活塞式气动马达噪声特性分析

郑 恒，张艳锋，王景祥

（内蒙古工业大学 机械学院，内蒙古 呼和浩特 010051）

活塞式气动马达噪声特性分析

郑 恒，张艳锋，王景祥

（内蒙古工业大学 机械学院，内蒙古 呼和浩特 010051）

活塞式气动马达的振动和噪声是影响马达工作性能的重要因素。文章针对现有气动马达存在的噪声问题，以理论分析为主要研究方法，研究了活塞式气动马达噪声的产生机理及其振动特性。理论分析表明气体流动噪声、结构表面振动噪声和机械噪声是气动马达产生噪声的主要来源，此为气动马达的噪声控制提供了思路和方法。

气动马达；噪声；工作性能

山东泰安巨菱钻探装备有限责任公司生产的气动载人绞车，通过5×135气动马达作为动力传动机构来完成绞车的载人工作，压缩空气是5×135气动马达的主要动力源，气动控制阀集成了气动回路。当控制阀开启时，压缩空气依次通过安全阀、换向阀、和配气阀进入气缸内，在气缸内膨胀对活塞做功，活塞通过连杆将作用力传递到曲轴，带动曲轴做旋转运动。配气阀与曲轴通过销连接，随曲轴一起运动，根据配气相位为各气缸分配压缩气体。目前，国内活塞式气动马达配气系统的设计和制造，使气动马达的噪声和振动比较大，对马达的工作性能造成了一定影响[1]。

1 活塞式气动马达噪声产生机理

气动马达是一个复杂的机械系统，主要由控制阀、活塞、曲轴连杆、壳体等组成。气动绞车在提升重物过程中，马达的各零件受到不同的激励，会产生的不同的振动方式。因此马达在正转和反转时，产生的噪声是十分复杂的。马达整机噪声就是和马达运转过程密切相关的多种声源发出的零部件噪声组合而成的[2]。根据气动马达的工作原理及有关的声学理论，分析气动马达的主要噪声源是空气流动噪声、结构表面振动噪声和机械噪声。其中，空气流动噪声是气动马达直接向大气辐射的噪声，是由气流振动产生的[3]。气动马达在工作过程中，配气阀在给各气缸供气时，由于配气阀随曲轴做旋转运动，气流发生振动而产生了气体动力噪声，并通过大气直接对外辐射。结构表面振动噪声，是马达各零部件在运动过程中表面振动以及气体推动活塞做功时振动而产生的噪声，主要来源是马达的薄壁件和不平衡运动件产生的表面振动噪声。气动马达在工作过程中，由于曲轴旋转产生周期性的力作用以及活塞和连杆的往复力，各零部件之间会产生无数轻微的机械撞击和振动，这些轻微振动通过马达整机传递，形成了马达整机振动。这种振动的主要原因是由于机械运动产生的，故称为机械噪声。

2 噪声分析及控制

气动马达的噪声主要来源于进排气时气流振动产生的气体（空气）动力噪声，马达在运转过程中，由于曲轴、连杆和活塞产生的往复惯性力而造成的机械振动，马达整体结构中薄壁件产生的表面振动噪声。

2.1 气体流动噪声分析及控制

气动马达的气体流动噪声，主要是由于压缩空气在进入控制阀之后，在阀内部流道流动时，以及气体在对活塞做工时产生了气体流动噪声。因此主要分析马达控制阀进气和排气噪声。

进气噪声主要是当马达控制阀开启时，安全阀打开，气体通过安全阀和换向阀，进入配气阀，在此过程中，气体产生了很大的压力变化而造成振动。压缩空气流经控制阀内气道的压力脉动；气体在流经气道的较小的流通截面时，会产生喷注效应，气体高速流动而产生高频噪声；在气缸内，压缩空气在膨胀做功时产生的振动。对于进气噪声的振动，可以通过CFD数值模拟软件对气动马达控制阀的气体流动特性进行分析研究，优化控制阀气体管道结构，减小气体流动过程中产生的振动，控制进气噪声。排气噪声主要是有压缩空气在对活塞做功之后，气体在活塞推动作用下，从马达内部排出时产生的气流变化引起的。实际使用5×135气动马达过程中，观察到排气噪声是气动马达中最严重的气体噪声源。配气阀在排气过程中，分为一次排气和二次排气，一次排气和二次排气会形成周期性的变化，这种周期性变化产生了气体的周期性振动，是排气噪声的主要噪声源。排气时气体是高速流动的，与控制阀气体管道、缸壁形成气固摩擦，在配气阀芯以及一次排气和二次排气汇合处形成的涡流，这些流动过程中气体的流动状态变化而产生的振动,是排气噪声的次要噪声源。排气噪声的控制是复杂的，而且要满足气动马达的工作要求，一些噪声的产生是不可避免的。在排气管道末端安装消音器,依然是降低排气噪声最有效、最简单的措施。

2.2 机械噪声分析及控制

马达的机械噪声，是指由于机械撞击和惯性力的作用而产生振动形成的噪声。机械的各零部件之间存在间隙，在这些零部件运动之后，各零部件产生撞击而形成噪声。气动马达是由五个气缸星型布置的，当气动马达正转时，活塞、连杆以及曲轴会形成不平衡的惯性力，活塞和连杆还会形成往复力，这种力会随着转速的升高而增大，不平衡力会产生马达整机的振动。一台气动马达有成百上千的机械零件，马达工作时，由于各零件之间的撞击、摩擦、不平衡力引起零件的振动，特别是当振动频率与机件的固有频率相同时，会引起激烈的共振和噪声。马达的活塞在气缸内往复运动，当活塞在上止点和下止点时，在垂直于活塞运动方向上的作用力发生了改变，而这种周期性变化的力会对气缸缸壁产生冲击，造成活塞和气缸壁的振动。连杆是传递作用力的重要零件，连杆一端与活塞连接，一端与曲轴连接，活塞做往复直线运动，曲轴做旋转运动，连杆做摆动运动。连杆在连接处形成了很大的冲击力，构成了一个机械振动噪声源。通过对气动马达曲轴进行动平衡分析，可以有效降低动不平衡产生的振动噪声。

2.3 结构表面振动噪声分析及控制

马达的气体流动振动力和机械撞击振动力，通过通过各种结构零件传递到马达的外表面上，形成结构表面振动噪声。薄壁零件和悬臂零件由于自身的惯性小，更容易形成结构表面的振动，形成表面辐射噪声。马达壳体本身是不会振动的，但是由于内部活塞和连杆振动传递至壳体的振动，使得马达壳体表面形成辐射噪声。马达控制阀内的配气阀芯随曲轴做旋转运动时，压缩空气对配气阀芯产生了气体冲击，阀芯产生了不规则的振动，这种振动通过各种零件传递至阀体表面，形成了辐射噪声。噪声的大小主要与机械的振动频率有关，因此，随着马达转速的上升，结构表面振动噪声也会增加。可以通过增加结构刚度和阻尼，为薄壁件和悬臂件增加肋板等方式有效的降低结构表面的振动噪声。

3 结束语

文章针对目前的活塞式气动马达，阐述了马达机构特点和工作原理的基础上，分析和探讨了马达噪声源的振动特性。分别从空气流动噪声、机械噪声和结构表面振动噪声三个方面进行了详细地振动分析，并提出了降低噪声的方法。在不影响气动马达工作性能的基础上，对马达噪声的控制，可以有效提高马达的整机运行水平，对工程实际应用有着重要的意义。进一步的研究可以针对活塞式气动马达制定整机噪声的声强测试实验方案，测试马达的噪声声强。依据实验结果，分析马达各工况下的噪声辐射情况，利用声强云图和声功率排序法得到整机噪声分布情况，为下一步的噪声控制奠定基础。

[1]方奕栋,李道飞,杨阳,等.气动发动机进气过程流动损失分析[J].内燃机工程,2013,34(3):88-92.

[2]温华兵,徐文江,鲍苏宁,等.柴油机废气涡轮增压器噪声机理及性能试验研究[J].内燃机工程,2013,34(1):76-80.

[3]VerseegHK,Malaasekera W.An Introuduction Computational Fluid Dynamics[M].北京:世界图书出版公司,2003.300-310.

U673.38

A

1671-3818（2016）04-0061-02

郑恒(1990-)，男，内蒙古呼和浩特人，硕士研究生，研究方向：动力机械。