锻压设备振噪控制与现状分析

1.振动与噪声产生的原因 设备在工作时由于回转运动或冲击，会产生振动和噪声。噪声会通过空气传播形成噪声污染，这种通过空气直接传播的噪声，被称为一次噪声。振动通过设备基础、地基、土壤向周围传播，形成地面环境振动，影响周围人员和设备的工作，同时还会引发建筑物楼板和墙壁振动，发出结构噪声，称为二次噪声。图4-11所示为振动和噪声的形成与传播示意图。

图4-11 振动和噪声的形成与传播示意图

对于锻压设备，振动和噪声的影响更为严重。表4-4为距模锻锤10m处地面纵向振动数据。

表4-4 距模锻锤10m处地面纵向振动数据

大量实验及文献表明，蒸/空模锻锤锻造工件时，噪声压级可高达130dB（A）。而在非锻打阶段，空气锤进排气周期性的呼吸噪声也高达110dB（A）。由此可知，锤强大的冲击力产生的噪声对环境的危害是极为严重的。正因为如此，现代锻压工业中广泛使用机械压力机（主要是指热模锻压力机和平锻机）来代替锤，它冲击振动小、设备轻、安全可靠性高。因此，在汽车、拖拉机、柴油机、齿轮等制造厂中它被广泛采用。但大部分机械压力机工作时的噪声也高达125dB（A），由此可见，机械压力机噪声污染也较严重。液压机也广泛应用于锻压工业中，就设备本身来讲，它是振动和冲击最小的锻压设备，但在实际工作中，液压机工作时噪声也在100dB（A）以上。因此，如何控制振动和消除噪声，是一个亟待解决的问题。

2.噪声的危害 考虑到噪声对环境的严重污染，特别是近年来因噪声污染影响居民正常工作和生活的诉讼案急剧增长，我国1996年颁布了环境噪声污染防治法，相应地也制定了工业企业噪声标准。工业企业的生产车间和工人工作地点的噪声标准为85dB（A），暂时达不到标准的可放宽到90dB（A）。若噪声达不到以上标准，则噪声每增加3dB（A），则工人工作时间减半。标准规定，工人接触噪声最高不得超过115dB（A）。若工人在高于上述标准的条件下工作，从劳动保护的角度来讲，则必须给工人付以噪声超标补助费。所以，对比上述锻压设备的现状及有关标准情况可以发现，我国现有锻压车间几乎都是超标的，且绝大部分设备的噪声严重超标。

噪声会引起以下危害：

（1）引发噪声性耳聋，严重者将造成耳鼓膜穿孔。锻造车间和冲压车间工人大多是在强噪声环境下工作的。据国际标准组织统计，在强噪声环境下工作，会使人感到烦躁，加速身体疲劳，降低工作效率。在130dB（A）以上的噪声环境下工作，会引起耳病和鼓膜伤害等疾病，在165dB（A）以上的强噪声环境下工作可使耳鼓膜穿孔。表4-5是工作40年后噪声性耳聋发病率统计数据。

表4-5 工作40年后噪声性耳聋发病率统计数据

（2）分散注意力，干扰操作者之间的语言交流，易出废品，甚至造成设备、人身事故。

（3）诱发各种疾病。强烈的冲击噪声，可能危害锻造和冲压车间工作人员的神经系统、心血管系统和内分泌系统，容易诱发出神经衰弱、高血压等病症，还会损害胃的正常功能，减少胃液的分泌，导致食欲不振和胃病。

3.减振的作用 减少设备振动除了可以有效抑制噪声的产生和传播，还可以起到以下作用：

（1）提高模具寿命。不管压力机的结构如何，也不管是哪家工厂生产的机械压力机，其在工作过程中工作行程结束的一瞬间，连杆突然弹性回跳引起机床自身的振动是所有机械压力机都存在的现象。这种振动会使冲模的凸模与凹模、加工零件与模具产生不同程度的碰撞和冲击。压力机承受的外载荷愈大，振动也愈厉害，冲模的凸模与凹模之间、加工零件与模具之间的碰撞和冲击也越剧烈，模具就越容易损坏。如果针对机械压力机的振动采取适当的减振措施，就可以有效地降低其工作过程中产生的振动，成倍地增加模具的寿命。

我国现在投入使用的机械压力机估计在15万～20万台之间，如果每台压力机每年由于这种振动而损坏一套模具，每套平均用钢材50kg计算，每年将多消耗钢材7500～10000t；不计模具加工、热处理所消耗的能源，以每吨钢材综合能耗为1.85t标准煤计算，每年仅此一项就多消耗14000～18000t标准煤。由此可见，机械压力机的减振节能还是非常可观的。

（2）优化压力机工作状态，提高生产效率、节约能量。每分钟行程次数是机械压力机的一个重要性能参数，因为它直接反映出机械压力机生产效率的高低。在实际生产中，特别是机械压力机处在高速工作条件下，其最高行程次数往往达不到设计要求，产生行程次数减少的关键就是压力机工作过程中的振动。这种振动使压力机不能在最佳状态下工作，致使其每分钟行程次数减少。例如美国一家公司有一台行程次数设计指标最高为300次/min的压力机，安装后在使用中发现实际的行程次数一直达不到300次/min的设计要求，其实际的最高行程次数也只能达到270次/min。尽管他们从多方面找原因，采用多种办法来企图使这台压力机达到300次/min，但都没有成功。后来他们给这台压力机安装了4个水平减振垫，压力机的最高行程次数达到了300次/min的设计要求，压力机动力消耗没有增加，而生产效率却提高了11%。按10%对我国投入使用的压力机进行增产概算（按平均行程次数为20次/min、每三道工序生产一个零件、每天一班工作制、每班连续工作6h、每年工作300天），那么全国每年可多生产11亿～14亿个零件，等于在相同生产条件下1.5万～2万台机械压力机一年生产的零件总和。如果按平均每台压力机电动机功率为3kW计算，生产11亿～14亿个零件需耗电8250万～10500万kW·h，全年节约的电能折合标准煤则为41250万～54000万t。

（3）减少压力机的维修次数，节省材料、机械加工所消耗的能源振动能使机械压力机的零部件产生破坏、控制系统失灵、相对运动部件不均匀磨损而增加维修次数。一般规定压力机大修期为5～6年，不少压力机在实际使用2～3年后机床精度已有较严重的降低，以后就带病工作到大修时再修理；有的工作2～3年机床精度已下降到不能再工作，这时就得提前大修。大修一次停产较长，费用较高，这就增加了材料、机械加工等方面的能源消耗。

4.振动的控制与隔离 对锻造设备的隔振能帮助保护附近机加工设备的精密度（例如测量设备、磨床、热处理炉等设备）。精密度和灵敏度高的设备也需要安装隔振垫来隔离外部的振动。

为了控制振动和噪声污染，人们以前采用垫枕木、橡胶垫，挖防振沟等措施，但效果不能完全让人满意。随着社会对环境要求的日益提高，这些隔振降噪措施已无法满足要求，于是现代化的噪声和振动控制措施应运而生，其中最常用而且切实可行的措施就是隔声屏罩和弹性隔振基础。下面首先介绍目前在锻压设备上广泛采用的一些隔振措施：

（1）模锻锤和自由锻锤。过去锻锤是被安装在多层橡木材料上，这种方法在某种程度上可以隔振，但隔振效果很差。而今，模锻锤和自由锻锤被普遍地安装在多层弹性体阻尼模块隔振系统上或液态阻尼弹簧隔振器上。图4-12所示为锻锤的隔振基础类型。

图4-12 锻锤的隔振基础类型

1）多层弹性体阻尼模块隔振（MRM）系统。使用这种系统的用户多是倾向于设备在该系统上的稳定性和较少的垂直位移，但是其隔振效率相对于液态阻尼弹簧隔振器（FSV）系统要略低一些。MRM系统可提供60%～85%的隔振效果，这是取决于该隔振系统固有的振动频率范围为8～15Hz时的。但是MRM系统的投资相对较少，更重要的是，MRM系统是免维护的隔振系统，不怕水和油以及氧化皮等小颗粒的污染，在工作环境恶劣的热锻造中，MRM系统是性价比非常好的隔振系统。通常MRM系统的混凝土基础比FSV系统的混凝土基础要小。

2）FSV系统。此类隔振器有较高的隔振效果，这是因为与MRM系统相比它们具有相对高的柔软度和低刚度。这些隔振器的固有频率在4～7Hz之间，比起锻锤的打击频次相对高一些，而相对于锻锤打击工件时所产生的破坏频率却低得多，因此提供了较好的隔振效果。由于弹簧隔振器弹簧是很软的，锻锤的每次打击使设备有较大的不良运动。为减少这些不良运动，有些时候必须以加入混凝土底座或者重钢板的形式来增加设备的重量，从而限制锻锤的不良运动，这些重量称为配重。如果弹簧隔振器直接安装在砧座下，砧座不能太轻或太小，为此砧座的重量就要增加，尺寸就要加大。通常配重能增加隔振效果。

黏性阻尼液对于减少锻锤的不良运动是很有效的，对减少锻锤的冲击能起到良好作用，同时对克服锻锤不良运动或垂直位移衰减也是有效的。

无论是模锻锤还是自由锻锤，只要砧座的重量达不到要求，就应该增加配重。FSV系统需要锻锤较多的配重，而MRM系统只需较少的锻锤配重。(www.xing528.com)

（2）机械压力机。机械压力机通常被安装在MRM系统或FSV系统上。MRM系统有许多优点：低成本；提供方便、快捷的安装；精密的调平和对准；非常好的隔振效果；一般不用加长的钢梁底座，如图4-13所示。

图4-13 机械压力机安装在不加长的钢梁上

MRM系统可有效地减少锻压机传给基础的冲击力，这些力主要以90～120Hz内的某些频率向外传播，由于该MRM系统具有在8～15Hz内的固有频率，因此具有高效率的隔振效果。例如，如果压力机工作时激振频率（f_d）是90Hz，而MRM系统的固有频率（f_n）是12Hz，那比率就是7.5。于是振动冲击的传递比率是0.02（2%），或者说是98%的振动被隔离，也就是隔振效率为98%。

FSV系统也能够被用来安装在锻压机上，然而由于驱动系统的构造，压力机会产生相当大的不稳定性和振幅。为了避免锻压机过度的不正常运动，弹簧隔振器一般不直接安装在锻压机下。不良的位移和运动需要通过增加大面积的钢板底座来减少，因此与MRM系统相比，FSV系统需要更大的钢板底座面积，如图4-14所示，这给基础施工和设备安装造成了一定的不便。

图4-14 增加面积的钢板底座

（3）螺旋压力机。螺旋压力机具有与锻锤和机械压力机相似的特性，驱动系统是一个通过水平飞轮带动的螺旋装置，这样螺旋压力机工作时便产生了旋转的力和垂直方向的力。为了控制旋转力以及限制螺旋压力机的不良运动，这些压力机通常都被安装在大面积的钢板上，如图4-15所示。由于钢板面积足够大，从而克服了螺旋压力机在运行中产生的旋转力。隔振器就装在这样的铁板下，以达到保证螺旋压力机平稳运行的目的。侧向支撑MRM系统和弹簧隔振点中的FSV系统都能应用在螺旋压力机下，并能消除螺旋压力机的不良运动。

由于螺旋压力机的打击频次是在锻压机和锻锤之间，激振频率也介于锻压机和锻锤之间，MRM系统和FSV系统都能提供较好的隔振效果。MRM系统提供了更简单和准确的调平及对中，而FSV系统能提供更好的隔振效果。不过两种系统都有极好的隔振效果，并大大降低了螺旋压力机对于基础的冲击和破坏。值得一提的是，FSV系统使用寿命更长可免维护。

图4-15 螺旋压力机安装在大面积的钢板上

5.设备噪声的控制 工业企业中的噪声主要分为机械噪声、空气动力性噪声和电磁噪声三大类。锻压机械生产中主要是前两种噪声。从噪声控制学的角度考虑，噪声控制主要采取噪声源治理、噪声传播途径治理及接收者（人）防护措施等方法进行控制，具体说明如下：

（1）蒸/空模锻锤的噪声及其控制。锤的噪声是由锤头高速打击锻件产生的，这一噪声高频成分较大，常在人耳敏感的3000～5000Hz的频率区，声压级达125dB（A）以上，所以对环境能造成严重污染，因此治理这一噪声极为重要。但由于锤的噪声是由其工作原理所决定的，故只能采用噪声传播途径及接收者防护两种治理方法降噪。

在锤的工作工程中主要存在冲击噪声，进、排气噪声和纯机械噪声，这三类噪声产生的机理相差较大，所以治理方法也不同。

1）纯机械噪声及其控制。对纯机械噪声来讲，由于产生这些噪声的零部件通常均在机壳内，考虑到机壳厚度通常都大于10mm，从隔声角度看，该厚度足够，所以一个最简单、最直接的方法就是对机壳原有漏声孔洞进行消声处理，将机壳当作隔声罩，不需要的孔洞彻底堵死。机壳上的口尽可能减少，只留进、排气口。

2）进、排气噪声及其控制。该噪声为空气动力性噪声。空气锤每进气或排气一次，都向外辐射一次噪声，只要空气锤电动机一开动，进、排气噪声就随之产生。目前，对进、排气噪声的治理主要采用在进、排气口设置消声器的方法。由于进、排气噪声表现明显的低、中频特性，所以国内外应用比较成功的消声器有小孔喷注、微穿孔板共振—扩张复合式、孔板扩张式等，也有采用泡沫塑料作为吸声材料的扩散式消声器。

3）冲击噪声及其控制。这一噪声是由上、下锤头及锻件迅速接近产生的，它的峰值比蒸/空模锻锤的小。原因是空气锤的锤头尺寸小，锤头运动速度低（5～6m/s）。这一噪声主要为结构噪声和加速度噪声，其控制方法和前述蒸/空模锻锤噪声的控制方法基本相同。

除了从上述噪声产生的原因和传播途径进行控制外，还可从噪声吸收和操作者防护方面采取相应的措施。例如，为防止车间内、外操作人员受噪声侵袭，可采用隔声板、隔声墙、隔声间等措施，运用闹静分开的方式进行设备布置和生产。有条件的地方，应在车间天花板及墙面总面积40%的面积上铺设或悬挂吸声垫。例如，某冲压车间采用吸声处理后，车间总体噪声下降8dB（A），取得较好效果。但这种吸声处理方法的降噪效果也是有限的。防止锤击噪声对外部环境的污染，最有效的方法是对车间进行隔声处理（即将车间作为一个隔声罩）。车间门窗采用隔声门及隔声窗，在满足采光要求的前提下，尽可能减少门窗个数，不用的窗户可以用砖堵死。这一措施在西安几个工厂锤击噪声污染的治理上取得了低造价、高降噪的效果。至于车间的热量散发和换气，可由鼓风机和引风机来完成。

从设备角度来说，由于电液锤无排气问题，自然无排气噪声污染。所以无论从节能还是环境及工人健康角度考虑，现有的蒸/空模锻锤都应改用液压锤并加以大力推广。

（2）机械压力机的噪声及其控制。机械压力机的噪声主要由传动系统（包括电动机、传动带、齿轮、轴承、曲柄连杆滑块）产生的机械噪声、离合器及制动器动作产生的噪声，附属系统（如平衡缸及气垫）工作时的噪声等部分组成。并且根据生产工艺不同，噪声大小及频率特性也不相同。

1）锻压工件瞬时的噪声及其控制。结构噪声及其控制：机械压力机锻压工件时，由于滑块运动最大速度不到1m/s，在接近下死点附近，滑块运动速度接近于零，所以上、下模之间的空气排出产生的噪声是极小的。由于滑块都是在接近下死点附近一个小角度内完成工件变形的，这样大变形力在瞬间就对受力零件产生一个很大的冲击，这一冲击力从迅速上升到迅速下降，时间短，使有关零件产生冲击振动从而辐射出结构噪声。为了控制这一噪声，可采用高阻尼的材料代替低阻尼的材料，在有关的大辐射面上铺设阻尼涂层；通过对结构振动的分析，采用增大刚性或改变结构等方法来减小有关结构的噪声辐射频率；另外设法采取措施不让变形在滑块越过下死点时迅速释放，而是缓慢减小，因而从根本上改善了冲击力对有关零件的剧烈激振作用，可大幅度降低这一噪声。

加速度噪声：通常滑块在接近或到达下死点附近前就完成了工件变形，此时变形力瞬时释放。由于要保证变形工件的尺寸精度，所以要求压力机具备很好的刚性。这样在变形力很快消失后，工件在变形过程时存储在机身、曲轴、连杆、滑块及模具中的弹性势能会迅速释放，使滑块及其上的模具以相当大的加速度再下降，从而剧烈扰动周围空气，产生一个单独的噪声脉冲，即加速度噪声，它决定变形时的最高噪声峰值。大量实验证明，加速度噪声实际上与物体的加速度有关，只有减小滑块在变形结束时的速度突变或延长速度变化所需的时间，才有可能减小加速度噪声。此时，阻尼、隔振等噪声控制技术均无力降噪。正因为如此，当在机械压力机上完成冲裁及剪切工艺时，加速度噪声值最高；而在完成模锻、拉深、挤压等工艺时，在滑块到下死点后，由于变形工件的弹性回复力，使回程初期滑块上仍承受力的作用，而这一弹性力是逐渐减小到零的，大大降低了滑块的速度变化梯度，所以加速度噪声明显下降。

液压缓冲器：目前，比较明显可降低以上两类噪声的有效途径，就是采用安装在工作台和滑块之间的液压缓冲器。压力机进入压制阶段时，会使液压缓冲器活塞逐渐受压，而在冲裁或剪断工件时，及其以后一段时间，此缓冲器活塞一直有一个逐渐减小的力作用到滑块上，滑块瞬时减速，作用到滑块上的力逐渐下降，因而可大幅度地降低结构噪声及加速度噪声。但这种液压缓冲器能耗大，增加了压力机电动机及飞轮的负荷，使压力机不能发挥最大能力。

2）传动系统噪声及其控制。机械压力机传动分为开式传动和闭式传动。开式传动由于传动零部件直接暴露在外面，灰尘、杂质影响传动准确度，并且润滑不良，因而产生的噪声较大；而闭式传动是将传动部分用箱体封闭起来，在箱体内注入润滑油以浸没传动件，并进行隔振及消声处理，可有效控制传动部分的噪声。所以从降噪的角度来讲，采用闭式传动比开式传动好。此外对于开式传动，也可采用在齿轮罩内铺设吸声材料的方式，降低齿轮啮合噪声这一方法在国外机械压力机上使用得极为普遍。

3）离合器和制动器动作噪声及其控制。刚性离合器动作噪声及其控制。刚性离合器广泛应用在小型机械压力机中，它结合及脱开时的冲击噪声高达105dB（A），远高于带式制动器工作很小的制动噪声。无论对滑销还是其他形式的刚性离合器，最有效的降噪方法就是减弱离合器结合及脱开过程中冲击的程度。采用柔性键将延长冲击的建立时间，同时降低了脉动力的数值。但是柔性键要求能传递压力机的额定负荷，能抗摩擦和裂纹，能在油质和污秽环境中保持完好。这种键要有软的内部组织和淬火钢的外部组织。这种柔性键在压力机上使用后，可产生6dB（A）的降噪量。

摩擦离合器-制动器动作噪声及其控制：目前，空气动力性噪声都是依靠在排气口安装消声器进行降噪，但必须使这种消声器的阻力小、降噪量大、安装方便、造价合理、寿命长。国外也有采用将排气口直接通入齿轮隔罩内的方法，取得了好的效果。由于排出的空气中含有大量的水和油，所以消声降噪的结构一定要耐水和油。一些新型的机械压力机离合器-制动器排气消声器降噪量可达38dB（A），目前已在市场中推广使用。

（3）液压机噪声及其控制。液压机在三大类锻压设备中噪声是最小的，这里仅讨论液压传动系统的噪声及其控制。随着液压传动系统向着高压、高速和大功率的方向发展，其应用范围越来越广泛，由此引起的噪声也越来越严重。其噪声主要有泵、阀、管道及油箱四大部分产生的噪声。泵噪声主要是泵在产生压力油时压力脉动引起泵的周期振动形成的；液压阀由于其自身的机械振动而产生噪声；管道受到外界负载变化的影响，在管道中产生压力脉动，特别当管道长度刚好等于发生共振的管道长度时，就会产生强烈的高频噪声，严重时使管道破裂；而油箱的噪声是由于油箱壳体受到泵和电动机的激发及气穴现象引起的。系统应选择低噪声的泵和阀，设置管道要考虑有关振动情况的影响，而对油箱则可增大油箱刚性，增加隔振板，防止混入和清除已混入油中的空气。锻压用的液压机往往油压都在20MPa以上，所以系统卸压时，不能让高压油瞬时排入油箱，一定要在系统中采取缓冲措施，否则产生很强的振动和很高的噪声，甚至会使有关的液压部件被破坏。此外，当现有的液压系统噪声太高时，可在管上进行隔振（即采取弹性部件固定管道）或加消声器、阻尼器等，液压机中的储能器也可起到降噪的作用。另外对于泵、阀及管道集中在一起噪声又很大的液压传动系统，可采取安装一个大隔声罩的方法，将这些零件罩起来，这一方法在实际中取得了良好的效果。