康與云, 唐敦兵
(1.臨沂大學(xué)機械工程學(xué)院 臨沂,276005) (2.南京航空航天大學(xué)機電學(xué)院 南京,210016)
手持式吹吸兩用風(fēng)機的使用范圍廣泛,適用于家庭清掃、公路養(yǎng)護施工、草坪及園林清理等[1-3]。目前,國內(nèi)常用的吹吸機噪聲過大,噪聲A聲級普遍在103~105dB。噪聲對人體的危害很大,90dB為可容許的噪聲A聲級上限絕對最高值[4-6]。長期暴露在90dB以上的噪聲環(huán)境中,可致永久性的聽力損失。出于對使用者及周邊人群健康的考慮,同時為增強產(chǎn)品的市場競爭力,降低吹吸機工作噪聲是必要的。
某公司生產(chǎn)的手持式吹吸兩用風(fēng)機,額定功率為1.2kW,葉輪轉(zhuǎn)速為13.5kr/m。此吹吸機1m距離處噪聲達到了108dB,而國外同功率吹吸機的噪聲只有85dB左右[7]。筆者用廠家提供的樣機為試驗對象,測定噪聲并分析噪聲來源,針對不同噪聲源采取了不同的降噪方法,使改進后的樣機噪聲達到了要求。
試驗用吹吸機由電機、葉輪、外殼、氣流流道、電機倉、葉輪倉、集塵袋等幾部分組成,如圖1所示。吹吸機的基本參數(shù)如下:串激電機為220V/50Hz,實際功率為1.2kW,轉(zhuǎn)速為13.5kr/m,功率因數(shù)為0.95,風(fēng)量為13m3/min,風(fēng)速為270km/h。
圖1 手持式吹吸兩用風(fēng)機Fig.1 3Dmodel of the hand-h(huán)eld blower-vacuum
在確定噪聲源和檢測降噪效果過程中,筆者根據(jù)不同需求設(shè)計了3種試驗:a.為測定工作環(huán)境下的噪聲,在背景噪聲為49.1dB的室外,用國營紅聲器材廠生產(chǎn)的1531CFND型聲級計分別對不同的部件組合進行噪聲測試;b.在背景噪聲為45.2dB的室內(nèi),用1531CFND型聲級計分別對不同的部件組合進行噪聲測試;c.為精確獲取每一處結(jié)構(gòu)更改后的降噪效果,在半消音室內(nèi)分別對不同的部件組合進行噪聲測試,并做頻譜分析試驗。以上3種試驗的測試位置如圖2所示。
圖2 噪聲測試位置Fig.2 Noise test locations
拆解吹吸機,在室內(nèi)、室外兩種環(huán)境下分別測試,獲得A聲級噪聲值如表1所示。
表1 吹吸機部件噪聲測試值Tab.1 Noise test results of the hand-h(huán)eld blower-vacuum parts
頻譜分析試驗在半消聲室內(nèi)進行,噪聲測量使用LMS公司的聲學(xué)測量及分析系統(tǒng),該系統(tǒng)包括硬件和軟件兩部分。硬件部分包括LMS SCADAS III Front-End(DIFA 數(shù) 據(jù) 采 集 前 端)、PCB 公 司377A02型聲壓傳感器和426D01型聲壓傳感器前置放大器、CAL200聲傳感器校準(zhǔn)器,傳感器通過10m電纜線與DIFA數(shù)據(jù)采集前端相連,微型計算機為1臺聯(lián)想啟天M6900。軟件使用的是LMS Data Acquisition & Analysis software中的LMS Test.lab Spectral Acquisition噪聲分析模塊。在半消音室內(nèi)距離1m處,測得電機空轉(zhuǎn)和電機帶動葉輪轉(zhuǎn)動時的頻譜圖如圖3所示。
圖3 空轉(zhuǎn)時噪聲頻譜圖Fig.3 Noise spectrum of the idling
由表1可知,電機空轉(zhuǎn)產(chǎn)生噪聲,室外1m距離處約為84.4dB,比環(huán)境噪聲提高約40dB。增加葉輪后,噪聲升高15~23dB;增加頭外殼后,噪聲升高2~5dB;增加流道后,噪聲降低1~7dB。通過分析可知,吹吸機噪聲主要來源為電機和葉輪,氣流在電機倉和葉輪倉內(nèi)的風(fēng)阻也產(chǎn)生較小的噪聲。增加流道后,噪聲反而降低,可見流道有一定的降噪作用。因此,判定噪聲有3種來源:電機產(chǎn)生的噪聲;葉片高速轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的振動及高速氣流嘯音;氣體流動產(chǎn)生的風(fēng)噪。其中,電機噪聲和葉輪轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生的噪聲是噪聲的主要來源。針對3種噪聲源分別采取措施進行降噪處理。
樣機所使用的電機工作電壓為220V,轉(zhuǎn)速為13.5kr/min,功率為1.2kW,在家用電機領(lǐng)域?qū)儆诟咿D(zhuǎn)速、大功率電機。電機的噪聲可以分為3大類:電磁噪聲、機械性噪聲和空氣動力性噪聲[5,8]。筆者主要分析高速情況下軸承、電刷、結(jié)構(gòu)共振引起的機械性噪聲。機械噪聲是任何運動都無法避免的噪聲,電機的機械噪聲一般會隨著轉(zhuǎn)速和負載電流的增大而增大。
2.1.1 軸承噪聲
軸承部件是電機中整體剛度最小的部件,在承受外部載荷的情況下更容易產(chǎn)生變形,制造中或者運轉(zhuǎn)后產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)缺陷也是高速運轉(zhuǎn)時振動噪聲的主要來源[9]。同時,軸承與其配合結(jié)構(gòu)的配合公差也是重要的噪聲影響因素,過緊和過松都可能導(dǎo)致高噪聲。針對樣機電機高轉(zhuǎn)速、外部載荷變化等情況,將普通軸承更換為精密軸承,其尺寸偏差、旋轉(zhuǎn)精度、表面質(zhì)量等均比普通軸承更佳。更換軸承后在半消音室內(nèi)測得噪聲降低了2.3dB,如圖4所示。
圖4 電機改進前后噪聲對比圖Fig.4 Noise contrast of the improved motor
2.1.2 電刷噪聲
換向器和滑環(huán)的表面粗糙度及形位公差不良、電刷伸出過長、電刷與刷擺配合不好、彈簧壓力過大、過小或電刷擺剛度不足等因素都可能影響電刷裝置的振動與噪聲。針對樣機電機彈簧壓力大、轉(zhuǎn)子與電刷摩擦噪聲較高的問題,調(diào)整電刷壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng),適當(dāng)減小彈簧壓力,并將電刷做浸油處理,減少摩擦,降低了電機機械噪聲。改進電刷系統(tǒng)后在半消音室內(nèi)測得電機空轉(zhuǎn)噪聲降到74dB。
2.1.3 結(jié)構(gòu)共振噪聲
電機內(nèi)的電磁力振動源,通過轉(zhuǎn)子、定子分別傳到電機的各個部分,容易引起結(jié)構(gòu)共振而增加噪聲[8,10]。激發(fā)結(jié)構(gòu)共振噪聲有兩種途徑:a.定轉(zhuǎn)子之間的電磁力作用于定子、轉(zhuǎn)子、軸承、外殼構(gòu)成的彈簧阻尼系統(tǒng),激發(fā)結(jié)構(gòu)振動而產(chǎn)生噪聲;b.轉(zhuǎn)子的動不平衡力作用于轉(zhuǎn)子、軸承、外殼構(gòu)成的彈簧阻尼系統(tǒng),激發(fā)外殼振動產(chǎn)生噪聲。
以上兩種途徑的共振頻率與激振力頻率耦合,都會引起系統(tǒng)的強烈振動,輻射出較大噪聲。第1種途徑的振動源是電機內(nèi)的電磁力,引發(fā)電機振動,與電機的支撐裝置剛度關(guān)系不大;第2種途徑的振動源是轉(zhuǎn)子的動不平衡力,是電機的外部力,與電機支座關(guān)系很大。因此,改善電機的安裝方式或者提高轉(zhuǎn)子的動平衡性可以改善由動不平衡力引起的噪聲。筆者采用加厚電機支撐板,在電機外殼與支撐板接觸位置增加柔性減振結(jié)構(gòu)等方式,降低噪聲。電機支撐板的厚度從2mm增加到4mm,并在電機外殼與機殼接觸位置增加減振墊,減小結(jié)構(gòu)共振噪聲。
2.2.1 葉輪的動平衡改進
工程中的各種回轉(zhuǎn)體,由于材質(zhì)不均勻或毛坯缺陷、加工及裝配中產(chǎn)生的誤差,甚至設(shè)計時就具有非對稱的幾何形狀等因素,使得回轉(zhuǎn)體在旋轉(zhuǎn)時,其上每個微小質(zhì)點產(chǎn)生的離心慣性力不能相互抵消,離心慣性力通過軸承作用到機械及其基礎(chǔ)上,引起振動,產(chǎn)生噪聲[11]。為此,對回轉(zhuǎn)體進行平衡試驗,使因此產(chǎn)生的機械振動幅度降在允許的范圍內(nèi)。
為降低葉輪產(chǎn)生的噪聲,對葉輪用YFW-1000A型平衡機進行動平衡試驗并修正,使其最小剩余不平衡量達到0.19g,機械振動幅度相應(yīng)減小。在半消音室內(nèi),測試距離1m處,測得樣機吸氣噪音由動平衡前的102.4dB降低到92dB,吹氣噪音由100.1dB降低到88dB。因此,僅對葉片進行動平衡就使整機噪聲值下降了10~12dB。
2.2.2 葉輪幾何形狀的改進
樣機使用的是5葉片、邊緣棱角的葉輪。5葉片葉輪為非對稱結(jié)構(gòu),不容易產(chǎn)生共振,但葉片數(shù)過少,氣流不平衡性高,可產(chǎn)生氣流噪聲。相對于5葉片的葉輪,7片葉輪更不容易產(chǎn)生共振,氣流不平衡性要低,產(chǎn)生的氣流噪聲要小。經(jīng)試驗,相同轉(zhuǎn)速下,7葉葉輪的吹吸機進風(fēng)量可以達到同類型5葉葉輪吹吸機的1.3~1.5倍。因此,在相同進風(fēng)量的情況下,7葉葉輪所需要的電機轉(zhuǎn)速更小,可有效降低噪聲。采用7葉的葉輪在工作穩(wěn)定性和性能上比5片葉片的葉輪更優(yōu),故將5葉葉輪改為7葉葉輪。
分析圖3,電機帶葉輪空轉(zhuǎn)相比電機空轉(zhuǎn)時在高頻段噪聲明顯增大,這部分噪聲主要來源于葉片高速轉(zhuǎn)動時邊緣切割氣流的尖端效應(yīng)而產(chǎn)生的嘯音,因此,在葉片邊沿處倒30°圓角能有效削弱這一效應(yīng),減小噪聲[3]。對5葉葉輪和7葉葉輪分別做動平衡試驗并進行修改,使其最小剩余不平衡量達到0.19g。在半消音室內(nèi)測量葉片改進前后的空轉(zhuǎn)噪聲,5葉輪為97.5dB,7葉輪為94.6dB,可見7葉輪有效降低了噪聲。
2.3.1 流道口的結(jié)構(gòu)優(yōu)化
為降低吹吸機工作時氣體流動產(chǎn)生的風(fēng)噪,需改進流道的結(jié)構(gòu)。分析表1數(shù)據(jù)可知,氣流在流道內(nèi)流動時產(chǎn)生的噪聲所占比例不高,所以流道形狀對噪聲影響不大,但在葉輪倉外殼和流道結(jié)合處及流道進、出氣口存在氣流渦旋,會產(chǎn)生噪聲。
1)更改流道口結(jié)構(gòu)。樣機吸氣口與吹氣口在同一平面,在吹、吸氣口交界處有較大的相對風(fēng)速逆差,風(fēng)噪大且容易形成渦流[12]。為避免相對風(fēng)速差較大,將吹氣口縮短20cm,使得出入風(fēng)口不在同一面上,如圖5所示。在出入風(fēng)量相同的情況下,開口處的橫截面積在一定程度上影響風(fēng)速。吹氣口縮短的同時增大了出風(fēng)口的橫截面積,降低了風(fēng)速,影響了出風(fēng)量。因此,在流道底部增加副流道,以抵消增大出風(fēng)口橫截面積帶來的影響。副流道還具有空氣放大的特性,可以實現(xiàn)大于進氣量的出氣量,用高速氣流引流達到更高速的氣流。
圖5 流道口的結(jié)構(gòu)變更Fig.5 Structure changes of the flow crossing
2)增加阻音錐。由表1數(shù)據(jù)可知,增加流道后整機的噪聲有所降低,可見流道具有防止噪聲外泄的作用。流道吸氣口具有通過植物垃圾的功能,也是重要的噪聲外泄口。在不影響進料的情況下,盡可能減少噪聲外泄,采用了阻音錐結(jié)構(gòu),如圖6所示。
圖6 阻音錐及其安裝位置Fig.6 Tapered structure to obstruct sound and its location
在進氣口增加內(nèi)嵌式的阻音錐,并在阻音錐外側(cè)貼附吸音棉,以此吸收流道內(nèi)氣體流動產(chǎn)生的風(fēng)噪。當(dāng)噪聲從流道外泄時,部分進入阻音錐和流道壁形成的內(nèi)錐面,內(nèi)錐面貼附有吸音棉,噪聲被吸收。該阻音錐是向內(nèi)的,與進料方向相反,不會造成進物料的聚集。阻音錐采用尼龍材料,質(zhì)量約為84g,采用螺釘與流道連接,結(jié)構(gòu)簡單有效。
2.3.2 電機倉與葉輪倉的結(jié)構(gòu)優(yōu)化
1)電機倉結(jié)構(gòu)優(yōu)化。樣機的電機倉兩側(cè)為鰓型孔結(jié)構(gòu),鰓型孔直接將電機噪聲和氣流噪聲導(dǎo)出,是重要的噪聲外泄口。為降低噪聲,需移除鰓型孔,更改結(jié)構(gòu)設(shè)計。在電機倉內(nèi)重新設(shè)計氣流流道,在不影響出氣的前提下增加了曲折阻音板,在曲折阻音板和流道壁上貼附吸音棉,吸收外泄噪聲,并將電機支撐板加厚至4mm,減少電機帶來的振動。改進后的電機倉結(jié)構(gòu)如圖7所示。
圖7 電機倉結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Motor chamber structure
2)葉輪倉結(jié)構(gòu)優(yōu)化。在葉輪倉與吹氣口流道連接處有多余空腔存在,容易產(chǎn)生渦流。為此增加擋板與內(nèi)嵌結(jié)構(gòu),保證其緊密連接,避免腔內(nèi)渦流的產(chǎn)生。改進后的葉輪倉結(jié)構(gòu)如圖8所示。
圖8 葉輪倉結(jié)構(gòu)圖Fig.8 Impeller chamber structure
2.3.3 電機倉內(nèi)貼附吸音材料
電機工作時,電機倉內(nèi)高速氣流產(chǎn)生的風(fēng)噪也是吹吸機噪聲的重要來源,在電機倉內(nèi)貼附吸音棉可有效地降低這部分噪聲。試驗所用吸音棉是高密度吸音雞蛋棉,厚為3cm,能有效吸收500Hz以上頻率噪聲。樣機改進前、增加阻音錐和電機倉貼附吸音棉3種情況下在半消音室內(nèi)分別做了噪聲測量,結(jié)果如圖9所示。
圖9 樣機噪聲值對比Fig.9 Noise contrast of the improved prototype machine
針對3種噪聲源:電機產(chǎn)生的機械噪聲、葉片高速轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的振動及氣流嘯音、氣體流動產(chǎn)生的風(fēng)噪,對樣機進行了改進及優(yōu)化之后,在半消音室內(nèi)做了噪聲測試和頻譜分析試驗,1m處吹氣、吸氣頻譜圖如圖10所示。
對比樣機改進前后的頻譜圖可以看出,頻譜曲線有了明顯改善,曲線更為平滑,毛刺顯著減少,中、高頻頻段噪聲被有效抑制,高頻段體現(xiàn)的更為明顯,對應(yīng)的噪聲值也有所降低。
按圖2所示,在室外1m距離處對編號1202CX109的改進樣機做了噪聲測試,結(jié)果如表2所示。新樣機噪聲降低了約20dB,優(yōu)化效果明顯。
圖10 樣機1m處噪聲頻譜圖Fig.10 Noise spectrum at one meter distance from the prototype machine
表2 室外1m距離處噪聲測試結(jié)果Tab.2 Outdoor noise test results at one meter distance from the prototype machine
機械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于手持式電動園藝吹屑機、吸屑機及吹吸兩用機的噪聲標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定:在距離吹吸機中心4m處的半球面上測量,1.2kW功率的吹吸機的聲功率級噪聲限值是110dB。改進后的樣機按GB/T 4583-2007的規(guī)定進行了空曠空間測試[13]。
在試驗開始之前,吹吸機按使用說明書進行了調(diào)整。測量是在一個發(fā)射面上的自由場內(nèi)進行,使用半徑為4m的半球測量表面確定聲功率級。由6個傳聲器組成測量陣列,傳聲器位置如圖11所示,坐標(biāo)值如表3所示。
表3 傳聲器坐標(biāo)值Tab.3 Microphone coordinates m
測量時,吹吸機頭部指向x軸的正方向,操作者雙手握持,吹吸機的前手把低于半球面中心。聲功率級LWA按如下公式[14]計算
圖11 傳聲器位置示意圖Fig.11 Microphone locations
這里r為4m球面半徑,式(1)變成
其中:LpA為發(fā)射聲壓級。
編號為1202CX109的改進樣機的測試結(jié)果如表4所示。由測試結(jié)果可知,樣機4m距離噪聲值已達到國家標(biāo)準(zhǔn)。
表4 樣機綜合測試結(jié)果Tab.4 Comprehensive test results of the prototype machine
筆者針對手持式吹吸機的3種噪聲來源,從結(jié)構(gòu)設(shè)計的角度分別進行了改進。由改進后樣機的試驗效果來看,噪聲已降低到國標(biāo)要求。整機改進后,1m距離測得吹氣時A聲級噪聲下降20dB,吸氣時下降21.5dB。在4m距離測得的噪聲聲功率級吹氣時為94.75dB,吸氣時為103.42dB,遠低于國標(biāo)聲功率級110dB的上限值。因考慮經(jīng)濟性問題,測試樣機1202CX109電機倉和葉輪倉沒有按設(shè)計要求改進,如按設(shè)計要求改進并貼附吸音材料后,可進一步降低噪聲2~3dB。
[1] 趙亞平.吹吸機設(shè)計分析研究[D].蘇州:蘇州大學(xué),2012.
[2] Thomas D B.Comparison of insect vacuums for sampling asian citrus psyllid (homoptera:psyllidae)on citrus trees [J].Southwestern Entomologist,2012,37(1):55-60.
[3] Morimoto K.Optimization on the air distribution function for a blower/vacuum cleaner[J].Journal of Quality Engineering Forum,2002,10(3):110-117.
[4] 馬大猷.噪聲控制學(xué)[M].北京:科學(xué)出版社,1987:1-2.
[5] 張重超,楊玉致,朱夢周,等.機電設(shè)備噪聲控制工程學(xué)[M].北京:輕工業(yè)出版社,1989:59-82.
[6] 張德滿,李舜酩,尚偉燕.工程機械機外噪聲聲源分析及降噪處理[J].振動、測試與診斷,2011,31(3):362-365.
Zhang Deman,Li Shunming,Shang Weiyan.Analysis of engineering machinery outside noise source and noise reduction processing[J].Journal of Vibration,Measurement & Diagnosis,2011,31(3):362-365.(in Chinese)
[7] Mose T L A,F(xiàn)aszer A C.Air injection vacuum blower noise control[J].Canadian Acoustics,2010,38(3):188-189.
[8] 陳永校,諸自強,應(yīng)善成.電機噪聲的分析和控制[M].杭州:浙江大學(xué)出版社,1987:48-67.
[9] Wu Hao,Zhou Qiong,Zhang Zhiming,et al.Vibration analysis on the rolling element bearing-rotor system of an air blower[J].Journal of Mechanical Science and Technology,2012,26 (3):653-659.
[10]崔淑梅,于天達,宋立偉.基于ANSYS和SYSNOISE的電機噪聲仿真分析方法[J].電機與控制學(xué)報,2011,15(9):63-67.
Cui Shumei,Yu Tianda,Song Liwei.Simulation method of m otor acoustic radiation based on ansys and sysnoise[J].Electricmachines and Control,2011,15(9):63-67.(in Chinese)
[11]上官文斌,陳超,段小成,等.發(fā)動機曲軸系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)振動建模與實測分析[J].振動、測試與診斷,2012,32(4):560-567.
Shangguan Wenbin,Chen Chao,Duan Xiaocheng,et al.Torsional vibration modeling and testing analysis of engine crank shaft system [J].Journal of Vibration,Measurement & Diagnosis,2012,32(4):560-567.(in Chinese)
[12]Lai Xiaobo,Wang Haishun,Liu Huashan.Research on duct flow field optimisation of a robot vacuum cleaner[J].International Journal of Advanced Robotic Systems,2011,8(5):104-112.
[13]GBT 4583—2007電動工具噪聲測量方法——工程法[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2007.
[14]JB/T 9796—1999固定式農(nóng)業(yè)機械噪聲聲功率級的測定[S].北京:機械科學(xué)研究院,1999.