气动系统中空气分配阀排气噪声特性及其控制
摘要 对我国工厂中空气分配阀排气噪声的现状及危害的严重性进行了分析，将排气噪声进行了分类，研究了空气分配阀排气噪声的特性，并对目前该噪声控制中的几种消声器的性能进行了分析论述。
1 引言
在气动系统中，气缸的进排气都是依靠空气分配阀来进行控制的，而空气通过分配阀排气口排入大气所产生的噪声往往比气动系统中任何一处产生的噪声都大，并且对操作工人及周围环境产生严重的伤害和污染［2］。笔者针对该噪声存在的普遍性，危害的严重性及其治理的迫切性，对该噪声特性进行了大量试验研究，特别对该噪声控制中的消声器存在的问题及发展趋势进行了分析研究，澄清了在该噪声控制消声器方面的模糊认识，为工业实际中对这一噪声的有效控制进行了探索。
2 空气分配阀排气噪声的特性及对消声器的要求
2.1 排气噪声的分类
排气噪声是空气动力性噪声。根据排气噪声起伏程度大小，可将其分为稳定性排气噪声，周期性排气噪声和间歇性排气噪声3大类。
稳定性排气噪声是指在整个排气过程中，噪声大小基本维持不变的情况，如空压机储气罐通过其上方或下方的排气阀向大气中排气所产生的噪声。该噪声以高频为主。
周期性排气噪声是指排气噪声大小周期性地发生变化，并在整个过程中很大部分时间内，均有噪声存在，如内燃机工作时产生的排气噪声就是周期性排气噪声。该噪声以低频为主。
间歇性排气噪声是指噪声大小呈现极为明显的冲击性，在前一噪声消失后较长时间后，才产生下一个噪声脉冲，有噪声的时间比无噪声的时间少得多。气缸通过空气分配阀排气所产生的噪声就是这类噪声。泵吸油口应足够大，且应没入油箱液面以下一定深度，以防止吸油后液面下降。
2.2 空气分配阀排气噪声的特性
以20MN热模锻压力机离合器气缸通过空气分配阀排气为例，所测得的噪声结果如图1所示。经大量试验结果均与图1相似，排气前气缸内的气压越高，噪声值越大，并且在各个频率下的声压级均有增加，并且低频和高频的声压值较高，而中频较低，频谱曲线呈现马鞍形。低频噪声是由单极子源产生，高频部分由四极子源产生。并且试验结果表明，排气初期噪声大，以后越来越小直到为零。
图1 空气分配阀排气噪声的频谱曲线
虽然该排气噪声中的低频部分很大，但图1表明，该低频部分的A声级都在80dB以下，高频部分的A声级很高，而目前国际上广泛采用A声级衡量一个噪声对人耳的损伤程度，所以，空气分配阀产生的排气噪声仍以高频部分为主。对其控制时，以高频为控制对象。
2.3 对空气分配阀排气噪声所用消声器的要求
根据该噪声的特性及工厂实际中气动装置的实际情况，特对控制该噪声用排气消声器提出以下几点要求：
(1)良好的高频降噪性能。
(2)空气动力性能好。即排气阻力小，不会因安装消声器后过分延长排气时间，甚至造成设备事故。
(3)抗恶劣使用环境能力强。因压缩空气中含有水、油及其他杂质，使用现场存在粉尘，所以，为了提高消声器寿命，该消声器应具有良好的抗水、油及粉尘污染的能力。此外，由于该排气冲击性强、流速高，因此消声器结构应具有良好的抗冲击、振动及抗刮飞能力。
(4)具有良好的结构性能，造价低，维护简单，寿命长。
3 该噪声控制用消声器常用类型及其存在的问题
3.1 小孔喷注消声器
中国科学院声学所的马大猷教授等学者，通过理论和实验研究，提出了小孔喷注控制噪声理论，其原理是将一个大的喷口，在保持相同排气量的前提下，改为许多小孔来代替，而小孔将高频声移到人耳不敏感的超声范围，从而达到降噪的目的。小孔喷注消声器的消声量为［2］
式中 xA——阻塞情况0.165D／DO
D——喷口直径(mm)，DO＝1mm。
当D≤1mm时，xA1，经变换可得［5］
ΔL＝27.5－30lgD
由此可见，在小孔范围内，孔径减半，可使消声量提高9dB，考虑到加工小孔的难易程度，一般选直径为1～3mm的小孔较为适宜。如果孔径太大，小孔的消声效果很差。
如果小孔间距较小，气流通过小孔后还会再汇合成大的喷注，从而使消声效果变差。为此，小孔喷注时孔的中心距应取5～10倍的孔径(喷注前主压越高，孔中心距就要越大)，而孔中心距的低值为
式中d——小孔直径，通常选取b＝（8～10）d较为合适。
为了使排气通畅，考虑到小孔的阻尼作用，建议将消声器的开孔通流面积设计为排气阀通流面积的1.5～2倍。
综上所述，对小孔喷注消声器来讲，要使其具有一定的降噪效果，又不影响气动装置的正常工作，消声器的孔径、孔距、孔数3个关键参数一定要把握好。
而调研中发现，很多工厂所用的消声器这3个关键参数总有部分不满足要求。如图2所示为某厂所生产的空气分配阀用消声器，周向孔距为44.5mm，轴向孔距为13mm，孔数为48个。孔径d＝2.3mm在1～3mm之间；孔距b在周向与孔径d之比为b／d＝19.3，在轴向b／d＝5.6，因此，在轴向的孔距偏小一点；该空气分配阀的通径D＝15mm，按照前述的设计原则，小孔的总面积应为阀通流面积的1.5～2倍。这样，经计算可知，需要的小孔数应为64～85个孔，而图2所示的消声器仅为48个孔，折合的面积仅为阀通流面积的1.13倍，所以，会造成排气不通畅现象发生，而该消声器在实际使用中，确实存在排气不畅的问题，加之孔轴向间距偏小，孔径2.3mm偏大，造成实际降噪量只有7dB，这两方面缺点共同作用的结果，导致操作工人在实际中常常将其拆掉不用。
图2 小孔喷注消声器
根据笔者进行实际噪声控制的经验，小孔喷注宜选择1.5mm较为合适，孔距应为孔径的8～10倍，小孔面积应为阀通流面积的1.5～2倍较好。此外，���孔喷注板应具有足够的强度及刚度，在间歇性排气气流的冲击力作用下不能产生结构噪声。
3.2 大孔扩散消声器
如图3所示为国内某厂所生产的空气分配阀用消声器，所用阀的通径为25mm，40个φ5.5的孔总面积相当于阀通流面积的1.936倍，所以，排气是很流畅的。孔距b＝7.5mm，孔距b和孔径d＝5.5之比为b／d＝1.36mm，孔距实在太小，加之孔径5.5mm远远超过1～3mm，所以降噪性能很差，实测的降噪量仅为2.5dB。因此，应积极提倡不用该消声器。
图3 大孔扩散消声器
3.3 小孔扩散消声器
目前，国产的空气分配阀排气口上很多都采用这类消声器，它具有体积小，降噪量大等优点。这类消声器带有大量的细小孔隙，可将排放气流滤成无数个小的气流，使气体压力被降低，流速被扩散减小，从而达到降噪的目的。这类消声器可分为微孔烧结型和多层金属丝网型(或称为筛板型)，如图4所示，微孔烧结型是将金属、塑料或陶瓷等球状颗粒，在一定的温度和压力下，在模具内烧结成带微孔(孔隙小到丝米级)的消声器，目前使用多的是铜颗粒烧结型。多层金属丝网型是将具有良好防锈功能的铜网缠绕在消声器内具有较好刚度的穿孔护面板上，形成多层(可达20层)铜网，然后在外面加装金属护面套筒。
图4 小孔扩散消声器
a.微孔烧结型 b.多层金属丝网型
大量试验结果表明，同样尺寸下，微孔烧结型的降噪量明显比多层金属丝网型大，并且这两种类型的消声器具有良好的中高频消声特性。但微孔烧结型的孔太小，使用一段时间，由于压缩空气内的杂质，油、水及环境中粉尘，造成微孔堵塞。调研中发现，当气动装置满负载运行半年左右，微孔消声器内有几乎40%～50%的微孔发生堵塞，并且，细小的杂质钻入微孔中时很难清理，所以，该消声器使用一段时间后，由于堵塞严重，只能将其拆掉不用，否则会使排气很不通畅而影响设备正常工作。例如，调研中发现，由于该消声器堵塞严重，造成热模锻压力机离合器与制动器排气不通畅，终引发“闷车”事故的发生，造成所用几万元的模具不得不烧割掉。
对金属网型消声器，当使用一段时间后可将其拆开，将金属丝网上的杂质用刷子及水冲洗干净后，其性能又会恢复如初，所以，日本产的空气分配阀排气口上大多数都安装了这种类型的消声器，但一定要定期清理。
在试验台上的大量试验结果表明，要保证这两种消声器有足够的通流面积，从而不影响气缸排气，则其通流面积应取阀额定通流面积的3～5倍，其中微孔烧结型取上限，多层金属网型取下限。
3.4 纯阻性消声器
由于用多孔吸声材料的阻性消声器具有良好的中高频吸声特性，而该排气噪声又是以中高频噪声为主，所以，自然使人们想到用阻性消声器来降低该噪声。如图5所示为该消声器的结构示意图。
图5 阻性消声器
1.穿孔护面板 2.外壳 3.吸声材料
但调研中发现，这种消声器实际的降噪量往往小于实际使用前设计的降噪量，并且性能下降快，使用寿命短。造成上述现象的原因主要有以下3个方面。
首先，由于气流速度高，流过穿孔护面板表面时由于穿孔对气流产生扰动而产生较大的再生噪声，从而大大削弱了其降噪能力。
其次，由于这种排气具有间歇性，流速又高，所以对消声器内的结构零件产生较强的冲击力，使这些零件产生振动而辐射出结构噪声，从而降低消声功能；此外，高速冲击气流企图将多孔吸声材料刮飞到消声器之外，日积月累，会使消声器内的吸声材料逐渐减少，从而使消声器降噪性能下降。笔者在二汽锻造厂使用的英国马赛1800吨热模锻压力机离合器气缸排气口上安装的阻性消声器解剖后发现，其内几乎一半的吸声材料被刮飞掉，因此其降噪性能很差。
后，从气缸内经过空气分配阀排出的压缩空气中含有一定量的油、水及杂质，使用环境中又有粉尘。所以，调研中发现，消声器内多孔吸声材料表面的玻璃布及近表层的多孔吸声材料中的微孔已被油、水泥垢糊满，使用时间很长的阻性消声器内的多孔吸声材料微孔内几乎都浸满了油和水，多孔吸声材料已完全变质腐烂，这些都导致多孔吸声材料的吸声性能严重下降。所以，吸水及吸油性能很好的多孔吸声材料不宜用在空气排气噪声控制用消声器内。
3.5 抗性消声器
用金属板制成的抗生消声器，具有良好地抗水及抗油性能，但一般的抗性消声器低中频降噪性能好，主频降噪性能差。特别对空气分配阀排气口的间歇排气噪声，高速冲击气流在抗性消声器内对结构零件产生强大冲击力，使其产生振动而辐射出结构噪声；另一方面气流在消声器内产生强烈的紊流现象及不稳定流动，从而产生气流再生噪声，作者在调研及在间歇性排气噪声试验台上的大量试验结果场表明，纯抗性消声器用在空气分配阀排气降噪场合时，实际的降噪量远无小于设计的降噪量，更为严重地是有时这种消声器不但不降噪，反而会放大噪声而成为扩音器。因此，在该噪声控制中使用抗性消声器一定要很谨慎。
如图6所示为某厂技术人员为本厂模锻用的平锻机离合器空气分配阀排气口上所设计的抗性消声器示意图，设计的降噪量可达35dB，而实际的降噪量仅为7dB。
图6 抗性消声器
针对目前在该噪声控制中存在的问题，笔者经过长期艰苦的研究，建立了对该噪声进行有效控制的理论及性能良好的消声器，成功地应用于噪声很大，而排气阻力要求极严的机械压力机离合器与制动器排气噪声的控制中，并在实际中大面积推广应用，性能很好。
４ 结论
(1) 空气分配阀产生的噪声远远超过标准，对操作工人及周围环境造成了极其严重的伤害和污染，对该噪声进行有效控制势在必行。
(2) 按照排气噪声的起伏性大小，可将其分为稳定性排气噪声、周期性排气噪声和间歇性排气噪声，空气分配阀工作时所产生的排气噪声就是间歇性排气噪声。
(3)空气分配阀所产生的排气噪声以高、低频为主，并且随着气缸内压力的增高，总的噪声级和各个频率下的噪声值均有所增大，并且以排气初期的噪声为大。
(4) 空气分配阀排气噪声控制用消声器应具有良好的高频降噪性能，空气动力性能好，抗恶劣使用环境能力强，具有良好的结构性能。
(5)目前对该噪声进行控制的消声器类型有小孔喷注型、大孔扩散型、小孔扩散型、阻性及抗性五种类型，其中较为有效的型式为小孔扩散型及小孔喷注型，但小孔扩散型消声器通流面积应为阀通流面积的3～5倍，并且必须定期清理、维护及更换。小孔喷注型设计时务必使孔径(1.5mm)，孔距(为孔径的8～10倍)和通流面积(为阀通流面积的1.5～2倍)3方面严格满足要求。
