高速堆垛机噪声及降噪实验研究

１引言
自动化立体仓库（ＡＳＲＳ）作为现代物流的核心技术之一，受到了各类企业的普遍关注，广泛应用于烟草、医药、服装、食品的生产系统及流通领域中。

随着生产精益化要求的不断提高，物流系统的设备噪声问题逐渐为人们所重视。

自动化立体仓库中噪声主要来自作业设备，包括输送机、堆垛机、搬运车辆等。

其中堆垛机因结构尺寸大、传动系统复杂，特别是变频技术的应用，运行速度得以快速提高，而随之暴露出来的噪声问题也越来越严重。

因而，解决堆垛机的噪声问题是整个自动化物流系统的降噪关键。

据有关数据和研究显示，堆垛机的高频噪声占整个立体仓库系统噪声的７０％以上。

而目前有关于堆垛机噪声源和降噪措施的研究仍处于初级阶段。

相关的研究主要是轮轨噪声的研究。

如Ｄ．Ｊ．ＴＨＯＭＰＳＯＮ和Ｃ．Ｊ．Ｃ．ＪＯＮＥＳ在２００２年３月发表的《ＡＲＥＶＩＥＷＯＦＴＨＥＭＯＤＥＬＬＩＮＧＯＦＷＨＥＥＬ／ＲＡＩＬ
ＮＯＩＳＥＧＥＮＥＲＡＴＩＯＮ》中分析了轮轨噪声产生的三种主要的原因，以及Ｊ．Ｊ．Ｋａｌｋｅｒ和Ｆ．Ｐéｒｉａｒｄ在１９９９年２月发表的《Ｗｈｅｅｌ－ｒａｉｌｎｏｉｓｅ：ｉｍｐａｃｔ，ｒａｎｄｏｍ，ｃｏｒｒｕｇａｔｉｏｎａｎｄｔｏｎａｌｎｏｉｓｅ》中给出了一些控制轮轨噪声的方法。

为此，本文特别以实验的角度来研究高速堆垛机噪声的产生规律，为未来降噪堆垛机的设计研制奠定技术理论基础。

２堆垛机噪声实验设计与测试方法
２．１堆垛机结构及噪声源
巷道式堆垛机是随着立体仓库的出现而发展起来的专用起重机，主要用途是在高层货架的巷道内来回穿梭运行，将位于巷道口的货物存入货格，或者取出货物运送出巷道。

目前各企业广泛选用单立柱有轨巷道式堆垛机作为自动化立体库中的重要运输设备，故本实验选用此种堆垛机为研究对象较有普遍意义，其结构特征如图１所示。

高速堆垛机噪声及降噪实验研究
赵利平１，董良１，张蕊２，程国全２
（１．山西太原理工大学机械工程学院，山西太原０３００２４；２．北京科技大学机械工程学院，北京１０００８３）
［摘要］堆垛机作为自动化立体仓库中主要的搬运设备，也是主要的噪声源之一，其对于生产环境的影响逐渐为人们所关注。

以实验的角度，综合运用系统辨识理论和方法，分析了堆垛机噪声的产生规律，明确降噪的工作重点，为堆垛机结构的优化设
计奠定了理论基础。

［关键词］堆垛机；噪声源；降噪
［中图分类号］ＴＨ２４６［文献标识码］Ａ［文章编号］１００５－１５２Ｘ（２００８）０７－０１１４－０３
ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＮｏｉｓｅ＆Ｌｏｗｅｒｉｎｇ－ｎｏｉｓｅＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔｏｆＨｉｇｈ－ｓｐｅｅｄＳｔａｃｋｅｒｓ
ＺＨＡＯＬｉ－ｐｉｎｇ１，ＤＯＮＧＬｉａｎｇ１，ＺＨＡＮＧＲｕｉ２，ＣＨＥＮＧＧｕｏ－ｑｕａｎ２
（１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＴａｉｙｕａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｔａｉｙｕａｎ０３００２４；２．ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌ
Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＢｅｉｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００８３，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｒｏｍｔｈｅａｎｇｌｅｏｆｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ，ｔｈｅｐａｐｅｒｄｉｓｃｕｓｓｅｓｔｈｅｌａｗｏｆｇｅｎｅｒａｔｉｎｇｎｏｉｓｅｏｆｓｔａｃｋｅｒｓａｎｄｓｔｕｄｉｅｓｔｈｅｋｅｙｐｏｉｎｔｓｏｆｌｏｗｅｒｉｎｇｎｏｉｓｅｓｉｎｏｒｄｅｒｔｏｒｅａｌｉｚｅｔｈｅｏｐｔｉｍａｌｄｅｓｉｇｎｏｆｓｔａｃｋｅｒｓ＇ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｔａｃｋｅｒ；ｎｏｉｓｅｓｏｕｒｃｅ；ｌｏｗｅｒｉｎｇ－ｎｏｉｓｅ
［收稿日期］２００８－０４－２３
［作者简介］赵利平（１９６３－），女，在读博士研究生，副教授，从事机电一体化方向的教学和科研工作；曾在《仪器仪表学报》等学术刊物上发表论文６篇，主持的科研项目曾获山西省科技进步二等奖。

１．上横梁２．平衡重３．爬梯４．立柱５．载货台６．伸缩货叉７．提升机８．电器控制柜９．运行机构１０．下横梁１１．天轨１２．地轨
由图１可知其结构主要有金属结构、起升机构、运行机构、货叉伸缩机构、载货台、司机房、电器控制柜等几大部分，而作为主要的运行机构，驱动堆垛机沿运行轨道水平运动的运动机构，驱动载货台上升及下降的起升机构，实现货物存取功能的货叉伸缩机构以及立柱和上下横梁都是产生和传播噪声的主要结构。

而运动机构作为堆垛机和整个货架系统的重要接触部位，其运动过程中行走轮和导轨之间相互作用所产生的噪声，就成了系统运行中产生的主要声源。

直至目前为止，大量生产实践表明，轮轨之间主要产生三种噪声，即撞击声，轰鸣声和尖叫声。

撞击声为行走轮经过钢轨接缝处或钢轨其他不连续部位（如辙叉）及表面呈波纹状钢轨时所产生的噪声。

当滚轮撞击这些不连续部位时，就会在垂直速度上产生瞬时变化，这一变化可以导致轮轨接触面产生一个巨大的力，从而激励堆垛机、钢轨和货架振动，辐射出强烈的噪声。

轰鸣声又叫滚动声，它是当车轮踏面凹凸不平时，沿连续焊接钢轨切线处发出的主要噪声。

当滚轮在钢轨粗糙面上滚动或遇到小坑及伤痕时就会跳起来，然后冲击钢轨，结果使钢轨与轮轨之间产生受迫振动从而产生轰鸣。

如果滚轮凹凸不平再加上钢轨的波纹状就可使噪声比平滑轮轨时增加８￣１０ｄＢ。

尖叫声是堆垛机沿小径曲线轨道运行时产生的强烈噪声。

当堆垛机沿曲线运行时，车轮受钢轨约束而不能沿钢轨曲线的切线方向运行，此时造成车轮沿钢轨滚动时，在钢轨横断面上产生横向滑动，结果使轮表面上出现粘着作用和滑行，使滚轮在共振的情况下产生振动，从而产生了强烈的窄带噪声，另外当堆垛机制动时，也使滚轮产生粘着作用和滑动运动，因而产生尖叫声。

以上三种噪声都是由于轮轨的相互作用产生的。

这种作用产生相互作用力，即产生车轮响应和钢轨响应，造成车轮辐射及钢轨辐射。

基本上车轮辐射高频噪声而钢轨辐射低频噪声。

由此，将本次实验的重点确定为对于堆垛机轮轨噪音声强的测定及噪声源的定位。

２．２实验系统及原理
测试系统由测试对象、激励系统、采集装置和处理装置组成。

本次实验的测试对象为单立柱有轨巷道式堆垛机，采用力锤系统进行激励。

而采集装置包括传感器、放大器、信号采集器、计算机、以及信号采集软件，处理装置主要是指信号分析软件和动态分析仪。

实验系统的原理图如图２所示。

图２堆垛机噪声实验原理图
２．３测试方法及测点布置
通常可以选用“人工激励测量”和“工作激励测量”两种方法对对象进行激励使其发生振动而产生噪声。

人工激励测量是在堆垛机停车状态下用力锤对其进行激励，用加速度传感器测取响应信号；工作激励测量是测取堆垛机工作状态下的各测量点的响应信号。

相对于“工作激励测量”法测量结果偶然性较大的缺点，“人工激励测量”的方法测量过程具有可重复性，具备较为稳定的测量环境，测量数据较为稳定，故本试验采用“人工激励测量”法进行测量。

由上述分析得到的堆垛机噪声产生和传播的途径可知，轮轨是噪声产生的主要结构部位，而堆垛机的上下横梁和立柱则是噪声传播的主要结构。

为了获得准确可靠的测量数据，本试验选取堆垛机上下横梁和立柱以及货架处共１２９个测试点，以被动轮为力锤激励点，测量部位包括下横梁侧面驱动轮端、下横梁中部侧面、下横梁前部水平处、上横梁侧面、上立柱中部侧面、下立柱中部侧面、下立柱中部前面以及货架，声强测量选用非接触式测量。

堆垛机噪声的测量结果与点位布设有很直接的关联性，如何科学地布设点位，使测量的噪声尽可能真实地反映声源的排放是十分重要的。

堆垛机测点的布置要覆盖整个评价范
图１单立柱有轨巷道式堆垛机结构特征图
围，重点要布置在对轮轨这个主要的噪声源产生的噪声有敏感响应的那些点上；靠近声源处测量点密度应高于距声源较远处的测点密度，此处采用网格法布置测点，测点的布置如表１所示。

表１声强测量测点布置
２．４测量结果与分析
声强的测定主要以加权声强值及最大声功率值作为评价数据，加权声强值是反映描述声音强弱的物理量，最大声功率值是指声源在单位时间内发射出的最大总能量。

２．４．１下横梁侧面驱动轮端。

下横梁侧面驱动轮端部声强等高线、声强频谱、声功率图如图３所示。

图３下横梁侧面驱动轮端部声强等高线、声强频谱、声功率图分析图表可知下横梁侧面驱动轮端网格坐标位置ｘ＝０．０５０，ｙ＝０．０００处加权声强（５０￣１０ｋＨｚ）ＬＩ＝８２．２Ｄｂ（Ａ），该点声功率达最大值７２．３ｄＢ（Ａ）。

２．４．２下横梁中部侧面噪声辐射。

由上述的测量可得下横梁中部侧面声强等高线、声强频谱、声功率图如图４所示。

图４下横梁中部侧面声强等高线、声强频谱、声功率图
由上述的测量可得下横梁中部侧面１／３倍频程中心频率１２５Ｈｚ声强等高线图、声强频谱图、声功率频谱图如图５所示。

图５下横梁中部侧面１／３倍频程中心频率１２５Ｈｚ声强等高
线图、声强频谱图、声功率频谱图
由上述的测量可得下横梁中部侧面１／３倍频程中心频率４００Ｈｚ声强等高线图、声强频谱图、声功率频谱图如图６所示。

图６下横梁中部侧面１／３倍频程中心频率４００Ｈｚ声强等高
线图、声强频谱图、声功率频谱图
由上述的测量可得下横梁中部侧面１／３倍频程中心频率６３０Ｈｚ声强等高线图、声强频谱图、声功率频谱图如图７所示。

图７下横梁中部侧面１／３倍频程中心频率６３０Ｈｚ声强等高
线图、声强频谱图、声功率频谱图
分析图表可知下横梁中部侧面驱动轮前部网格坐标位置ｘ＝０．０２５，ｙ＝０．０００处加权声强（５０￣１０ｋＨｚ）ＬＩ＝８３．２Ｄｂ（Ａ），该点声功率达最大值７５．５ｄＢ（Ａ）。

１／３倍频程中心频率１２５Ｈｚ声辐射强度为７３．３ｄＢ（Ａ），该点声功率达最大值５３．１ｄＢ（Ａ）。

１／３倍频程中心频率４００Ｈｚ声辐射强度为７６．１ｄＢ（Ａ），该点声功率达最大值６４．２ｄＢ（Ａ）。

１／３倍频程中心频率６３０Ｈｚ声辐射强度为７４．１ｄＢ（Ａ），该点声功率达最大值６８．４ｄＢ（Ａ）。

２．４．３下横梁前端水平面（被动论端）。

下横梁前端水平面声强等高线图、声强频谱图、声功率频谱图如图８所示。

图８下横梁前端水平面声强等高线图、
声强频谱图、声功率频谱图
分析图表可知下横梁前端水平面（被动论端）设置网格坐标位置ｘ＝０．０５０，ｙ＝０．０００处加权声强（５０￣１０ｋＨｚ）ＬＩ＝８３．４ｄＢ（Ａ），该点声功率达最大值７１．３ｄＢ（Ａ）。

２．４．４上横梁侧面。

由上述的测量可得上横梁侧面声强等高线、声强频谱、声功率图如图９所示。

图９上横梁侧面声强等高线、声强频谱、声功率图
由分析图表可知上横梁侧面设置网格坐标位置ｘ＝２．００，ｙ＝３．００处加权声强（５０￣１０ｋＨｚ）ＬＩ＝８９．４ｄＢ（Ａ），该点声功率达最大值７７．３ｄＢ（Ａ）。

２．４．５立柱上半部中前面。

由上述的测量可得立柱上半部中前面声强等高线、声强频谱、声功率图如图１０所示。

图１０立柱上半部中前面声强等高线、声强频谱、声功率图
分析图表可知立柱上半部中前面设置网格坐标位置ｘ＝２．００，ｙ＝２．００处加权声强（１２５Ｈｚ）ＬＩ＝６９．６ｄＢ（Ａ），该点声功率达最大值６８．８ｄＢ（Ａ）。

２．４．６立柱下半部中侧面。

由上述的测量可得立柱下半部中侧面声强等高线、声强频谱、声功率图如图１１所示。

图１１立柱下半部中侧面声强等高线、声强频谱、声功率图
分析图表可知立柱上半部中侧面设置网格坐标位置ｘ＝２．
００，ｙ＝２．００处加权声强（１２５Ｈｚ）ＬＩ＝６９．６ｄＢ（Ａ），该点声功率达最大值６８．８ｄＢ（Ａ）。

２．４．７立柱下半部中前面。

由上述的测量可得立柱下半部中前面声强等高线、声强频谱、声功率图如图１２所示。

图１２立柱下半部中前面声强等高线、声强频谱、声功率图
分析图表可知立柱下半部中前面设置网格坐标位置ｘ＝２．００，ｙ＝２．００处加权声强（５０￣１０ｋＨｚ）ＬＩ＝７５．３ｄＢ（Ａ），该点声功率达最大值７３．６ｄＢ（Ａ）。

２．４．８货架辐射声强。

由上述测量得货架１辐射声强等高线、声强频谱、声功率图如图１３所示。

图１３货架１辐射声强等高线、声强频谱、声功率图
由上述的测量可得货架２辐射声强等高线、声强频谱、声功率图如图１４所示。

图１４货架２辐射声强等高线、声强频谱、声功率图
由数据可知货架１设置网格坐标位置ｘ＝２．００，ｙ＝２．００处加权声强（５０￣１０ｋＨｚ）ＬＩ＝６６．９ｄＢ（Ａ），该点声功率达最大值０．００ｄＢ（Ａ）；货架２设置网格坐标位置ｘ＝２．００，ｙ＝２．００处加权声强（５０￣１０ｋＨｚ）ＬＩ＝７１．２ｄＢ（Ａ），该点声功率达最大值０．００ｄＢ（Ａ）。

３结论
本实验综合运用系统辨识理论和方法，采用先进的动态设计分析技术，对单立柱巷道式堆垛机噪声问题进行了分析研究，准确地掌握了堆垛机噪声的产生机理，获得了较为准确的声强值数据，准确定位了噪声源，为未来对堆垛机实施结构优化改进提供了数据。

布置在下横梁处的测点测量到的声强值出现高峰点，甚至达到８０ｄＢ（Ａ）以上。

由结构分析可知堆垛机的噪声主要来自于轮轨，由于行走轮轮轨之间连接部位水平方向的偏差过大引起行走轮与轨道踏面接触轨迹的横向偏移，造成短时的高频噪声；钢轨之间连接部位垂直方向的偏差以及钢轨表面质量都对堆垛机的噪声有很大的影响，且在５０￣１０ｋＨｚ的频带内所辐射的声强均较高；由立柱中部的测点测量结果可知，１２０ｍ／ｍｉｎ堆垛机无筋板处的辐射声强达到７０ｄＢ（Ａ）以上，此处同样测到了声强的峰值点，由结构分析可见立柱的表面积很大，无筋板大截面声辐射较强，故其对噪声的产生和传播业有很大影响。

货架上设置测点接收到的声强值也到达了７０ｄＢ（Ａ）以上，天轨与货架之间通过天轨吊梁以螺栓直接连接，由于天轨的制造安装质量较差以及连结部位在堆垛机运行中相互撞击，都会产生较大的噪声。

布置在上横梁处的测点测量到的声强值接近７０ｄＢ（Ａ），由结构分析可知导向轮与天轨同为金属结构，在堆垛机运行中两者剧烈的撞击声也是堆垛机一个主要的噪声源。

通过测量分析，我们得到了噪声源的位置及噪声强度的分布规律，明确了降噪的工作重点。

针对这些结论，堆垛机降噪问题的研究可以从以下这些方面进行改进，如：提高天轨和地轨构件本身的质量及安装施工的质量，调整行走轮材质和结构，尽量缓解轮轨噪声的产生；调整天轨导向轮的结构，在满足使用要求的情况下采用其他的材质制造生产，从而达到降噪的目的；减小立柱表面积，设计结构尽量紧凑，尽量减少表面辐射，从而降低噪声；在主要的构件连接部位加装胶质隔振垫，从而减少刚性接触而产生的噪声等。