氣動系統中空氣分配閥排氣噪聲特性及其控制
1 引言
在氣動系統中，氣缸的進排氣都是依靠空氣分配閥來進行控制的，而空氣通過分配閥排氣口排入大氣所產生的噪聲往往比氣動系統中任何一處產生的噪聲都大，并且對操作工人及周圍環(huán)境產生嚴重的傷害和污染［2］。筆者針對該噪聲存在的普遍性，危害的嚴重性及其治理的迫切性，對該噪聲特性進行了大量試驗研究，特別對該噪聲控制中的消聲器存在的問題及發(fā)展趨勢進行了分析研究，澄清了在該噪聲控制消聲器方面的模糊認識，為工業(yè)實際中對這一噪聲的有效控制進行了探索。
2 空氣分配閥排氣噪聲的特性及對消聲器的要求
2.1 排氣噪聲的分類
排氣噪聲是空氣動力性噪聲。根據排氣噪聲起伏程度大小，可將其分為穩(wěn)定性排氣噪聲，周期性排氣噪聲和間歇性排氣噪聲3大類。
穩(wěn)定性排氣噪聲是指在整個排氣過程中，噪聲大小基本維持不變的情況，如空壓機儲氣罐通過其上方或下方的排氣閥向大氣中排氣所產生的噪聲。該噪聲以高頻為主。
周期性排氣噪聲是指排氣噪聲大小周期性地發(fā)生變化，并在整個過程中很大部分時間內，均有噪聲存在，如內燃機工作時產生的排氣噪聲就是周期性排氣噪聲。該噪聲以低頻為主。
間歇性排氣噪聲是指噪聲大小呈現極為明顯的沖擊性，在前一噪聲消失后較長時間后，才產生下一個噪聲脈沖，有噪聲的時間比無噪聲的時間少得多。氣缸通過空氣分配閥排氣所產生的噪聲就是這類噪聲。泵吸油口應足夠大，且應沒入油箱液面以下一定深度，以防止吸油后液面下降。
2.2 空氣分配閥排氣噪聲的特性
以20MN熱模鍛壓力機離合器氣缸通過空氣分配閥排氣為例，所測得的噪聲結果如圖1所示。經大量試驗結果均與圖1相似，排氣前氣缸內的氣壓越高，噪聲值越大，并且在各個頻率下的聲壓級均有增加，并且低頻和高頻的聲壓值較高，而中頻較低，頻譜曲線呈現馬鞍形。低頻噪聲是由單極子源產生，高頻部分由四極子源產生。并且試驗結果表明，排氣初期噪聲最大，以后越來越小直到為零。
 圖1空氣分配閥排氣噪聲的頻譜曲線 |
雖然該排氣噪聲中的低頻部分很大，但圖1表明，該低頻部分的A聲級都在80dB以下，高頻部分的A聲級很高，而目前國際上廣泛采用A聲級衡量一個噪聲對人耳的損傷程度，所以，空氣分配閥產生的排氣噪聲仍以高頻部分為主。對其控制時，以高頻為控制對象。
2.3 對空氣分配閥排氣噪聲所用消聲器的要求
根據該噪聲的特性及工廠實際中氣動裝置的實際情況，特對控制該噪聲用排氣消聲器提出以下幾點要求：
(1)良好的高頻降噪性能。
(2)空氣動力性能好。即排氣阻力小，不會因安裝消聲器后過分延長排氣時間，甚至造成設備事故。
(3)抗惡劣使用環(huán)境能力強。因壓縮空氣中含有水、油及其他雜質，使用現場存在粉塵，所以，為了提高消聲器壽命，該消聲器應具有良好的抗水、油及粉塵污染的能力。此外，由于該排氣沖擊性強、流速高，因此消聲器結構應具有良好的抗沖擊、振動及抗刮飛能力。
(4)具有良好的結構性能，造價低，維護簡單，壽命長。
3 該噪聲控制用消聲器常用類型及其存在的問題
3.1 小孔噴注消聲器
中國科學院聲學所的馬大猷教授等學者，通過理論和實驗研究，提出了小孔噴注控制噪聲理論，其原理是將一個大的噴口，在保持相同排氣量的前提下，改為許多小孔來代替，而小孔將高頻聲移到人耳不敏感的超聲范圍，從而達到降噪的目的。小孔噴注消聲器的消聲量為
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當D≤1mm時，xA1，經變換可得 ΔL＝27.5－30lgD
由此可見，在小孔范圍內，孔徑減半，可使消聲量提高9dB，考慮到加工小孔的難易程度，一般選直徑為1～3mm的小孔較為適宜。如果孔徑太大，小孔的消聲效果很差。
如果小孔間距較小，氣流通過小孔后還會再匯合成大的噴注，從而使消聲效果變差。為此，小孔噴注時孔的中心距應取5～10倍的孔徑(噴注前主壓越高，孔中心距就要越大)，而孔中心距的最低值為b＝d+√ 6 式中d——小孔直徑，通常選取b＝（8～10）d較為合適。
為了使排氣通暢，考慮到小孔的阻尼作用，建議將消聲器的開孔通流面積設計為排氣閥通流面積的1.5～2倍。
綜上所述，對小孔噴注消聲器來講，要使其具有一定的降噪效果，又不影響氣動裝置的正常工作，消聲器的孔徑、孔距、孔數3個關鍵參數一定要把握好。
而調研中發(fā)現，很多工廠所用的消聲器這3個關鍵參數總有部分不滿足要求。如圖2所示為某廠所生產的空氣分配閥用消聲器，周向孔距為44.5mm，軸向孔距為13mm，孔數為48個？讖絛＝2.3mm在1～3mm之間；孔距b在周向與孔徑d之比為b／d＝19.3，在軸向b／d＝5.6，因此，在軸向的孔距偏小一點；該空氣分配閥的通徑D＝15mm，按照前述的設計原則，小孔的總面積應為閥通流面積的1.5～2倍。這樣，經計算可知，需要的小孔數應為 64～85個孔，而圖2所示的消聲器僅為48個孔，折合的面積僅為閥通流面積的1.13倍，所以，會造成排氣不通暢現象發(fā)生，而該消聲器在實際使用中，確實存在排氣不暢的問題，加之孔軸向間距偏小，孔徑2.3mm偏大，造成實際降噪量只有7dB，這兩方面缺點共同作用的結果，導致操作工人在實際中常常將其拆掉不用。
 圖2小孔噴注消聲器 |
根據筆者進行實際噪聲控制的經驗，小孔噴注宜選擇1.5mm較為合適，孔距應為孔徑的8～10倍，小孔面積應為閥通流面積的1.5～2倍較好。此外，小孔噴注板應具有足夠的強度及剛度，在間歇性排氣氣流的沖擊力作用下不能產生結構噪聲。
3.2 大孔擴散消聲器
如圖3所示為國內某廠所生產的空氣分配閥用消聲器，所用閥的通徑為25mm，40個φ5.5的孔總面積相當于閥通流面積的1.936倍，所以，排氣是很流暢的？拙郻＝7.5mm，孔距b和孔徑d＝5.5之比為b／d＝1.36mm，孔距實在太小，加之孔徑5.5 mm遠遠超過1～3mm，所以降噪性能很差，實測的降噪量僅為2.5dB。因此，應積極提倡不用該消聲器。
 圖3大孔擴散消聲器 |
3.3 小孔擴散消聲器
目前，國產的空氣分配閥排氣口上很多都采用這類消聲器，它具有體積小，降噪量大等優(yōu)點。這類消聲器帶有大量的細小孔隙，可將排放氣流濾成無數個小的氣流，使氣體壓力被降低，流速被擴散減小，從而達到降噪的目的。這類消聲器可分為微孔燒結型和多層金屬絲網型(或稱為篩板型)，如圖4所示，微孔燒結型是將金屬、塑料或陶瓷等球狀顆粒，在一定的溫度和壓力下，在模具內燒結成帶微孔(孔隙小到絲米級)的消聲器，目前使用最多的是銅顆粒燒結型。多層金屬絲網型是將具有良好防銹功能的銅網纏繞在消聲器內具有較好剛度的穿孔護面板上，形成多層(可達20層)銅網，然后在外面加裝金屬護面套筒。
 圖4小孔擴散消聲器 a.微孔燒結型b.多層金屬絲網型 |
大量試驗結果表明，同樣尺寸下，微孔燒結型的降噪量明顯比多層金屬絲網型大，并且這兩種類型的消聲器具有良好的中高頻消聲特性。但微孔燒結型的孔太小，使用一段時間，由于壓縮空氣內的雜質，油、水及環(huán)境中粉塵，造成微孔堵塞。調研中發(fā)現，當氣動裝置滿負載運行半年左右，微孔消聲器內有幾乎 40%～50% 的微孔發(fā)生堵塞，并且，細小的雜質鉆入微孔中時很難清理，所以，該消聲器使用一段時間后，由于堵塞嚴重，只能將其拆掉不用，否則會使排氣很不通暢而影響設備正常工作。例如，調研中發(fā)現，由于該消聲器堵塞嚴重，造成熱模鍛壓力機離合器與制動器排氣不通暢，最終引發(fā)“悶車”事故的發(fā)生，造成所用幾萬元的模具不得不燒割掉。
對金屬網型消聲器，當使用一段時間后可將其拆開，將金屬絲網上的雜質用刷子及水沖洗干凈后，其性能又會恢復如初，所以，日本產的空氣分配閥排氣口上大多數都安裝了這種類型的消聲器，但一定要定期清理。
在試驗臺上的大量試驗結果表明，要保證這兩種消聲器有足夠的通流面積，從而不影響氣缸排氣，則其通流面積應取閥額定通流面積的3～5倍，其中微孔燒結型取上限，多層金屬網型取下限。
3.4 純阻性消聲器
由于用多孔吸聲材料的阻性消聲器具有良好的中高頻吸聲特性，而該排氣噪聲又是以中高頻噪聲為主，所以，自然使人們想到用阻性消聲器來降低該噪聲。如圖5所示為該消聲器的結構示意圖。
 圖5阻性消聲器 1.穿孔護面板 2.外殼 3.吸聲材料 |
但調研中發(fā)現，這種消聲器實際的降噪量往往小于實際使用前設計的降噪量，并且性能下降快，使用壽命短。造成上述現象的原因主要有以下3個方面。
首先，由于氣流速度高，流過穿孔護面板表面時由于穿孔對氣流產生擾動而產生較大的再生噪聲，從而大大削弱了其降噪能力。
其次，由于這種排氣具有間歇性，流速又高，所以對消聲器內的結構零件產生較強的沖擊力，使這些零件產生振動而輻射出結構噪聲，從而降低消聲功能；此外，高速沖擊氣流企圖將多孔吸聲材料刮飛到消聲器之外，日積月累，會使消聲器內的吸聲材料逐漸減少，從而使消聲器降噪性能下降。筆者在二汽鍛造廠使用的英國馬賽1800噸熱模鍛壓力機離合器氣缸排氣口上安裝的阻性消聲器解剖后發(fā)現，其內幾乎一半的吸聲材料被刮飛掉，因此其降噪性能很差。
最后，從氣缸內經過空氣分配閥排出的壓縮空氣中含有一定量的油、水及雜質，使用環(huán)境中又有粉塵。所以，調研中發(fā)現，消聲器內多孔吸聲材料表面的玻璃布及近表層的多孔吸聲材料中的微孔已被油、水泥垢糊滿，使用時間很長的阻性消聲器內的多孔吸聲材料微孔內幾乎都浸滿了油和水，多孔吸聲材料已完全變質腐爛，這些都導致多孔吸聲材料的吸聲性能嚴重下降。所以，吸水及吸油性能很好的多孔吸聲材料不宜用在空氣 排氣噪聲控制用消聲器內。
3.5 抗性消聲器
用金屬板制成的抗生消聲器，具有良好地抗水及抗油性能，但一般的抗性消聲器低中頻降噪性能好，主頻降噪性能差。特別對空氣分配閥排氣口的間歇排氣噪聲，高速沖擊氣流在抗性消聲器內對結構零件產生強大沖擊力，使其產生振動而輻射出結構噪聲；另一方面氣流在消聲器內產生強烈的紊流現象及不穩(wěn)定流動，從而產生氣流再生噪聲，作者在調研及在間歇性排氣噪聲試驗臺上的大量試驗結果場表明，純抗性消聲器用在空氣分配閥排氣降噪場合時，實際的降噪量遠無小于設計的降噪量，更為嚴重地是有時這種消聲器不但不降噪，反而會放大噪聲而成為擴音器。因此，在該噪聲控制中使用抗性消聲器一定要很謹慎。
如圖6所示為某廠技術人員為本廠模鍛用的平鍛機離合器空氣分配閥排氣口上所設計的抗性消聲器示意圖，設計的降噪量可達35dB，而實際的降噪量僅為 7dB。
 圖6抗性消聲器 |
針對目前在該噪聲控制中存在的問題，筆者經過長期艱苦的研究，建立了對該噪聲進行有效控制的理論及性能良好的消聲器，成功地應用于噪聲很大，而排氣阻力要求極嚴的機械壓力機離合器與制動器排氣噪聲的控制中，并在實際中大面積推廣應用，性能很好。
4 結論
(1) 空氣分配閥產生的噪聲遠遠超過國家標準，對操作工人及周圍環(huán)境造成了極其嚴重的傷害和污染，對該噪聲進行有效控制勢在必行。
(2) 按照排氣噪聲的起伏性大小，可將其分為穩(wěn)定性排氣噪聲、周期性排氣噪聲和間歇性排氣噪聲，空氣分配閥工作時所產生的排氣噪聲就是間歇性排氣噪聲。
(3) 空氣分配閥所產生的排氣噪聲以高、低頻為主，并且隨著氣缸內壓力的增高，總的噪聲級和各個頻率下的噪聲值均有所增大，并且以排氣初期的噪聲為最大。
(4) 空氣分配閥排氣噪聲控制用消聲器應具有良好的高頻降噪性能，空氣動力性能好，抗惡劣使用環(huán)境能力強，具有良好的結構性能。
(5) 目前對該噪聲進行控制的消聲器類型有小孔噴注型、大孔擴散型、小孔擴散型、阻性及抗性五種類型，其中較為有效的型式為小孔擴散型及小孔噴注型，但小孔擴散型消聲器通流面積應為閥通流面積的3～5倍，并且必須定期清理、維護及更換。小孔噴注型設計時務必使孔徑(1.5mm)，孔距(為孔徑的 8～10倍)和通流面積(為閥通流面積的1.5～2倍)3方面嚴格滿足要求。
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