管桩离心机振动噪声控制研究

左言言，魏明涛，曾宪任，朱晨曦

(江苏大学 振动噪声研究所,江苏 镇江212013)



管桩离心机振动噪声控制研究

左言言，魏明涛，曾宪任，朱晨曦

(江苏大学 振动噪声研究所,江苏 镇江212013)

为了降低管模离心机的振动噪声，建立了离心机管模的三维模型并进行模态分析，研究了管模的固有特性。经过对无管模、空管模和实管模的振动噪声的试验分析，得知托轮和管模的相互作用对振动噪声的影响很大，需要改变它们的接触形式以减小冲击振动。通过对阻尼层减振降噪机理进行研究，提出在托轮表面增加阻尼材料层、变刚性接触为弹性接触的减振降噪方法。对采用阻尼托轮与原托轮的离心机进行了对比试验，结果表明，阻尼托轮使离心机的振动能量减少60%以上，噪声降低10 dB(A)以上，减振降噪效果非常显著。

机电工程；离心机；振动噪声；阻尼托轮

0 引 言

随着建筑行业的快速发展，地基管桩作为一种重要建材，需求量越来越大，然而预应力混凝土管桩在离心成型的过程中将会产生很大的噪声，这些噪声将会直接影响到工作人员的工作质量，使其感到身体疲劳，心情烦躁，影响工人的休息和心情，还将会引起工作人员产生头晕，失眠及耳鸣等各种生理疾病；对于长期工作在车间的工作人员来说，车间内较高的噪声会使其工作效率下降，反应迟钝，造成神经过敏、惊慌等心理和生理上的伤害。因此，如何减少生产车间的环境噪声成为目前急需解决的问题。对此，一些企业开始寻找减振降噪的方法，以改善生产环境的舒适性能。目前，对车间内振动噪声控制采取的措施还很少，少量企业采取在离心机两侧竖隔离墙的措施，但这主要起到安全的作用，对于降低噪声的辐射强度只有轻微的作用，所以说要想更加有效的降低噪声，还需要增加一些其它有效的措施，目前，国内外还未发现有文献针对管桩离心机振动噪声的研究。

1 离心机的结构和工作原理

离心机的结构如图1，主要由驱动轮系和从动轮系组成，由联轴器把每对驱动轮串联成一个整体，而从动轮对之间是断开的。离心机的实物及设备的空间方位见图2。

图1 离心机的结构

图2 离心机

离心机在工作时，动力源由电机提供，电机通过皮带轮把动力传递到驱动轮系，驱动轮系依靠摩擦力带动管模转动，最后管模再带动从动轮系转动。其中管模中装有混凝土布料，在此工艺中离心成型，管桩模具与离心机的托轮在高速离心作业时发生摩擦及碰撞，同时托轮和管桩模具高速旋转时与空气发生摩擦，均可产生很大的噪声，经测试最高噪声甚至能达到110 dB(A)，如果不采取降噪措施，这将会给车间的工作人员造成很大的伤害。

2 离心机管模三维建模

在Catia中建立离心机与管模的三维模型，如图3，管模由主动轮系和从动轮系托起，靠外轮缘实现与主从动轮系的摩擦传动。

图3 离心机管模的三维模型

有限元建模过程中，对模型进行了一些适当的简化，例如倒角可以省略，对于螺栓连接处用适当的约束载荷代替，这样既可以提高网格划分的质量，又几乎不会对分析结果造成影响[1]。在Hypermesh中网格划分如图4。

图4 驱动轮系和管模的有限元模型

3 主动轮系和管模模态分析

在Hypermesh中把管模的网格模型转化成.cdb文件，然后导入到ANSYS中进行自由模态分析[2]，部分计算结果如表1。

表1 管模自由模态的部分计算结果

由表1可以看出，前几阶模态阵型均为径向弯曲和扭转模态，包括后面出现的高阶弯曲与扭转模态和弯扭组合模态。出现这些弯曲和扭转是由它们的结构决定的，即由管模在长度方向的尺寸远远大于直径方向上的尺寸造成的。管模的前几阶典型振型如图5。

图5 管模的部分振型

4 振动噪声测试

4.1 试验系统

试验采用振动噪声测试分析系统(德国Head Acoustics 二十四通道数据采集系统和Artemis信号分析软件)，噪声测量采用丹麦BK公司的4189传声器，振动测量采用美国的PCB加速度传感器，笔者所用的A声级都是由Artemis信号分析软件处理出的等效连续A声级。

4.2 测试方法

依据GB/T 13802—1992《工程机械辐射噪声测量的通用方法》的测试方法，试验时，在管模上方1 m处、托轮与管模接触部位附近、轴承近旁布置传声器以测量噪声信号，在几个轴承座上布置振动加速度传感器测取振动信号，传声器和加速度传感器的布置形式如图6。管模离心机由专业操作人员操作，车间内其它噪声较大的噪声源停止工作，保证背景噪声比管模离心机噪声低10 dB(A)以上。试验时，测得管桩离心机上方1 m处背景噪声和最小测试噪声分别为60.8，74.96 dB(A)，两者相差14.14 dB(A)，测试环境符合相关机器噪声测试环境条件要求[3]。

图6 传声器和加速度传感器的布置

4.3 测试结果与分析

离心机工作时，驱动轮系经过几个加速和恒速阶段把速度从0增大到最高转速573 r/min，然后再经过制动减速到0。测试时，管模离心机按其工作模式工作，在各加速时段记录下加速时的振动噪声信号，在恒定转速时段记录稳态振动噪声信号。笔者主要研究恒速阶段，稳态振动噪声信号经过处理计算得到各位置振动噪声值。测试结果见表2。

表2 驱动轮稳定转速时的轴承座附近测试结果

从表2可以看出，随着驱动轮转速的增加，无论是无管模、空管模还是实管模，它们的振动加速度和噪声都是逐步增大的(0 r/min代表背景振动)，且无管模时的振动量和噪声值最小，实管模时的最大，可见增加管模以后，托轮和管模之间的相互作用对振动和噪声值的影响很大。现选取驱动轮最高转速573 r/min时，无管模和空管模的振动、噪声频谱对比，如图7。

图7 驱动轮转速573 r/min时的振动、噪声频谱对比

由图7可以看出，添加空管模后振动加速度和噪声声压级明显增大，这是由于托轮与管模接触蠕滑和管模外轮缘表面不平顺如表面粗糙度、波磨和轻微扁瘢等造成的振动从而产生滚动噪声[4]；另外，管模是由两个半模通过合模螺栓连接的，结合部位难免会有缝隙，在转动的过程中会与托轮之间产生冲击，从而产生冲击振动和冲击噪声；空管模振动频谱在270，571，827 Hz处出现较大的振动加速度峰值，这些峰值与管模自由模态的几个固有频率相吻合，可看出所建立的模型可信度比较高，可以用于进一步的仿真分析。

5 振动噪声控制

对于管桩离心机来说，其噪声主要是由很大的振动冲击引起的，所以可以在控制噪声源方面采取适当的措施，例如可以在托轮和管模接触部位添加阻尼层来改变其接触形式。依靠阻尼材料具有内损耗、内摩控的性质，将机械振动和声振的能量,转变成热能或其它可耗损的能量,从而达到减振及降噪的目的[5]。

由于托轮与管模表面的不平顺和合模缝隙，使得离心机产生很大的振动和噪声，从而我们可以在托轮上添加阻尼材料，有效地减小管模和离心机之间的振动冲击，从而减小离心工艺中产生的高频噪声[6]，托轮的包胶结构及托轮包胶后的实物图和试验现场见图8[7]。

图8 托轮包胶示意

6 改进后与改进前的试验对比

6.1 阻尼托轮的减振降噪效果

驱动和从动托轮上增加一层阻尼材料后，传感器与改进前一样的布置，对振动噪声进行现场测试试验，实管模时轴承座上的振动加速度和其附近噪声的改进对比见表3。

表3 实管模时轴承座上振动加速度和附近噪声的改进对比

从表3可以看出，托轮加装阻尼层后，离心机振动得到了很大程度的降低，离心机噪声也得到了有效的降低。驱动轮的转速从0～573 r/min的变化过程中，轴承座近旁的振动加速度降低了8.219～33.060 m/s2，减振比(减振量与改进前的振动加速度的比值)高达61.53%～73.61%；轴承座近旁的噪声声压级降低了10.14～13.42 dB(A)，降噪的效果从能量方面显现得更为直接。

6.2 阻尼托轮的降噪与减振的频谱分析

为了更好地分析阻尼托轮的降噪效果，笔者对离心机工作时的振动噪声进行了频谱分析。图9是在驱动轮转速为573 r/min时，改进前后振动噪声频谱对比图。

图9 驱动轮转速为573 r/min时改进前后的振动噪声频谱对比

由图9可以看出这个减振降噪效果来自于对离心机高频部分的抑制，其效果相当明显。

7 结 论

1)由于离心机的噪声主要是由于托轮与管模的摩擦和撞击引起的振动产生的，所以在托轮表面增加阻尼材料层以后，变原来的刚性接触为弹性接触，来减少摩擦冲击振动，最终达到较为显著的降噪效果。

2)改进为阻尼托轮以后，振动噪声的高频部分得到了有效的降低。在驱动轮的不同转速下，轴承座近旁的振动加速度平均减少了66.256%；而噪声值平均降低了11.83 dB(A)，平均减少能量为74.15%，阻尼托轮的降噪效果相当可观。

3)阻尼托轮取得了显著的减振降噪效果，已基本满足生产车间及相关作业场所连续工作8 h的允许噪声要求，如果需要进一步降低噪声，还可以采取其它措施：①在管模结构板件表面粘贴耐高温的阻尼材料来降低结构辐射噪声；②选用低噪声轴承；③在安全墙表面上粘贴吸声材料。

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Vibration and Noise Control of Pile Centrifuge

Zuo Yanyan, Wei Mingtao, Zeng Xianren, Zhu Chenxi

(Vibration & Noise Research Institute, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, Jiangsu, China)

In order to decrease the vibration noise radiated by a pipe mold centrifuge, a 3-D model of the pipe mold centrifuge was established, and its vibratory mode and inherent characteristics were analyzed. The vibration and noise of the centrifuge was measured under three conditions, that is, without pipe mold, with empty pipe mold and with filled pipe mold respectively. According to the test results, it is found that the primary factor which affects the vibration and noise of the machine is the interaction between the riding wheels and the pipe mold, so it is necessary to change their contact form in order to decrease the shock and vibration. Through analyzing the mechanism of damping layer to reduce noise and vibration, a new damping treating technique for reducing noise and vibration was presented, which was putting damping material layer on the surfaces of the riding wheels and changing the rigid contact to the elastic contact between the wheels. The contrast test of the centrifuge with damping riding wheels and the original riding wheels were conducted. The results indicate that the vibratory energy of centrifuge with damping riding wheels decreases by more than 60%, and the noise decreases by more than 10 dB(A), which has a striking effect in reducing the vibration and noise.

electromechanical engineering; centrifuge; vibration noise; damping riding wheel

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.06.35

2013-05-29；

2014-08-29

教育部博士点基金项目(20103227110009)；江苏省普通高校研究生科研创新计划项目(CXLX12-0632)

左言言(1958—)，男，江苏涟水人，教授，博士生导师，主要从事振动噪声控制方面的研究。E-mail：yyzuo@mail.ujs.edu.cn。

TH186

A

1674-0696(2015)06-186-05