内燃叉车进气系统消声性能改进设计分析

曾优连

摘 要：内燃叉车在作业的时候会产生很大的噪音，驾驶人长期在噪声很大的环境下工作，很容易对驾驶人身心健康造成危害，同时也影响周围的环境。所以，对内燃叉车进行降噪处理十分重要。排气消声器是降低内燃叉车噪音常用的方法。本文主要分析了消声器设计方法、进气系统改进设计、声学有限元仿真等进行了探讨。

关键词：内燃叉车；进气系统；消声性能；改进设计

中图分类号：TH24 文献标识码：A

1.消声设计计算方法

1.1 阻性消声器的计算方法

空气滤清器在内燃叉车进气系统中具有阻性消声作用，空气滤清器的滤芯材料大多都是多孔吸声的纤维材料，最简单的阻性消声器是圆管式消声器。计算公式如下：

其中：P表示管道横截周长，S表示管道横截面积，ɑ表示正入射的吸声系数，l表示消声器的长度，D表示管径。?ɑ则与材料的吸声系数?ɑ有关的吸声系数。

1.2扩张式消声器的计算方法

扩张式消声器主要通过管道中声波在横截面扩大或者缩小发生反射导致噪音的衰减。单节扩张时消声器声量的计算公式如下：

其中L表示扩张时长度；K表示波数，K=，其中表示声波波长；m表示扩张比，扩张比m=SD/Sd，SD表示扩张腔的横截面积，Sd表示管道的横截面积。从公式中可以看出单节扩张式消声器的消声性能与正弦波形，如果Kl是π/2的奇数倍，则sin（Kl）=1，这个时候的消声量最大；如果Kl是π/2的偶数倍，sin（Kl）=0，这个时候的消声量最小，其对应的频率为通过频率。单节扩张式消声器的通过频率呈周期性，用内插管的方式可以消除通过频率。如果插入的管道长度在L/2，可以有效地消除1/2波长的奇数倍通过频率，如果插入的管道长度为L/4，则可以消除1/2波长偶数倍的通过频率。

1.3 赫姆霍兹共振消声器的计算方法

赫姆霍兹共振消声器以共振频率为中心，在一定范围内起到消声作用。其单节共振消声器的共振频率公式为：

其中，f表示共振频率，S表示连接管的横截面积，V表示共振腔体积，l为连接算的长度。

2.进气系统改进设计

本文研究的内燃叉车进气系统包括空气滤清器、扩张式进气消声系统器和进气管路，立柱作为车架的一部分，也属于进气管路的一部分。通过实验测试进气系统噪声，发现进气噪音最大的频段是：60Hz～100Hz、250Hz～350Hz、500Hz～800Hz。频率噪音最多的分别为：87Hz、320Hz、659Hz、890Hz等。以实验结果为改进依据，对进气系统消声器、空气滤清器以及进气管进行改进。

2.1 进气消声器改进设计

通过车架的连接腔将原来的消声器空气入口端与立柱管道连接，空气滤清器与空气出口端连接，开口向上。进气消声器设计为阶梯型，中间连接处为斜面，这样可以避免车架和空气滤清器的干扰。对进气消声器改进方法如下：第一，利用车内的进气消声器的空间，增加进气消声器的体系V，从而获得最大的扩张比m。第二，为了提高横截面的声阻抗效果，去掉原来进气消声器的斜面，扩大扩张腔的体积。第三，在空气入口端插入管道，消除通过频率。

2.2空气滤清器改进设计

空气滤清器不仅有净化空气的作用，而且还有吸声作用，受到空气滤清器空间的限制，空气出入口位置、腔体的横截面积以及扩张比也无法改变，所以只能增加腔体的长度，扩大腔体的体积，从而获得低频消声。原来的空气滤清器腔体的长度为300mm，改进以后，空气滤清器的腔体长度为360mm，也就是扩大了腔体20%的体积。

2.3进气接管改进设计

空气滤清器内置进气管，气流被管道切成两股并由出口处汇入到发动机。进气接管结构是一段不规则的管路，管内横截面积没有什么变化，消声功能不明显，这是由发动机结构和接管安装位置决定的。改进进气接管去掉分流结构，在管道的两侧设计特殊频率的赫姆霍兹共振腔A、B，改进以后其结构参数见表1。

3.声学有限元仿真

改进以后的进气系统具有一定的复杂性和不规律性，为了确保进气系统的稳定性，还需要对其进行性能分析，传统的计算方法不适合复杂的结构，因此采用声学有限元仿真技术进行分析。通过仿真软件Virtual Lab软件对原有的进气系统和改进后的进气系统进行声学有限元分析，在分析的时候忽略流体和刚体之间的耦合作用，设置条件为：第一，将壁面设置为无反射刚性壁面。第二，施加单位质点速度在入口处。第三，出口处施加全吸声。然后将其进行仿真实验。实验中发现改进的进气系统传递损失比原来的进气系统有所提高，尤其在中、低频段280Hz～340Hz消声大幅度的提高，在中、高頻段提高比较大，其中以750Hz～850Hz特别明显。通过声学有限元仿真实验，发现改进方法符合设计要求。

4.试验结果与分析

改进以后，进气系统进气口的声压等级明显降低，在怠速工况下下降了2.78dB；发动机最高速度工况下，下降了3.16dB。在怠速工况下，低频段的噪音在下降的更低，中心频率在80Hz～160Hz频段消声效果达到了2dB～3dB；在中、高频段的消声效果比较明显，315Hz、630Hz、800Hz这3个频段降噪量达到了5dB以上；发动机最高速度运行过程中，中、高频段中心频率315Hz和500Hz的频段消声效果为1dB～2dB，但是400Hz～800Hz频段的降噪效果最佳，达到了5dB～8dB。从这可以看出，改进以后的进气系统消声效果比较明显，在发动机怠速和最高速度下，消声效果基本能达到2dB～3dB，部分频段的消声效果达到了5dB。因此，此改进方案完全符合设计内燃叉车进气系统消声性能改进的要求。

结语

目前大部分的降低内燃叉车噪音最直接的方法就是安装性能较好的消声器，消声器的内部消声结构和材料能够将发动机排出的气体进行反射或者转化为热能。本文通过对内燃叉车进气系统进行改进，在进气消声器中插入管道扩大体积，增加空气率清晰的腔体长度，在进气接管的重点频率使用赫姆霍兹共振消声器，经过测试发现改进方案完全符合设计要求。

参考文献

[1]沈苏艺，翁泽宇，李明辉，等.内燃叉车进气系统消声性能改进设计研究[J].机电工程，2015，32（10）：1335-1339.

[2]谭雅仙，李其朋，陈翔宇，等.内燃叉车扩张式进气消声器分析与改进[J].制造业自动化，2016（6）：150-152.endprint