Анализ шумоизолирующих конструкций автотракторных кабин

 

 

 

 

Содержание

Содержание	5
Реферат	7
Введение	8
1.Теория шума	11
1.1. Шум	11
1.2. Классификация шумов.	13
1.3. Источники шума на автомобиле	14
1.4. Пути распространения шума в автомобиле	15
2.Технологические и практические  методы борьбы с шумом	18
2.1.. Борьба с шумом	18
2.1.1 Методы борьбы с шумом	18
2.1.2Уменьшение  внутреннего  шума	18
2.2. Материалы шумоизоляции	19
2.3. Технические нормы шума машин	21
3. Методика расчёта, экспериментальное и аналитическое определение шума в кабине трактора	24
3.1.Методика расчёта шумоизоляции автотракторной  кабины	24
3.1.1. Определение звукового давления, воздействующего на панели снаружи	24
3.1.2 Оценка звукопоглощения в кабине	27
3.2. Расчёт шума в кабине трактора	30
3.3. Экспериментальное определение уровня шума в кабине трактора.	34
4.Обзор выполненных ранее работ в выбранном направлении	40
Заключение	52
Список использованных источников	53
Приложение	56

 

Реферат

 

Данная дипломная работа содержит 61 страниц, 5 рисунков, 1 приложений , 20 литературных источников.

Ключевые слова: шум, шумоизоляция, звукопоглощение, кабина трактора, источники шума.

Тема: «Анализ шумоизолирующих  конструкций автотракторных кабин».

Характер и цель работы: исследовательская работа, целью  которой является теоретическое  исследование поставленной задачи, проведение анализа основных существующих видов  шумоизолирующих материалов, изучение методики расчета шумоизоляции автотракторных кабин.

Конкретные результаты: На основе известной классификации  шумоизолирующих материалов, произведен анализ их достоинств и недостатков. Выявлены тенденции и перспективы  в развитии.

 

Введение

 

Проблема борьбы с шумом  и вибрациями на рабочем месте  тракториста остается актуальной, несмотря на многолетние усилия в этом направлении  больших коллективов инженеров, научных работников и отдельных  авторов.

Это определяется не только сложностью процессов формирования шума и звуковой вибрации на тракторах (да и на других транспортных средствах), не только огромным влиянием шума на здоровье водителей (по некоторым данным около 1/3 от общего числа профессиональных заболеваний составляют вибрационная болезнь и неврит слуховых нервов), но и тем, что повышенный шум снижает производительность труда на 10-15%.

Для повышения производительности труда мощность тракторов постоянно  увеличивается, увеличиваются скорости движения тракторных агрегатов. Но это  приводит к повышенным колебаниям, шуму и вибрациям на рабочем месте, если на всех стадиях проектирования, начиная с технического задания, не были предусмотрены меры по обеспечению  допустимых санитарными нормами  уровней.[1]

К настоящему времени уже  накоплен достаточно большой опыт создания конструкций тракторов с подрессоренными  кабинами и сиденьем, которые могут  обеспечить заданные уровни структурного шума и вибраций. Однако это требует  использования специальных материалов, применения многослойных шумовиброизолирующих панелей, подбора в каждом конкретном случае необходимых характеристик виброизоляторов и правильной их установки. Все это, конечно, приводит к некоторому удорожанию трактора. За рубежом снижение шума машины на I дБ автоматически означает повышение ее цены на 1% и более. Но одновременно примерно на 1-1,5% увеличивается производительность трактора, снижается профессиональная заболеваемость, уменьшается "загрязнение" шумом окружающей среды, что обеспечивает не только экономическую выгоду, но и ведет к положительным социальным последствиям. В общей программе улучшения условий труда на скоростных сельскохозяйственных тракторах проблема уменьшения шума в последние годы занимает одно из первых мест. Вызвано это тем, что последовательное увеличение энергонасыщенности тракторов всех тяговых классов за счет форсирования двигателей привело к увеличению шума на рабочем месте и его уровни стали намного превышать безопасные пределы. Особенно не-благоприятные условия труда по шуму на рабочем месте сложились на пропашных тракторах, что обусловлено и конструктивными особенностями. [2]

Медицинские исследования показывают, что продолжительное воздействие  повышенного шума на человека приводит к тяжелым заболеваниям — потере слуха, расстройству нервной системы  и как следствие к заболеваниям сердечно-сосудистой системы, желудка и т. д. Постоянный контакт человека во время работы с вибрирующими деталями вызывает развитие вибрационной болезни — заболевания кровеносных сосудов. Повышенный шум является причиной быстрой утомляемости, потери реакции, снижения производительности труда. В связи с этим требования по ограничению шума и вибраций на рабочем месте и внешнего шума тракторов, которые широко используются в сельском хозяйстве как транспортные средства, значительно повысились.

Особенностью борьбы с  шумом сложных мобильных машин, к которым относятся сельскохозяйственные тракторы, является то, что одни и  те же конечные результаты могут быть достигнуты разными методами и средствами.[1]

 

 

1.Теория шума 

 

1.1. Шум

 

Шум — совокупность апериодических звуков различной интенсивности  и частоты. С физиологической  точки зрения шум — это всякий неблагоприятный воспринимаемый звук.

Воздействие шума на человека зависит от его основных характеристик, которыми являются:

— уровни звукового давления (УЗД);

— уровни звука (УЗ);

— частотный состав (спектр).[20]

Уровни звукового давления в октавных полосах со среднегеометрическими  частотами 31,5; 63; 125; 250; 500; 1000; 2000; 4000 и 8000 Гц измеряются в децибелах (дБ). Измерение УЗД производится прибором с октавными фильтрами, который называется шумомером.[

Уровень звукового давления относится к характеристикам  постоянного шума на рабочих местах и определяется по формуле:

L=20lg(₎  (1.1)

где р — среднеквадратичное значение звукового давления, измеряемое в паскалях; р₀ — нулевой порог слышимости, т.е. давление, соответствующее порогу чувствительности человеческого уха на частоте 1000 Гц (р₀ = 2*10~5 Па).

Для ориентировочной оценки шума используется уровень звука (единица  измерения — дБА) который определяется по формуле:

L_А=20lg(₎ (1.2.)

где р_А (Па) — среднеквадратичное давление с учетом кривой коррекции фильтра «А» шумомера.

Спектр шума - зависимость  уровней звукового давления от частоты. Спектральный состав источника шума — разложение шума на спектральные составляющие.[3]

Человеческое ухо различает  звуки с частотой в диапазоне  от 20 до 20 000 Гц (условно звуковой диапазон). Звук с частотой ниже 20 Гц называется инфразвуком, а выше 20000 Гц — ультразвуком.

Помимо основных характеристик  для расчетов широко используются уровни интенсивности и уровни звуковой мощности

Интенсивность звука —  средний поток звуковой энергии, проходящий в единицу времени  через единицу поверхности, расположенную  перпендикулярно распространению  звуковой волны.

Уровень интенсивности определяет во сколько раз интенсивность  звука больше, чем минимальная  интенсивность, воспринимаемая человеческим ухом.

L_I=10lg(₎ (1.3.)

где I — среднеквадратичное значение интенсивности звука. I₀=10^-12 Вт/м²

Звуковая мощность (мощность шума) определяется как количество энергии, которую испускает источник звука в единицу времени.

L_W=10lg(₎ (1.4.)

где W —среднеквадратичное  значение мощности; W₀=10^-12 Вт - значение нулевого порога мощности звука.

Мощность звука - энергия, переносимая звуковой волной через  рассматриваемую поверхность за единицу времени.

Уровень звуковой мощности не зависит от:

• Размещения оборудования
• Окружающих условий и
• Расстояния от точки измерения
• Уровень звукового давления (Lp)  [4]

 

1.2. Классификация шумов.

 

По спектру шумы подразделяются на:.

• Стационарный шум — шум, который характеризуется постоянством средних параметров: интенсивности (мощности), распределения интенсивности по спектру (спектральная плотность.
• Нестационарный шум — шум, длящийся короткие промежутки времени.

По характеру спектра  шумы подразделяют на:

• широкополосный шум с непрерывным спектром шириной более 1 октавы;
• тональный шум, в спектре которого имеются выраженные тона. Выраженным тон считается, если одна из третьоктавных полос частот превышает остальные не менее чем на 7 (10) дБ;
• смешанный шум - когда на сплошные участки накладываются отдельные дискретные составляющие.

По частотной характеристике шумы подразделяют на:

• низкочастотный – не более 400(250) Гц;
• среднечастотный – (400÷1000) (500) Гц;
• высокочастотный более 1000 Гц.

По временны́м характеристикам шум подразделяют на:

• постоянный – шум, уровень звука которого за выбранный период времени; изменяется не более чем на 5 дБА;
• непостоянный – шум, уровень звука изменяется более чем на 5 дБА за аналогичный период.

Непостоянный шум в  свою очередь делят на :

• колеблющийся – шум, уровень звука которого непрерывно меняется;
• прерывистый – шум, уровень звука которого изменяется на 5 дБА и более, причем длительность интервалов, в течение которых уровень звука остаётся постоянным, составляет не менее 1 с;
• импульсный – шум, состоящий из одного или нескольких звуковых сигналов, каждый из которых имеет длительность менее 1 с, при этом, их уровень звука, измеренные на импульсной характеристике шумомера и на фильтре «А», отличаются не менее чем на 7 дБ.[4]

По природе возникновения  шум подразделяют на:

• Механический – шум, обусловленный колебаниями деталей и их
• взаимным перемещением. Он возникает, например, в зубчатых и цепных передачах, подшипниках, кулачковых механизмах, редукторах, роторах и вызывается ударами в сочленениях, силовыми взаимодействиями вращающихся масс, трением в соприкасающихся элементах и т. п. Возбуждение механического шума носит ударный характер, при этом в излучающих системах возникает весь спектр их собственных частот.
• Аэродинамический - шум, возникающий вследствие стационарных или нестационарных процессов в газах (истечение сжатого воздуха или газа из отверстий; пульсация давления при движении потоков воздуха или газа в трубах или при движении в воздухе тел с большими скоростями, горение жидкого или распыленного топлива в форсунках и др.).
• Гидравлический - шум, возникающий вследствие стационарных и нестационарных процессов в жидкостях (гидравлические удары, турбулентность потока и др.).
• Электромагнитный - возникающий в электрических машинах и оборудовании из-за взаимодействия ферромагнитных масс под влиянием переменных (во времени и в пространстве) магнитных полей, а также сил, возникающие при взаимодействии магнитных полей, создаваемых токами[1].

 

1.3. Источники шума на автомобиле

 

Источники шума на автомобиле условно можно разделить на две  группы:

а) первичные:

двигатель, трансмиссия, система  выпуска отработанных газов, шины, потоки воздуха, обтекающие автомобиль при  движении (аэродинамический шум);

б) вторичные:

металлические панели кузова (пол, крыша, крылья, двери, арки колесных ниш и т.д.), крупногабаритные пластмассовые  детали интерьера автомобиля (панель приборов, формованные накладки дверей, декоративный кожух переднего пола под рукоятку КПП, накладки стоек), мелкие металлические конструкции (тяги привода  замков, стеклоподъемников и т.п.).

 

1.4. Пути распространения шума в автомобиле

 

По природе происхождения  шумы делятся на воздушные и структурные. Средой распространения воздушного шума является воздух. Средой распространения структурного шума является твердое тело. Применительно к автомобилю это выглядит так. Работающий двигатель через элементы крепления передает вибрацию на кузов, панели которого в зависимости от степени вибрации издают более или менее интенсивный звук - структурный шум.

Воздушный шум от первичных  источников проникает в салон  автомобиля через неплотности кузова (дверные проемы, технологические отверстия переднего пола), а также остекление автомобиля. Чем толще стекло и панели кузова, тем выше их звукоизоляционные свойства. Воздушный шум от первичных источников тем ниже, чем оптимальнее конструкция самих источников:

двигателя, трансмиссии, системы  выхлопа, шин (высота и рисунок протектора), уплотнителей дверей. Структурный шум  проникает в автомобиль через  элементы подвески к кузову силового агрегата, трансмиссии, системы выхлопа, ходовой части. Вибрация, передаваемая через элементы подвески, заставляет колебаться все без исключения панели кузова, которые в свою очередь, излучают структурный шум. Кроме того, звук, излучаемый элементами системы выхлопа (трубами, резонатором, глушителем), приводит к дополнительному возбуждению пола автомобиля, что вносит ощутимый вклад в общий уровень внутреннего шума. В общий уровень шума в салоне автомобиля немалую долю вносит отраженный звук. Отраженный звук - звук, получающийся при отражении звуковых потоков, издаваемых первичными источниками, от дорожного покрытия.[1]

 

 

2.Технологические и практические  методы борьбы с шумом

 

2.1.. Борьба с шумом 

 

2.1.1 Методы борьбы с  шумом

 

Методы разделяются на:

- конструктивный

- пассивный.

Конструктивный метод:

1) применение отбалансированных силовых агрегатов и узлов трансмиссии;

2) правильный подбор и расчет эластичных элементов подвески силового агрегата, трансмиссии, ходовой части, системы выхлопа;

3) правильный расчет конструкции системы выхлопа и определение точек ее подвески к кузову;

4) правильное моделирование конструкции кузова и его жесткости;

5) выбор прогрессивных конструкций уплотнителей окон и дверных проемов и т.д.

Пассивный метод:

1 - применение вибро-, звукопоглощающих, звукоизолирующих и уплотнительных материалов;

2 - применение защитных кожухов. Применение шумоизолирующих материалов последняя ступень в создании "тихого" автомобиля, т.е. прежде всего автомобиль "доводится" конструкционно, а уже потом если возможности конструкции исчерпаны - используются вибро-, звукопоглощающие, звукоизолирующие и уплотнительные материалы.

 

2.1.2Уменьшение  внутреннего  шума

 

Для уменьшения внутреннего  шума уменьшают вибрацию и шум  в источнике их возникновения, например, повышают точность изготовления и установки  зубчатых колес в агрегатах трансмиссии. Иногда смещают собственную частоту  колебательной системы путем  изменения крутильной жесткости  и моментов инерции или изгибной жесткости и масс так, чтобы собственная  частота оказалась за пределами  рабочих скоростей автомобиля.

Интенсивность вибраций и  шума снижают также введением  в колебательную систему изоляторов в виде упругих прокладок и  втулок и применением фрикционных  гасителей вибраций. Собственные  частоты резонирующих панелей кабины или кузова можно изменять путем  увеличения их жесткостей за счет образования  канавок и нанесения на поверхность  панелей противошумной мастики, изменяющей массу панели и благодаря внутреннему трению способствующей гашению вибраций. Чтобы уменьшить проникновение в кабину или кузов внешних шумов, улучшают уплотнение отверстий для рычагов, педалей и коммуникаций в полу и перегородке моторного отсека, в проемах окон и дверей и т. д. К панелям кабины или кузова с их внутренней стороны приклеивают шумопоглощающие накладки из листового пористого материала. Снижение внешнего шума может быть достигнуто путем акустической доводки внешних форм кабины или кузова, системы выпуска отработавших газов, воздухоочистителя системы питания, вентилятора системы охлаждения и т. д., а также применением шин, обеспечивающих минимальный уровень шума.[1]

 

2.2. Материалы шумоизоляции

 

Виброизоляция — метод  снижения вибрации, основанный на ее отражении  в устройствах — виброизоляторах

Виброизоляторы — устройства для снижения вибрации в опорных связях виброизолируемой установки, имеющие статический прогиб под действием ее массы.

Вибропоглощение (вибродемпфирование) — метод снижения звуковой вибрации за счет перехода вибрационной энергии в тепловую в вибродемпфирующих покрытиях.

Звукоизоляция  — количественная характеристика метода зашиты от воздушного шума, основанного на отражении звука  от бесконечной плотной преграды.

Звукопоглощение — ослабление звука вследствие перехода звуковой

энергии в тепловую в мягких звукопоглощающих конструкциях.[18]

Применяемые акустические материалы

Все акустические материалы, специально создаваемые для снижения шума, можно подразделить на три  большие группы:

1) вибропоглощающие;

Предназначены для снижения передачи вибраций элементами конструкций  за счет преобразования колебательной  энергии в тепловую. Технологически эти материалы выполняются в виде:

- мастик (изготовляют из битума с добавлением смол, наполнителей и пластификаторов )

- листовых прокладок(Они выполняются в виде битумного листового материала, на одну сторону которого наносится липкий или термоактивный слой);

- конструкционных материалов типа «сэндвич (состоят из трех и более слоев, внешние слои сделаны из металла, пластмассы или стеклопластика, а внутренние — из вибропоглощающего материала).

2) звукопоглощающие

Снижают отраженную звуковую энергию в результате преобразования энергии звуковых волн в тепловую. Применяют объемные волокнистые или вспененные материалы. Волокнистые материалы обладают более высоким

звукопоглощением, чем полимерные пористые.

3) комбинированные.

Создают в виде многослойных конструкций. В них сочетаются слои звукопоглощающих и вибропоглощающих материалов. Применяются в основном комбинированные материалы, состоящие из битумного и звукопоглощающего пористого слоев. Эти материалы размещаются на панелях (перегородках) между мотоотсеком и кабиной, на потолке, стенах кабины и салона.[18]

 

2.3. Технические нормы  шума машин

 

Технические нормы устанавливаются  в основном на характеристики внешнего шума, нормируемый параметр — УЗ, измеренный в соответствии со специально разработанными требованиями. Нормы  внешнего шума автомобилей в странах  ЕС приведены в табл.

Таблица 2.1.

Нормы внешнего шума автомобилей (Директива ЕС 92/97)

Категория автомобилей	Допустимый УЗ, дБА
Легковые	74
Грузовые с массой более 3500 кг;
мощность двигателя:
менее 150 кВт	78
более 150 кВт	80
Автомобили с массой не более 2000 кг	76

 

Шум автомобилей нормируется  в зависимости от их назначения, массы, мощности двигателя. За рубежом  разработаны и действуют технические  нормы шума для оборудования, компрессоров, генераторов, кранов, гусеничных машин, экскаваторов, газонокосилок, сварочных  установок, бетономешалок, погрузчиков  и др.[4]

 

 

3. Методика расчёта, экспериментальное  и аналитическое определение  шума в кабине трактора

 

3.1.Методика расчёта шумоизоляции автотракторной  кабины

 

1) Определить расчетом или экспериментально уровни звукового давления L₁, действующие на каждую панель снаружи кабины.

2) Рассчитать или выбрать средний коэффициент звукопоглощения панелей а внутри кабины.

 

3.1.1. Определение звукового  давления, воздействующего на панели  снаружи.

 

Для расчета среднего уровня звука тракторных дизелей на расстоянии один метр от блока двигателя предлагается следующее выражение:

L_(А)дв = 31+10[lg (n³ Р₁^0.05)-lg m_v^1.5] , (3.1.)

где:

n - число оборотов в минуту;

P₁ - среднее индикаторное давление, мПа;

m_v - масса двигателя, отнесенная к рабочему объему (литражу), кг/л.

Для построения ориентировочных  спектров высокочастотных излучений  тракторных дизелей-может быть использовано выражение:

L_f = L_(А)дв-ΔL_f (3.2.)

где:

 L_f - уровень звукового давления в октавной полосе со среднегеометрической частотой f;

^L_(А)дв средний уровень звука на расстоянии 1 м от блока двигателя;

ΔL_f - частотная поправка, приведенная в таблице

 Поправки ΔL_f для построения спектров звукового излучения дизелей

Таблица 3.1. Поправки

Частоте в Гц	250	500	1000	2000	4000	8000
Поправка 8	8	6	3	4	11	17

Ориентировочные расчеты  среднего уровня звука на расстоянии 1 м от корпуса многоступенчатой механической трансмиссии трактора можно выполнить по следующей  формуле:

L_(А)тр= 118+8.3 lg N - 19 lg m_р, (3.3.)

где N - передаваемая мощность, кВт;

m_р- удельная масса трансмиссии, в кг на 1 кН номинальной силы тяги на крюке.

Ориентировочный октавный спектр шума трансмиссии может быть построен следующим образом: наибольший уровень  звукового давления берется в  октавной полосе, в которую попадает основная частота пересопряжений зубьев первой (самой быстроходной) пары шестерен. В соседних октавных полосах уровни звукового давления уменьшаются на 4-6 дБ в сторону низких и на 1-3 дБ в. сторону высоких частот.

Учитывая, что частота  перезацепления самых быстроходных шестерен современных тракторных трансмиссий попадает чаще всего в октавную полосу 500 или 1000 Гц, можно рекомендовать частотные поправки для перехода от общего уровня звука к октавным уровням звукового давления.

При этом уровень звукового  давления на частоте f будет определяться выражением:

L_f= L(_А)тр-ΔL_тр (3.4.)

где L_f - уровень звукового давления в октавной полосе со среднегеометрической частотой, f, дБ.

Таблица 3.2.

Поправки AL_тр для построения спектров звукового излучения трансмиссий

 

Частота в Гц	250	500	1000	2000	4000	8000
при максимуме на 500 Гц,	9	4	5	7	9	12
при максимуме на 1000Гц.	12	8	4	5	7	10
при максимуме на 2000 Гц.	16	12	8	4	5	7

L_(A) - средний уровень звука на расстоянии одного метра от корпуса трансмиссии, определяемый по выражению 5.15, дБ;

ΔL_тр - поправки для построения спектров, дБ.

Чтобы перейти к уровням  звука, действующим непосредственно 
на панели кабины, можно воспользоваться выражением:

L₂ = L₁ - 10 lg(₎ (3.5.)

где

L₂ - уровень звука (звукового давления) на расстоянии г₂ от источника;

г₂ - расстояние от источника шума до точки, в которой определяется уровень звука;

L₁ - уровень звука (звукового давления) на расстоянии от источника;

г₁ - расстояние от источника шума до точки, в которой 
известен (рассчитан) уровень звука.

Если учесть, что г₁=1 м, то формула упростится:

L₂= L₁ - 10 lg г₂ , (3.6.)

где г₂ - расстояние (в метрах) от ближайшей точки корпуса до панели, возле которой определяется внешний шум (уровни звукового давления по отдельным частотам).

Это расстояние в первом приближении можно измерить по наиболее короткой линии, огибающей кабину.

Рассчитанные уровни звука, создаваемые различными источниками, в частности, двигателем и трансмиссией, складываются энергетически. В частности  можно воспользоваться номограммой.

Суммарный уровень и является внешним уровнем шума, воздействующим на данную панель. Следует, однако, учесть дополнительное увеличение шума в зазоре между трансмиссией и полом кабины и в подкапотном пространстве. Это увеличение обусловлено тем, что в зазорах происходит многократное отражение звуковых волн.