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BGI 792 - Schalldämpfer an Auslässen für verunreinigte Druckluft
Geräuschminderung an pneumatischen Anlagen
Berufsgenossenschaftliche Informationen für Sicherheit und Gesundheit bei der Arbeit (BGI)
(bisher ZH 1/564.7)

(Ausgabe 07/1978)

1 Vorbemerkung, Anwendungsbereich

An zahlreichen Maschinen und Anlagen wird Druckluftenergie bei Antriebsaufgaben und in pneumatischen Steuerungen eingesetzt. Nach Arbeitsverrichtung im geschlossenen Druckluftsystem (z.B. Arbeitszylinder) erfolgt im allgemeinen eine rasche Entlüftung und Entspannung auf Normaldruck. Dieser Entlüftungsvorgang verursacht unerwünschte, meist hochfrequente Schallentwicklung, die alle anderen Geräusche im Arbeitsraum oft deutlich heraushörbar überlagert.

Schalldämpfer verschiedener Bauart sind zur Geräuschminderung an diesen Schallquellen bereits seit längerem verfügbar [1, 2]. Ihr Einsatz ist in Anwendungsfällen, in denen z.B. durch Öl- oder Kondensattröpfchen oder feste Partikel verunreinigte Druckluft aus dem Pneumatiksystem austritt, häufig nicht befriedigend. Es kann z.B. Verstopfung der Luftaustrittsöffnungen an den Schalldämpfern eintreten, die durch Erhöhung des Strömungswiderstandes von Rückwirkungen auf die pneumatischen Systeme begleitet sind und deren Arbeitsabläufe verlangsamen oder zum Stillstand bringen können. In zahlreichen Fällen wurden aus diesem Grunde anfänglich gut wirksame Drosselschalldämpfer von den Beschäftigten später wieder entfernt, so dass der ursprüngliche, ungünstige Geräuschzustand wieder angetroffen wurde.

Da diese Schwierigkeiten in der Gießereiindustrie oft die Beseitigung der Pneumatikgeräusche an Kernform- und Rüttelformmaschinen und -anlagen verhindern, wurden im Arbeitskreis "Gießerei" nach den bekannten Prinzipien gestaltete Schalldämpfer entwickelt und erprobt, bei denen auch nach längerer Einsatzzeit der hohe Lärmminderungseffekt ohne unerwünschte Rückwirkungen auf das jeweilige pneumatische System erhalten blieb. Dieses LSA- Blatt beschreibt diese erprobten Schalldämpfer und gibt allgemeine Anregungen zur Verminderung der Geräuschemission bei verunreinigter Druckluft.

Bild 1: Drosselschalldämpfer für pneumatische Vorschubeinrichtung (s. Abschn. 3.2)

2 Geräuschentstehung, Einflussfaktoren

Die hohe Strömungsgeschwindigkeit der von pneumatischen Systemen nach Arbeitsverrichtung ausgestoßenen Druckluftmenge (Druckluftstrahl) wird durch Wirbelbildung infolge Reibung mit der ruhenden Umgebungsluft verlangsamt [3]. Diese Art der Umwandlung der Bewegungsenergie in Wärme ist mit Geräuschentwicklung verbunden. Neben dieser auch als Strahlgeräusch bezeichneten Schallemission kann durch das Auftreffen des Druckluftstrahls auf Kanten oder Flächen in der Nähe angeordneter Bauteile ein zusätzlicher Geräuschanteil, das Aufprallgeräusch, verursacht werden. Im Vergleich zur Strömungsgeschwindigkeit an der Austrittsöffnung ist deren Kontur (meist kreisrund) von untergeordneter Bedeutung für die Geräuschabstrahlung. Gratreste im Öffnungsquerschnitt können aber die Ursache schmalbandiger, sirenenartiger Geräusche sein.

3 Geräuschminderung

Eine Geräuschsenkung wird beim Druckluftstrahl durch die Verminderung der Wirbelbildung bei der Entspannung auf Umgebungsdruck erreicht. Dazu können Schalldämpfer verschiedenster Bauformen, die nach dem Absorptions- bzw. Drosselprinzip wirken, verwendet werden.

Kommt es infolge des Auftreffens des Druckluftstrahles auf direkt benachbarte Kanten oder Flächen anderer Maschinenteile zu hohen Aufprallgeräuschen, so empfiehlt es sich, zunächst durch eine geänderte Anordnung der Luftaustrittsöffnung diese Geräuschursache zu beseitigen. Zur Verminderung des dann noch verbleibenden Strahlgeräusches dienen die nachfolgend beschriebenen Schalldämpfer.

3.1 Absorptionsschalldämpfer

Bei Schalldämpfern, die nach dem Absorptionsprinzip wirken, wird die an der Austrittsöffnung des pneumatischen Systems entstehende Strömungsgeschwindigkeit nicht wesentlich vermindert. Durch den geringen Strömungswiderstand wird ein Absetzen der Verunreinigungspartikel des Luftstromes innerhalb des Schalldämpfers vermieden. Schallenergie im Luftstrom wird durch das Absorptionsmaterial, das die gelochte Schalldämpferinnenwand umgibt, in Wärme umgewandelt.

Ein handelsüblicher Absorptionsschalldämpfer [2] mit zusätzlichen Einbauteilen (Eigenanfertigung) ist in Bild 2 dargestellt. Beim Einsatz an einem Auslass ("Einschraubrohr") für große Luftmengen konnte der Schallpegel mit dem unveränderten Absorptionsschalldämpfer um 18 dB (A) gesenkt werden. Der zusätzliche Einbau eines oben geschlossenen Drosselrohres mit zahlreichen Bohrungen (5 mm Ø, Anzahl entsprechend der durchzuleitenden Luftmenge), das zur perforierten Innenwand des Schalldämpfers einen Ringspalt von ca. 5 mm Breite offen ließ, erhöhte die Schallpegelminderung um weitere 15 dB (A) auf insgesamt 33 dB (A). Durch einen schmalen Sicherheitsbügel wurde das Drosselrohr gegen Herausschleudern gesichert, falls sich die Verschraubung im Übergangsstück, das ebenfalls zusätzlich anzufertigen ist, lösen sollte.

Bild 2: Konstruktiver Aufbau eines adaptierten, handelsüblichen Absorptionsschalldämpfers

3.2 Drosselschalldämpfer

Bei den nach dem Drosselprinzip wirkenden Schalldämpfern wird der Luftstrom durch zahlreiche enge, sich verzweigende und wieder vereinigende Kanäle geleitet (Mineralwolle- bzw. Stahlspänepackungen). Die dadurch bewirkten ständigen Richtungs- und Geschwindigkeitsänderungen erzeugen im Inneren des Schalldämpfers wesentlich stärkere Turbulenz, als beim freien Druckluftstrahl und erreichen so einen stark verlangsamten Luftaustritt aus den Öffnungen am Schalldämpferende. Verunreinigungspartikel werden dabei im Inneren des Schalldämpfers zurückgehalten. Die eintretende Verstopfung der Kanäle zwingt zum Auswechseln der Dämpfungspackungen. Da dies nach Möglichkeit nicht häufiger als halbjährlich erforderlich sein soll, wurden alternativ zwei Schalldämpfer zum Einsatz bei schwacher (Bild 3) und stärkerer Verunreinigung (Bild 4) erprobt.

Bild 3: Konstruktiver Aufbau eines Drosselschalldämpfers für leicht verunreinigte Druckluft

Bild 4: Konstruktiver Aufbau eines Drosselschalldämpfers für stark verunreinigte Druckluft

Mit dem Schalldämpfer nach Bild 3, der aus einem Drehteil (Schraubverbindung zum Luftauslass und Luftverteilung in die Mineralwollepackung), Stahlblechboden und -mantel sowie Lochblechabdeckung (Lochanteil > 30 %) besteht, konnte der Schallpegel an einer pneumatischen Vorschubeinrichtung (Bild 1) von 100 dB (A) auf den Umgebungsgeräuschpegel von 80 dB (A) abgesenkt werden. Die ohne Umgebungsgeräuscheinfluss ermittelte Schallpegelsenkung betrug 34 dB (A). Die in diesem Anwendungsfall vorhandene Verunreinigung der Druckluft erforderte einen jährlichen Wechsel der Mineralwollepackung.

Der in Bild 4 gezeigte Schalldämpfer wurde an Auslässen für stark verunreinigte Druckluft (Sandpartikel, Kunstharzstäube) eingesetzt und bewirkte dort eine Schallpegelminderung um 16 dB (A). In eine Reduktionsmuffe wurde ein Stahlrohrabschnitt als Luftpuffer eingesetzt, der über Flanschverbindung mit einem zweiten Stahlrohrabschnitt, der eine Stahlspänefüllung enthielt, kombiniert wurde. Sowohl am Lufteintritt (Flanschverbindung), als auch am Luftaustritt wurden Lochbleche (Lochanteil > 50 %) angeordnet. Zum halbjährlichen Wechsel der Stahlspänepackung wurde die Flanschverbindung gelöst und das zwischengelegte Lochblech abgenommen.

Die gegenüber dem Schalldämpfer nach Bild 3 wesentlich gröbere Stahlspänepackung ermöglichte auch bei starker Verunreinigung der Druckluft einen mindestens halbjährigen Dauerbetrieb, ohne dass wegen der beginnenden Verschmutzung der Luftkanäle unerwünschte Rückwirkung auf das pneumatische System eintrat. Allerdings ist damit die geringere Schallpegelsenkung von 16 dB (A) gegenüber 34 dB (A) bei Mineralwollepackung verbunden.

3.3 Sonstige Möglichkeiten zur Geräuschminderung

Entsprechend VDI 2567 [1] wurde auch die Einleitung der abgeblasenen Pneumatikluft in eine Sammelleitung (Gummi-Schlauchleitung) erprobt, die über Dach in einen kastenförmigen Schalldämpfer oder in einen unbenutzten Nebenraum geführt werden kann. Die im Anwendungsfall an einer Gießerei-Kernformmaschine für die Kernschussentlüftung erreichte Schallpegelminderung betrug 29 dB (A).

Werden nur kleine Luftmengen ausgestoßen und ist keine höhere Schallpegelsenkung als 10 dB (A) erforderlich, so wird die Verwendung von Vielröhrchendüsen [4], die ein geringes Bauvolumen haben und handelsüblich beschafft werden können [2], empfohlen. Dabei sollte die Summe der freien Durchtrittsflächen der Einzelluftkanäle der Gesamtfläche der Auslassöffnung ohne Schalldämpfer entsprechen. Da keine Verschmutzung der Luftkanäle zu erwarten ist, arbeiten die Vielröhrchendüsen auch als Schalldämpfer wartungsfrei.

4 Erzielbare Geräuschminderung

Wie hoch im Anwendungsfall die mit den beschriebenen Schalldämpfern erzielbare Geräuschminderung sein kann, hängt auch von den weiteren Geräuschquellen der Maschine/Anlage und des übrigen Arbeitsraumes ab (Schallpegelschwankungen größer als 10 dB (A).

Bild 5: Schallpegelverlauf während eines Arbeitsspiels an einer Kernformmaschine

Bild 5 zeigt den Schallpegelverlauf des Arbeitsspiels einer Gießerei-Kernformmaschine, bei der neben dem kurzzeitigen hohen Kernschussentlüftungspegel durch Reinigungsarbeiten mit einer Drucklufthandpistole weitere Pneumatikgeräusche entstanden. Der in diesem Fall nach DIN 45641 [5] errechnete Mittelungspegel Lm betrug für ein Arbeitsspiel (Dauer 40 Sekunden) ohne Schalldämpfer 100 dB (A) und mit Schalldämpfer (Bild 5) 83 dB (A). Da die hoch herausragende Spitze des Entlüftungsgeräusches nur während eines Bruchteils des Arbeitsspiels auftrat, wurde die mit dem Schalldämpfer erreichbare Absenkung dieses Geräuschanteils ebenfalls nur zu einem Bruchteil bei dem zur Kennzeichnung der Geräuschwirkung auf den Menschen errechneten Mittelungspegel wirksam. Ergänzend zum Schalldämpfer kann in die Drucklufthandpistole eine handelsübliche Vielröhrchendüse eingesetzt werden, die eine Absenkung dieses Geräuschanteils um ca. 5 dB (A) bewirkt [6]. Der Mittelungspegel würde sich dann um 1 dB (A) auf 82 dB (A) erniedrigen.

In einem anderen Anwendungsfall bei einem mit Bild 5 vergleichbaren Arbeitsablauf wurde ein Abblasgeräuschpegel von 102 dB (A) durch einen Schalldämpfer auf 82 dB (A) (Umgebungsgeräuschpegel) abgesenkt. Im Arbeitsablauf waren, durch kompliziertere Formen bedingt, längere und intensivere Reinigungsarbeiten (Drucklufthandpistole) erforderlich, bei denen der Schallpegel für die Dauer von 10 Sekunden 100 dB (A) erreichte. Obwohl der Schalldämpfer das Entlüftungsgeräusch um 20 dB (A) senken konnte, wirkte sich das wegen der anderen Geräuschanteile auf den Mittelungspegel nach DIN 45641 nur in einer Senkung um 2 dB (A) von 93 dB (A) auf 91 dB (A) aus. In diesem Fall kann nur in Kombination mit einer Senkung der übrigen hohen Geräuschanteile des Arbeitsablaufes (z.B. Vielröhrchendüse in die Drucklufthandpistole einsetzen) eine Absenkung des Mittelungspegels unter 90 dB (A) erreicht werden.

Abschätzung der Schallpegelsenkung

Die Messung der Einzelgeräusche und ihrer Zeitanteile an der Gesamtgeräuscheinwirkung auf die Beschäftigten (Istzustand) ermöglicht unter Ausnutzung der Rechenhilfen und -beispiele der DIN 45641 die Bestimmung des Mittelungspegels für einen bestimmten Zeitabschnitt. Bei Annahme der Durchführung der hier vorgeschlagenen Schallminderungsmaßnahmen an den pneumatischen Anlagen kann anschließend bereits rechnerisch die zu erwartende Senkung des Mittelungspegels abgeschätzt werden. Neben der Auswahl des technisch geeigneten Schalldämpfers ergibt die Vorausberechnung den Anteil, zu dem sich die erreichbare Schallpegelminderung auf die Senkung des Mittelungspegels auswirkt, und damit eine Grundlage für die Schalldämpferauswahl nach akustischen Kriterien.

5 Zusammenfassung

Zur Senkung der Geräuschemission beim Entspannen von Druckluft nach Arbeitsverrichtung in pneumatischen Systemen werden Schalldämpferbauarten beschrieben, die vor allem zum Einsatz bei verunreinigter Druckluft geeignet sind.

Durch Hinzufügen eines Drosselrohres konnte mit einem handelsüblichen Absorptionsschalldämpfer statt 18 dB (A) eine Schallpegelsenkung von 33 dB (A) erzielt werden. Zwei Drosselschalldämpfer erreichten Schallpegelminderungen von 34 dB (A) bzw. 16 dB (A).

An zwei Beispielen wird erläutert, wie sich die Schalldämpferanwendung neben der Senkung des Druckluftgeräusches auf den für die Lärmbelastung der Beschäftigten kennzeichnenden Mittelungspegel auswirkt. Hinweise zur Auswahl unter Berücksichtigung der Auswirkungen auf den Mittelungspegel werden gegeben.

6 Schrifttum

ENDE