减振降噪技术在机械设计中的应用分析

栗叶丹

摘要：近年来，随着科技水平的不断提高，我国工业领域得到蓬勃发展，生产力持续提升，机械设备更新换代速度加快。但在实际生产中，机械设备生产过程中产生噪音，既造成了噪音污染问题，也使得生产环境复杂化，违背了安全生产、可持续发展理念，是机械设计领域一项重要研究课题。为有效解决这一问题，本文从技术角度切入，对减振降噪技术在机械设计領域中的应用情况进行探讨，主要阐述了噪声源的控制方法。

关键词：减振降噪;机械设计;技术应用;控制方法

中图分类号：TB535                                      文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）02-0189-02

1  机械噪声的来源与分类

1.1 噪声来源

机械噪声的产生是受到外部环境、设备自身因素的影响，机械设备没有稳定保持为最佳运行状态，从而在振动过程中产生的噪声。例如，机械设备结构设计不合理，在高强度运行状态下，部分零部件松动脱落、与其他零部件碰撞摩擦、或是与气流产生相互作用，在设备运行期间周期性产生噪声，如齿轮噪声、轴承噪声、电磁噪声、摩擦噪声、燃烧噪声等。

1.2 噪声类型

根据各类机械设备实际运行情况、噪声产生原因来看，可以将机械噪声分为机械性噪声、空气动力性噪声两大类。其中，机械性噪声指机械设备在运行期间机械结垢在碰撞、震动期间持续产生的噪声，如齿轮噪声、结构噪声等等。而空气动力性噪声指机械设备结构与周边区域的高速不稳定气流进行相互作用，从而产生的噪声，如常见的燃烧噪声、旋转噪声、排气噪声。

2  机械设计中噪声源的控制方法

2.1 做好机械设备选材工作

根据相关实验结果显示，在机械设备运行状态下，设备材质的内阻尼性能优劣，与设备所产生噪声分贝、振动力密切相关。因此，材质内阻尼性能是衡量机械设备减振降噪性能的主要指标。而内阻尼性能泛指，材料承受激振力作用持续影响时，材料抑制振动能力与内部分子消耗吸收能量的极限。简单来讲，设备材料的内阻尼性能越高，则所制造机械设备的减振降噪效果越好，材料可以持续对机械设备运行期间产生的振动能量加以吸收，避免激振力传播至表面结构而形成噪音，以此起到减振降噪效果。

在机械设备选材环节，设计人员既要考虑到材料内阻尼性能的优劣，同时，也需要综合分析工艺要求、材料其他性能、耐久性、设备制造成本等因素，遵循实际出发与经济适宜原则。实际出发原则指要求所制造机械设备性能质量与耐久性满足使用需求，不会在使用期间频繁出现故障问题。经济适宜原则指将材料采购成本、机械设备总体制造成本控制在合理范围内。目前来看，常用的机械材料包括铁、铜与高分子材料。

2.2 优化机械结构

在机械设备运行期间，辐射源通过设备结构时将会产生结构噪音，不但会造成噪音污染问题、提高现场环境复杂程度，同时，也会对机械设备使用寿命、运行质量造成影响干扰，加快机械零部件老化磨损速度。以齿轮箱具有封闭性外壳结构、采取振动方式的振动筛机械设备为例，在运行状态下，所产生的结构振动辐射往往占据总声能95%左右。针对这一问题，应对机械结构进行优化，才能从根源上消除噪音源，避免结构噪音产生，机械结构优化方向包括消除齿轮噪音、消除运动噪音、消除电磁噪声三方面，具体如下：

2.2.1 消除齿轮噪声

齿轮噪声指机械设备在运行期间，各齿轮部件相互撞击与摩擦，齿轮体产生震动现象、激振力扩散至表面形成齿轮噪声。同时，在齿轮达到一定运转速度后，齿轮箱体、齿轮体将产生共振现象、提高敷设噪声等级，对齿轮部件运行状态造成影响，最终形成齿轮噪声。

从机械结构设计层面来看，针对齿轮噪声问题，需要采取的优化措施包括：使用斜齿轮来取代传统人字齿轮、直齿轮，从而减小齿轮高速运转状态下产生的冲击荷载，稳定保持齿轮运行状态;根据机械设备使用需求、实际运行状态，对齿侧间隙大小加以适当调整，如若齿侧间间隙不合理，将以此为诱因引发撞击噪音产生;对齿轮压力角进行调整，将压力角设定在20°左右即可;由于齿轮在机械设备运行期间将重复开展咬合动作、产生碰撞摩擦，需要使用具有良好内阻尼性能的材料制作齿轮。

2.2.2 消除振动筛运动噪声

在运行期间，振动筛将处于旋转运行与高频相应状态，需要采取以下结构优化措施：尽可量配置空心结构的轴承滚动体结构，可以在满足滚动体强度要求的同时，预防震动现象出现、避免形成共振区域;在振动筛与激振器间隔区域中设置减振器，持续对所产生激振力进行吸收、削弱。但是，需要满足轴体相对运动低、振动筛振幅稳定的前提条件，禁止所安装减振器对振动筛运行质量造成影响干扰。

2.2.3 消除电磁噪声

在直流电动机、变压器、变频器等设备运行过程中，受到电磁力不平衡现象影响，往往会产生机械振动现象、形成电磁噪声。因此，设计人员可选择对机械设备结构中的气隙间距进行调整、或是设置闭口齿槽、斜槽转子，这将起到削弱高次谐波、减少电磁噪声、降低气隙磁密的作用。最终，通过控制定子转子高次谐波与基波磁通的磁势幅值，实现削减径向作用力、消除电磁噪声源的减振降噪目的。

3  减震降噪技术在机械设计中的具体应用

3.1 吸声技术

吸声技术是使用具有良好导热性、粘滞性与吸声性质的材料来在振动源、机械用房结构表面铺贴。如此，在机械设备使用期间，所产生机械噪声进入材料缝隙内时，声波与吸声材料纤维二者会产生振动现象，持续将噪音与激振力转换为热能进行释放，起到抑制噪声传播的作用。目前来看，吸声材料主要被用于机械设备的制作原材料，或是在设备房的屋顶与墙体结构上进行铺设，会在吸声过程中持续释放大量热量，导致作业环境与设备工作温度提升，需要重视这一问题，同时采取温控措施，避免设备工作温度过高影响到运行质量。

3.2 隔声技术

隔绝设备用房内部所产生机械噪声向外界的传播途径，将噪声控制在狭小空间范围内，隔声技术原理与消声技术具有相似性。这种方式虽然可以减小机械噪声对生产现场、周边环境造成的噪音污染程度，且技术应用难度较小、步骤流程简单。但是，却无法有效消除机械噪声，噪声在狭小空间内会对设备运行状态、结构质量持续施加影响。长此以往，将会对设备运行状态造成干扰，提高设备失效、设备损坏问题的出现率，因此，不适宜采取隔声技术对高精密机械设备进行减振降噪处理。

隔声技术的具体应用措施包括：①在设备用房的墙体、屋顶表面铺贴吸声隔声材料，将所产生机械噪声控制在狭小空间区域内，禁止噪声向外传播扩散;②在设备筒体部位中设置隔声套部件，该部件由若干数量的耐热隔声层组成，可以持续对所产生机械噪声进行阻隔、削弱处理;③将齿轮箱、电机等机械设备在具有良好密封隔声性能的罩性结构中进行安装，对产生的机械噪音起到良好的阻挡效果、将向外传播的噪声辐射量控制在合理范围内;④为取得更为良好的降噪效果、减小噪声对设备结构性能与运行质量造成的影响，可选择组合运用隔声技术与消声技术。

3.3 使用消声设备

从消声方式层面来看，吸声技术属于被动消声方式，所使用吸声材料会被动地对所经过机械噪声进行吸收、消除，技术应用模式较为单一，并不适用于特殊机械设备、复杂设备运行背景中。因此，在条件允许前提下，为取得更为良好的机械降噪效果，消除所产生机械噪声，可选择采取主动式消声技术，在机械设备结构、生产环境中配置各类消声设备。

现阶段，在机械设计领域中，应用较为常见的消声设备为消声器，包括阻性消声器、阻抗消声器、抗性消声器。在机械设备进气口、出气口等部位设置消声器，可以起到促进空气气流流通、削弱沿管道传播的机械噪声的作用，主要被用于控制空气流动性噪声，并不适用于控制结构噪声、电磁噪声等。以阻性消声器为例，这类消声器以多孔吸声材料为原材料，吸声材料在气流通道内壁结构中按特定形式进行排列。在机械噪声传播期间，部分声能將会在阻性消声器的气流通道中持续被吸声材料转换为热能释放。

3.4 隔振技术

现阶段，受到机械制造工艺、外部环境的限制影响，振动噪声是机械设备运行必备条件之一，尽管组合采取各项减振降噪技术措施，仍旧无法做到对机械设备振动噪声现象的彻底消除。因此，为有效减小机械噪音，需要采取隔振技术，在不影响机械设备运行质量与状态的前提下，对机械振动源进行防振隔离处理。将隔振方式为划分依据，可以将这项技术分为主动隔振技术、被动隔振技术。其中，主动隔振技术指，通过设置支撑振动源元件、对机械振动源进行隔离处理，来主动取得振动阻隔效果。而被动隔振技术指，配置阻尼器、弹簧等装置部件、或是使用各类隔振材料，在其基础上构成被动隔振系统。如此，在机械设备运行期间，被动隔振系统会对振动源所产生的振动效应起到逐渐衰减作用，有效控制振动频率，最终实现隔离振动目标。例如，可选择使用橡胶隔振器，与传统隔振器相比，橡胶隔振器具有良好的抑制共振效果，同时对旋转、垂直与水平方向起到隔振作用。从材料性能层面来看，橡胶隔振器主要以软硬橡胶为原材料，这类材料的允许应力为0.3-0.4MPa、动态弹性模量为20-25MPa，性能远超过其他隔振材料。

3.5 防止共振

根据部分型号机械设备运行情况来看，当机械设备固有频率、激振力震动频率二者保持为等同状态时，将会产生共振现象，对机械振动效果起到放大作用，产生更高分贝噪声、更高频率振动，且实际破坏力远超过其他机械振动问题。因此，为控制机械振动噪声问题造成的损失程度、预防机械共振现象产生，需要采取防止共振技术，如调整机械设备转速额定值、优化机型结构、调整振动源扰动频率等等，或是对非刚性基础结构上放置机械振动源，以此来起到控制共振频率的技术作用。

3.6 阻尼技术

材料内阻尼性能是机械减振降噪效果的主要评价指标，振动机械能在经过结构阻尼层时，一部分机械能将会被转换为热能释放，具有良好的减振降噪效果。但是，在传统机械设计模式中，由于设计理念滞后，阻尼技术手段较为单一，主要选择使用具有良好内阻尼性能的吸声材料在机械设备结构、设备用房墙体屋顶中进行铺设，未充分发挥阻尼技术优势。因此，需要在机械设计方案中灵活采取各项阻尼技术措施，常见措施包括：①阻尼涂料。在设备结构与金属板结构表面均匀涂刷阻尼涂料，与环氧底漆进行组合使用;②研制新型阻尼合金，替代普通钢作为机械设备结构材料，克服早期弹性阻尼材料刚性不足的性能缺陷，如双晶型锰铜合金;③弹性阻尼材料。在减振结构表面以片状形式铺贴弹性阻尼材料，要求阻尼层具有充足的阻尼损耗因子。

4  结语

综上所述，为全面提高机械设计水平、延长机械设备使用年限、改善机械使用性能，有效解决机械振动噪声问题，设计时应积极采取各项减振降噪技术措施，优化机械结构、设置消声装置、控制机械振动、隔离吸收机械噪声。同时，加强减振降噪技术研发力度，不断对技术体系进行创新改进，为我国机械制造行业的可持续发展提供有力的技术支持。

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