煤矿用防爆柴油机噪声分析

张春英

(中国煤炭科工集团 太原研究院有限公司， 山西 太原 030006)

0 引言

随着防爆车辆在煤矿井下使用量的迅速增加，防爆柴油机作为其主要的动力源得到了广泛的应用[1-3]。防爆车辆的大量应用，导致煤矿井下防爆车辆的噪声问题日渐突出。治理防爆车辆噪声问题的前提是准确识别出防爆车辆的主要噪声源。在对防爆车辆的噪声测试中发现，防爆柴油机是主要的噪声源之一,其各部件所辐射出的噪声合成了防爆柴油机的噪声。因此，要解决防爆柴油机的噪声问题，就必须找出防爆柴油机辐射最大噪声的部件或部位，然后对这些主要的噪声源采取行之有效的措施，来降低防爆柴油机的噪声。

1 噪声测试方法的探索

煤矿井下用防爆车辆的噪声测试方法有逐步运转法、噪声信号处理法、声音通道法、近场噪声压扫描法和噪声强度法等[4]。逐步运转法和近场噪声压扫描法的精度比较低，一般只用在近似性评估场合。声音通道法虽然精度较高，但测量成本较高，一般也较少应用。而噪声强度法是通过对零部件的表面振动情况测试其噪声强度数值，然后对所测试的表面在一个封闭范围内进行积分，通过积分可有效地把所测零部件周围环境的干扰消除掉。由于不需要考虑特定的噪声环境，所以用噪声强度法测试煤矿用防爆柴油机的噪声是合理的。本文采用噪声强度法测试煤矿用防爆柴油机各个零部件所辐射出来的噪声，然后从这些噪声中找出防爆柴油机噪声的主要来源。

2 防爆柴油机噪声强度法测定计算方法

噪声强度法在测定防爆柴油机的各个零部件表面辐射噪声时,其结果比较准确且受其他因素的干扰较少，但该方法所用的测试设备一般都比较昂贵，使其应用受到一定的限制。这种测试方法一般分为等值噪声强度线法、噪声功率排序法及噪声连续扫描法3种。大部分情况下是采用噪声功率排序法和噪声连续扫描法这两种方法。本文采用噪声功率排序法来测试矿用防爆柴油机的噪声。在防爆柴油机所测试的噪声场中取其中任意一点，此点上与速度方向垂直的单位面积单位时间内瞬时穿过的噪声能量就是瞬时声强,即

IFr=pF×uFr

(1)

在防爆柴油机的噪声实验室中，用仪器测定的瞬时声强的计算平均值为：

(2)

式中:pF(t)为声压在防爆柴油机某点上的r传播方向上的瞬时值；uFr(t)为某点在空气中r传播方向上的瞬时速度值；T为声波周期的整数倍。

噪声强度测试系统测试时,通常使用双声音传感器，这两个传声器是完全相同的,且它们之间的距离是Δr。这两个完全相同的传声器分别所测定的噪声压强值为p1和p2，故

(3)

(4)

将式(3)、(4)代入式(1)得:

(5)

式(5)所表示的就是测试煤矿用防爆柴油机噪声强度的工作原理。本文采用HZ12-AWA6290S型声强测试仪进行测量，在测试防爆柴油机的噪声功率时，需要先找一个测量面，该测量面在防爆柴油机上且与噪声源的距离为18 cm左右，这个测量面就是假设的测量基准面。防爆柴油机被这些假设的噪声测量包围面上下左右前后各个方向围起来，在这些包围面上布置多个不同的测试点，在左面和右面包围面上布置主要的的噪声测试点，然后再在上、下面包围面及油底壳下部面上布置次要的噪声测试点。测试点的疏密程度因防爆柴油机的局部部件的位置不同而不同，比如在喷油泵的附近、水冷涡轮增压器的附近和油底壳的附近测试点稍微密一点。在以上各个测量面上,按照先左后右、先下后上的原则布置各个噪声测试点，噪声测试点在各个测量面的的具体布置如图1所示。

在声强试验过程中，将防爆柴油机的排气管引至实验室外，消除其排出废气的紊流噪声，在进气管的端部安装空气过滤器。防爆柴油机的测量工况为：转速2 200 r/min、功率130 kW,然后先扫描测试防爆柴油机的上面和下面两个面，接着扫描测试防爆柴油机的左面和右面两个面，最后扫描测试防爆柴油机的前面。测试时要用声强测试仪的探头逐点从左向右、从下向上拾取防爆柴油机表面的噪声信号，将测量的数据进行记录和保存，然后用分析软件进行数据处理。

图1 防爆柴油机噪声测试点在各个测试面上的布置

3 防爆柴油机噪声功率的具体测定及计算

首先通过实验测出防爆柴油机的各个测量面的声强值，然后计算各个表面部件的声功率，再采用声功率排序的方法对防爆柴油机的噪声源进行识别。本文先用噪声强度法分别对矿用防爆柴油机的各个组成部分计算其噪声功率，然后对防爆柴油机整机噪声功率进行评定。先对测试仪器测得防爆柴油机各个测试点所得的测试信号分别进行计算，计算值就是各个测试点的噪声强度值，然后找出这些测试点所在部分的投影面积，可求出组成防爆柴油机的各个零部件的局部噪声功率值，具体见下式：

WFi=Ini×SFi

(6)

式中:WFi为防爆柴油机各组件所有测量面中第i个测量面的局部噪声计算功率；Ini为防爆柴油机各组件所有测量面中第i个测量面上噪声强度在各个单元面上法向分量的平均值；SFi为防爆柴油机组件所有单元面中第i个单元面的总面积之和。

将上述计算所得的噪声功率值代入式(7)中，便得出防爆柴油机单元面上各个噪声源的噪声功率级。

Lw=10 lgWFi/WF0

(7)

式中:WF0为基准声功率，10-12W。

4 防爆柴油机上主要的噪声来源

矿用防爆柴油机中组成部件噪声的噪声功率是由防爆柴油机各个计算单元上的各个噪声功率计算得出。图2、3、4、5所示为防爆柴油机各组件的噪声功率级，图中深色区域为防爆柴油机总成表面上各个部件测定的噪声功率级中噪声较高的区域，是防爆柴油机表面噪声的主要来源。

图2 防爆柴油机右侧噪声投影

图3 防爆柴油机左侧噪声投影

图4 防爆柴油机上方噪声投影

图5 油底壳下方噪声投影

表1所示为防爆柴油机各个零部件所辐射噪声在防爆柴油机总体评价噪声中的占比值。从表1中可以发现，柴油机喷油泵、防爆空压机、水冷防爆涡轮增压器及防爆油底壳是矿用防爆柴油机整体噪声源中的主要噪声源。防爆柴油机机体的噪声占比值最大，为33.02%。要降低防爆柴油机的整体噪声时,应首先考虑降低防爆柴油机机体所辐射的噪声。

防爆柴油机喷油泵和防爆油底壳所产生的噪声是防爆柴油机整体噪声的组成，这两个组成部分比较容易改进。为此，针对这两个组成部分进行重新设计，对改进后的防爆柴油机重新进行各个部分的噪声强度测试与计算，所测试防爆柴油机的各个部件的具体噪声结果见表2。

表1 防爆柴油机主要零部件在整体噪声中的占比

表2 改进后防爆柴油机主要零部件在整体噪声中的占比

由表1和表2可以发现：

1) 改进后的柴油机喷油泵和防爆油底壳相较改进前，其在整体噪声中的占比分别降低了1.22%和2.49%。这说明改进设计可以有效降低零部件的噪声。

2) 改进后当防爆柴油机装配到防爆车辆上时，防爆车辆在外加速度的噪声降幅约为0.8 dB(A)，防爆车辆的整车噪声也得到了有效的降低。

3) 防爆柴油机喷油泵和防爆油底壳噪声是防爆柴油机整体噪声中的重要组成部分。

5 结论

通过用噪声强度法测量防爆柴油机的表面噪声，确定了油底壳和喷油泵为防爆柴油机的主要噪声源，然后对这两个部件进行了降噪措施，取得了明显的效果，证明了该方法是找出并解决防爆柴油机噪声的有效方法之一，同时也为整车的噪声预测和降低提供了理论支持。