煤矿用防爆柴油机噪声分析.pdf

扫码移动阅读 第 ４１ 卷 第 ３ 期 ２０２０ 年 ６ 月 煤矿机电 Ｃｏｌｌｉｅｒｙ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ＆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｖｏｌ.４１ Ｎｏ. ３ Ｊｕｎ. ２０２０ 张春英. 煤矿用防爆柴油机噪声分析[Ｊ]. 煤矿机电ꎬ２０２０ꎬ４１３７２￣７４. ｄｏｉ１０. １６５４５/ ｊ. ｃｎｋｉ. ｃｍｅｔ. ２０２０. ０３. ０２１ 煤矿用防爆柴油机噪声分析 张春英 中国煤炭科工集团 太原研究院有限公司ꎬ 山西 太原 ０３０００６ 摘 要 针对煤矿井下用防爆柴油机存在噪声大的问题ꎬ分析了防爆柴油机表面声强法的测量原 理及方法ꎬ并在此基础上进行了表面声功率的计算ꎮ 另外ꎬ通过噪声源的识别ꎬ确定了防爆柴油机 的油底壳和喷油泵是主要的表面噪声源ꎬ这对煤矿井下用防爆柴油机的降噪工作有现实意义ꎮ 关键词 防爆柴油机ꎻ 噪声ꎻ 表面声强法 中图分类号ＴＫ４２１ ＋ . ６ 文献标志码Ｂ 文章编号１００１ －０８７４２０２００３ －００７２ －０３ Ｎｏｉｓｅ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ￣Ｐｒｏｏｆ Ｄｉｅｓｅｌ Ｅｎｇｉｎｅ ｆｏｒ Ｃｏａｌ Ｍｉｎｅ ＺＨＡＮＧ Ｃｈｕｎｙｉｎｇ ＣＣＴＥＧ Ｔａｉｙｕａｎ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ Ｃｏ. ꎬ Ｌｔｄ. ꎬ Ｔａｉｙｕａｎ ０３０００６ꎬ Ｃｈｉｎａ Ａｂｓｔｒａｃｔ Ａｉｍｉｎｇ ａｔ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆ ｌｏｕｄ ｎｏｉｓｅ ｏｆ ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ￣ｐｒｏｏｆ ｄｉｅｓｅｌ ｅｎｇｉｎｅ ｉｎ ｃｏａｌ ｍｉｎｅꎬ ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ａｎｄ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｓｕｒｆａｃｅ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ￣ｐｒｏｏｆ ｄｉｅｓｅｌ ｅｎｇｉｎｅ ｈａｄ ｂｅｅｎ ａｎａｌｙｓｅｄ. Ｏｎ ｔｈｉｓ ｂａｓｉｓꎬ ｔｈｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｕｒｆａｃｅ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｐｏｗｅｒ ｈａｄ ｂｅｅｎ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ. Ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｎｏｉｓｅ ｓｏｕｒｃｅｓꎬ ｉｔ ｗａｓ ｓｈｏｗｎ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｏｉｌ ｃｈａｓｓｉｓ ａｎｄ ｆｕｅｌ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ ｐｕｍｐ ｏｆ ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ￣ｐｒｏｏｆ ｄｉｅｓｅｌ ｅｎｇｉｎｅ ｗｅｒｅ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｓｕｒｆａｃｅ ｎｏｉｓｅ ｓｏｕｒｃｅｓꎬ ｗｈｉｃｈ ｈａｄ ｇｒｅａｔ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｎｏｉｓｅ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ￣ｐｒｏｏｆ ｄｉｅｓｅｌ ｅｎｇｉｎｅ ｕｓｅｄ ｉｎ ｃｏａｌ ｍｉｎｅ. Ｋｅｙｗｏｒｄｓ ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ￣ｐｒｏｏｆ ｄｉｅｓｅｌ ｅｎｇｉｎｅꎻ ｎｏｉｓｅꎻ ｓｕｒｆａｃｅ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｍｅｔｈｏｄ ０ 引言 随着防爆车辆在煤矿井下使用量的迅速增加ꎬ 防爆柴油机作为其主要的动力源得到了广泛的应 用[１￣３]ꎮ 防爆车辆的大量应用ꎬ导致煤矿井下防爆 车辆的噪声问题日渐突出ꎮ 治理防爆车辆噪声问题 的前提是准确识别出防爆车辆的主要噪声源ꎮ 在对 防爆车辆的噪声测试中发现ꎬ防爆柴油机是主要的 噪声源之一ꎬ其各部件所辐射出的噪声合成了防爆 柴油机的噪声ꎮ 因此ꎬ要解决防爆柴油机的噪声问 题ꎬ就必须找出防爆柴油机辐射最大噪声的部件或 部位ꎬ然后对这些主要的噪声源采取行之有效的措 施ꎬ来降低防爆柴油机的噪声ꎮ １ 噪声测试方法的探索 煤矿井下用防爆车辆的噪声测试方法有逐步运 转法、噪声信号处理法、声音通道法、近场噪声压扫 描法和噪声强度法等[４]ꎮ 逐步运转法和近场噪声 压扫描法的精度比较低ꎬ一般只用在近似性评估场 合ꎮ 声音通道法虽然精度较高ꎬ但测量成本较高ꎬ一 般也较少应用ꎮ 而噪声强度法是通过对零部件的表 面振动情况测试其噪声强度数值ꎬ然后对所测试的 表面在一个封闭范围内进行积分ꎬ通过积分可有效 地把所测零部件周围环境的干扰消除掉ꎮ 由于不需 要考虑特定的噪声环境ꎬ所以用噪声强度法测试煤矿 用防爆柴油机的噪声是合理的ꎮ 本文采用噪声强度 法测试煤矿用防爆柴油机各个零部件所辐射出来的 噪声ꎬ然后从这些噪声中找出防爆柴油机噪声的主要 来源ꎮ ２ 防爆柴油机噪声强度法测定计算方法 噪声强度法在测定防爆柴油机的各个零部件表 面辐射噪声时ꎬ其结果比较准确且受其他因素的干 扰较少ꎬ但该方法所用的测试设备一般都比较昂贵ꎬ 使其应用受到一定的限制ꎮ 这种测试方法一般分为 等值噪声强度线法、噪声功率排序法及噪声连续扫 描法 ３ 种ꎮ 大部分情况下是采用噪声功率排序法和 噪声连续扫描法这两种方法ꎮ 本文采用噪声功率排 序法来测试矿用防爆柴油机的噪声ꎮ 在防爆柴油机 所测试的噪声场中取其中任意一点ꎬ此点上与速度 方向垂直的单位面积单位时间内瞬时穿过的噪声能 量就是瞬时声强ꎬ即 ＩＦｒ＝ ｐＦ ｕＦｒ１ 在防爆柴油机的噪声实验室中ꎬ用仪器测定的 瞬时声强的计算平均值为 ＩＦｒ＝ １ Ｔ∫ Ｔ ０ｐＦｔｕＦｒｔｄｔ ２ 式中ｐＦｔ为声压在防爆柴油机某点上的 ｒ 传播方 向上的瞬时值ꎻｕＦｒｔ为某点在空气中 ｒ 传播方向上 的瞬时速度值ꎻＴ 为声波周期的整数倍ꎮ 噪声强度测试系统测试时ꎬ通常使用双声音传 感器ꎬ这两个传声器是完全相同的ꎬ且它们之间的距 离是 Δｒꎮ 这两个完全相同的传声器分别所测定的 噪声压强值为 ｐ１和 ｐ２ꎬ故 ｐＦ＝ ｐ１＋ ｐ２ ２ ３ ｕＦｒ＝ １ ｐＦΔｒ∫ｐ１ － ｐ２ｄｔ４ 将式３、４代入式１得 ＩＦｒ＝ ｐ１＋ ｐ２ ２ｐＦΔｒ∫ｐ１ － ｐ２ｄｔ５ 式５所表示的就是测试煤矿用防爆柴油机噪 声强度的工作原理ꎮ 本文采用 ＨＺ１２￣ＡＷＡ６２９０Ｓ 型 声强测试仪进行测量ꎬ在测试防爆柴油机的噪声功 率时ꎬ需要先找一个测量面ꎬ该测量面在防爆柴油机 上且与噪声源的距离为 １８ ｃｍ 左右ꎬ这个测量面就 是假设的测量基准面ꎮ 防爆柴油机被这些假设的噪 声测量包围面上下左右前后各个方向围起来ꎬ在这 些包围面上布置多个不同的测试点ꎬ在左面和右面 包围面上布置主要的的噪声测试点ꎬ然后再在上、下 面包围面及油底壳下部面上布置次要的噪声测试 点ꎮ 测试点的疏密程度因防爆柴油机的局部部件的 位置不同而不同ꎬ比如在喷油泵的附近、水冷涡轮增 压器的附近和油底壳的附近测试点稍微密一点ꎮ 在 以上各个测量面上ꎬ按照先左后右、先下后上的原则 布置各个噪声测试点ꎬ噪声测试点在各个测量面的 的具体布置如图 １ 所示ꎮ 在声强试验过程中ꎬ将防爆柴油机的排气管引 至实验室外ꎬ消除其排出废气的紊流噪声ꎬ在进气管 的端部安装空气过滤器ꎮ 防爆柴油机的测量工况 为转速２ ２００ ｒ/ ｍｉｎ、功率１３０ ｋＷꎬ然后先扫描测试 防爆柴油机的上面和下面两个面ꎬ接着扫描测试防 爆柴油机的左面和右面两个面ꎬ最后扫描测试防爆 图 １ 防爆柴油机噪声测试点在各个测试面上的布置 柴油机的前面ꎮ 测试时要用声强测试仪的探头逐点 从左向右、从下向上拾取防爆柴油机表面的噪声信 号ꎬ将测量的数据进行记录和保存ꎬ然后用分析软件 进行数据处理ꎮ ３ 防爆柴油机噪声功率的具体测定及计算 首先通过实验测出防爆柴油机的各个测量面的 声强值ꎬ然后计算各个表面部件的声功率ꎬ再采用声 功率排序的方法对防爆柴油机的噪声源进行识别ꎮ 本文先用噪声强度法分别对矿用防爆柴油机的各个 组成部分计算其噪声功率ꎬ然后对防爆柴油机整机 噪声功率进行评定ꎮ 先对测试仪器测得防爆柴油机 各个测试点所得的测试信号分别进行计算ꎬ计算值 就是各个测试点的噪声强度值ꎬ然后找出这些测试 点所在部分的投影面积ꎬ可求出组成防爆柴油机的 各个零部件的局部噪声功率值ꎬ具体见下式 ＷＦｉ＝ Ｉｎｉ ＳＦｉ６ 式中ＷＦｉ为防爆柴油机各组件所有测量面中第 ｉ 个 测量面的局部噪声计算功率ꎻＩｎｉ为防爆柴油机各组 件所有测量面中第 ｉ 个测量面上噪声强度在各个单 元面上法向分量的平均值ꎻＳＦｉ为防爆柴油机组件所 有单元面中第 ｉ 个单元面的总面积之和ꎮ 将上述计算所得的噪声功率值代入式７中ꎬ 便得出防爆柴油机单元面上各个噪声源的噪声功 率级ꎮ Ｌｗ＝ １０ ｌｇ ＷＦｉ/ ＷＦ０７ 式中ＷＦ０为基准声功率ꎬ１０ －１２ Ｗꎮ ４ 防爆柴油机上主要的噪声来源 矿用防爆柴油机中组成部件噪声的噪声功率是 由防爆柴油机各个计算单元上的各个噪声功率计算 得出ꎮ 图 ２、３、４、５ 所示为防爆柴油机各组件的噪声 功率级ꎬ图中深色区域为防爆柴油机总成表面上各 个部件测定的噪声功率级中噪声较高的区域ꎬ是防 爆柴油机表面噪声的主要来源ꎮ 􀅱３７􀅱２０２０ 年第 ３ 期张春英煤矿用防爆柴油机噪声分析 图 ２ 防爆柴油机右侧噪声投影 图 ３ 防爆柴油机左侧噪声投影 图 ４ 防爆柴油机上方噪声投影 图 ５ 油底壳下方噪声投影 表 １ 所示为防爆柴油机各个零部件所辐射噪声 在防爆柴油机总体评价噪声中的占比值ꎮ 从表 １ 中 可以发现ꎬ柴油机喷油泵、防爆空压机、水冷防爆涡 轮增压器及防爆油底壳是矿用防爆柴油机整体噪声 源中的主要噪声源ꎮ 防爆柴油机机体的噪声占比值 最大ꎬ为 ３３. ０２％ꎮ 要降低防爆柴油机的整体噪声 时ꎬ应首先考虑降低防爆柴油机机体所辐射的噪声ꎮ 防爆柴油机喷油泵和防爆油底壳所产生的噪声 是防爆柴油机整体噪声的组成ꎬ这两个组成部分比 较容易改进ꎮ 为此ꎬ针对这两个组成部分进行重新 设计ꎬ对改进后的防爆柴油机重新进行各个部分的 表 １ 防爆柴油机主要零部件在整体噪声中的占比 噪声源 声功率/ Ｗ 声功率级/ ｄＢＡ 噪声 占比/ ％ 机体５９.６５１９６.５２３３.０２ 油底壳５７.２５９９６.２３３２.６５ 喷油泵１５.９８３９０.７５９.１７ 水冷涡轮增压器１５.００６８９.６４８.３２ 防爆空压机７.２２８８９.１３４.３３ 噪声强度测试与计算ꎬ所测试防爆柴油机的各个部 件的具体噪声结果见表 ２ꎮ 表 ２ 改进后防爆柴油机主要零部件在整体噪声中的占比 噪声源 声功率/ Ｗ 声功率级/ ｄＢＡ 噪声 占比/ ％ 机体５９.６５１９５.６５３３.２８ 油底壳５７.２５９９５.０１３０.１６ 喷油泵１５.９８３８９.５４７.９５ 水冷涡轮增压器１５.００６８８.７９７.０２ 防爆空压机７.２２８８７.３８３.６２ 由表 １ 和表 ２ 可以发现 １ 改进后的柴油机喷油泵和防爆油底壳相较 改进前ꎬ其在整体噪声中的占比分别降低了１. ２２％ 和 ２. ４９％ꎮ 这说明改进设计可以有效降低零部件 的噪声ꎮ ２ 改进后当防爆柴油机装配到防爆车辆上时ꎬ 防爆车辆在外加速度的噪声降幅约为 ０. ８ ｄＢＡꎬ 防爆车辆的整车噪声也得到了有效的降低ꎮ ３ 防爆柴油机喷油泵和防爆油底壳噪声是防 爆柴油机整体噪声中的重要组成部分ꎮ ５ 结论 通过用噪声强度法测量防爆柴油机的表面噪 声ꎬ确定了油底壳和喷油泵为防爆柴油机的主要噪 声源ꎬ然后对这两个部件进行了降噪措施ꎬ取得了明 显的效果ꎬ证明了该方法是找出并解决防爆柴油机 噪声的有效方法之一ꎬ同时也为整车的噪声预测和 降低提供了理论支持ꎮ 参考文献 [１] 张福祥ꎬ贾二虎. 尾气净化技术在煤矿防爆柴油机上的应用 [Ｊ]. 煤矿机械ꎬ２０１０ꎬ３１４１８０￣１８２. [２] 戴志晔. 煤矿井下无轨胶轮车的现状及应用[Ｊ]. 煤炭科学技 术ꎬ２００３ꎬ３１２２１￣２４. [３] 魏勇刚ꎬ赵明岗ꎬ孟国营. 煤矿井下防爆柴油机尾气控制技术 探讨[Ｊ]. 煤矿机械ꎬ２００８ꎬ３６１２６３￣６５. [４] 李惠彬ꎬ刘吉春ꎬ刘亚彬. 重型载货汽车发动机表面噪声源识 别[Ｊ]. 汽车研究ꎬ２００７２１１￣１３. 作者简介张春英１９８０ꎬ女ꎬ工程师ꎮ ２００４ 年毕业于辽宁工程 技术大学ꎬ现主要从事煤矿机械设计工作ꎮ 收稿日期２０１９ －０５ －１４ꎻ责任编辑贺琪 􀅱４７􀅱煤矿机电２０２０ 年第 ４１ 卷