液压挖掘机噪声源识别经验

蔡 文

（广西柳工机械股份有限公司，广西 柳州545007）

工程机械在工作的过程中会向周围空间辐射噪声，这些噪声对周边的环境造成噪声污染，同时也会影响到驾驶员的操作舒适性。绿色、节能、环保是当今及未来工程机械发展的必然趋势。发达国家尤其是欧洲和北美国家早已立法规定了各种工程机械的噪声极限。一旦有企业因产品不达标，其将会受到严厉的惩罚。我国工程机械如果出口到上述那些国家，也必须满足当地政策法规的要求。从2015年1月1日开始，我国土方机械实施二阶段噪声限值[1]。 该法规体现了国家对工程机械辐射噪声的要求更加严格。我国各主机企业对液压挖掘机噪声的研究起步较晚，需要在这一领域加大投入持续优化。噪声是由振动产生的，而振动又会给液压挖掘机带来负面的影响。振动会影响到液压挖掘机的工作稳定性、产品耐久性和驾驶员的操作舒适感。振动和噪声都是使人体感觉不舒服的因数。液压挖掘机工作时噪声源有发动机噪声（包含进气噪声、排气噪声、燃烧噪声、连杆机构运动噪声等）、风扇噪声、液压主泵噪声、液压主阀、液压油缸等液压系统噪声、结构件运动噪声等等。

常用的噪声源识别方法从简单到复杂，分别有：传统识别方法、时域分析法、频域分析法、时频分析与小波分析法、声强测量法、声全息法和波束形成法。近几年来出现的噪声源识别前沿技术，几乎都具有可视化、信息化、智能化的特点。其测量系统一般由传声器阵列、数据记录器、笔记本电脑加软件构成[2]。噪声源识别的方法有这么多，但实际应用时要根据实际对象和作业工况灵活采用一种或几种合理的方法，以快速、准确、低成本地识别出主要的噪声源。

工程机械对噪声有要求，也要经常检测噪声，但没有汽车等行业对噪声的要求那么苛刻，并且一般工程机械企业在噪声测试设备方面的投入也远远没有汽车行业大，缺乏昂贵的专业设备。本文以某款液压挖掘机试验样机为例，针对液压挖掘机的特点，通过简单易操作的时域和频域的分析法快速地对液压挖掘机机外辐射噪声数值进行分析，找出各个噪声源对整机机外辐射噪声贡献值的大小，甄别主要噪声源，为下一步控制整机噪声提供理论依据。

1 某款液压挖掘机试验样机的结构与参数

该挖掘机操作重量为6.8 t，属于小型液压挖掘机。挖掘机的一般工作方式为定点作业方式，需要远距离转场时要使用拖车来运输。该机整机运输尺寸小，即使用小型农用拖拉机也可方便将其运输转场。挖掘力大，作业范围大，可适用于各种工况，尤其是农林水利建设、城市园林绿化、市政道路建设等等。机器结构及其主要动力元件发动机、液压主泵见图1～图3。

图1 整机

图2 发动机和风扇

图3 液压主泵

整机主要参数见表1。

表1 整机参数

2 机外辐射噪声强度测试

根据相关标准，测量整机基本长度，见图4[3-4]。根据整机基本长度，确定测试点位置，见图5[3-4]。为简化试验，取1～4位置作为测试点。

图4 整机基本长度

图5 测试点

使用TES1358积分式声级计测试挖掘机机外辐射噪声1～4四个测点噪声强度。结果如表2所示。

表2 整机噪声测试结果

根据表2的测试结果，得到定置工况时整机声功率级机外辐射噪声为99.66 dB（A），挖掘工况时机外辐射噪声为101.35 dB（A）。

根据土方机械噪声限值国家标准，发射声功率级二阶段限值必须≤81.5+11*lg P（P为发动机净功率 kW）[1]。

该试验样机发动机净功率为45 kW，噪声限值≤ 99.7 dB（A）。由以上得知，该机机外辐射噪声较高，挖掘工况已略超过法规限值。定置工况时，机外辐射噪声为99.66 dB（A）；挖掘工况时机外辐射噪声已经达到101.35 dB（A）。挖掘机上的噪声源有发动机、风扇、液压主泵、构件等等，究竟那些噪声源是主要的噪声源，目前还不清楚，需要进一步做频谱分析。

3 机外辐射噪声频谱测试

3.1 测试目的和方法

频谱测试目的：寻找、区分不同的噪声源，为控制噪声提供研究方向。

测试方法：使用LD3000+频谱分析仪测试挖掘机机外辐射噪声1～4四个测点频谱。

3.2 测试数据

为了测得最大噪声值，需要把发动机油门调到最大，分别测量定置工况和挖掘工况时的噪声值。

通过表3，可以清楚地看到最大油门定置工况时各个测试点的峰值及其对应的频率。并且在600 Hz以下频段时，各个测试点测到的峰值频率一样。

表3 最大油门定置工况测试数据

通过表4，可以清楚地看到最大油门挖掘工况时各个测试点的峰值及其对应的频率。并且在600 Hz以下频段时，各个测试点测到的峰值频率一样。

表4 最大油门挖掘工况测试数据

3.3 测试结果分析

主要零部件工作频率计算：

最大油门时，发动机最大转速为2 380 r/min，则发动机点火基频：

式中n1为发动机气缸数；r为发动机转速r/min。

液压主泵为柱塞泵，柱塞数为10，则液压主泵工作频率：

式中n2为主泵柱塞数。

发动机风扇为8叶，风扇-发动机速比为1.1∶1，风扇工作频率：

式中t为风扇与发动机速比，n3为风扇叶片数

3.4 甄别噪声源

由表3、表4读出各峰值频率及对应的噪声值，得到表5。

表5 噪声源频率及峰值分析

用表3、表4得到的各峰值对应的频率值与上节计算的各零部件工作频率及其阶次频率对比，如果非常接近，则该噪声判为由该零部件产生。

由序号1～3可见，各测试谱中都可以明显看到前几阶发动机点火频率峰值，而且这些峰值几乎都是最高峰值。它们主要来源于排气系统，排气噪声是最主要的噪声源。

序号5～6分别是液压主泵的1、2次阶频，峰值较小，不是主要矛盾。

由序号7可知，风扇的1阶次频率所产生的噪声值也很大，不可忽视。

序号8～13是一些略小的峰值，可以排除它们不是由发动机排气、风扇和液压主泵所产生的。它们可能是由发动机本身的表面辐射或者由构件的振动、液压系统噪声等原因产生。由于峰值较小，不是解决噪声问题的主要矛盾，可以忽略。

综上分析，该挖掘机主要噪声为发动机排气噪声，其次是风扇噪声，再次是泵噪声。需要采取措施降低排气噪声和风扇噪声。

4 结束语

计算液压挖掘机各个工作零部件的工作频率，例如发动机点火频率、发动机风扇运转频率、液压主泵的工作频率、挖掘回转工作频率等，然后与频谱仪实际测试出来的频谱峰值对比，就能判断出那个噪声峰值是由那个零部件所产生。对峰值最大的那几个零部件采取必要的降噪措施。

频谱分析能够快速、有效地甄别出不同的噪声源，为下一步的噪声控制提供理论指导。针对不同的噪声源，就可以有目的地采取不同的措施，从而达到事半功倍的效果。假若排气噪声是最主要噪声源，降噪首先需要解决的就是设计一个低噪声消声器，降低排气噪声；如果风扇噪声是最主要的噪声源，降噪的首要工作就是设计一款噪声更低的风扇，或者视整车散热情况降低风扇转速等待。如果发动机机体本身辐射噪声是主要噪声源，就要选取吸声效果好的高效吸声材料，以提高后罩的降噪效果。