李艷會(huì)，卜林森，查曉妍

（南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇南京 210016）

0 引言

在動(dòng)力機(jī)械中存在著大量的振動(dòng)問題，如柴油機(jī)工作時(shí)，由于氣缸內(nèi)的壓力和運(yùn)動(dòng)部件的慣性引起的軸系振動(dòng)。噪聲作為一種環(huán)境污染，嚴(yán)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(hù)的一項(xiàng)重要內(nèi)容，控制和降低柴油機(jī)噪聲是柴油機(jī)的品質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)之一。研究振動(dòng)的目的有兩個(gè)方面:1）掌握機(jī)械振動(dòng)的規(guī)律，利用振動(dòng)為人類造福;2）設(shè)法減小振動(dòng)的危害.在不斷追求柴油機(jī)高效率、低油耗的同時(shí)，振動(dòng)和噪聲的分析研究作為柴油機(jī)設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。

1 振動(dòng)和噪聲對(duì)人的危害

許多振動(dòng)現(xiàn)象對(duì)人類有益或?yàn)槿祟惱?，但是?duì)大多數(shù)機(jī)械結(jié)構(gòu)來(lái)說，振動(dòng)往往是有害的，它不僅使機(jī)器的精度和其他性能降低，而且使構(gòu)件中增加了附加動(dòng)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(dòng)使精密儀器無(wú)法正常工作;艦船軸系振動(dòng)引起推進(jìn)軸系斷裂;汽輪發(fā)動(dòng)機(jī)組劇烈振動(dòng)而斷軸，引起機(jī)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(zhǎng)年累月在強(qiáng)噪聲下工作，長(zhǎng)期不斷的收到強(qiáng)噪聲的刺激，會(huì)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(qiáng)烈的噪聲環(huán)境下，則會(huì)引起鼓膜破裂出血等外傷，甚至喪失聽力。噪聲對(duì)人體的影響是多方面的，除了引起耳聾外，對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)及心血系統(tǒng)等方面也有明顯的影響。長(zhǎng)期接觸噪聲的人，常會(huì)出現(xiàn)頭疼、腦脹、昏暈、耳鳴、多夢(mèng)、瞌睡、心慌、記憶力減退和全身無(wú)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(shí)，由于胃功能紊亂，會(huì)表現(xiàn)出食欲不振、惡心、肌無(wú)力、消瘦、體質(zhì)減弱等現(xiàn)象。噪聲對(duì)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(dòng)增強(qiáng)并有輕度腫大。

2 柴油機(jī)振動(dòng)和噪聲的分類

2.1 振動(dòng)的分類

柴油機(jī)發(fā)生各類振動(dòng)的激勵(lì)，主要來(lái)自氣缸內(nèi)的氣體壓力，以及由于主運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)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(jī)產(chǎn)生以下振動(dòng)。

a）整機(jī)振動(dòng)

由于曲柄連桿機(jī)構(gòu)中的活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)將產(chǎn)生往復(fù)慣性力，在多氣缸時(shí)，還會(huì)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(jī)振動(dòng)的激勵(lì)源。柴油機(jī)的整機(jī)振動(dòng)包括上下、前后、左右的跳動(dòng)，以及繞三個(gè)軸的搖動(dòng)，使得柴油機(jī)成為工作中最不穩(wěn)定的動(dòng)力機(jī)。

b）曲軸系的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)

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

柴油機(jī)曲軸系的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，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(dòng)現(xiàn)象。在較大功率的內(nèi)燃機(jī)裝置中，曲軸系的固有頻率較低，往往會(huì)在柴油機(jī)的工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，由某些較強(qiáng)的激勵(lì)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(dòng)態(tài)扭振附加應(yīng)力。

c）曲軸系的縱向振動(dòng)

由于柴油機(jī)曲軸系是一個(gè)金屬的彈性系統(tǒng)，除了會(huì)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng)外，還可能產(chǎn)生軸向的振動(dòng)。柴油機(jī)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(shí)會(huì)產(chǎn)生軸向變形，這就形成了軸向的激勵(lì)，使曲軸系的軸端受到交變拉力而形成縱向振動(dòng)。

d）曲軸系的橫向振動(dòng)

在柴油機(jī)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(dòng)。由垂直以及水平方向的振動(dòng)將組成軸系的回旋振動(dòng)，因此有時(shí)稱軸系的橫向振動(dòng)為回旋振動(dòng)。在柴油機(jī)的曲軸部分，為了支撐較大的切向以及法向負(fù)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(dòng)其自振頻率很高，除極高諧次外，不會(huì)發(fā)生梁共振，而高諧次的激勵(lì)值一般很小，不足以引起由于橫向振動(dòng)的動(dòng)態(tài)放大而導(dǎo)致的損壞，因此在柴油機(jī)裝置中對(duì)曲軸系的橫向振動(dòng)尚未被重視。

以上都是柴油機(jī)可能發(fā)生的一些主要振動(dòng)方式，它們的響應(yīng)特性是人們?cè)O(shè)計(jì)、制造、運(yùn)用柴油機(jī)時(shí)研究的主要方面。柴油機(jī)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(lái)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(shí)都會(huì)發(fā)生響應(yīng)，尤其是發(fā)生共振響應(yīng)時(shí)，其振動(dòng)將會(huì)達(dá)到破壞性的效果。這些零部件的激勵(lì)源來(lái)自于柴油機(jī)的整機(jī)振動(dòng)，如果內(nèi)燃機(jī)完全沒有振動(dòng)，這當(dāng)然是理想情況，也就不會(huì)發(fā)生局部振動(dòng)，但這是不可能實(shí)現(xiàn)的。柴油機(jī)中的離心力及力矩，一次及二次往復(fù)慣性力及力矩等強(qiáng)激勵(lì)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(wú)法準(zhǔn)確的予以克服，此外，實(shí)際的往復(fù)慣性力，在四次諧波以上由于其量級(jí)較小而忽略不計(jì)，但是這并不表示它不存在，再加上計(jì)算中的理想化和各種假設(shè)帶來(lái)的誤差等，以及柴油機(jī)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(shí)際的激勵(lì)因素，它具有很廣闊的頻域范圍，使得理想化的計(jì)算分析，并不能去除所有可能發(fā)生的振動(dòng)響應(yīng)，使得局部振動(dòng)問題無(wú)法下手，以致防不勝防。

通常來(lái)說，處理局部振動(dòng)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(jì)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(lì)量的激勵(lì)，使之不發(fā)生危險(xiǎn)諧次。

2.2 柴油機(jī)噪聲的分類

柴油機(jī)的噪聲按輻射方式不同，可分為氣體動(dòng)力噪聲和表面輻射噪聲。氣體動(dòng)力噪聲包括進(jìn)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(jī)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(jī)的最強(qiáng)噪聲源。對(duì)于非增壓柴油機(jī)來(lái)說，排氣噪聲最強(qiáng)。排氣噪聲主要來(lái)源于氣流在排氣管中的壓力脈動(dòng)，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(shí)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(dòng)載荷以及由沖擊波引起的高頻振動(dòng)產(chǎn)生的，隨氣缸壓力升高率增大而增高。

c）機(jī)械噪聲

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

1）活塞敲擊噪聲:活塞對(duì)氣缸壁的敲擊往往是柴油機(jī)最強(qiáng)的機(jī)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(dòng)系統(tǒng)中齒輪嚙合間隙的存在、曲軸扭轉(zhuǎn)振動(dòng)和彎曲振動(dòng)以及齒輪、噴油泵等扭矩的波動(dòng)，引起上述幾種運(yùn)動(dòng)件振動(dòng)產(chǎn)生噪聲。

3）扭轉(zhuǎn)振動(dòng)及不平衡力矩產(chǎn)生的撞擊。

3 柴油機(jī)的局部振動(dòng)和噪聲控制措施

3.1 柴油機(jī)的局部振動(dòng)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(dòng)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(jī)器與皮帶輪之間增加一個(gè)過渡輪，來(lái)緩解連接皮帶對(duì)皮帶輪的沖擊，或加粗危險(xiǎn)截面。

b）油管局部振動(dòng)問題的出現(xiàn)原因分析及控制措施

對(duì)于柴油機(jī)的高壓油管來(lái)說，其兩端分別連接在噴油泵和噴油器上，由于兩端的振動(dòng)情況不協(xié)調(diào)，振幅相差太大，使得高壓油管長(zhǎng)期處于扭搓比較嚴(yán)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(jī)油泵與驅(qū)動(dòng)齒輪之間是由一根連接軸來(lái)驅(qū)動(dòng)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(duì)于油泵的振動(dòng)有比較大的影響。對(duì)于已出廠的柴油機(jī)來(lái)說，由于更換柴油機(jī)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(lì)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(xiǎn)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(dòng)齒輪之間用法蘭連接，油泵底也不需要支架，只需要對(duì)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(dòng)，油管嘴端的振動(dòng)也有所降低。油泵改用法蘭連接后，油管泵端的振動(dòng)明顯減輕，并且在所有轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)避免了危險(xiǎn)諧振，有效地解決了高危險(xiǎn)諧振的問題。

3.2 柴油機(jī)的噪聲控制

1）對(duì)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(dòng)而引起的，對(duì)于該部分噪聲的控制，主要是對(duì)其局部振動(dòng)的控制。而對(duì)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(dòng)。

2）對(duì)于控制齒輪噪聲的傳播，可以采取合理設(shè)計(jì)齒輪箱以及對(duì)齒輪箱進(jìn)行屏蔽兩個(gè)方面的措施。為了減少噪聲傳出和再生，在設(shè)計(jì)齒輪箱時(shí)，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(duì)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(lái)降低其噪聲輻射。在整個(gè)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(jī)器彈性連接，并要與機(jī)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(jī)器剛性連接，如果隔聲罩用薄鋼板做成，與柴油機(jī)剛性連接，則對(duì)降噪毫無(wú)效果有時(shí)甚至還會(huì)放大;如果隔聲罩有間隙或孔，由于聲波的泄漏，會(huì)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(yǔ)

綜上所述，影響柴油機(jī)振動(dòng)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(dòng)噪聲降低下來(lái)。解決振動(dòng)噪聲控制問題，在設(shè)計(jì)階段就需要充分重視，同時(shí)還需要進(jìn)行投資核算，力求高的經(jīng)濟(jì)效益。目前，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、仿真設(shè)計(jì)等相關(guān)軟件都在柴油機(jī)振動(dòng)噪聲控制中用于其內(nèi)部噪聲源以及隔聲罩、消聲器聲場(chǎng)仿真計(jì)算，從而達(dá)到低成本、高效率的要求。

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