Discutere su come ridurre il rumore del sistema idraulico
December 15, 2023
I sistemi più silenziosi non solo forniscono un senso di qualità più elevato, ma migliorano anche la salute, la sicurezza e la produttività degli operatori di macchine.
Articolo originale: Michel Beyer, ingegnere capo, Danfoss Power Solutions
Il National Institutes of Health stima che il 15% degli americani di età compresa tra 20 e 69 anni subisce la perdita dell'udito (per lo più permanente) a causa dell'esposizione al rumore sul lavoro o durante le attività del tempo libero. Sul luogo di lavoro, la combinazione di pompe silenziose, vibrazioni ben progettate e controllo delle pulsazioni e pratiche di installazione buone ed economiche darà al prodotto un chiaro vantaggio sul mercato.
Il suono è formato da vibrazioni che creano onde di pressione meccanica udibile attraverso un mezzo (di solito aria o acqua). Nei sistemi idraulici, il rumore può essere diviso in tre categorie:
Rumore disperso nell'aria, dall'aria alle orecchie
Rumore fluido, propagato attraverso il sistema idraulico
Il rumore strutturale viene generato quando un componente del sistema propaga le vibrazioni attraverso un altro componente.
La Figura 1 (sotto) riassume i fattori che influenzano la generazione di rumore. Sfortunatamente, le persone di solito si riferiscono all'eccitazione input (forza) e alla pressione sonora o al potere sonoro. Tendono a evitare i fattori fisici che compongono il rumore. A volte, una parte è dominante e altre no. Pertanto, tutti questi fattori devono essere presi in considerazione durante la progettazione per il basso rumore.
Inoltre, il processo è adatto per il rumore di origine aerea, trasmessa da fluidi e trasmessa dalla struttura. Ogni applicazione è unica, quindi non puoi presumere che ciò che funziona in un sistema o in un assembly funzionerà in un altro.
Guarda attentamente la fonte del rumore
In breve, il rumore è un suono indesiderato. Tecnicamente, è un sottoprodotto indesiderato della potenza d'onda in un componente o sistema. Come accennato in precedenza, il rumore può essere trasmesso in tre modi: attraverso l'aria, attraverso i fluidi e/o attraverso la struttura fisica del sistema.
Airbanne
Di solito pensiamo al rumore come viaggiare solo attraverso un mezzo aereo, direttamente dalla sua fonte a un ricevitore: le nostre orecchie. Questo è rumore disperso nell'aria. Tuttavia, il rumore nell'aria deve provenire da alcuni componenti del sistema o dell'applicazione. Questo componente può essere, ma non è sempre, una pompa.
Tecnicamente, tutto il rumore ascoltato dall'operatore è un rumore aereo. Dal punto di vista del rumore, delle vibrazioni e della rugosità delle vibrazioni (NVH), il rumore dell'aria si riferisce al rumore direttamente dalla superficie della sorgente sonora.
Propagazione fluida
Che si tratti di una pompa a pistone, una pompa a palette o una pompa per ingranaggi, queste pompe di spostamento positive hanno un certo grado di impulso di pressione (vedere la Figura 2). Di conseguenza, le caratteristiche di flusso irregolari e le pulsazioni della pressione vengono generate e trasmesse attraverso il fluido. Questo si chiama eccitazione fluida. L'eccitazione del fluido crea una vibrazione sulla superficie del tubo che può essere trasmessa a una struttura adiacente attraverso il morsetto/staffa o a causa del tubo in contatto diretto con la struttura sotto pressione.
La pulsante di pressione dell'eccitazione del fluido producerà a sua volta fluttuazioni di forza corrispondenti. La vibrazione nei tubi idraulici è chiamata pulsazione a pressione o eccitazione fluida. Questi possono causare vibrazioni, che possono creare rumore fluido.
Quando la pompa e il motore sono montati sull'isolatore, la configurazione della linea idraulica appropriata può essere utilizzata per mantenere l'isolamento delle vibrazioni. La giusta combinazione di tubi rigidi e tubi flessibili può fornire una configurazione più stabile e ridurre le vibrazioni e il rumore. La migliore combinazione è un tubo rigido corto con entrambe le estremità collegate a un tubo flessibile.
L'isolamento delle vibrazioni delle linee idrauliche e dei tubi dalla struttura dell'applicazione (frame, staffa o pannello) offre un'altra opportunità per ridurre il rumore nella progettazione della macchina. Pannelli e scudi possono spesso fungere da altoparlanti e amplificare livelli di vibrazione relativamente bassi in fonti di rumore elevate.
I tubi idraulici e i tubi possono agire come emettitori di vibrazioni fluide in questi componenti, trasformando i componenti strutturali in "altoparlanti". Quando si progettano apparecchiature idrauliche tranquille, è importante affrontare la posizione di tubi o tubi al fine di ridurre al minimo il rumore.
Incorporando un "silenziatore idraulico" (noto anche come risonatore, attenuatore o soppressore) nel sistema idraulico, la pulsazione a pressione può anche essere ulteriormente ridotta. Questi componenti sono ottimizzati per ciascun sistema idraulico attraverso la loro progettazione e posizionamento all'interno del sistema.
La perdita di trasmissione è una misura dell'efficacia di un risonatore/silenziatore idraulico o del grado in cui il suo design è ottimizzato. La perdita di inserzione è una misura della ridotta pulsazione a pressione in un sistema idraulico, che dipende dal posizionamento ottimale del risonatore all'interno del sistema idraulico. Quando si cerca di ottenere un sistema idraulico di "design a basso rumore", sia le perdite di trasmissione che di inserimento sono fattori importanti. Il sistema di risonatore ottimizzato può ridurre l'ampiezza delle pulsazioni di pressione fino a 20 dB o più.
Propagazione della struttura
Il rumore strutturale è il risultato di vibrazioni che si propagano solo attraverso la struttura applicata. La vibrazione, come mostrato nella Figura 1 sopra, è una combinazione della forza e della risposta del componente e dell'efficienza delle radiazioni del componente. Queste strutture emettono quindi suoni udibili o rumore dell'aria, che è ciò che l'operatore dell'attrezzatura idraulica in realtà nota.
Il rumore strutturale inizia con le vibrazioni da una sorgente o componente esterna e viene trasmesso direttamente al motore, alla struttura o al telaio dell'applicazione. Una volta che la vibrazione entra nella struttura, si propaga attraverso la struttura alla velocità del suono della struttura (molto probabilmente acciaio), che eccita altri componenti e li fa diventare radiatori di rumore, cioè altoparlanti.
I componenti sulla macchina, come pannelli, scudi, staffe e serbatoi, possono essere molto efficaci al rumore radiante alle frequenze della pompa e ai multipli delle frequenze della pompa (vedere la Figura 3 di seguito). Questo perché questi tipi di componenti hanno molte frequenze risonanti. Componenti come questi sono chiamati componenti ad alta densità modale.
Il controllo delle vibrazioni può essere utilizzato per ridurre al minimo il trasferimento di vibrazioni da pompe e unità a strutture e attrezzature per macchine. Ciò può essere ottenuto isolando la pompa e/o il motore dalla base rigida usando una piastra di base o un altro isolatore di base.
La vasta area del metallo sottile nel sistema può anche irradiare efficacemente il rumore. Questo rumore può essere ridotto posizionando strategicamente gli irrigidimenti ingegneristici o il trattamento di smorzamento sulla superficie del metallo.
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Comprendi i parametri del rumore
La valutazione del rumore può diventare confusa perché possono esistere più percorsi di vibrazione. Bisogna comprendere il livello della fonte di rumore al fine di valutare correttamente i percorsi di trasmissione del sistema e l'efficacia di ciascun percorso in qualsiasi condizione operativa.
Le fonti di rumore sono generalmente circondate da un alloggiamento a forma di scatola per fornire una barriera fisica tra le fonti di rumore, che può essere causata da unità di potenza idraulica, valvole, collettori idraulici, motori, cilindri idraulici, tubi/tubi e attrezzature per macchine aggiuntive. Queste barriere sono progettate per ridurre il suono prodotto dalle apparecchiature idrauliche nella posizione dell'operatore o degli astanti.
Le perdite acustiche attorno ai sigilli e simili possono anche influenzare notevolmente la capacità dell'alloggiamento di ridurre la trasmissione del suono. In generale, l'1% dei "fori" nel recinto consentirà di perdere il 50% del rumore misurato. Se chiuso, l'ampiezza del rumore all'interno del contenitore aumenta effettivamente perché il rumore si riflette all'interno del contenitore piuttosto che proiettato verso l'esterno.
L'ampiezza del rumore all'interno dell'involucro dipende dalla distanza dalla fonte principale del rumore misurato. In generale, quando una fonte di rumore viene posizionata all'interno del contenitore, la sua ampiezza può aumentare il rumore all'interno del contenitore di 5-8 decibel (DBA) o del 78-151% in più rispetto a una sorgente senza il contenitore (vedere la Figura 4 sotto) .
Un altro fattore importante nell'edilizia abitativa è il coefficiente di assorbimento. Tutti i recinti hanno un certo grado di assorbimento interno, ma l'aggiunta di ulteriori materiali di assorbimento aiuterà a ridurre il rumore. I recinti più grandi hanno un fattore di ingrandimento inferiore rispetto ai recinti più piccoli. Lacune o buchi nell'alloggiamento riducono l'efficacia della riduzione del rumore all'esterno dell'alloggiamento. Anche un piccolo foro o spazio nell'alloggiamento può ridurre significativamente il suo effetto che sopprime il suono.
Progetta prodotti e sistemi più silenziosi
I programmi di controllo del rumore di successo richiedono gli sforzi combinati degli individui in più aree di competenza. Una pompa idraulica tranquilla non garantisce un sistema tranquillo. La scelta di una pompa tranquilla dovrebbe essere solo una parte di un piano poliedrico che richiede i talenti di progettisti, produttori, installatori e tecnici di manutenzione di sistemi. Un fallimento in una di queste aree potrebbe far deragliare l'intero piano di controllo del rumore.
I progettisti di sistemi svolgono un ruolo chiave nel raggiungere un controllo del rumore di successo. Devono valutare ogni tecnologia di controllo del rumore disponibile dal punto di vista dell'efficacia, dei costi e della praticità. Quando si avvia un piano di controllo del rumore, è meglio iniziare dalla fonte: la pompa. Naturalmente, i produttori di pompe sono responsabili della fornitura di pompe tranquille. Successivamente, la strategia più comune è quella di utilizzare un design della porta per ridurre al minimo le pulsazioni della pressione alla velocità e alla pressione nominale della pompa.
A livello di componente, i progettisti potrebbero voler iniziare con pompe a velocità variabile. Nei sistemi di trasmissione a velocità variabile (VSD), la velocità della pompa varia per soddisfare i requisiti del ciclo di lavoro. Ciò ridurrà il rumore perché la velocità sarà ridotta quando il sistema non è necessario.
Mentre i singoli componenti più silenziosi possono contribuire molto alla riduzione del rumore, è possibile ottenere ulteriori vantaggi esaminando l'intero design del sistema per opportunità di riduzione del rumore. Il controllo delle vibrazioni è progettato per ridurre al minimo il trasferimento di vibrazioni dalla pompa e dal motore alla struttura della macchina. Ciò può essere ottenuto isolando la pompa e/o il motore dal supporto rigido da una piastra di base o da altro isolatore di base.
I test e la valutazione del sistema possono fornire ulteriori informazioni sulla riduzione del rumore. Isolando i componenti dal rumore di fondo in un'area di prova correttamente progettata consente di concentrarti su fonti di rumore, percorsi di trasmissione e opportunità di riduzione del rumore.
Il potenziale per una riduzione del rumore di successo diventa ancora maggiore quando viene utilizzato un approccio di sistema per valutare il rumore piuttosto che semplicemente selezionare singoli componenti. Un team informato che comprende i singoli componenti e ruoli nel sistema complessivo può aiutare a identificare le fonti di rumore e la progettazione a basso rumore.
Qualità del suono del sistema idraulico
I sistemi idraulici non sono sempre la fonte di problemi di rumore, ma sono spesso incolpati. Il motivo ha più a che fare con la qualità del suono prodotto che con il volume o la pressione. La maggior parte dei lettori ha familiarità con il fastidioso gemito idraulico. Misurabile oggettivamente, questo Purr di solito non ha molta potenza acustica. Tuttavia, il suo tono è scoraggiante, il che rende il suono reale più forte.
Vengono utilizzate una varietà di metodi di misurazione della qualità del suono. Al fine di quantificare il "ruggito idraulico" di una pompa di spostamento positivo, vengono generalmente utilizzati indicatori di qualità del suono come il volume e il rapporto sonoro-rumore. Per caratterizzare il rumore del flusso generato all'interno dell'unità di controllo dello sterzo e delle valvole, vengono comunemente usati indicatori di qualità del suono come il volume, il rapporto di prominenza e il rapporto da suono / rumore. Tuttavia, gli OEM non si limitano all'utilizzo delle metriche sopra elencate, ma possono utilizzare una metrica di qualità del suono singola ma diversa. Più comunemente, vengono utilizzati diversi indicatori di qualità del suono ponderato per caratterizzare il suono richiesto per i loro prodotti.
Pertanto, oltre alla questione obiettiva di quanto il sistema idraulico influisca sul livello del suono complessivo, i produttori di macchine devono anche affrontare la questione soggettiva di come la qualità del suono applicato influisca sulla percezione generale del cliente della sua qualità. Il rombo del motore è generalmente molto più forte del lamento idraulico, ma la percezione del rumore del motore è di potenza e intensità.
Man mano che le applicazioni ibride e completamente elettriche diventano più abbondanti, il contributo della fonte di rumore dell'applicazione mobile "tipica" con motore/scarico/ventola sta cambiando. La riduzione o la rimozione della dimensione del motore riduce o elimina le fonti di rumore che utilizzavano il rumore del sistema idraulico. La riduzione o l'eliminazione di queste altre fonti di ampiezza poté maggiore enfasi sulla riduzione del rumore del sistema idraulico.
Nelle applicazioni future, il rumore generato dal sistema idraulico sarà più ovvio e diventerà una fonte di rumore più importante nell'applicazione.
