玉米聯(lián)合收割機(jī)振動(dòng)噪聲測(cè)試分析與控制
2014-09-10
山東大學(xué) 山東潤(rùn)源實(shí)業(yè)有限公司13730
核心提示:本文針對(duì)一種自走式玉米聯(lián)合收割機(jī)的噪聲問(wèn)題設(shè)計(jì)了合理的實(shí)驗(yàn)方案,并采用分離測(cè)試的方法,對(duì)收割機(jī)的主要功能部件進(jìn)行了噪聲測(cè)試和分析,得到了各主要功能部件對(duì)各測(cè)點(diǎn)的噪聲貢獻(xiàn)大小。分析結(jié)果表明,發(fā)動(dòng)機(jī)、割臺(tái)、升運(yùn)器風(fēng)扇及升運(yùn)器是收割機(jī)噪聲的主要來(lái)源,為進(jìn)一步降低收割機(jī)的噪聲提供了依據(jù)。
摘要:本文針對(duì)一種自走式玉米聯(lián)合收割機(jī)的噪聲問(wèn)題設(shè)計(jì)了合理的實(shí)驗(yàn)方案,并采用分離測(cè)試的方法,對(duì)收割機(jī)的主要功能部件進(jìn)行了噪聲測(cè)試和分析,得到了各主要功能部件對(duì)各測(cè)點(diǎn)的噪聲貢獻(xiàn)大小。分析結(jié)果表明,發(fā)動(dòng)機(jī)、割臺(tái)、升運(yùn)器風(fēng)扇及升運(yùn)器是收割機(jī)噪聲的主要來(lái)源,為進(jìn)一步降低收割機(jī)的噪聲提供了依據(jù)。
關(guān)鍵詞:聯(lián)合收割機(jī);噪聲;分離測(cè)試;噪聲貢獻(xiàn)
1 前言
隨著社會(huì)的進(jìn)步和人們生活水平的提高,對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械的乘坐舒適性提出了越來(lái)越高的要求。這就要求對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械的設(shè)計(jì)不僅僅局限于運(yùn)動(dòng)與功能的實(shí)現(xiàn),還要在性、可靠性、乘坐舒適性等方面進(jìn)行設(shè)計(jì)與分析。駕駛室耳旁噪聲的大小就體現(xiàn)了乘坐舒適性,它同時(shí)也是聯(lián)合收割機(jī)檢驗(yàn)的一個(gè)重要指標(biāo)。
如今各大農(nóng)用聯(lián)合收割機(jī)生產(chǎn)廠商紛紛把收割機(jī)的振動(dòng)與噪聲的設(shè)計(jì)、分析放到了重要的位置,以期提高自己所生產(chǎn)產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。因此,對(duì)收割機(jī)的振動(dòng)與噪聲的實(shí)驗(yàn)研究是一項(xiàng)重要內(nèi)容。
自走式玉米聯(lián)合收割機(jī)主要由發(fā)動(dòng)機(jī)、行走機(jī)構(gòu)、割臺(tái)、螺旋輸送器、升運(yùn)器、剝皮機(jī)、振動(dòng)篩、還田機(jī)等部件組成。除行走機(jī)構(gòu)外,大部分的傳動(dòng)都采取鏈條傳動(dòng),結(jié)構(gòu)復(fù)雜,傳動(dòng)線路多。在噪聲產(chǎn)生的主要來(lái)源中,除了發(fā)動(dòng)機(jī)之外,割臺(tái)、升運(yùn)器、還田機(jī)等旋轉(zhuǎn)或傳送部件均會(huì)產(chǎn)生較大的噪聲,同時(shí),噪聲成分也比較復(fù)雜。為了識(shí)別出各部件對(duì)總體噪聲的貢獻(xiàn)程度,需對(duì)收割機(jī)進(jìn)行功能部件分離測(cè)試。
本文針對(duì)山東潤(rùn)源實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn)的某型號(hào)自走式玉米聯(lián)合收割機(jī)進(jìn)行了振動(dòng)與噪聲的實(shí)驗(yàn)測(cè)試與分析,試圖找到影響駕駛室耳旁噪聲的主要聲源,以便針對(duì)性的提出相應(yīng)降噪措施。
2 實(shí)驗(yàn)方案
根據(jù)玉米收割機(jī)各主要功能部件傳動(dòng)系統(tǒng)中運(yùn)動(dòng)傳遞的順序,通過(guò)分離各不同功能部件,組成不同的測(cè)試工況,測(cè)試收割機(jī)噪聲的大小,分析確定各功能部件對(duì)整機(jī)噪聲貢獻(xiàn)的大小,查找主要噪聲源,以利于采取相應(yīng)的降噪措施
測(cè)試位置如圖1所示,前、后、左、右測(cè)點(diǎn)距收割機(jī)中心7.5m,分別測(cè)試收割機(jī)的噪聲,另一測(cè)點(diǎn)為駕駛室駕駛?cè)藛T耳部,用于測(cè)量駕駛員的耳旁噪聲。
發(fā)動(dòng)機(jī)有多檔轉(zhuǎn)速,由于收割機(jī)各部件高速時(shí)產(chǎn)生的噪聲較大,且收割機(jī)在實(shí)際工作時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為2200r/min,所以根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)2200r/min時(shí)的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試分析。
通過(guò)分析玉米聯(lián)合收割機(jī)的結(jié)構(gòu)和傳動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn),決定針以下列部件為重點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試:發(fā)動(dòng)機(jī)、振動(dòng)篩、還田機(jī)、剝皮機(jī)、拉頸輥、升運(yùn)器、升運(yùn)器風(fēng)扇、割臺(tái)。
試驗(yàn)方法為:根據(jù)傳動(dòng)路線,依次停止不同的功能部件(包含其傳動(dòng)鏈),并進(jìn)行噪聲測(cè)試,根據(jù)測(cè)試結(jié)果分析噪聲的變化情況,確定主要噪聲源。
本此試驗(yàn)共分為8個(gè)不同工況,每個(gè)實(shí)驗(yàn)工況與其他試驗(yàn)工況相比參與工作的部件局部相同。不同試驗(yàn)工況所包含的功能部件如表1所示,例如工況2,對(duì)比工況1,割臺(tái)部件已經(jīng)停止,也就是說(shuō)在工況2的測(cè)試噪聲數(shù)據(jù)中,已經(jīng)不包含割臺(tái)的影響。再例如工況8,所有功能部件都停止,就是只剩下發(fā)動(dòng)機(jī)工作了,所測(cè)試噪聲為發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的,其它工況以此類推。
3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試與數(shù)據(jù)分析
3.1 不同工況各測(cè)點(diǎn)的噪聲數(shù)據(jù)分析
發(fā)動(dòng)機(jī)2200轉(zhuǎn)/分時(shí)不同測(cè)點(diǎn)在不同工況時(shí)的噪聲值如圖2所示。從圖中可以看出,在工況1,也就是全部功能部件均參與工作的情況下,各測(cè)點(diǎn)的噪聲指標(biāo)均超過(guò)了標(biāo)準(zhǔn)要求。同時(shí),右側(cè)噪聲明顯高于其它測(cè)點(diǎn)的噪聲,這一方面是發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲的影響,另一方面是因?yàn)樵撔吞?hào)的收割機(jī)大部分傳動(dòng)鏈條均布置于右側(cè)的原因。
3.2 功能部件對(duì)不同測(cè)點(diǎn)的噪聲貢獻(xiàn)分析
從表中可以很容易的看出各功能部件對(duì)總體的噪聲貢獻(xiàn)大小,其中按耳旁噪聲來(lái)說(shuō),發(fā)動(dòng)機(jī)、升運(yùn)器和割臺(tái)對(duì)駕駛室內(nèi)的噪聲貢獻(xiàn)。
3.3 不同工況噪聲的頻率分析
頻率分析的目的是分析不同工況下,噪聲信號(hào)頻率結(jié)構(gòu)的變化,從而確定哪些頻率成分主要是哪些功能部件引起的,以進(jìn)一步明確噪聲的來(lái)源。
由于傳動(dòng)系統(tǒng)主要布置于機(jī)器右側(cè),從前面的試驗(yàn)中得知,右側(cè)的噪聲值較高,因此噪聲數(shù)據(jù)的頻率分析主要是從右測(cè)點(diǎn)處采集的。
噪聲數(shù)據(jù)的頻率分析有4種。第1種是聲級(jí)計(jì)輸出信號(hào)的線性頻譜,表示信號(hào)各頻率分量幅值的相對(duì)關(guān)系。第2種是經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換的噪聲的聲壓級(jí)密度譜,表示各頻率成分聲壓級(jí)的大小,。第3種是1/3倍頻程分析的聲壓級(jí)曲線,從該曲線上可以較容易看出噪聲大小的頻率范圍。第4種是A計(jì)權(quán)的1/3倍頻程分析的聲壓級(jí)曲線,它反映了人耳的聽(tīng)力特性。
由于數(shù)據(jù)量較大,下面僅列出比較有代表性的工況2和工況3來(lái)說(shuō)明。圖3-4分別是工況2和工況3的頻譜圖;圖5-6分別是對(duì)數(shù)坐標(biāo)下,噪聲的聲壓級(jí)密度與頻率的關(guān)系。根據(jù)各工況間噪聲信號(hào)的頻譜曲線及各主要功能部件的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)速,可以很容易找到各功能傳動(dòng)部件的特征頻率。
圖7-8分別是工況2和3的1/3倍頻程聲壓級(jí)曲線,從曲線上可以較容易看出某段頻率范圍內(nèi)噪聲的大?。粓D9-10分別是工況2和3的A計(jì)權(quán)1/3倍頻程聲壓級(jí)曲線??梢钥闯?,小于500 Hz的低頻噪聲經(jīng)過(guò)A計(jì)權(quán)有較大的衰減,而高頻成分1475 Hz、1612 Hz、1794 Hz不僅沒(méi)衰減,反而有所增大,而且這三個(gè)噪聲頻率正是發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的,是整個(gè)收割機(jī)噪聲的主要成分。
圖7-8分別是工況2和3的1/3倍頻程聲壓級(jí)曲線,從曲線上可以較容易看出某段頻率范圍內(nèi)噪聲的大?。粓D9-10分別是工況2和3的A計(jì)權(quán)1/3倍頻程聲壓級(jí)曲線??梢钥闯?,小于500 Hz的低頻噪聲經(jīng)過(guò)A計(jì)權(quán)有較大的衰減,而高頻成分1475 Hz、1612 Hz、1794 Hz不僅沒(méi)衰減,反而有所增大,而且這三個(gè)噪聲頻率正是發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的,是整個(gè)收割機(jī)噪聲的主要成分。
由以上分析得出,各功能部件對(duì)收割機(jī)噪聲的影響程度如表3所示,表中數(shù)據(jù)包含噪聲貢獻(xiàn)量及其頻率成分。
通過(guò)不同工況的噪聲頻率分析也可以看出:發(fā)動(dòng)機(jī)、割臺(tái)、升運(yùn)器對(duì)駕駛室耳旁噪聲的影響較大,這與前面的分析是一致的。
4、主要措施
為了有效地控制玉米收割機(jī)的振動(dòng)噪聲,針對(duì)收割機(jī)各功能部件振動(dòng)噪聲的特點(diǎn),采取不同的減振降噪措施。
?、?、滾子鏈條傳動(dòng)
在收割機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)中,大量采用滾子鏈條傳動(dòng),且鏈輪數(shù)量多。但由于其多邊形效應(yīng),滾子鏈傳動(dòng)存在沖擊振動(dòng),尤其是高速鏈輪(包含張緊輪),是整機(jī)振動(dòng)噪聲的主要振源。假設(shè)每個(gè)高速鏈輪產(chǎn)生的噪聲大小相同,10個(gè)鏈輪,就會(huì)使整體噪聲增加10分貝。因此,降低鏈條傳動(dòng)沖擊噪聲是降低整機(jī)噪聲的主要因素之一。參照論文“滾子鏈低噪聲試驗(yàn)與研究”中的橡膠滾子鏈條進(jìn)行試驗(yàn),同時(shí)對(duì)高速鏈輪,采用噪聲較小的齒形鏈傳動(dòng),可是噪聲降低8-10dB(A)。
?、?、發(fā)動(dòng)機(jī)支承
發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生較大的振動(dòng)噪聲,由于其是外購(gòu)件,因此,只能對(duì)其進(jìn)行隔振、隔聲處理,減小其振動(dòng)噪聲向其它構(gòu)件的傳遞。因此,對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)支承進(jìn)行有限元分析,計(jì)算其振動(dòng)模態(tài),如圖11所示,并通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試支承墊上下的振動(dòng),如圖12所示,分析其相干功率輸出,優(yōu)化支承墊的剛度,從而減小發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)向機(jī)架的傳遞。
發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)風(fēng)扇也是主要噪聲源,由旋轉(zhuǎn)噪聲、渦流噪聲組成。旋轉(zhuǎn)噪聲是由于旋轉(zhuǎn)葉片周期性的切割空氣,引起空氣周期性壓力脈動(dòng)產(chǎn)生的,該噪聲主要與風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速、葉片數(shù)和夾角等因素有關(guān)。
渦流噪聲是因?yàn)轱L(fēng)扇旋轉(zhuǎn)使周圍的空氣產(chǎn)生渦流,這些渦流又因?yàn)檎硿Φ淖饔梅至褳橐幌盗歇?dú)立的小渦旋,這樣會(huì)形成壓力波動(dòng),從而產(chǎn)生噪聲。渦流噪聲的大小主要取決于葉片的形狀和風(fēng)扇的工作條件。
將發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇及散熱器用罩密封起來(lái),進(jìn)氣口開(kāi)在罩的上面,并進(jìn)行格柵處理,減小噪聲向側(cè)向的傳遞。
?、?、駕駛室降噪優(yōu)化
玉米收割機(jī)駕駛室內(nèi)耳旁噪聲的大小就體現(xiàn)了乘坐舒適性,標(biāo)準(zhǔn)對(duì)此也作了規(guī)定。降低駕駛室噪聲對(duì)于改善司機(jī)人員的工作環(huán)境,提高工作效率,并提高產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力有重要意義。
針對(duì)潤(rùn)源玉米收割機(jī)的駕駛室,采用有限元計(jì)算了其振動(dòng)模態(tài)及隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng),圖13是駕駛室的振動(dòng)模態(tài),根據(jù)分析對(duì)駕駛室后壁等薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行改進(jìn),以減少駕駛室的二次振動(dòng)噪聲。
為了進(jìn)一步降低駕駛室內(nèi)的噪聲,改善駕駛?cè)藛T的工作環(huán)境,利用VAOne建立了駕駛室的統(tǒng)計(jì)能量法聲學(xué)分析模型,如圖14所示,并依此為基礎(chǔ),對(duì)于現(xiàn)有司機(jī)室的噪聲水平進(jìn)行了分析計(jì)算,進(jìn)而通過(guò)隔聲、隔振原則,提出了司機(jī)室的噪聲優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。對(duì)司機(jī)室噪聲在125Hz以下主要由于振動(dòng)激勵(lì)引起;在125~500Hz既受聲激勵(lì)影響,又受振動(dòng)激勵(lì)影響;在500~5000Hz,主要受聲激勵(lì)影響。對(duì)于司機(jī)室內(nèi)噪聲水平,其更多受到外部噪聲水平的影響。增大阻尼與增加板厚作用類似,能夠降低50~500Hz范圍內(nèi)噪聲,但對(duì)高頻噪聲影響較小;同時(shí),高頻噪聲的產(chǎn)生主要受到司機(jī)室泄漏的影響,改善司機(jī)室的密閉性可以有效的降低高頻噪聲。通過(guò)增加壁厚,減少泄漏量,增加阻尼,可使得司機(jī)室整體噪聲水平下降6dB(4.2dBA),使得司機(jī)室內(nèi)噪聲達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求85dBA。
?、?、改進(jìn)隔聲板的隔聲效果
降低玉米收割機(jī)側(cè)擋板振動(dòng)產(chǎn)生的二次噪聲。在側(cè)擋板上不應(yīng)開(kāi)孔,增加吸聲材料以減少噪聲的輻射;增加側(cè)板的厚度提高隔音效果;采用隔振安裝,盡量減小板的振動(dòng)。
?、?、提高玉米收割機(jī)零部件的制造、安裝精度
鏈條傳動(dòng)的裝配質(zhì)量不好,不僅會(huì)造成工作時(shí)掉鏈子,增加磨損等故障,同時(shí)影響噪聲的大小。提高傳動(dòng)系統(tǒng)零部件的制造精度,對(duì)高速轉(zhuǎn)動(dòng)零部件,進(jìn)行動(dòng)平衡檢查。在保證加工質(zhì)量的前提下,裝配時(shí),檢查并保證鏈傳動(dòng)的鏈輪與軸線的垂直度、孔徑精度及軸線之間的平行度等指標(biāo),采用一些專用工具進(jìn)行裝配精度的檢驗(yàn),減小了振動(dòng)噪聲。
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