裝載機(jī)減振器設(shè)計原理與計算實例
摘 要：簡述了工程機(jī)械振動噪聲的危害，傳統(tǒng)控制方法一減振降噪的原理及應(yīng)用，簡要分析了工程車輛減振器的設(shè)計原則，同時根據(jù)減振器的設(shè)計原則給出了一個計算實例。
關(guān)鍵字：工程機(jī)械 振動 噪聲 危害
１．引言
工程機(jī)械設(shè)備的振動是一種有害現(xiàn)象，往往會帶來較大的一些危害：造成振動噪聲污染，破壞其它相關(guān)設(shè)備、儀表的正常工作；降低控制、監(jiān)測系統(tǒng)的精度；振動還將損害車輛駕駛員的乘坐舒適性，惡化工作條件，降低工作效率，影響人一機(jī)系統(tǒng)的總體性能。
裝載機(jī)噪聲控制主要從兩方面著手：首先是降低聲源的噪聲，即采用低噪聲、低振動的發(fā)動機(jī)、冷卻風(fēng)扇、變速箱、液壓泵等措施，可以從根本上降低整機(jī)噪聲。由于考慮到成本的原因，對裝載機(jī)產(chǎn)品本身來說，現(xiàn)階段不可能徹底更換動力源和傳動系統(tǒng)，因此，現(xiàn)階段降噪最主要的手段是要考慮從被動降噪入手，即通過隔振、隔聲、吸聲、密封處理，控制噪聲傳播的途徑，達(dá)到降低輻射噪聲的目的。裝載機(jī)減振器的設(shè)計和應(yīng)用就是傳統(tǒng)的被動降噪措施，減振器的優(yōu)化設(shè)計被證明是取得滿意的降噪效果的關(guān)鍵。
２．減振、隔振降噪原理
控制振動和控制噪聲一樣，首先應(yīng)從振源入手，同時考慮控制振動的傳播。振動控制的途徑一般包括振動力隔離或?qū)Y(jié)構(gòu)施加阻尼。振動隔離是減少從一個結(jié)構(gòu)向另一個結(jié)構(gòu)通過某些彈性器件的振動傳播；共振的結(jié)構(gòu)能通過施加阻尼來降低，可采用動力吸振器的形式或在結(jié)構(gòu)的各表面應(yīng)用多層材料。歸納起來，大致有如下幾種途徑。
１）激振源、控制振源振動——就是使振級控制到最小程度，這是最徹底和有效的辦法。其主要方法是減小振源本身的不平衡力引起的對設(shè)備的激勵；
２）避免共振——共振是振動的一種特殊狀態(tài)，當(dāng)振動機(jī)械的擾動激勵力的頻率與設(shè)備的固有頻率一致時，就會使設(shè)備的振動更厲害，甚至起到放大作用，這個現(xiàn)象稱共振；
３）減少振動響應(yīng)——減振、吸振，實質(zhì)上就是將振動的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能等其他形式的能量；
４）控制振動的傳遞率——隔振隔振就是在振源和振動體之間設(shè)置隔振系統(tǒng)或隔振裝置，以減小或隔離振動的傳遞。
隔振和減振措施是從隔離或降低聲源振動的角度考慮的，其理論基礎(chǔ)建立在振動的概念上，其著重點在噪聲聲源本身。
聲源的振動或撞擊直接激發(fā)固體結(jié)構(gòu)振動，并以彈性波的形式在固體構(gòu)件中傳播出去。這種聲波叫做結(jié)構(gòu)聲（或固體聲），結(jié)構(gòu)聲主要借助固體構(gòu)件傳播。與聲源直接激發(fā)空氣輻射聲波的空氣聲有所不同；結(jié)構(gòu)聲在傳播過程中也向周圍空氣媒質(zhì)輻射空氣聲，實際上最后為人耳所知的仍是空氣聲。對于空氣聲，聲源首先向空氣輻射聲波，我們主要關(guān)心空氣中的聲場。對于結(jié)構(gòu)聲，聲源首先激發(fā)產(chǎn)生固體構(gòu)件中的聲波，我們主要關(guān)心固體構(gòu)件的傳聲特性。
對于具體的機(jī)器設(shè)備——輪式裝載機(jī)來說，其噪聲包括輻射噪聲和司機(jī)室內(nèi)耳旁噪聲兩部分。輻射噪聲的構(gòu)成比較復(fù)雜，但主要來源于發(fā)動機(jī)排氣噪聲和冷卻風(fēng)扇的運轉(zhuǎn)噪聲以及發(fā)動機(jī)振動誘發(fā)所產(chǎn)生的車身結(jié)構(gòu)噪聲；裝載機(jī)的司機(jī)室內(nèi)噪聲主要是低頻聲，它是由發(fā)動機(jī)和動力總成的振動所誘發(fā)的結(jié)構(gòu)噪聲，而低頻結(jié)構(gòu)噪聲主要取決于動力總成的低頻振動的隔離水平。與低頻結(jié)構(gòu)噪聲相關(guān)的部件有動力總成系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、車身系統(tǒng)等，因為這是振動的主要來源，各系統(tǒng)的優(yōu)化組合是降低噪聲的首要任務(wù)。但對于現(xiàn)有產(chǎn)品的噪聲治理，動力總成系統(tǒng)及司機(jī)室安裝減振墊的優(yōu)化是噪聲控制的關(guān)鍵。從整個系統(tǒng)看：運轉(zhuǎn)部件所產(chǎn)生的振動從發(fā)動機(jī)、變速器、液壓油泵—后車架—駕駛室傳導(dǎo)性較好。通過對動力總成（發(fā)動機(jī)、變速器）減振墊和司機(jī)室減振墊的優(yōu)化，可以達(dá)到降低裝載機(jī)振動噪聲的目的。因此，在動力傳動部件連接處和司機(jī)室安裝連接處采用性能優(yōu)良的減振器是降低裝載機(jī)噪聲的主要手段之一。
３．減振器設(shè)計原則
常用的減振器有金屬彈簧減振器和橡膠減振器。前者特點是，性能穩(wěn)定、承載力大、固有頻率低（小于５Ｈｚ）、阻尼系數(shù)小、水平剛度小、可傳遞高頻噪聲；后者阻尼系數(shù)大、利于越過共振區(qū)、對三方向均有吸收、降低高頻噪聲較好、成型簡單、加工方便、承載能力低、適用溫度－４０℃—７０℃，壽命五年左右。裝載機(jī)普遍采用的是橡膠減振器。
隔振效果可用隔振系統(tǒng)（即傳遞系數(shù)）η表示：
η＝＝式（１）
式中Ｎ—彈性組件傳給基礎(chǔ)的最大動反力
Ｆ—未隔振時傳給基礎(chǔ)的最大反力
λ—頻率比，λ＝
ξ—阻尼比，ξ＝
隔振系統(tǒng)的固有頻率ｆ用下式計算：
ｆ＝＝＝＝式（２）
式中Δｈ—隔振器受靜壓的壓縮量，靜位移Δｈ＝ｍｇ／Ｋ
Ｋ—減振器動剛度，ｋｇ／ｃｍ
減振器設(shè)計一般原則
①確定減振器剛度的原則
發(fā)動機(jī)的振動具有前后、左右、上下、橫擺、俯仰和側(cè)傾（沿Ｘ、Ｙ、ｚ方向位移及繞三軸的旋轉(zhuǎn)）等６個自由度，彈性支承布置應(yīng)考慮６個自由度，在彈性支承（減振墊）布置時，主要應(yīng)考慮干擾力的方向、設(shè)備的重心及彈性支承布置的幾何尺寸。當(dāng)干擾力通過設(shè)備的重心，且方向為垂直時，只要將彈性支承（減振墊）布置按重心對稱布置，使彈性支承布置受力相等。當(dāng)干擾力頻率大于設(shè)備與彈性支承布置組成的隔振系統(tǒng)的固有頻率時，設(shè)備周圍的環(huán)境就獲得了良好的隔振效果。當(dāng)被支承物質(zhì)量分布不均勻、彈性支承布置無法按重心對稱分布時，可以采用同一型號但剛度不同的減振墊，使離重心近的減振墊有較大的剛度，離重心遠(yuǎn)的減振墊有較小的剛度，而使各個減振墊產(chǎn)生的合反力與被支承物的重心一致。
②發(fā)動機(jī)和變速器總成減振墊的穩(wěn)定性也是選擇減振墊設(shè)計方案的一個重要因素，確保系統(tǒng)穩(wěn)定的依據(jù)是系統(tǒng)振動模態(tài)的最小固有頻率小于某一頻率值。
③為確保減振墊有足夠的靜承載能力以滿足裝載機(jī)動力傳動系統(tǒng)對其使用壽命的要求，在選擇減振墊合適的剛度的同時，還必須要保證其額定靜承載能力。
４．減振器設(shè)計計算實例
以ＺＬ５０Ｇ輪式裝載機(jī)發(fā)動機(jī)和變速器總成為例，減振墊設(shè)計計算：
•確定激勵頻率
ＺＬ５０Ｇ輪式裝載機(jī)動力為直列六缸柴油機(jī)，在六缸發(fā)動機(jī)中，曲軸每轉(zhuǎn)一周，就產(chǎn)生三次轉(zhuǎn)矩波動。發(fā)動機(jī)怠速轉(zhuǎn)速：７００ｒ／ｍｉｎ，則其激勵頻率為ｆ＝７００３／６０＝３５（Ｈｚ）。
•確定系統(tǒng)固有頻率
一般來說，在工程上。罚埃サ剑梗埃サ母粽衤适强梢詫崿F(xiàn)的，取減振率Ｉ＝０．８，那么振動傳遞率Ｔ＝１－Ｉ＝０．２，忽略阻尼的影響，則有：
Ｔ＝λ＝式（３）
式中λ為頻率比；ｆ為激勵頻率；ｆ為系統(tǒng)的固有頻率。
由式（３）可得：
λ＝＝２．４５
系統(tǒng)的固有頻率：ｆ＝＝１４．３Ｈｚ
由式（２）：ｆ＝
式中ｋ—減振器動剛度，ｋｇ／ｃｍ
ｍ—發(fā)動機(jī)和變速器裝置的總質(zhì)量ｋｇ
ｍ＝ｍ＋ｍ＝５６５＋４６３＝１０２８ｋｇ
計算彈性支承（減振器）總的動剛度ｋ為：
ｋ＝ｍ（２πｆ）＝８２９０Ｎ／ｍｍ
相應(yīng)的靜變形為Δｈ＝ｍｇ／Ｋ＝１．２ｍｍ
•確定各個減振器垂直方向動剛度Ｋ（ｉ＝１，２，３…）
首先根據(jù)各個減振器布置點相對于動力總成重心位置的坐標(biāo)，以及發(fā)動機(jī)和變速器裝置的總質(zhì)量，計算出各點的垂向靜載荷Ｐ（ｉ＝１，２，３…）。根據(jù)公式Δｈ＝ｐ／Ｋ，就可以確定各個減振器垂直方向的動剛度。
按這種要求布置設(shè)計減振器，就可以在裝載機(jī)上獲得滿意的減振降噪效果。
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