部國家國際科技合作項目（2015DFR71160）

譚雅仙（1963 -），女，浙江杭州人，機械工程師，博士，研究方向為機械制造，機械振動與噪聲。