柴油機的局部振動及噪聲控制探析

李艷會，卜林森，查曉妍

（南京航空航天大學(xué)機電學(xué)院，江蘇南京 210016）

0 引言

在動力機械中存在著大量的振動問題，如柴油機工作時，由于氣缸內(nèi)的壓力和運動部件的慣性引起的軸系振動。噪聲作為一種環(huán)境污染，嚴重地影響人們的正常生活，改善環(huán)境噪聲已成為環(huán)境保護的一項重要內(nèi)容，控制和降低柴油機噪聲是柴油機的品質(zhì)評價指標(biāo)之一。研究振動的目的有兩個方面:1）掌握機械振動的規(guī)律，利用振動為人類造福;2）設(shè)法減小振動的危害.在不斷追求柴油機高效率、低油耗的同時，振動和噪聲的分析研究作為柴油機設(shè)計的重要環(huán)節(jié)。

1 振動和噪聲對人的危害

許多振動現(xiàn)象對人類有益或為人類利用，但是對大多數(shù)機械結(jié)構(gòu)來說，振動往往是有害的，它不僅使機器的精度和其他性能降低，而且使構(gòu)件中增加了附加動應(yīng)力，縮短了構(gòu)件的壽命，甚至釀成災(zāi)難性的事故。例如:振動使精密儀器無法正常工作;艦船軸系振動引起推進軸系斷裂;汽輪發(fā)動機組劇烈振動而斷軸，引起機毀人亡的事故發(fā)生等。

人耳所能容忍的最高聲壓一般為120 dB～125 dB，超過可容忍程度，就感覺不適，如發(fā)癢或疼痛。當(dāng)人長年累月在強噪聲下工作，長期不斷的收到強噪聲的刺激，會使內(nèi)耳感覺器官發(fā)生病變。當(dāng)人們突然暴露于及其強烈的噪聲環(huán)境下，則會引起鼓膜破裂出血等外傷，甚至喪失聽力。噪聲對人體的影響是多方面的，除了引起耳聾外，對神經(jīng)系統(tǒng)及心血系統(tǒng)等方面也有明顯的影響。長期接觸噪聲的人，常會出現(xiàn)頭疼、腦脹、昏暈、耳鳴、多夢、瞌睡、心慌、記憶力減退和全身無力等癥狀;由于視覺器官被傷害，可能患有眼痛、視力減退、眼花等癥;同時，由于胃功能紊亂，會表現(xiàn)出食欲不振、惡心、肌無力、消瘦、體質(zhì)減弱等現(xiàn)象。噪聲對內(nèi)分泌系統(tǒng)也有影響，醫(yī)學(xué)界在噪聲病例中發(fā)現(xiàn)患者體內(nèi)物質(zhì)代謝被破壞。血液中的油脂及膽固醇升高，甲狀腺活動增強并有輕度腫大。

2 柴油機振動和噪聲的分類

2.1 振動的分類

柴油機發(fā)生各類振動的激勵，主要來自氣缸內(nèi)的氣體壓力，以及由于主運動結(jié)構(gòu)的運動而產(chǎn)生的慣性力。由于這些力都是周期性變化的，將引起柴油機產(chǎn)生以下振動。

a）整機振動

由于曲柄連桿機構(gòu)中的活塞往復(fù)運動將產(chǎn)生往復(fù)慣性力，在多氣缸時，還會產(chǎn)生往復(fù)慣性力矩，此外由于氣體壓力以及往復(fù)慣性力的變化特性，由此產(chǎn)生的扭矩也是周期性變化的，這將引起傾覆力矩。以上這些力矩是構(gòu)成柴油機振動的激勵源。柴油機的整機振動包括上下、前后、左右的跳動，以及繞三個軸的搖動，使得柴油機成為工作中最不穩(wěn)定的動力機。

b）曲軸系的扭轉(zhuǎn)振動

柴油機的曲軸是輸出動力的主要部件，它與從動部件以中間軸相連，組成一個扭轉(zhuǎn)的動力系統(tǒng)。由于柴油機工作的間歇周期性，使得作用于曲軸上的一個變化的周期性扭矩，這將引起軸系的扭轉(zhuǎn)振動。

柴油機曲軸系的扭轉(zhuǎn)振動，其曲軸系在回轉(zhuǎn)過程中，平均扭變量上所疊加的一種扭轉(zhuǎn)振動現(xiàn)象。在較大功率的內(nèi)燃機裝置中，曲軸系的固有頻率較低，往往會在柴油機的工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，由某些較強的激勵諧次發(fā)起共振而形成過大的扭轉(zhuǎn)共振現(xiàn)象，從而產(chǎn)生較大的動態(tài)扭振附加應(yīng)力。

c）曲軸系的縱向振動

由于柴油機曲軸系是一個金屬的彈性系統(tǒng)，除了會產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)振動外，還可能產(chǎn)生軸向的振動。柴油機在曲拐上除了作用有交變的扭矩外，還受到交變的法向作用力，而曲拐在受到法向作用力時會產(chǎn)生軸向變形，這就形成了軸向的激勵，使曲軸系的軸端受到交變拉力而形成縱向振動。

d）曲軸系的橫向振動

在柴油機曲軸系上，由于受到切向和法向的交變應(yīng)力，最后將形成曲軸系支承梁的垂直和水平方向的振動。由垂直以及水平方向的振動將組成軸系的回旋振動，因此有時稱軸系的橫向振動為回旋振動。在柴油機的曲軸部分，為了支撐較大的切向以及法向負荷，通常在每一曲拐的左右均配有主軸承，因而曲軸的橫向直梁型振動其自振頻率很高，除極高諧次外，不會發(fā)生梁共振，而高諧次的激勵值一般很小，不足以引起由于橫向振動的動態(tài)放大而導(dǎo)致的損壞，因此在柴油機裝置中對曲軸系的橫向振動尚未被重視。

以上都是柴油機可能發(fā)生的一些主要振動方式，它們的響應(yīng)特性是人們設(shè)計、制造、運用柴油機時研究的主要方面。柴油機上所有的零部件如油、水、氣管，各配件及支架等，從其性質(zhì)上來講都是質(zhì)量彈性系統(tǒng)，都存在模態(tài)振型以及響應(yīng)的固有頻率，當(dāng)受到外界刺激時都會發(fā)生響應(yīng)，尤其是發(fā)生共振響應(yīng)時，其振動將會達到破壞性的效果。這些零部件的激勵源來自于柴油機的整機振動，如果內(nèi)燃機完全沒有振動，這當(dāng)然是理想情況，也就不會發(fā)生局部振動，但這是不可能實現(xiàn)的。柴油機中的離心力及力矩，一次及二次往復(fù)慣性力及力矩等強激勵是有可能采取專門的平衡措施予以消除。但是其傾覆力矩通常是無法準(zhǔn)確的予以克服，此外，實際的往復(fù)慣性力，在四次諧波以上由于其量級較小而忽略不計，但是這并不表示它不存在，再加上計算中的理想化和各種假設(shè)帶來的誤差等，以及柴油機在加工中的許多誤差范圍，也使得回轉(zhuǎn)部件存在剩余的不平衡力等，這些都構(gòu)成實際的激勵因素，它具有很廣闊的頻域范圍，使得理想化的計算分析，并不能去除所有可能發(fā)生的振動響應(yīng)，使得局部振動問題無法下手，以致防不勝防。

通常來說，處理局部振動的主要方法，除了某些特殊的專用設(shè)備，由于抗振的特殊要求，而專門設(shè)計彈性的支座外，一般是用改變剛度的方法避開低諧次、大激勵量的激勵，使之不發(fā)生危險諧次。

2.2 柴油機噪聲的分類

柴油機的噪聲按輻射方式不同，可分為氣體動力噪聲和表面輻射噪聲。氣體動力噪聲包括進氣噪聲、排氣噪聲和風(fēng)扇噪聲，一般呈低、中頻特性。表面輻射噪聲包括燃燒噪聲和機械噪聲。以下是上述幾種主要噪聲的形成原因。

a）排氣噪聲

在上述幾種噪聲中，以排氣噪聲最為突出，排氣噪聲是柴油機的最強噪聲源。對于非增壓柴油機來說，排氣噪聲最強。排氣噪聲主要來源于氣流在排氣管中的壓力脈動，產(chǎn)生中、低頻噪聲，以及氣流高速流經(jīng)排氣門流通截面時產(chǎn)生的高頻渦流噪聲。

b）燃燒噪聲

燃燒噪聲是由氣缸內(nèi)氣體壓力周期性變化而引起的動載荷以及由沖擊波引起的高頻振動產(chǎn)生的，隨氣缸壓力升高率增大而增高。

c）機械噪聲

機械噪聲主要由曲柄活塞連桿機構(gòu)、配氣機構(gòu)、齒輪機構(gòu)和噴油泵等運動件與其聯(lián)接件發(fā)生頻繁的機械撞擊，激勵結(jié)構(gòu)振動而產(chǎn)生噪聲。主要有如下幾種:

1）活塞敲擊噪聲:活塞對氣缸壁的敲擊往往是柴油機最強的機械噪聲。產(chǎn)生敲擊的主要原因是活塞與氣缸套之間存在間隙，以及作用在活塞上的氣體壓力。

2）齒輪傳動系統(tǒng)中齒輪嚙合間隙的存在、曲軸扭轉(zhuǎn)振動和彎曲振動以及齒輪、噴油泵等扭矩的波動，引起上述幾種運動件振動產(chǎn)生噪聲。

3）扭轉(zhuǎn)振動及不平衡力矩產(chǎn)生的撞擊。

3 柴油機的局部振動和噪聲控制措施

3.1 柴油機的局部振動控制

a）曲軸前端斷裂問題的出現(xiàn)原因分析及控制措施

曲軸前段振動過大的原因是連接裝置與曲軸前端的沖擊過大引起的，最有效的方法是通過緩沖減小皮帶的沖擊。因此可以考慮將機器與皮帶輪之間增加一個過渡輪，來緩解連接皮帶對皮帶輪的沖擊，或加粗危險截面。

b）油管局部振動問題的出現(xiàn)原因分析及控制措施

對于柴油機的高壓油管來說，其兩端分別連接在噴油泵和噴油器上，由于兩端的振動情況不協(xié)調(diào)，振幅相差太大，使得高壓油管長期處于扭搓比較嚴重的狀態(tài)下工作，從而導(dǎo)致疲勞斷裂，導(dǎo)致油管斷裂事故的發(fā)生。

目前柴油機油泵與驅(qū)動齒輪之間是由一根連接軸來驅(qū)動的，這樣由于連接軸的加工誤差和安裝精度等方面的原因，特別是安裝同軸度的誤差對于油泵的振動有比較大的影響。對于已出廠的柴油機來說，由于更換柴油機的噴油泵比較困難，要受到多方面的制約，因此由于周期性供油而產(chǎn)生的脈沖激勵也難以改變。所以最直接的方法就是將噴油泵支架的固有特性改變，使共振轉(zhuǎn)速提高或降低到或者不常用的轉(zhuǎn)速下。

1）更換剛度較低的支架，使共振轉(zhuǎn)速降低到1 300 r/min，雖然沒有避免諧振發(fā)生，但是避免了危險諧振發(fā)生在常用轉(zhuǎn)速。

2）改變油泵的連接方式，將噴油泵右移，與驅(qū)動齒輪之間用法蘭連接，油泵底也不需要支架，只需要對其固定就可以避免連接軸的加工和安裝誤差，從而減輕油泵的振動，油管嘴端的振動也有所降低。油泵改用法蘭連接后，油管泵端的振動明顯減輕，并且在所有轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)避免了危險諧振，有效地解決了高危險諧振的問題。

3.2 柴油機的噪聲控制

1）對于排氣管處輻射的噪聲，主要是排氣脈沖造成的排氣管的局部性振動而引起的，對于該部分噪聲的控制，主要是對其局部振動的控制。而對于管件，最有效的措施是在其外壁涂上阻尼涂料，如瀝青、軟橡膠以及其他高分子材料等內(nèi)損耗較大的材料，減小管件的局部性振動。

2）對于控制齒輪噪聲的傳播，可以采取合理設(shè)計齒輪箱以及對齒輪箱進行屏蔽兩個方面的措施。為了減少噪聲傳出和再生，在設(shè)計齒輪箱時，應(yīng)該提高箱體的剛度，以防止箱體固有頻率和齒輪嚙合頻率發(fā)生共振響應(yīng);再者就是要提高箱體的密封性，減少通向外界的孔道數(shù)目和大小，可以防止齒輪噪聲直接向外傳出，從而起到隔聲的作用;在箱體外面再覆蓋一層阻尼材料，可以使箱體表面的輻射噪聲明顯減弱。

3）對于缸蓋和油底殼部分輻射的噪聲，可以通過局部隔聲的辦法來降低其噪聲輻射。在整個缸蓋部分和油底殼部件上分別加上隔聲罩，隔聲罩用層狀阻尼材料制成或者是涂有阻尼材料的鋼板做成，與機器彈性連接，并要與機器表面有一定的間距，注意隔聲罩的密封性。其中要注意的是隔聲罩不能與機器剛性連接，如果隔聲罩用薄鋼板做成，與柴油機剛性連接，則對降噪毫無效果有時甚至還會放大;如果隔聲罩有間隙或孔，由于聲波的泄漏，會導(dǎo)致隔聲效果降低。因此使用隔聲罩要注意連接方式和密封性。

4 結(jié)語

綜上所述，影響柴油機振動噪聲的因素多種多樣，單靠采用某一種方法很難大幅度地把振動噪聲降低下來。解決振動噪聲控制問題，在設(shè)計階段就需要充分重視，同時還需要進行投資核算，力求高的經(jīng)濟效益。目前，計算機輔助設(shè)計、仿真設(shè)計等相關(guān)軟件都在柴油機振動噪聲控制中用于其內(nèi)部噪聲源以及隔聲罩、消聲器聲場仿真計算，從而達到低成本、高效率的要求。

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