潤源玉米聯(lián)合收割機振動噪聲測試分析與控制

　　摘要：本文針對一種自走式玉米聯(lián)合收割機的噪聲問題設計了合理的實驗方案，并采用分離測試的方法，對收割機的主要功能部件進行了噪聲測試和分析，得到了各主要功能部件對各測點的噪聲貢獻大小。分析結果表明，發(fā)動機、割臺、升運器風扇及升運器是收割機噪聲的主要來源，為進一步降低收割機的噪聲提供了依據(jù)。

　　關鍵詞：聯(lián)合收割機；噪聲；分離測試；噪聲貢獻

　　1、前言

　　隨著社會的進步和人們生活水平的提高，對農(nóng)業(yè)機械的乘坐舒適性提出了越來越高的要求。這就要求對農(nóng)業(yè)機械的設計不僅僅局限于運動與功能的實現(xiàn)，還要在安全性、可靠性、乘坐舒適性等方面進行設計與分析。駕駛室耳旁噪聲的大小就體現(xiàn)了乘坐舒適性，它同時也是聯(lián)合收割機檢驗的一個重要指標。

　　如今各大農(nóng)用聯(lián)合收割機生產(chǎn)廠商紛紛把收割機的振動與噪聲的設計、分析放到了重要的位置，以期提高自己所生產(chǎn)產(chǎn)品的市場競爭力。因此，對收割機的振動與噪聲的實驗研究是一項重要內(nèi)容。

　　自走式玉米聯(lián)合收割機主要由發(fā)動機、行走機構、割臺、螺旋輸送器、升運器、剝皮機、振動篩、還田機等部件組成。除行走機構外，大部分的傳動都采取鏈條傳動，結構復雜，傳動線路多。在噪聲產(chǎn)生的主要來源中，除了發(fā)動機之外，割臺、升運器、還田機等旋轉(zhuǎn)或傳送部件均會產(chǎn)生較大的噪聲，同時，噪聲成分也比較復雜。為了識別出各部件對總體噪聲的貢獻程度，需對收割機進行功能部件分離測試。

　　本文針對山東潤源實業(yè)有限公司生產(chǎn)的某型號自走式玉米聯(lián)合收割機進行了振動與噪聲的實驗測試與分析，試圖找到影響駕駛室耳旁噪聲的主要聲源，以便針對性的提出相應降噪措施。

　　2、實驗方案

　　根據(jù)玉米收割機各主要功能部件傳動系統(tǒng)中運動傳遞的順序，通過分離各不同功能部件，組成不同的測試工況，測試收割機噪聲的大小，分析確定各功能部件對整機噪聲貢獻的大小，查找主要噪聲源，以利于采取相應的降噪措施

　　測試位置如圖1所示，前、后、左、右測點距收割機中心7.5m，分別測試收割機的噪聲，另一測點為駕駛室駕駛人員耳部，用于測量駕駛員的耳旁噪聲。

　　發(fā)動機有多檔轉(zhuǎn)速，由于收割機各部件高速時產(chǎn)生的噪聲較大，且收割機在實際工作時發(fā)動機的轉(zhuǎn)速為2200r/min，所以根據(jù)發(fā)動機2200r/min時的測試數(shù)據(jù)進行測試分析。

　　通過分析玉米聯(lián)合收割機的結構和傳動系統(tǒng)的特點，決定針以下列部件為重點進行測試：發(fā)動機、振動篩、還田機、剝皮機、拉頸輥、升運器、升運器風扇、割臺。

　　試驗方法為：根據(jù)傳動路線，依次停止不同的功能部件(包含其傳動鏈)，并進行噪聲測試，根據(jù)測試結果分析噪聲的變化情況，確定主要噪聲源。

　　本此試驗共分為8個不同工況，每個實驗工況與其他試驗工況相比參與工作的部件局部相同。不同試驗工況所包含的功能部件如表1所示，例如工況2，對比工況1，割臺部件已經(jīng)停止，也就是說在工況2的測試噪聲數(shù)據(jù)中，已經(jīng)不包含割臺的影響。再例如工況8，所有功能部件都停止，就是只剩下發(fā)動機工作了，所測試噪聲為發(fā)動機產(chǎn)生的，其它工況以此類推。

　　圖1噪聲測試位置示意圖

　　表1不同工況所包含的功能部件

　　3、實驗測試與數(shù)據(jù)分析

　　3.1不同工況各測點的噪聲數(shù)據(jù)分析

　　發(fā)動機2200轉(zhuǎn)/分時不同測點在不同工況時的噪聲值如圖2所示。從圖中可以看出，在工況1，也就是全部功能部件均參與工作的情況下，各測點的噪聲指標均超過了標準要求。同時，右側噪聲明顯高于其它測點的噪聲，這一方面是發(fā)動機噪聲的影響，另一方面是因為該型號的收割機大部分傳動鏈條均布置于右側的原因。

　　3.2功能部件對不同測點的噪聲貢獻分析

　　　　根據(jù)圖2與式(1)，可以計算出各功能部件對各測點的噪聲貢獻如表2所示。

　　圖2不同測點不同工況的噪聲值

  表2   功能部件對不同測點的噪聲貢獻值 dB（A）

　　從表中可以很容易的看出各功能部件對總體的噪聲貢獻大小，其中按耳旁噪聲來說，發(fā)動機、升運器和割臺對駕駛室內(nèi)的噪聲貢獻**大。

　　3.3不同工況噪聲的頻率分析

　　頻率分析的目的是分析不同工況下，噪聲信號頻率結構的變化，從而確定哪些頻率成分主要是哪些功能部件引起的，以進一步明確噪聲的來源。

　　由于傳動系統(tǒng)主要布置于機器右側，從前面的試驗中得知，右側的噪聲值較高，因此噪聲數(shù)據(jù)的頻率分析主要是從右測點處采集的。

　　噪聲數(shù)據(jù)的頻率分析有4種。第1種是聲級計輸出信號的線性頻譜，表示信號各頻率分量幅值的相對關系。第2種是經(jīng)過轉(zhuǎn)換的噪聲的聲壓級密度譜，表示各頻率成分聲壓級的大小。第3種是1/3倍頻程分析的聲壓級曲線，從該曲線上可以較容易看出噪聲大小的頻率范圍。第4種是A計權的1/3倍頻程分析的聲壓級曲線，它反映了人耳的聽力特性。

　　由于數(shù)據(jù)量較大，下面僅列出比較有代表性的工況2和工況3來說明。圖3-4分別是工況2和工況3的頻譜圖；圖5-6分別是對數(shù)坐標下，噪聲的聲壓級密度與頻率的關系。根據(jù)各工況間噪聲信號的頻譜曲線及各主要功能部件的傳動結構和轉(zhuǎn)速，可以很容易找到各功能傳動部件的特征頻率。

　　圖7-8分別是工況2和3的1/3倍頻程聲壓級曲線，從曲線上可以較容易看出某段頻率范圍內(nèi)噪聲的大小；圖9-10分別是工況2和3的A計權1/3倍頻程聲壓級曲線?？梢钥闯?，小于500 Hz的低頻噪聲經(jīng)過A計權有較大的衰減，而高頻成分1475 Hz、1612 Hz、1794 Hz不僅沒衰減，反而有所增大，而且這三個噪聲頻率正是發(fā)動機產(chǎn)生的，是整個收割機噪聲的主要成分。

　　由以上分析得出，各功能部件對收割機噪聲的影響程度如表3所示，表中數(shù)據(jù)包含**大噪聲貢獻量及其頻率成分。

　　表3  主要功能部件的**大噪聲貢獻及特征頻率

　　通過不同工況的噪聲頻率分析也可以看出：發(fā)動機、割臺、升運器對駕駛室耳旁噪聲的影響較大，這與前面的分析是一致的。

　　4、主要措施

　　為了有效地控制玉米收割機的振動噪聲，針對收割機各功能部件振動噪聲的特點，采取不同的減振降噪措施。

　?、艥L子鏈條傳動

　　在收割機傳動系統(tǒng)中，大量采用滾子鏈條傳動，且鏈輪數(shù)量多。但由于其多邊形效應，滾子鏈傳動存在沖擊振動，尤其是高速鏈輪(包含張緊輪)，是整機振動噪聲的主要振源。假設每個高速鏈輪產(chǎn)生的噪聲大小相同，10個鏈輪，就會使整體噪聲增加10分貝。因此，降低鏈條傳動沖擊噪聲是降低整機噪聲的主要因素之一。參照論文“滾子鏈低噪聲試驗與研究”中的橡膠滾子鏈條進行試驗，同時對高速鏈輪，采用噪聲較小的齒形鏈傳動，可是噪聲降低8-10dB(A)。

　?、瓢l(fā)動機支承

　　發(fā)動機產(chǎn)生較大的振動噪聲，由于其是外購件，因此，只能對其進行隔振、隔聲處理，減小其振動噪聲向其它構件的傳遞。因此，對發(fā)動機支承進行有限元分析，計算其振動模態(tài)，如圖11所示，并通過實驗測試支承墊上下的振動，如圖12所示，分析其相干功率輸出，優(yōu)化支承墊的剛度，從而減小發(fā)動機振動向機架的傳遞。

　　發(fā)動機冷卻系統(tǒng)風扇也是主要噪聲源，由旋轉(zhuǎn)噪聲、渦流噪聲組成。旋轉(zhuǎn)噪聲是由于旋轉(zhuǎn)葉片周期性的切割空氣，引起空氣周期性壓力脈動產(chǎn)生的，該噪聲主要與風扇的轉(zhuǎn)速、葉片數(shù)和夾角等因素有關。

　　圖11發(fā)動機支承振動模態(tài)圖       圖12發(fā)動機支承振動測試

　　渦流噪聲是因為風扇旋轉(zhuǎn)使周圍的空氣產(chǎn)生渦流，這些渦流又因為粘滯力的作用分裂為一系列獨立的小渦旋，這樣會形成壓力波動，從而產(chǎn)生噪聲。渦流噪聲的大小主要取決于葉片的形狀和風扇的工作條件。

　　將發(fā)動機的風扇及散熱器用罩密封起來，進氣口開在罩的上面，并進行格柵處理，減小噪聲向側向的傳遞。

　?、邱{駛室降噪優(yōu)化

　　玉米收割機駕駛室內(nèi)耳旁噪聲的大小就體現(xiàn)了乘坐舒適性，國家標準對此也作了規(guī)定。降低駕駛室噪聲對于改善司機人員的工作環(huán)境，提高工作效率，并提高產(chǎn)品的市場競爭力有重要意義。

　　針對潤源玉米收割機的駕駛室，采用有限元計算了其振動模態(tài)及隨機振動響應，圖13是駕駛室的振動模態(tài)，根據(jù)分析對駕駛室后壁等薄弱環(huán)節(jié)進行改進，以減少駕駛室的二次振動噪聲。

　　圖13駕駛室的振動模態(tài)圖        圖14 VAOne駕駛室框架模型

　　為了進一步降低駕駛室內(nèi)的噪聲，改善駕駛人員的工作環(huán)境，利用VAOne建立了駕駛室的統(tǒng)計能量法聲學分析模型，如圖14所示，并依此為基礎，對于現(xiàn)有司機室的噪聲水平進行了分析計算，進而通過隔聲、隔振原則，提出了司機室的噪聲優(yōu)化設計方案。對司機室噪聲在125Hz以下主要由于振動激勵引起；在125~500Hz既受聲激勵影響，又受振動激勵影響；在500~5000Hz，主要受聲激勵影響。對于司機室內(nèi)噪聲水平，其更多受到外部噪聲水平的影響。增大阻尼與增加板厚作用類似，能夠降低50~500Hz范圍內(nèi)噪聲，但對高頻噪聲影響較?。煌瑫r，高頻噪聲的產(chǎn)生主要受到司機室泄漏的影響，改善司機室的密閉性可以有效的降低高頻噪聲。通過增加壁厚，減少泄漏量，增加阻尼，可使得司機室整體噪聲水平下降6dB(4.2dBA)，使得司機室內(nèi)噪聲達到標準要求85dBA。

　?、雀倪M隔聲板的隔聲效果

　　降低玉米收割機側擋板振動產(chǎn)生的二次噪聲。在側擋板上不應開孔，增加吸聲材料以減少噪聲的輻射；增加側板的厚度提高隔音效果；采用隔振安裝，盡量減小板的振動。

　　⑸提高玉米收割機零部件的制造、安裝精度

　　鏈條傳動的裝配質(zhì)量不好，不僅會造成工作時掉鏈子，增加磨損等故障，同時影響噪聲的大小。提高傳動系統(tǒng)零部件的制造精度，對高速轉(zhuǎn)動零部件，進行動平衡檢查。在保證加工質(zhì)量的前提下，裝配時，檢查并保證鏈傳動的鏈輪與軸線的垂直度、孔徑精度及軸線之間的平行度等指標，采用一些專用工具進行裝配精度的檢驗，減小了振動噪聲。