内燃叉车噪声污染及降噪技术研究

褚东亮， 阮荣慧， 孙卫华, 赵章荣

（北京物资学院物流学院北京市物流系统与技术重点实验室，北京101149）

0 引 言

内燃叉车作为物流装卸搬运的主要工具在物流行业中有着十分重要的地位，内燃叉车的工作效率直接影响着物流运作的整体效率。为了保证物流运作的工作效率，减小物流成本的增加，保障叉车操作员及有关人员的身心健康，必须努力降低内燃叉车的噪声水平。

内燃叉车的噪声问题属于一个综合性问题，它涉及到声学、物理、机械等多种学科的知识，目前国内有很多专家学者也在进行有关研究。大连交通大学的郭雅茹[1]针对于内燃机的振动及噪声问题，利用Artemis软件分析得到柴油发动机的振动频率及分布规律，设计了消音器设计方案，并应用COMSAL软件进行仿真，利用B&K4206-Tj测试验证了仿真结果的正确性；武汉理工大学的周强[2]采用实验研究及理论分析的方法设计了燃烧噪声模拟实验，并求解内燃机的燃烧噪声；杭叉集团的李文峰[3]针对CPCD45叉车进行的整车研究提出的降噪方法也有效地降低了噪声水平；合肥工业大学的魏浩征[4]通过对驾驶位两侧的进气排气噪声进行测试分析，设计出了最佳进气百叶窗，改善了进气噪声；辽宁工程技术大学的杜莎莎[5]通过建立齿轮泵的困油模型分析齿轮啮合中的冲击，并提出相应降噪措施。

文中以某种型号的内燃叉车作为研究对象，以减小内燃叉车的噪声污染为研究目标，运用文献研究法研究叉车的噪声产生原理，由实验验证法研究测试噪声的产生部位，针对不同的噪声源提出降噪措施，并对发动机噪声的降噪措施进行实验验证，证明降噪措施的有效性。

1 声学

1.1 声波

声源的振动在空气或其他物质中的传播叫做声波。声波的频率范围（听域）为20～20 000 Hz，如图1所示。

1.2 声压和声压级

声压是指在单位体积内受声扰动后压强的变化量，计算公式为

式中：P为声压，Pa；P0为改变前声压；P1为改变后声压。

声压级是指声压与声压基准声之比的常用对数的20倍，计算公式为

式中：L为声压级，dB；P0为改变前声压；P1为改变后声压。

1.3 声功率和声功率级

单位时间内通过垂直于声波传播方向的面积S的平均声能量称为平均声功率，计算公式为

式中：W为平均声功率，W；c0为声速；S为声场中的面积。

声功率级是指声功率与参考声功率之比的常用对数的10倍，计算公式为

式中：Lw为声功率级，dB；W1为声功率,W；W2为基准声功率,W。

1.4 声强和声强级

声强是指声波的平均能流密度的大小。声强、声压存在着以下关系：

式中：I为声强；ρ为介质的密度；v为声速。

声强级是某一处的声强与参考声强之比的常用对数的10倍，度量声强级的单位是分贝(dB)，计算公式为

2 内燃机噪声源分析及降噪措施

2.1 发动机噪声

一般叉车是由动力系统、操纵系统、传动系统、液压系统等组成，其中动力系统是由发动机、进排气系统等组成。动力系统给叉车提供动力，是整车噪声的主要发生源，发动机噪声主要包括燃料燃烧产生的噪声、机器零件碰撞产生的噪声及进排气产生的噪声。

2.1.1 燃烧噪声

混合气体在活塞缸内将内能转换为机械能通过活塞传递给连杆，又从连杆传递给曲轴，最终传递给机体产生燃烧噪声[7]。这样燃料在活塞缸内压力周期性变化下燃烧速度及燃烧方式也产生变化。对于四冲程的发动机来说，燃烧噪声主要集中于气体压缩引燃的阶段，在这一阶段压力增加容积减少，从而产生强烈的冲击力，进而产生噪声，由式（7）可以计算出噪声的大小与发动机的转速成正比：

式中：LP为声压级，dB；n为发动机转速，r/min；K为柴油机固有常数。

2.1.2 机械噪声

发动机的机械噪声是指在机械运动中活塞与气缸之间敲打的声音，机械噪声主要分为两种：一种是由于发动机内各齿轮存在间隙，当啮合时产生碰撞形成噪声，这是发动机噪声的主要来源，另一种是由于发动机内轴承组产生共振，这种共振是引起噪声的另一个原因。

2.1.3 进、排气噪声

内燃发动机的进排气噪声[8]主要有以下几类：由于燃烧的废气高速排出冲击进气门引起的低频噪声——基频排气噪声；由于进气门的周期性开启使气柱残留在排气管内产生共振引起的气柱共振噪声；发动机一般为多缸发动机，当不同的缸体工作行程不同时就会引起排气歧管噪声；当发动机处于运转状态时，气缸内的气体处于高压状态，在排气门打开的瞬间会产生冲击和涡流现象，这一现象会产生高频噪声——气体喷射机冲击噪声。除此之外，进排气的噪声还包括涡流噪声、赫姆霍兹噪声等其他噪声。

2.2 液压系统噪声

内燃机叉车液压系统主要由液压换向阀、液压泵、各种油缸、液压管路及动力源组成。液压系统是内燃叉车的重要噪声源之一。液压系统的噪声原因包括脉动、气穴、振动等，并且与液压系统中的各个部件和液压系统的总体设计和功能有关。液压泵的脉动噪声和液压溢流阀的溢流噪声是液压系统产生噪声的75%。

2.3 减少噪声的措施

目前噪声的控制措施[9]主要有吸声、隔声和减震的方式。吸声主要是依靠特殊材料来改变声音的声波方向，使噪声在传播过程中经过特殊材料，被材料吸收部分能量，使反射出来的噪声减少；隔声就是用特殊材料把发声源与环境相隔离，使声音不能传播，起到降噪作用；减震降噪就是利用止震板等减少发动机本身的钢材振动频率，从而减少噪声传入[10]。

2.3.1 减小发动机噪声的主要措施

要想减小发动机自身的燃烧噪声，降噪措施主要是把发动机上所有覆盖件的各种工艺孔、安装孔做好封堵工作，以保证各连接处紧密接触。还可以通过测试发动机的噪声频率找出相应的吸声、隔声材料，将发动机外表面进行包裹，以达到减小噪声的目的。针对于进排气噪声同样也是有两种方法：第一种是改变排气管路的形状降低产生涡流的影响；第二种就是加装消音设施，这样虽然会占用空间、增加成本，但是可以很好地改善噪声问题。针对发动机内的机械振动可以通过改变齿轮的材料、改变齿轮的螺旋角度、将直尺齿轮更换为斜齿齿轮增加传动的稳定性，同时还可以通过提高齿轮的加工及装配精度、增加齿轮副的重叠系数来改善齿轮间的碰撞，从而达到减小噪声的目的。

2.3.2 减小液压系统噪声的措施

针对液压系统减少噪声可以对齿轮进行设计,例如改变齿轮形状、减小补偿误差、增加齿数、减小流量脉动，同时也可以通过改变齿轮的啮合方式减小噪声。对于液压换向阀来说，可以增加先导阀的弹簧刚度，或减小主阀心的阻尼孔的直径来减小噪声，针对液压泵的脉动，可以通过增加蓄能器、吸能器来削弱元件的脉动压力。

3 内燃叉车噪声分析

测试场地分为两种：一种是室外环境，它的要求是四周无高大物体或建筑物不产生回声场影响测试结果，具体要求在场地选择时C-C的跑道要长，同时要求地面是无吸音效果的柏油路，测试场地的环境噪声要远小于叉车噪声的音量，一面干扰试验如图2所示；另一种就是室内环境，对室内的环境要求是室外噪声应小于本叉车的噪声值，因此可以完全忽略背景噪声的影响。

测试仪器方面, 为准确测出噪声源的频率，本次实验的仪器是噪声测试麦克风及信号分析仪。对于测试工况，此次测试的工况模拟了内燃叉车的真实运行状态，包括怠速状态、起升状态、载货状态、最大转速状态。测试前将测试用的麦克风固定于1、2、3、4点，距离地面1.5 m的高度，并将待测的内燃叉车置于室外场地的O点，同时开启1、2、3、4点处的麦克风准备进行数据收集，测试时将无载的内燃叉车启动，使之处于怠速状态，待数据记录后，完成怠速状态的测试；在进行起升状体的测试时，在内燃叉车的货叉上放置额定载荷70%的重物进行测试，测试时需将叉车的货叉进行升起动作完成测试；在进行最高转速测试时，同样将叉车放置于O点，测试时将叉车的转速提升至最大并记录数据；载货状态的测试需要将叉车放置于C-C跑道的一端，在进行测试时将叉车以正常工作状态时的速度穿过O点至C-C跑道的另一端，测试仪器进行数据记录，完成室外测试。测试结果如表2所示。

对于叉车的噪声主要频率测试，发动机表面的本体辐射噪声、散热系统的噪声是叉车的主要噪声，所以要对主要的噪声源进行计算。发动机的表面的噪声采用表面速度振动法，散热器的噪声、液压系统噪声采用测试法进行测试，实验结果如表3所示。

表2 内燃叉车噪声水平

表3 叉车噪声的主要频率

4 内燃叉车降噪设计及测试

为减小发动机噪声，根据发动机噪声的产生机理，在不改变发动机自身结构的前提下，本次实验采用对比的方式进行实验，对比加装吸声隔声装置与不加装降噪装置对噪声的影响。

4.1 内燃叉车吸声材料性能测试

4.1.1 准备吸声材料

不同的吸声材料在不同的环境中具有不同的吸声系数，吸声系数越大，材料的吸声能力越强。文中选择了几种叉车常用的吸声材料。吸声材料的组成和厚度如表4所示。

本次实验的吸声系数采用驻波管法进行测试, 系统由信号源、功率放大器、麦克风、数据采集和电脑构成。测试时将待测材料放置于驻波管底部，由信号源发出信号经过功率放大器放大信号源传输至扬声器，由扬声器将声波传播至驻波管内形成驻波场，随后经吸声材料吸收后，使用驻波管的探波传声器测得反射后的最大频率与最小频率，将它们做比就得出吸声系数。将测得的数据储存在数据采集卡内完成本次测试实验。测试实验的结果如表5及图3所示。

从图3可以看出，3种样品在吸声系数上，一号样品和三号样品对于低频的噪声有一定的减小作用；在中段频率阶段一号样品阻隔噪声的作用更加明显，而二号样品的吸声作用不是很明显；在高频段阶段一号样品和三号样品的降噪效果都很好。从单种吸声材料来看，二号样品的吸声效果较好，有较宽的使用频率，使用频率在900～3000 Hz的噪声都可以使用。

表4 吸声材料的组成及厚度

表5 吸声系数测试结果

4.1.2 测试结果分析

为了验证二号样品的吸声效果，选用二号样品材料进行验证。将30 mm二号样品材料粘贴在发动机的前底板、后底板、发动机罩、水箱盖上进行测试，测试地点、工况、仪器的要求与前文一致。经过测试将数据与未添加吸声装置的噪声情况进行对比，结果如图4所示，从折线图可以看出，二号样品材料对于减少发动机的噪声效果十分显著，二号样品材料在减少噪声方面至少可以减小40%～50%的噪声，这就验证了文中前面所设想的，在发动机上增加吸声设施来减小噪声措施是正确的。

5 结 论

针对内燃叉车工作中产生较大噪声这一问题，文中通过运用噪声测试分析系统对内燃叉车的发动机噪声进行噪声测试和数据分析，提出了发泡海绵与PVC结合的复合降噪方法，从而有效解决了内燃叉车的噪声问题，同时也验证了降噪复合材料的降噪能力。