一種柴油機(jī)用復(fù)合式消聲器的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究

何大勇 王印軍 周峰

摘要： 針對(duì)公司研發(fā)的一款鐵路維護(hù)機(jī)械，設(shè)計(jì)了共振腔型帶穿孔管的阻抗復(fù)合式消聲器。首先進(jìn)行抗性消聲器設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)中低頻的噪聲進(jìn)行分析計(jì)算，得到消聲管道直徑、共振腔直徑、穿孔管板厚、開(kāi)孔直徑、共振腔長(zhǎng)度和開(kāi)孔個(gè)數(shù)等關(guān)鍵參數(shù)。然后，通過(guò)在抗性消聲器內(nèi)增加阻性材料，便成為阻抗復(fù)合式消聲器。最后，根據(jù)理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行消聲器模型設(shè)計(jì)和制造，并裝車驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的阻抗復(fù)合式消聲器能在不同工況下有效降低發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣噪聲。

Abstract： Aiming at a railway maintenance machinery developed by our company， a reactive-dissipative compound muffler with resonant cavity and perforated tube was designed. Firstly， a resistant muffler was designed， and the key parameters including the diameter of muffler pipe， the diameter of resonance cavity， the thickness of perforated pipe， the diameter of pipe hole， the length of resonant cavity and the number of pipe holes were obtained through the analysis and calculation of the mid-and low-frequency noise. Then， by adding a dissipative material in the reactive muffler， a reactive-dissipative compound muffler was obtained. Finally， according to the theoretical calculation results， the muffler model was designed and manufactured， and it was installed and verified on the maintenance machinery. The experimental results showed that the designed compound muffler could effectively reduce the exhaust noise of the engine under different working conditions.

關(guān)鍵詞： 鐵路維護(hù)機(jī)械;阻抗復(fù)合式消聲器;共振腔;穿孔管

Key words： railway maintenance machinery;reactive-dissipative compound muffler;resonant cavity;perforated pipe

中圖分類號(hào)：U216.67;TB535+.2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）19-0028-02

0? 引言

隨著各種技術(shù)的應(yīng)用和進(jìn)步，鐵路維護(hù)作業(yè)的機(jī)械化、自動(dòng)化程度逐年提高，原本耗費(fèi)大量人力、勞動(dòng)強(qiáng)度大的作業(yè)如換軌、換枕、擰扣件螺栓等正逐年被各種大中小型作業(yè)機(jī)械替代。相比蓄電池或交流電網(wǎng)供電，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)因其可在惡劣環(huán)境下工作、能量產(chǎn)生與使用方便、扭矩大、可獨(dú)立作業(yè)等優(yōu)點(diǎn)而被大中型鐵路維護(hù)機(jī)械廣泛采用。公司研發(fā)了一款鐵路維護(hù)機(jī)械，用于對(duì)鐵路扣件進(jìn)行擰緊、擰松、除污、噴油等維護(hù)工作，其采用發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，需要設(shè)計(jì)一款消聲器以降低排氣噪聲，減小噪聲污染對(duì)環(huán)境的影響。根據(jù)消聲原理的不同，消聲器分為阻性消聲器、抗性消聲器和阻抗復(fù)合式消聲器[1]。阻性消聲器是利用阻性材料進(jìn)行消聲，將部分聲能轉(zhuǎn)化為熱能而被吸收，達(dá)到消聲目的，主要用于進(jìn)氣噪聲的降低或排氣消聲要求高場(chǎng)合，適用中高頻噪聲;抗性消聲器利用氣流管道上截面積突變或共振腔使得聲音阻抗發(fā)生改變，主要用于內(nèi)燃機(jī)等的排氣噪聲，適用中低頻噪聲;阻抗復(fù)合式消聲器把阻性與抗性消聲器的原理結(jié)合起來(lái)，適應(yīng)低、中、高頻噪聲。本文鐵路維護(hù)機(jī)械所采用的發(fā)動(dòng)機(jī)基本參數(shù)如表1所示。根據(jù)前文的分析，發(fā)動(dòng)機(jī)排氣噪聲主要成分為中低頻噪聲，同時(shí)含有少量的高頻噪聲?？紤]到設(shè)計(jì)復(fù)雜性和經(jīng)濟(jì)性，本文采用阻抗復(fù)合式消聲器進(jìn)行消聲。首先進(jìn)行抗性消聲器設(shè)計(jì)，對(duì)中低頻噪聲進(jìn)行分析計(jì)算，得到關(guān)鍵參數(shù)。然后，在抗性消聲器內(nèi)增加阻性材料成為阻抗復(fù)合式消聲器。最后進(jìn)行制造和裝車驗(yàn)證。

1? 消聲器設(shè)計(jì)計(jì)算

按照發(fā)動(dòng)機(jī)廠家的要求以及中低頻帶的劃分準(zhǔn)則，本文擬設(shè)計(jì)用于消除中心頻率為63Hz、125Hz、250Hz和500Hz聲音的發(fā)動(dòng)機(jī)排氣消聲器，倍頻帶消聲量不小于

20dB，為共振腔型帶穿孔管阻抗復(fù)合式消聲器。根據(jù)文

獻(xiàn)[1]，兩個(gè)或兩個(gè)以上消聲器串聯(lián)時(shí)，噪聲總的衰減量近似等于各個(gè)消聲器噪聲衰減量（dB）的總和，因此本文近似將各中心頻率對(duì)應(yīng)的各頻段的消聲量設(shè)定為5dB。本節(jié)以中心頻率63Hz的噪聲為例進(jìn)行消聲計(jì)算說(shuō)明。

對(duì)于共振腔型抗性消聲器，共振腔的體積V由下式計(jì)算[2]：

式中：ΔL為消聲量（dB），此處ΔL=5dB。

對(duì)于共振腔型帶穿孔管的抗性消聲器，共振腔長(zhǎng)度L：

下面需要確定穿孔管的相關(guān)參數(shù)，穿孔管性能常用導(dǎo)通率G來(lái)描述[3]：

式中：n為開(kāi)孔數(shù)量;d3為開(kāi)孔的直徑（mm）;t為穿孔管的板厚（mm）。

根據(jù)文獻(xiàn)[1]，取d3=5mm，t=2mm，求得n=1.88，取整為開(kāi)2個(gè)孔。

綜上，可以求得上述四種頻率（63Hz、125Hz、250Hz、500Hz）的消聲計(jì)算結(jié)果如下：消聲管道直徑均為75mm，共振腔直徑d2均為250mm，穿孔管板厚t均為2mm，開(kāi)孔直徑d3均為5mm，共振腔長(zhǎng)度L分別為308mm、155mm、78mm和39mm，開(kāi)孔個(gè)數(shù)分別為2、4、7、15。

前面完成了抗性消聲器的設(shè)計(jì)計(jì)算，在此基礎(chǔ)上，我們?cè)诠舱袂粌?nèi)加入阻性材料，使得消聲器具備阻性，以對(duì)少量的高頻噪聲進(jìn)行去除。由于阻性消聲器設(shè)計(jì)目前尚缺乏進(jìn)行較為精確的計(jì)算公式，一般是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)添加阻性材料。我們?cè)谧畲蟮墓舱袂粌?nèi)加入玻璃纖維，圍繞共振腔內(nèi)壁進(jìn)行敷設(shè)，厚度50mm，容重20kgf/m3，其對(duì)中心頻率為500Hz、1000Hz、2000Hz、4000Hz的中高頻噪聲的吸聲系數(shù)均在0.85以上。當(dāng)聲波通過(guò)敷設(shè)有玻璃纖維的共振腔時(shí)，聲波將激發(fā)玻璃纖維中眾多小孔內(nèi)空氣分子的振動(dòng)，由于摩擦阻力和粘滯力的作用，使得一部分聲能轉(zhuǎn)化為熱能耗散掉，從而達(dá)到消聲目的。

2? 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)上述結(jié)果，將消聲器模型設(shè)計(jì)成如圖1所示，在腔1中加入厚度50mm的玻璃纖維。根據(jù)設(shè)計(jì)的模型進(jìn)行制造，由于車上安裝空間的限制，排氣管尾端朝下，從車的側(cè)下方排氣。將制造好的消聲器通過(guò)支架和U型螺栓安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)上，進(jìn)行裝車驗(yàn)證，如圖2所示。根據(jù)《GB/T 4759-2009內(nèi)燃機(jī)排氣消聲器測(cè)量方法》的要求，在與排氣口氣流軸向成45°方向上、距離排氣口250mm的一圈位置均分地設(shè)置A、B、C、D四個(gè)點(diǎn)測(cè)量噪聲[4-5]，如圖3所示。發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)定怠速800r/min和額定轉(zhuǎn)速2000r/min兩種工況。測(cè)量結(jié)果如表2所示，其中1）代表不安裝消聲器，2）代表安裝所設(shè)計(jì)的阻抗復(fù)合式消聲器。

由表2可知，安裝消聲器后，排氣噪聲在不同工況下降低了12.1-16.5dB，噪聲降低較為明顯，顯示了所設(shè)計(jì)的消聲器的良好降噪性能。另外，2000r/min工況下消聲效果更加明顯。雖然消聲效果滿足了廠家的推薦值，但是因?yàn)橄暺鞯脑O(shè)計(jì)涉及到多種因素，難以通過(guò)簡(jiǎn)單的理論計(jì)算得到準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)結(jié)果，未來(lái)要根據(jù)制造經(jīng)驗(yàn)和測(cè)試結(jié)果進(jìn)行改進(jìn)，進(jìn)一步提升其性能。

3? 總結(jié)

針對(duì)公司研發(fā)的一款鐵路維護(hù)機(jī)械，設(shè)計(jì)了共振腔型帶穿孔管阻抗復(fù)合式消聲器。首先，通過(guò)對(duì)中低頻的噪聲進(jìn)行分析計(jì)算，得到消聲管道直徑、共振腔直徑、穿孔管板厚、開(kāi)孔直徑、共振腔長(zhǎng)度和開(kāi)孔個(gè)數(shù)等關(guān)鍵參數(shù)。然后，在抗性消聲器中加入玻璃纖維作為阻性材料以對(duì)高頻噪聲進(jìn)行去除，形成阻抗復(fù)合式消聲器。根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行消聲器模型設(shè)計(jì)并裝車驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的消聲器能在不同工況下有效降低發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣噪聲。未來(lái)將根據(jù)制造經(jīng)驗(yàn)和樣機(jī)測(cè)試結(jié)果進(jìn)一步提升該阻抗復(fù)合式消聲器的性能。

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