潤源玉米聯(lián)合收割機(jī)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(jī)的噪聲問題設(shè)計(jì)了合理的實(shí)驗(yàn)方案，并采用分離測試的方法，對收割機(jī)的主要功能部件進(jìn)行了噪聲測試和分析，得到了各主要功能部件對各測點(diǎn)的噪聲貢獻(xiàn)大小。分析結(jié)果表明，發(fā)動機(jī)、割臺、升運(yùn)器風(fēng)扇及升運(yùn)器是收割機(jī)噪聲的主要來源，為進(jìn)一步降低收割機(jī)的噪聲提供了依據(jù)。

　　關(guān)鍵詞：聯(lián)合收割機(jī)；噪聲；分離測試；噪聲貢獻(xiàn)

　　1、前言

　　隨著社會的進(jìn)步和人們生活水平的提高，對農(nóng)業(yè)機(jī)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(jī)械的設(shè)計(jì)不僅僅局限于運(yùn)動與功能的實(shí)現(xiàn)，還要在安全性、可靠性、乘坐舒適性等方面進(jìn)行設(shè)計(jì)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(jī)檢驗(yàn)的一個重要指標(biāo)。

　　如今各大農(nóng)用聯(lián)合收割機(jī)生產(chǎn)廠商紛紛把收割機(jī)的振動與噪聲的設(shè)計(jì)、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(jī)的振動與噪聲的實(shí)驗(yàn)研究是一項(xiàng)重要內(nèi)容。

　　自走式玉米聯(lián)合收割機(jī)主要由發(fā)動機(jī)、行走機(jī)構(gòu)、割臺、螺旋輸送器、升運(yùn)器、剝皮機(jī)、振動篩、還田機(jī)等部件組成。除行走機(jī)構(gòu)外，大部分的傳動都采取鏈條傳動，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，傳動線路多。在噪聲產(chǎn)生的主要來源中，除了發(fā)動機(jī)之外，割臺、升運(yùn)器、還田機(jī)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(fù)雜。為了識別出各部件對總體噪聲的貢獻(xiàn)程度，需對收割機(jī)進(jìn)行功能部件分離測試。

　　本文針對山東潤源實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn)的某型號自走式玉米聯(lián)合收割機(jī)進(jìn)行了振動與噪聲的實(shí)驗(yàn)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(yīng)降噪措施。

　　2、實(shí)驗(yàn)方案

　　根據(jù)玉米收割機(jī)各主要功能部件傳動系統(tǒng)中運(yùn)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(jī)噪聲的大小，分析確定各功能部件對整機(jī)噪聲貢獻(xiàn)的大小，查找主要噪聲源，以利于采取相應(yīng)的降噪措施

　　測試位置如圖1所示，前、后、左、右測點(diǎn)距收割機(jī)中心7.5m，分別測試收割機(jī)的噪聲，另一測點(diǎn)為駕駛室駕駛?cè)藛T耳部，用于測量駕駛員的耳旁噪聲。

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

　　通過分析玉米聯(lián)合收割機(jī)的結(jié)構(gòu)和傳動系統(tǒng)的特點(diǎn)，決定針以下列部件為重點(diǎn)進(jìn)行測試：發(fā)動機(jī)、振動篩、還田機(jī)、剝皮機(jī)、拉頸輥、升運(yùn)器、升運(yùn)器風(fēng)扇、割臺。

　　試驗(yàn)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(jìn)行噪聲測試，根據(jù)測試結(jié)果分析噪聲的變化情況，確定主要噪聲源。

　　本此試驗(yàn)共分為8個不同工況，每個實(shí)驗(yàn)工況與其他試驗(yàn)工況相比參與工作的部件局部相同。不同試驗(yàn)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(jī)工作了，所測試噪聲為發(fā)動機(jī)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(shí)驗(yàn)測試與數(shù)據(jù)分析

　　3.1不同工況各測點(diǎn)的噪聲數(shù)據(jù)分析

　　發(fā)動機(jī)2200轉(zhuǎn)/分時不同測點(diǎn)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(diǎn)的噪聲指標(biāo)均超過了標(biāo)準(zhǔn)要求。同時，右側(cè)噪聲明顯高于其它測點(diǎn)的噪聲，這一方面是發(fā)動機(jī)噪聲的影響，另一方面是因?yàn)樵撔吞柕氖崭顧C(jī)大部分傳動鏈條均布置于右側(cè)的原因。

　　3.2功能部件對不同測點(diǎn)的噪聲貢獻(xiàn)分析

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

　　圖2不同測點(diǎn)不同工況的噪聲值

  表2   功能部件對不同測點(diǎn)的噪聲貢獻(xiàn)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(xiàn)大小，其中按耳旁噪聲來說，發(fā)動機(jī)、升運(yùn)器和割臺對駕駛室內(nèi)的噪聲貢獻(xiàn)**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(jié)構(gòu)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(jìn)一步明確噪聲的來源。

　　由于傳動系統(tǒng)主要布置于機(jī)器右側(cè)，從前面的試驗(yàn)中得知，右側(cè)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(diǎn)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(jì)輸出信號的線性頻譜，表示信號各頻率分量幅值的相對關(guān)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(jì)權(quán)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(biāo)下，噪聲的聲壓級密度與頻率的關(guān)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(jié)構(gòu)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??；圖9-10分別是工況2和3的A計(jì)權(quán)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(jì)權(quán)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(jī)產(chǎn)生的，是整個收割機(jī)噪聲的主要成分。

　　由以上分析得出，各功能部件對收割機(jī)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(xiàn)量及其頻率成分。

　　表3  主要功能部件的**大噪聲貢獻(xiàn)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(jī)、割臺、升運(yùn)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(jī)的振動噪聲，針對收割機(jī)各功能部件振動噪聲的特點(diǎn)，采取不同的減振降噪措施。

　?、艥L子鏈條傳動

　　在收割機(jī)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(yīng)，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(jī)振動噪聲的主要振源。假設(shè)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(jī)噪聲的主要因素之一。參照論文“滾子鏈低噪聲試驗(yàn)與研究”中的橡膠滾子鏈條進(jìn)行試驗(yàn)，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)。

　　⑵發(fā)動機(jī)支承

　　發(fā)動機(jī)產(chǎn)生較大的振動噪聲，由于其是外購件，因此，只能對其進(jìn)行隔振、隔聲處理，減小其振動噪聲向其它構(gòu)件的傳遞。因此，對發(fā)動機(jī)支承進(jìn)行有限元分析，計(jì)算其振動模態(tài)，如圖11所示，并通過實(shí)驗(yàn)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(jī)振動向機(jī)架的傳遞。

　　發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)風(fēng)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(fēng)扇的轉(zhuǎn)速、葉片數(shù)和夾角等因素有關(guān)。

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

　　渦流噪聲是因?yàn)轱L(fēng)扇旋轉(zhuǎn)使周圍的空氣產(chǎn)生渦流，這些渦流又因?yàn)檎硿Φ淖饔梅至褳橐幌盗歇?dú)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(fēng)扇的工作條件。

　　將發(fā)動機(jī)的風(fēng)扇及散熱器用罩密封起來，進(jìn)氣口開在罩的上面，并進(jìn)行格柵處理，減小噪聲向側(cè)向的傳遞。

　　⑶駕駛室降噪優(yōu)化

　　玉米收割機(jī)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(biāo)準(zhǔn)對此也作了規(guī)定。降低駕駛室噪聲對于改善司機(jī)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(jī)的駕駛室，采用有限元計(jì)算了其振動模態(tài)及隨機(jī)振動響應(yīng)，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(jìn)行改進(jìn)，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(jìn)一步降低駕駛室內(nèi)的噪聲，改善駕駛?cè)藛T的工作環(huán)境，利用VAOne建立了駕駛室的統(tǒng)計(jì)能量法聲學(xué)分析模型，如圖14所示，并依此為基礎(chǔ)，對于現(xiàn)有司機(jī)室的噪聲水平進(jìn)行了分析計(jì)算，進(jìn)而通過隔聲、隔振原則，提出了司機(jī)室的噪聲優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。對司機(jī)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(jī)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??；同時，高頻噪聲的產(chǎn)生主要受到司機(jī)室泄漏的影響，改善司機(jī)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(jī)室整體噪聲水平下降6dB(4.2dBA)，使得司機(jī)室內(nèi)噪聲達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求85dBA。

　?、雀倪M(jìn)隔聲板的隔聲效果

　　降低玉米收割機(jī)側(cè)擋板振動產(chǎn)生的二次噪聲。在側(cè)擋板上不應(yīng)開孔，增加吸聲材料以減少噪聲的輻射；增加側(cè)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(jī)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(jìn)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(biāo)，采用一些專用工具進(jìn)行裝配精度的檢驗(yàn)，減小了振動噪聲。