氣動(dòng)系統(tǒng)中空氣分配閥排氣噪聲特性及其控制

摘要　對(duì)我國工廠中空氣分配閥排氣噪聲的現(xiàn)狀及危害的嚴(yán)重性進(jìn)行了分析，將排氣噪聲進(jìn)行了分類，研究了空氣分配閥排氣噪聲的特性，并對(duì)目前該噪聲控制中的幾種消聲器的性能進(jìn)行了分析論述。

1　引言

在氣動(dòng)系統(tǒng)中，氣缸的進(jìn)排氣都是依靠空氣分配閥來進(jìn)行控制的，而空氣通過分配閥排氣口排入大氣所產(chǎn)生的噪聲往往比氣動(dòng)系統(tǒng)中任何一處產(chǎn)生的噪聲都大，并且對(duì)操作工人及周圍環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重的傷害和污染［2］。筆者針對(duì)該噪聲存在的普遍性，危害的嚴(yán)重性及其治理的迫切性，對(duì)該噪聲特性進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究，特別對(duì)該噪聲控制中的消聲器存在的問題及發(fā)展趨勢進(jìn)行了分析研究，澄清了在該噪聲控制消聲器方面的模糊認(rèn)識(shí)，為工業(yè)實(shí)際中對(duì)這一噪聲的有效控制進(jìn)行了探索。

2　空氣分配閥排氣噪聲的特性及對(duì)消聲器的要求

2.1　排氣噪聲的分類

排氣噪聲是空氣動(dòng)力性噪聲。根據(jù)排氣噪聲起伏程度大小，可將其分為穩(wěn)定性排氣噪聲，周期性排氣噪聲和間歇性排氣噪聲3大類。

穩(wěn)定性排氣噪聲是指在整個(gè)排氣過程中，噪聲大小基本維持不變的情況，如空壓機(jī)儲(chǔ)氣罐通過其上方或下方的排氣閥向大氣中排氣所產(chǎn)生的噪聲。該噪聲以高頻為主。

周期性排氣噪聲是指排氣噪聲大小周期性地發(fā)生變化，并在整個(gè)過程中很大部分時(shí)間內(nèi)，均有噪聲存在，如內(nèi)燃機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生的排氣噪聲就是周期性排氣噪聲。該噪聲以低頻為主。

間歇性排氣噪聲是指噪聲大小呈現(xiàn)極為明顯的沖擊性，在前一噪聲消失后較長時(shí)間后，才產(chǎn)生下一個(gè)噪聲脈沖，有噪聲的時(shí)間比無噪聲的時(shí)間少得多。氣缸通過空氣分配閥排氣所產(chǎn)生的噪聲就是這類噪聲。泵吸油口應(yīng)足夠大，且應(yīng)沒入油箱液面以下一定深度，以防止吸油后液面下降。

2.2　空氣分配閥排氣噪聲的特性

以20MN熱模鍛壓力機(jī)離合器氣缸通過空氣分配閥排氣為例，所測得的噪聲結(jié)果如圖1所示。經(jīng)大量試驗(yàn)結(jié)果均與圖1相似，排氣前氣缸內(nèi)的氣壓越高，噪聲值越大，并且在各個(gè)頻率下的聲壓級(jí)均有增加，并且低頻和高頻的聲壓值較高，而中頻較低，頻譜曲線呈現(xiàn)馬鞍形。低頻噪聲是由單極子源產(chǎn)生，高頻部分由四極子源產(chǎn)生。并且試驗(yàn)結(jié)果表明，排氣初期噪聲大，以后越來越小直到為零。
 
圖1　空氣分配閥排氣噪聲的頻譜曲線
 雖然該排氣噪聲中的低頻部分很大，但圖1表明，該低頻部分的A聲級(jí)都在80dB以下，高頻部分的A聲級(jí)很高，而目前國際上廣泛采用A聲級(jí)衡量一個(gè)噪聲對(duì)人耳的損傷程度，所以，空氣分配閥產(chǎn)生的排氣噪聲仍以高頻部分為主。對(duì)其控制時(shí)，以高頻為控制對(duì)象。

2.3　對(duì)空氣分配閥排氣噪聲所用消聲器的要求

根據(jù)該噪聲的特性及工廠實(shí)際中氣動(dòng)裝置的實(shí)際情況，特對(duì)控制該噪聲用排氣消聲器提出以下幾點(diǎn)要求：

(1)良好的高頻降噪性能。
(2)空氣動(dòng)力性能好。即排氣阻力小，不會(huì)因安裝消聲器后過分延長排氣時(shí)間，甚至造成設(shè)備事故。
(3)抗惡劣使用環(huán)境能力強(qiáng)。因壓縮空氣中含有水、油及其他雜質(zhì)，使用現(xiàn)場存在粉塵，所以，為了提高消聲器壽命，該消聲器應(yīng)具有良好的抗水、油及粉塵污染的能力。此外，由于該排氣沖擊性強(qiáng)、流速高，因此消聲器結(jié)構(gòu)應(yīng)具有良好的抗沖擊、振動(dòng)及抗刮飛能力。
(4)具有良好的結(jié)構(gòu)性能，造價(jià)低，維護(hù)簡單，壽命長。

3　該噪聲控制用消聲器常用類型及其存在的問題

3.1　小孔噴注消聲器

中國科學(xué)院聲學(xué)所的馬大猷教授等學(xué)者，通過理論和實(shí)驗(yàn)研究，提出了小孔噴注控制噪聲理論，其原理是將一個(gè)大的噴口，在保持相同排氣量的前提下，改為許多小孔來代替，而小孔將高頻聲移到人耳不敏感的超聲范圍，從而達(dá)到降噪的目的。小孔噴注消聲器的消聲量為［2］


式中　xA——阻塞情況0.165D／DO
D——噴口直徑(mm)，DO＝1mm。
　　當(dāng)D≤1mm時(shí)，xA1，經(jīng)變換可得［5］
　　ΔL＝27.5－30lgD

由此可見，在小孔范圍內(nèi)，孔徑減半，可使消聲量提高9dB，考慮到加工小孔的難易程度，一般選直徑為1～3mm的小孔較為適宜。如果孔徑太大，小孔的消聲效果很差。

如果小孔間距較小，氣流通過小孔后還會(huì)再匯合成大的噴注，從而使消聲效果變差。為此，小孔噴注時(shí)孔的中心距應(yīng)取5～10倍的孔徑(噴注前主壓越高，孔中心距就要越大)，而孔中心距的低值為


式中d——小孔直徑，通常選取b＝（8～10）d較為合適。

為了使排氣通暢，考慮到小孔的阻尼作用，建議將消聲器的開孔通流面積設(shè)計(jì)為排氣閥通流面積的1.5～2倍。

綜上所述，對(duì)小孔噴注消聲器來講，要使其具有一定的降噪效果，又不影響氣動(dòng)裝置的正常工作，消聲器的孔徑、孔距、孔數(shù)3個(gè)關(guān)鍵參數(shù)一定要把握好。

而調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，很多工廠所用的消聲器這3個(gè)關(guān)鍵參數(shù)總有部分不滿足要求。如圖2所示為某廠所生產(chǎn)的空氣分配閥用消聲器，周向孔距為44.5mm，軸向孔距為13mm，孔數(shù)為48個(gè)。孔徑d＝2.3mm在1～3mm之間；孔距b在周向與孔徑d之比為b／d＝19.3，在軸向b／d＝5.6，因此，在軸向的孔距偏小一點(diǎn)；該空氣分配閥的通徑D＝15mm，按照前述的設(shè)計(jì)原則，小孔的總面積應(yīng)為閥通流面積的1.5～2倍。這樣，經(jīng)計(jì)算可知，需要的小孔數(shù)應(yīng)為64～85個(gè)孔，而圖2所示的消聲器僅為48個(gè)孔，折合的面積僅為閥通流面積的1.13倍，所以，會(huì)造成排氣不通暢現(xiàn)象發(fā)生，而該消聲器在實(shí)際使用中，確實(shí)存在排氣不暢的問題，加之孔軸向間距偏小，孔徑2.3mm偏大，造成實(shí)際降噪量只有7dB，這兩方面缺點(diǎn)共同作用的結(jié)果，導(dǎo)致操作工人在實(shí)際中常常將其拆掉不用。

圖2　小孔噴注消聲器

 根據(jù)筆者進(jìn)行實(shí)際噪聲控制的經(jīng)驗(yàn)，小孔噴注宜選擇1.5mm較為合適，孔距應(yīng)為孔徑的8～10倍，小孔面積應(yīng)為閥通流面積的1.5～2倍較好。此外，小孔噴注板應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度及剛度，在間歇性排氣氣流的沖擊力作用下不能產(chǎn)生結(jié)構(gòu)噪聲。

3.2　大孔擴(kuò)散消聲器

如圖3所示為國內(nèi)某廠所生產(chǎn)的空氣分配閥用消聲器，所用閥的通徑為25mm，40個(gè)φ5.5的孔總面積相當(dāng)于閥通流面積的1.936倍，所以，排氣是很流暢的?？拙郻＝7.5mm，孔距b和孔徑d＝5.5之比為b／d＝1.36mm，孔距實(shí)在太小，加之孔徑5.5mm遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過1～3mm，所以降噪性能很差，實(shí)測的降噪量僅為2.5dB。因此，應(yīng)積極提倡不用該消聲器。

 

圖3　大孔擴(kuò)散消聲器
3.3　小孔擴(kuò)散消聲器

目前，國產(chǎn)的空氣分配閥排氣口上很多都采用這類消聲器，它具有體積小，降噪量大等優(yōu)點(diǎn)。這類消聲器帶有大量的細(xì)小孔隙，可將排放氣流濾成無數(shù)個(gè)小的氣流，使氣體壓力被降低，流速被擴(kuò)散減小，從而達(dá)到降噪的目的。這類消聲器可分為微孔燒結(jié)型和多層金屬絲網(wǎng)型(或稱為篩板型)，如圖4所示，微孔燒結(jié)型是將金屬、塑料或陶瓷等球狀顆粒，在一定的溫度和壓力下，在模具內(nèi)燒結(jié)成帶微孔(孔隙小到絲米級(jí))的消聲器，目前使用多的是銅顆粒燒結(jié)型。多層金屬絲網(wǎng)型是將具有良好防銹功能的銅網(wǎng)纏繞在消聲器內(nèi)具有較好剛度的穿孔護(hù)面板上，形成多層(可達(dá)20層)銅網(wǎng)，然后在外面加裝金屬護(hù)面套筒。

圖4　小孔擴(kuò)散消聲器
a.微孔燒結(jié)型　　b.多層金屬絲網(wǎng)型

大量試驗(yàn)結(jié)果表明，同樣尺寸下，微孔燒結(jié)型的降噪量明顯比多層金屬絲網(wǎng)型大，并且這兩種類型的消聲器具有良好的中高頻消聲特性。但微孔燒結(jié)型的孔太小，使用一段時(shí)間，由于壓縮空氣內(nèi)的雜質(zhì)，油、水及環(huán)境中粉塵，造成微孔堵塞。調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)氣動(dòng)裝置滿負(fù)載運(yùn)行半年左右，微孔消聲器內(nèi)有幾乎40%～50%的微孔發(fā)生堵塞，并且，細(xì)小的雜質(zhì)鉆入微孔中時(shí)很難清理，所以，該消聲器使用一段時(shí)間后，由于堵塞嚴(yán)重，只能將其拆掉不用，否則會(huì)使排氣很不通暢而影響設(shè)備正常工作。例如，調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，由于該消聲器堵塞嚴(yán)重，造成熱模鍛壓力機(jī)離合器與制動(dòng)器排氣不通暢，終引發(fā)“悶車”事故的發(fā)生，造成所用幾萬元的模具不得不燒割掉。

對(duì)金屬網(wǎng)型消聲器，當(dāng)使用一段時(shí)間后可將其拆開，將金屬絲網(wǎng)上的雜質(zhì)用刷子及水沖洗干凈后，其性能又會(huì)恢復(fù)如初，所以，日本產(chǎn)的空氣分配閥排氣口上大多數(shù)都安裝了這種類型的消聲器，但一定要定期清理。

在試驗(yàn)臺(tái)上的大量試驗(yàn)結(jié)果表明，要保證這兩種消聲器有足夠的通流面積，從而不影響氣缸排氣，則其通流面積應(yīng)取閥額定通流面積的3～5倍，其中微孔燒結(jié)型取上限，多層金屬網(wǎng)型取下限。

3.4　純阻性消聲器

由于用多孔吸聲材料的阻性消聲器具有良好的中高頻吸聲特性，而該排氣噪聲又是以中高頻噪聲為主，所以，自然使人們想到用阻性消聲器來降低該噪聲。如圖5所示為該消聲器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5　阻性消聲器
1.穿孔護(hù)面板　2.外殼　3.吸聲材料

但調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，這種消聲器實(shí)際的降噪量往往小于實(shí)際使用前設(shè)計(jì)的降噪量，并且性能下降快，使用壽命短。造成上述現(xiàn)象的原因主要有以下3個(gè)方面。

首先，由于氣流速度高，流過穿孔護(hù)面板表面時(shí)由于穿孔對(duì)氣流產(chǎn)生擾動(dòng)而產(chǎn)生較大的再生噪聲，從而大大削弱了其降噪能力。

其次，由于這種排氣具有間歇性，流速又高，所以對(duì)消聲器內(nèi)的結(jié)構(gòu)零件產(chǎn)生較強(qiáng)的沖擊力，使這些零件產(chǎn)生振動(dòng)而輻射出結(jié)構(gòu)噪聲，從而降低消聲功能；此外，高速?zèng)_擊氣流企圖將多孔吸聲材料刮飛到消聲器之外，日積月累，會(huì)使消聲器內(nèi)的吸聲材料逐漸減少，從而使消聲器降噪性能下降。筆者在二汽鍛造廠使用的英國馬賽1800噸熱模鍛壓力機(jī)離合器氣缸排氣口上安裝的阻性消聲器解剖后發(fā)現(xiàn)，其內(nèi)幾乎一半的吸聲材料被刮飛掉，因此其降噪性能很差。
后，從氣缸內(nèi)經(jīng)過空氣分配閥排出的壓縮空氣中含有一定量的油、水及雜質(zhì)，使用環(huán)境中又有粉塵。所以，調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，消聲器內(nèi)多孔吸聲材料表面的玻璃布及近表層的多孔吸聲材料中的微孔已被油、水泥垢糊滿，使用時(shí)間很長的阻性消聲器內(nèi)的多孔吸聲材料微孔內(nèi)幾乎都浸滿了油和水，多孔吸聲材料已完全變質(zhì)腐爛，這些都導(dǎo)致多孔吸聲材料的吸聲性能嚴(yán)重下降。所以，吸水及吸油性能很好的多孔吸聲材料不宜用在空氣排氣噪聲控制用消聲器內(nèi)。

3.5　抗性消聲器

用金屬板制成的抗生消聲器，具有良好地抗水及抗油性能，但一般的抗性消聲器低中頻降噪性能好，主頻降噪性能差。特別對(duì)空氣分配閥排氣口的間歇排氣噪聲，高速?zèng)_擊氣流在抗性消聲器內(nèi)對(duì)結(jié)構(gòu)零件產(chǎn)生強(qiáng)大沖擊力，使其產(chǎn)生振動(dòng)而輻射出結(jié)構(gòu)噪聲；另一方面氣流在消聲器內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)烈的紊流現(xiàn)象及不穩(wěn)定流動(dòng)，從而產(chǎn)生氣流再生噪聲，作者在調(diào)研及在間歇性排氣噪聲試驗(yàn)臺(tái)上的大量試驗(yàn)結(jié)果場表明，純抗性消聲器用在空氣分配閥排氣降噪場合時(shí)，實(shí)際的降噪量遠(yuǎn)無小于設(shè)計(jì)的降噪量，更為嚴(yán)重地是有時(shí)這種消聲器不但不降噪，反而會(huì)放大噪聲而成為擴(kuò)音器。因此，在該噪聲控制中使用抗性消聲器一定要很謹(jǐn)慎。

如圖6所示為某廠技術(shù)人員為本廠模鍛用的平鍛機(jī)離合器空氣分配閥排氣口上所設(shè)計(jì)的抗性消聲器示意圖，設(shè)計(jì)的降噪量可達(dá)35dB，而實(shí)際的降噪量僅為7dB。
 

圖6　抗性消聲器

針對(duì)目前在該噪聲控制中存在的問題，筆者經(jīng)過長期艱苦的研究，建立了對(duì)該噪聲進(jìn)行有效控制的理論及性能良好的消聲器，成功地應(yīng)用于噪聲很大，而排氣阻力要求極嚴(yán)的機(jī)械壓力機(jī)離合器與制動(dòng)器排氣噪聲的控制中，并在實(shí)際中大面積推廣應(yīng)用，性能很好。

４　結(jié)論

(1) 空氣分配閥產(chǎn)生的噪聲遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)操作工人及周圍環(huán)境造成了極其嚴(yán)重的傷害和污染，對(duì)該噪聲進(jìn)行有效控制勢在必行。
(2) 按照排氣噪聲的起伏性大小，可將其分為穩(wěn)定性排氣噪聲、周期性排氣噪聲和間歇性排氣噪聲，空氣分配閥工作時(shí)所產(chǎn)生的排氣噪聲就是間歇性排氣噪聲。
(3)空氣分配閥所產(chǎn)生的排氣噪聲以高、低頻為主，并且隨著氣缸內(nèi)壓力的增高，總的噪聲級(jí)和各個(gè)頻率下的噪聲值均有所增大，并且以排氣初期的噪聲為大。
(4) 空氣分配閥排氣噪聲控制用消聲器應(yīng)具有良好的高頻降噪性能，空氣動(dòng)力性能好，抗惡劣使用環(huán)境能力強(qiáng)，具有良好的結(jié)構(gòu)性能。
(5)目前對(duì)該噪聲進(jìn)行控制的消聲器類型有小孔噴注型、大孔擴(kuò)散型、小孔擴(kuò)散型、阻性及抗性五種類型，其中較為有效的型式為小孔擴(kuò)散型及小孔噴注型，但小孔擴(kuò)散型消聲器通流面積應(yīng)為閥通流面積的3～5倍，并且必須定期清理、維護(hù)及更換。小孔噴注型設(shè)計(jì)時(shí)務(wù)必使孔徑(1.5mm)，孔距(為孔徑的8～10倍)和通流面積(為閥通流面積的1.5～2倍)3方面嚴(yán)格滿足要求。