肖 洋，張俊嫻，位文凱，田若鐸

（徐工集團(tuán)工程機(jī)械股份有限公司道路機(jī)械分公司，江蘇 徐州 221004）

隨著工程機(jī)械制造水平的提高，在壓路機(jī)的樣機(jī)開發(fā)過程中對(duì)駕駛室內(nèi)噪音的性能越來越重視，駕駛員耳旁的噪音水平逐步成為用戶評(píng)價(jià)機(jī)器品質(zhì)好壞的重要參考指標(biāo)之一。壓路機(jī)的主要噪音源為發(fā)動(dòng)機(jī)、風(fēng)扇、液壓系統(tǒng)。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)排放標(biāo)準(zhǔn)的不斷升級(jí)，再經(jīng)過技術(shù)人員在風(fēng)扇控制方面的不斷研發(fā)和創(chuàng)新，其噪音水平得到了極大地改善，這使得原先不被人們所關(guān)注的其他噪音問題逐步顯現(xiàn)出來。

齒輪泵和與其相連接的液壓管路所產(chǎn)生的流量脈動(dòng)噪音就是其中之一，是造成壓路機(jī)駕駛室內(nèi)噪音高的原因之一。

1 識(shí)別駕駛室內(nèi)噪音源的方法

在某新型壓路機(jī)研發(fā)過程中，樣機(jī)啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)后，在發(fā)動(dòng)機(jī)的低中高3種轉(zhuǎn)速下原地不工作狀態(tài)和轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤時(shí)，駕駛室內(nèi)均出現(xiàn)讓駕駛員不適的噪音。用聲音檢測(cè)分貝儀測(cè)量駕駛員耳旁噪音值為76.6dB，CE認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)中工程機(jī)械駕駛室內(nèi)噪音≤80dB，雖偏高但仍在標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)。采用以下方法識(shí)別出駕駛室內(nèi)的噪音源：①該機(jī)型的風(fēng)扇是靠獨(dú)立的液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，通過風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的短接不讓風(fēng)扇工作，測(cè)量駕駛室內(nèi)的噪音值和感受噪音質(zhì)量均無變化，排除風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)造成的噪音；②該機(jī)型的液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（圖1）中轉(zhuǎn)向器和液壓管路在駕駛室下面，短接轉(zhuǎn)向器，測(cè)量駕駛室內(nèi)的噪音值和感受噪音質(zhì)量均無變化，排除轉(zhuǎn)向器工作造成的噪音；③將給液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)提供油源的齒輪泵出油直接接回油箱，此時(shí)測(cè)量駕駛室內(nèi)的噪音值下降了10dB，同時(shí)讓駕駛員不適的噪音消失，確認(rèn)為液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)造成的駕駛室噪音。

圖1 液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)原理圖

通過原理圖結(jié)合試驗(yàn)測(cè)試來分析，噪音源鎖定在齒輪泵和轉(zhuǎn)向管路上。齒輪泵運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)輸出液壓油流量和壓力，同時(shí)產(chǎn)生的噪音和振動(dòng)，在與其相連的液壓管路中產(chǎn)生了流量脈動(dòng)，這種流量脈動(dòng)產(chǎn)生的噪音與壓路機(jī)固定振動(dòng)頻率接近時(shí)，駕駛室內(nèi)的噪音值會(huì)明顯大于無流量脈動(dòng)時(shí)的噪音值，同時(shí)噪音質(zhì)量會(huì)顯著下降，從而讓駕駛員感到不適。

2 齒輪泵噪音產(chǎn)生機(jī)理

壓路機(jī)一般采用的都是外嚙合齒輪泵，圖2為外嚙合齒輪泵的工作原理圖。

圖2 嚙合齒輪泵工作原理圖

由圖2可知，該泵的殼體內(nèi)裝有一對(duì)外嚙合齒輪。由于齒輪端面與殼體端蓋之間的縫隙很小，齒輪齒頂與殼體內(nèi)表面的間隙也很小，因此可以看成將齒輪泵殼體內(nèi)分隔成左、右2個(gè)密封容腔。當(dāng)齒輪按圖示方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，齒輪泵右側(cè)(吸油腔)齒輪脫開嚙合，齒輪的輪齒退出齒間，使密封容積增大，形成局部真空，油箱中的油液在外界大氣壓的作用下，經(jīng)吸油管路、吸油腔進(jìn)入齒間。

隨著齒輪的旋轉(zhuǎn)，吸入齒間的油液被帶到另一側(cè)，進(jìn)入壓油腔。這時(shí)輪齒進(jìn)入嚙合，使密封容積逐漸減小，齒輪間部分的油液被擠出，形成了齒輪泵的壓油過程。齒輪嚙合時(shí)齒向接觸線把吸油腔和壓油腔分開，起配油作用。當(dāng)齒輪泵的主動(dòng)齒輪由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)不斷旋轉(zhuǎn)時(shí)，輪齒脫開嚙合的一側(cè)，由于密封容積變大則不斷從油箱中吸油，輪齒進(jìn)入嚙合的一側(cè)，又由于密封容積減小則不斷地排油，實(shí)現(xiàn)了向液壓系統(tǒng)輸送油液的過程。在齒輪泵中，吸油區(qū)和壓油區(qū)由相互嚙合的輪齒和泵體分隔開來，因此沒有單獨(dú)的配油機(jī)構(gòu)。

從外嚙合齒輪泵工作原理可以看出，外嚙合齒輪泵出現(xiàn)噪聲和振動(dòng)是不可避免的，但出現(xiàn)較大噪聲會(huì)對(duì)液壓系統(tǒng)產(chǎn)生不利的影響，特別是會(huì)使液壓系統(tǒng)出現(xiàn)較大振動(dòng)。如果是高速旋轉(zhuǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)，使用外嚙合齒輪泵出現(xiàn)較大噪聲和振動(dòng)，甚至?xí)绊懻麢C(jī)的使用壽命。通過進(jìn)一步理論分析與實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，造成外嚙合齒輪泵產(chǎn)生噪聲和振動(dòng)的原因較多，究其主要原因主要為：①外嚙合齒輪泵出現(xiàn)困油現(xiàn)象而沒有設(shè)計(jì)相應(yīng)的卸荷槽；②外嚙合齒輪泵的制造精度不夠；③軸承間隙過大；④外嚙合齒輪泵高速旋轉(zhuǎn)時(shí)出現(xiàn)抽空現(xiàn)象或者是吸油管路中途吸入空氣；⑤外嚙合齒輪泵排油口出油壓力急劇上升，而在吸油口處進(jìn)入齒槽中的油液壓力較低，甚至比大氣壓力還低，以這樣低的油壓送到排油口，伴隨壓力急劇上升出現(xiàn)較大沖擊，從而產(chǎn)生了噪聲和振動(dòng)；⑥現(xiàn)代的外嚙合齒輪泵為了得到較高的容積效率，泵齒輪都是采用高正變位的齒輪，齒數(shù)較少，但隨之而來的是瞬時(shí)排量脈動(dòng)率大，使得外嚙合齒輪泵排油壓力脈動(dòng)率增大，這也是外嚙合齒輪泵產(chǎn)生噪聲的一個(gè)原因。除此之外，在流體輸送系統(tǒng)中，液流速度、流量和壓力的快速變化，氣泡的破裂及交變的負(fù)載都是使外嚙合齒輪泵產(chǎn)生噪聲和振動(dòng)的常見原因。

3 噪音優(yōu)化改進(jìn)方案

優(yōu)化方案可以從兩方面入手，一方面是選擇低噪音設(shè)計(jì)的齒輪泵，另一方面是優(yōu)化設(shè)計(jì)與齒輪泵相連接的液壓管路或增加消音裝置，從而吸收齒輪泵傳遞過來的流量脈動(dòng)。設(shè)計(jì)人員采用了以下3種方案，進(jìn)行了對(duì)比測(cè)試。

3.1 優(yōu)化與齒輪泵連接的液壓管路

圖3中齒輪泵連接液壓管路圖中可以看出齒輪泵出口到轉(zhuǎn)向器入口管路2和轉(zhuǎn)向器出口管路3是產(chǎn)生噪音的可能因素，因此增大軟管內(nèi)徑，降低液壓系統(tǒng)流量脈動(dòng)，管路2內(nèi)徑由13mm增大到16mm，管路3內(nèi)徑由13mm增大到19mm。

圖3 齒輪泵連接液壓管路示意圖

優(yōu)化后的噪音值比初始噪音值降低了4dB，但噪音質(zhì)量沒有明顯改善，分析軟管內(nèi)徑對(duì)噪音改善不太明顯。

3.2 在齒輪泵出油管路中加裝消音器

流體消音器是基于具有干涉裝置的膨脹容腔這一原則設(shè)計(jì)的，流體通過消音器的過濾消除，流量脈動(dòng)被抑制在一個(gè)較寬的頻譜上。這種消音器由焊接或者鍛造殼體、1根內(nèi)部管道和2個(gè)連接消音器兩端的管子組成，消聲器沒有可拆卸部件，無須充氣，因此是絕對(duì)免維護(hù)的。

測(cè)試中將消音器加裝在齒輪泵和轉(zhuǎn)向器之間的管路中，如圖4中序號(hào)2和3之間，目的為消除齒輪泵出口的流量脈動(dòng)。

圖4 管路加裝消音器示意圖

優(yōu)化后的噪音值為64.1dB，比初始噪音值降低了12.5dB，噪音質(zhì)量得到很大改善。

3.3 選用低噪音齒輪泵

現(xiàn)今低噪音齒輪泵普遍使用雙面嚙合原理的方法來代替普通齒輪泵的單面嚙合，以此來降低流量脈動(dòng)。在相同排量的情況下，由于齒輪雙面嚙合，實(shí)際齒輪兩側(cè)面嚙合線正好相反，即減少了流量脈動(dòng)幅度，又能減少困油容積。但同樣由于齒輪兩側(cè)面嚙合線相反，在實(shí)際工作中，旋轉(zhuǎn)副關(guān)鍵元件的磨損量會(huì)高于普通齒輪泵，減少齒輪泵的壽命，同時(shí)降噪效果會(huì)隨著磨損量的加劇而越來越差。

本次測(cè)試用到的某品牌低噪音齒輪泵目的同樣是為了降低流量脈動(dòng)，但使用的是完全不同的方法，得益于革命性的非對(duì)稱型齒形設(shè)計(jì)理念，在保持與普通齒輪泵齒頂圓直徑相同的情況下，該齒輪泵的齒數(shù)接近普通齒輪泵的2倍。此外，齒輪泵的輪齒還帶有輕微的螺旋狀，這小小的螺旋角度不但會(huì)消除額外的軸向力，還會(huì)使流量輸送更平穩(wěn)，進(jìn)一步降低流量脈動(dòng)。同時(shí)，低噪音齒輪泵保留著與普通齒輪泵相同的嚙合線。因此，齒輪泵的降噪效果在泵的使用過程中自始至終持續(xù)存在。

換上低噪音泵之后用液壓測(cè)試儀器及所配壓阻式壓力傳感器測(cè)得的流量—壓力曲線如圖5～圖7所示。

圖5 發(fā)動(dòng)機(jī)怠速時(shí)普通泵和低噪音泵流量—壓力曲線對(duì)比

圖6 發(fā)動(dòng)機(jī)中速時(shí)普通泵和低噪音泵流量—壓力曲線對(duì)比

圖7 發(fā)動(dòng)機(jī)高速時(shí)普通泵和低噪音泵流量—壓力曲線對(duì)比

通過對(duì)不同發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下齒輪泵輸出的流量和壓力曲線得出，普通齒輪泵的流量和壓力波動(dòng)明顯高于低噪音泵，采用低噪音泵后的噪音值為62dB，比初始噪音值降低了14.6dB，噪音質(zhì)量得到很大改善。

4 結(jié) 語

駕駛室內(nèi)噪音源經(jīng)前期試驗(yàn)分析定義為液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的流量脈動(dòng)，試驗(yàn)中的加粗管徑、加裝消音器和更換低噪音齒輪泵3種方案都是為了減低流量脈動(dòng)。從試驗(yàn)結(jié)果分析，方案1加粗管徑對(duì)流量脈動(dòng)造成的影響較小，只能在一定程度上降低噪音分貝值，不能改善噪音質(zhì)量；方案2加裝消音器能夠達(dá)到降噪音分貝值，同時(shí)也能改善噪音質(zhì)量，但該方案需要在液壓系統(tǒng)中加裝該元件，增加了實(shí)施難度和系統(tǒng)成本；方案3更換低噪音齒輪泵，噪音值大幅降低，同時(shí)噪音質(zhì)量也得到了很大改善，駕駛員人耳舒適度提升明顯，因此筆者認(rèn)為方案3效果最佳，性價(jià)比和可行性最優(yōu)。