栗葉丹

摘要：近年來，隨著科技水平的不斷提高，我國工業(yè)領域得到蓬勃發(fā)展，生產(chǎn)力持續(xù)提升，機械設備更新?lián)Q代速度加快。但在實際生產(chǎn)中，機械設備生產(chǎn)過程中產(chǎn)生噪音，既造成了噪音污染問題，也使得生產(chǎn)環(huán)境復雜化，違背了安全生產(chǎn)、可持續(xù)發(fā)展理念，是機械設計領域一項重要研究課題。為有效解決這一問題，本文從技術角度切入，對減振降噪技術在機械設計領域中的應用情況進行探討，主要闡述了噪聲源的控制方法。

關鍵詞：減振降噪;機械設計;技術應用;控制方法

中圖分類號：TB535? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）02-0189-02

1? 機械噪聲的來源與分類

1.1 噪聲來源

機械噪聲的產(chǎn)生是受到外部環(huán)境、設備自身因素的影響，機械設備沒有穩(wěn)定保持為最佳運行狀態(tài)，從而在振動過程中產(chǎn)生的噪聲。例如，機械設備結構設計不合理，在高強度運行狀態(tài)下，部分零部件松動脫落、與其他零部件碰撞摩擦、或是與氣流產(chǎn)生相互作用，在設備運行期間周期性產(chǎn)生噪聲，如齒輪噪聲、軸承噪聲、電磁噪聲、摩擦噪聲、燃燒噪聲等。

1.2 噪聲類型

根據(jù)各類機械設備實際運行情況、噪聲產(chǎn)生原因來看，可以將機械噪聲分為機械性噪聲、空氣動力性噪聲兩大類。其中，機械性噪聲指機械設備在運行期間機械結垢在碰撞、震動期間持續(xù)產(chǎn)生的噪聲，如齒輪噪聲、結構噪聲等等。而空氣動力性噪聲指機械設備結構與周邊區(qū)域的高速不穩(wěn)定氣流進行相互作用，從而產(chǎn)生的噪聲，如常見的燃燒噪聲、旋轉噪聲、排氣噪聲。

2? 機械設計中噪聲源的控制方法

2.1 做好機械設備選材工作

根據(jù)相關實驗結果顯示，在機械設備運行狀態(tài)下，設備材質的內(nèi)阻尼性能優(yōu)劣，與設備所產(chǎn)生噪聲分貝、振動力密切相關。因此，材質內(nèi)阻尼性能是衡量機械設備減振降噪性能的主要指標。而內(nèi)阻尼性能泛指，材料承受激振力作用持續(xù)影響時，材料抑制振動能力與內(nèi)部分子消耗吸收能量的極限。簡單來講，設備材料的內(nèi)阻尼性能越高，則所制造機械設備的減振降噪效果越好，材料可以持續(xù)對機械設備運行期間產(chǎn)生的振動能量加以吸收，避免激振力傳播至表面結構而形成噪音，以此起到減振降噪效果。

在機械設備選材環(huán)節(jié)，設計人員既要考慮到材料內(nèi)阻尼性能的優(yōu)劣，同時，也需要綜合分析工藝要求、材料其他性能、耐久性、設備制造成本等因素，遵循實際出發(fā)與經(jīng)濟適宜原則。實際出發(fā)原則指要求所制造機械設備性能質量與耐久性滿足使用需求，不會在使用期間頻繁出現(xiàn)故障問題。經(jīng)濟適宜原則指將材料采購成本、機械設備總體制造成本控制在合理范圍內(nèi)。目前來看，常用的機械材料包括鐵、銅與高分子材料。

2.2 優(yōu)化機械結構

在機械設備運行期間，輻射源通過設備結構時將會產(chǎn)生結構噪音，不但會造成噪音污染問題、提高現(xiàn)場環(huán)境復雜程度，同時，也會對機械設備使用壽命、運行質量造成影響干擾，加快機械零部件老化磨損速度。以齒輪箱具有封閉性外殼結構、采取振動方式的振動篩機械設備為例，在運行狀態(tài)下，所產(chǎn)生的結構振動輻射往往占據(jù)總聲能95%左右。針對這一問題，應對機械結構進行優(yōu)化，才能從根源上消除噪音源，避免結構噪音產(chǎn)生，機械結構優(yōu)化方向包括消除齒輪噪音、消除運動噪音、消除電磁噪聲三方面，具體如下：

2.2.1 消除齒輪噪聲

齒輪噪聲指機械設備在運行期間，各齒輪部件相互撞擊與摩擦，齒輪體產(chǎn)生震動現(xiàn)象、激振力擴散至表面形成齒輪噪聲。同時，在齒輪達到一定運轉速度后，齒輪箱體、齒輪體將產(chǎn)生共振現(xiàn)象、提高敷設噪聲等級，對齒輪部件運行狀態(tài)造成影響，最終形成齒輪噪聲。

從機械結構設計層面來看，針對齒輪噪聲問題，需要采取的優(yōu)化措施包括：使用斜齒輪來取代傳統(tǒng)人字齒輪、直齒輪，從而減小齒輪高速運轉狀態(tài)下產(chǎn)生的沖擊荷載，穩(wěn)定保持齒輪運行狀態(tài);根據(jù)機械設備使用需求、實際運行狀態(tài)，對齒側間隙大小加以適當調整，如若齒側間間隙不合理，將以此為誘因引發(fā)撞擊噪音產(chǎn)生;對齒輪壓力角進行調整，將壓力角設定在20°左右即可;由于齒輪在機械設備運行期間將重復開展咬合動作、產(chǎn)生碰撞摩擦，需要使用具有良好內(nèi)阻尼性能的材料制作齒輪。

2.2.2 消除振動篩運動噪聲

在運行期間，振動篩將處于旋轉運行與高頻相應狀態(tài)，需要采取以下結構優(yōu)化措施：盡可量配置空心結構的軸承滾動體結構，可以在滿足滾動體強度要求的同時，預防震動現(xiàn)象出現(xiàn)、避免形成共振區(qū)域;在振動篩與激振器間隔區(qū)域中設置減振器，持續(xù)對所產(chǎn)生激振力進行吸收、削弱。但是，需要滿足軸體相對運動低、振動篩振幅穩(wěn)定的前提條件，禁止所安裝減振器對振動篩運行質量造成影響干擾。

2.2.3 消除電磁噪聲

在直流電動機、變壓器、變頻器等設備運行過程中，受到電磁力不平衡現(xiàn)象影響，往往會產(chǎn)生機械振動現(xiàn)象、形成電磁噪聲。因此，設計人員可選擇對機械設備結構中的氣隙間距進行調整、或是設置閉口齒槽、斜槽轉子，這將起到削弱高次諧波、減少電磁噪聲、降低氣隙磁密的作用。最終，通過控制定子轉子高次諧波與基波磁通的磁勢幅值，實現(xiàn)削減徑向作用力、消除電磁噪聲源的減振降噪目的。

3? 減震降噪技術在機械設計中的具體應用

3.1 吸聲技術

吸聲技術是使用具有良好導熱性、粘滯性與吸聲性質的材料來在振動源、機械用房結構表面鋪貼。如此，在機械設備使用期間，所產(chǎn)生機械噪聲進入材料縫隙內(nèi)時，聲波與吸聲材料纖維二者會產(chǎn)生振動現(xiàn)象，持續(xù)將噪音與激振力轉換為熱能進行釋放，起到抑制噪聲傳播的作用。目前來看，吸聲材料主要被用于機械設備的制作原材料，或是在設備房的屋頂與墻體結構上進行鋪設，會在吸聲過程中持續(xù)釋放大量熱量，導致作業(yè)環(huán)境與設備工作溫度提升，需要重視這一問題，同時采取溫控措施，避免設備工作溫度過高影響到運行質量。

3.2 隔聲技術

隔絕設備用房內(nèi)部所產(chǎn)生機械噪聲向外界的傳播途徑，將噪聲控制在狹小空間范圍內(nèi)，隔聲技術原理與消聲技術具有相似性。這種方式雖然可以減小機械噪聲對生產(chǎn)現(xiàn)場、周邊環(huán)境造成的噪音污染程度，且技術應用難度較小、步驟流程簡單。但是，卻無法有效消除機械噪聲，噪聲在狹小空間內(nèi)會對設備運行狀態(tài)、結構質量持續(xù)施加影響。長此以往，將會對設備運行狀態(tài)造成干擾，提高設備失效、設備損壞問題的出現(xiàn)率，因此，不適宜采取隔聲技術對高精密機械設備進行減振降噪處理。

隔聲技術的具體應用措施包括：①在設備用房的墻體、屋頂表面鋪貼吸聲隔聲材料，將所產(chǎn)生機械噪聲控制在狹小空間區(qū)域內(nèi)，禁止噪聲向外傳播擴散;②在設備筒體部位中設置隔聲套部件，該部件由若干數(shù)量的耐熱隔聲層組成，可以持續(xù)對所產(chǎn)生機械噪聲進行阻隔、削弱處理;③將齒輪箱、電機等機械設備在具有良好密封隔聲性能的罩性結構中進行安裝，對產(chǎn)生的機械噪音起到良好的阻擋效果、將向外傳播的噪聲輻射量控制在合理范圍內(nèi);④為取得更為良好的降噪效果、減小噪聲對設備結構性能與運行質量造成的影響，可選擇組合運用隔聲技術與消聲技術。

3.3 使用消聲設備

從消聲方式層面來看，吸聲技術屬于被動消聲方式，所使用吸聲材料會被動地對所經(jīng)過機械噪聲進行吸收、消除，技術應用模式較為單一，并不適用于特殊機械設備、復雜設備運行背景中。因此，在條件允許前提下，為取得更為良好的機械降噪效果，消除所產(chǎn)生機械噪聲，可選擇采取主動式消聲技術，在機械設備結構、生產(chǎn)環(huán)境中配置各類消聲設備。

現(xiàn)階段，在機械設計領域中，應用較為常見的消聲設備為消聲器，包括阻性消聲器、阻抗消聲器、抗性消聲器。在機械設備進氣口、出氣口等部位設置消聲器，可以起到促進空氣氣流流通、削弱沿管道傳播的機械噪聲的作用，主要被用于控制空氣流動性噪聲，并不適用于控制結構噪聲、電磁噪聲等。以阻性消聲器為例，這類消聲器以多孔吸聲材料為原材料，吸聲材料在氣流通道內(nèi)壁結構中按特定形式進行排列。在機械噪聲傳播期間，部分聲能將會在阻性消聲器的氣流通道中持續(xù)被吸聲材料轉換為熱能釋放。

3.4 隔振技術

現(xiàn)階段，受到機械制造工藝、外部環(huán)境的限制影響，振動噪聲是機械設備運行必備條件之一，盡管組合采取各項減振降噪技術措施，仍舊無法做到對機械設備振動噪聲現(xiàn)象的徹底消除。因此，為有效減小機械噪音，需要采取隔振技術，在不影響機械設備運行質量與狀態(tài)的前提下，對機械振動源進行防振隔離處理。將隔振方式為劃分依據(jù)，可以將這項技術分為主動隔振技術、被動隔振技術。其中，主動隔振技術指，通過設置支撐振動源元件、對機械振動源進行隔離處理，來主動取得振動阻隔效果。而被動隔振技術指，配置阻尼器、彈簧等裝置部件、或是使用各類隔振材料，在其基礎上構成被動隔振系統(tǒng)。如此，在機械設備運行期間，被動隔振系統(tǒng)會對振動源所產(chǎn)生的振動效應起到逐漸衰減作用，有效控制振動頻率，最終實現(xiàn)隔離振動目標。例如，可選擇使用橡膠隔振器，與傳統(tǒng)隔振器相比，橡膠隔振器具有良好的抑制共振效果，同時對旋轉、垂直與水平方向起到隔振作用。從材料性能層面來看，橡膠隔振器主要以軟硬橡膠為原材料，這類材料的允許應力為0.3-0.4MPa、動態(tài)彈性模量為20-25MPa，性能遠超過其他隔振材料。

3.5 防止共振

根據(jù)部分型號機械設備運行情況來看，當機械設備固有頻率、激振力震動頻率二者保持為等同狀態(tài)時，將會產(chǎn)生共振現(xiàn)象，對機械振動效果起到放大作用，產(chǎn)生更高分貝噪聲、更高頻率振動，且實際破壞力遠超過其他機械振動問題。因此，為控制機械振動噪聲問題造成的損失程度、預防機械共振現(xiàn)象產(chǎn)生，需要采取防止共振技術，如調整機械設備轉速額定值、優(yōu)化機型結構、調整振動源擾動頻率等等，或是對非剛性基礎結構上放置機械振動源，以此來起到控制共振頻率的技術作用。

3.6 阻尼技術

材料內(nèi)阻尼性能是機械減振降噪效果的主要評價指標，振動機械能在經(jīng)過結構阻尼層時，一部分機械能將會被轉換為熱能釋放，具有良好的減振降噪效果。但是，在傳統(tǒng)機械設計模式中，由于設計理念滯后，阻尼技術手段較為單一，主要選擇使用具有良好內(nèi)阻尼性能的吸聲材料在機械設備結構、設備用房墻體屋頂中進行鋪設，未充分發(fā)揮阻尼技術優(yōu)勢。因此，需要在機械設計方案中靈活采取各項阻尼技術措施，常見措施包括：①阻尼涂料。在設備結構與金屬板結構表面均勻涂刷阻尼涂料，與環(huán)氧底漆進行組合使用;②研制新型阻尼合金，替代普通鋼作為機械設備結構材料，克服早期彈性阻尼材料剛性不足的性能缺陷，如雙晶型錳銅合金;③彈性阻尼材料。在減振結構表面以片狀形式鋪貼彈性阻尼材料，要求阻尼層具有充足的阻尼損耗因子。

4? 結語

綜上所述，為全面提高機械設計水平、延長機械設備使用年限、改善機械使用性能，有效解決機械振動噪聲問題，設計時應積極采取各項減振降噪技術措施，優(yōu)化機械結構、設置消聲裝置、控制機械振動、隔離吸收機械噪聲。同時，加強減振降噪技術研發(fā)力度，不斷對技術體系進行創(chuàng)新改進，為我國機械制造行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供有力的技術支持。

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