鐵路內(nèi)燃機(jī)活塞づ幕髟肷影響因素探討

沈 駿

摘要:作為我國鐵路運(yùn)營的主力軍內(nèi)燃機(jī)車,由于機(jī)車在設(shè)計(jì)上普遍采用了先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法,在制造上大量采用新技術(shù)新工藝和新材料,使得提速機(jī)車的固有可靠性比以往的內(nèi)燃機(jī)車得到大幅度提高。但是內(nèi)燃機(jī)活塞拍擊作為內(nèi)燃機(jī)振動的主要激勵源之一,其引起的噪聲是內(nèi)燃機(jī)僅次于燃燒噪聲的最大的機(jī)械噪聲。對于此問題,進(jìn)行了相關(guān)的探討,對降低道路交通噪聲,緩解環(huán)境噪聲具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞:內(nèi)燃機(jī);噪聲;改進(jìn)

中圖分類號:TK4

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:16723198(2009)20030102お

內(nèi)燃機(jī)車具有柴油機(jī)和輔助系統(tǒng)。內(nèi)燃機(jī)活塞拍擊作為內(nèi)燃機(jī)振動的主要激勵源之一,其引起的噪聲是內(nèi)燃機(jī)僅次于燃燒噪聲的最大的機(jī)械噪聲。隨著內(nèi)燃機(jī)向高速化、輕量化發(fā)展,內(nèi)燃機(jī)機(jī)械噪聲也因此顯得更加突出,同時抑制燃燒噪聲技術(shù)措施一般與內(nèi)燃機(jī)提高動力性的要求相矛盾,因此控制內(nèi)燃機(jī)表面輻射噪聲的重心一般放在機(jī)械噪聲源的控制上,而活塞拍擊噪聲作為內(nèi)燃機(jī)最大的機(jī)械噪聲源,理所當(dāng)然的是內(nèi)燃機(jī)機(jī)械噪聲控制的重點(diǎn)。因此對鐵路內(nèi)燃機(jī)活塞拍擊噪聲的探討,探索清楚活塞拍擊噪聲的各種影響因素,從而掌握內(nèi)燃機(jī)機(jī)械噪聲控制核心技術(shù)。

1鐵路內(nèi)燃機(jī)活塞拍擊噪聲影響因素的探討

20世紀(jì)70年代初期,Fawcett.J.N和Burdess,J.S分別討論了采用傳統(tǒng)的活塞環(huán)和帶角度的活塞環(huán)的燃?xì)獗l(fā)壓力,并研究了活塞銷偏置和采用帶角度的活塞環(huán)對燃?xì)獗l(fā)壓力的影響趨勢,從而控制活塞拍擊力的大小。Grover E C和Lalor N.研究表明,燃燒室的壓力量級和振蕩幅度、連桿比參數(shù)等因素對活塞敲擊噪聲也有影響。R.WILSON和J.N.FAWCETT通過研究平面曲柄-滑塊機(jī)構(gòu)的運(yùn)動機(jī)理,分別討論了間隙大小、活塞與汽缸壁的摩擦力大小以及曲柄轉(zhuǎn)速對活塞拍擊力的影響。DeJong.R.G和Parsons.N.E.針對V6發(fā)動機(jī)的由活塞拍擊引起的噪聲進(jìn)行測量和動態(tài)分析,指出發(fā)動機(jī)缸套的安裝形式是活塞拍擊噪聲的一個重要影響因素。1985年,Richmond,J.W.和Parker,D.A.研究了活塞間隙和活塞裙部橢圓度對活塞拍擊噪聲的影響,指出活塞間隙過小影響油膜的形成,加劇了活塞的磨損,從而引起振動噪聲過大。

1992年,國內(nèi)的周勇麟和李樹珉通過研究指出:敲擊的強(qiáng)度主要取決于氣缸5的最高燃?xì)獗l(fā)壓力和活塞與缸壁的間隙大小,因此這種活塞拍擊噪聲既與內(nèi)燃機(jī)的燃燒有關(guān),又和內(nèi)燃機(jī)活塞的具體結(jié)構(gòu)有關(guān)。1999年,王政、唐建、于旭東等從活塞動力學(xué)分析開始,結(jié)合流體動力潤滑方程,建立了活塞裙部-缸套間的潤滑模型,計(jì)算模擬四沖發(fā)動機(jī)活塞二階運(yùn)動和摩擦功率的軌跡,并將原始的直線型裙部廓線與國外的中凸型廓線進(jìn)行了對比,探討其優(yōu)劣。同年,張標(biāo)標(biāo),張宗杰和劉永長提出了活塞裙部摩擦潤滑的數(shù)學(xué)模型,該模型考慮了活塞裙部表面粗糙度、裙部線型對活塞潤滑和摩擦的影響,所編制計(jì)算程序用于計(jì)算整個活塞橫向運(yùn)動軌跡,并揭示出活塞在正常工作情況下其裙部油膜力和摩擦力與曲柄轉(zhuǎn)角的函數(shù)關(guān)系。

根據(jù)現(xiàn)今研究表明,內(nèi)燃機(jī)活塞拍擊受諸多因素影響,除了燃?xì)獗l(fā)壓力和活塞與缸體之間不可避免的存在間隙重要因素之外,還包括活塞質(zhì)量、活塞銷位置、連桿比、活塞裙部長度、曲軸軸線位置、活塞質(zhì)心高度、活塞裙部結(jié)構(gòu)形式。眾多學(xué)者建立起了這些影響因素和拍擊力之間的定量的關(guān)系,但是由于缺少活塞拍擊噪聲的理論模型,因此沒有建立這些影響因素與拍擊噪聲之間的定量關(guān)系,相應(yīng)的這些影響因素對活塞拍擊噪聲的影響規(guī)律也只是通過活塞拍擊力或動能改變量定性的給出。探索清楚這些參數(shù)對活塞拍擊噪聲的影響規(guī)律,是對活塞進(jìn)行低拍擊噪聲設(shè)計(jì)和改進(jìn)的理論基礎(chǔ),因此是一個非常有研究價值的問題。

根據(jù)內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)生噪聲的因素,采取行之有效的措施減小活塞拍擊力從而控制其產(chǎn)生的噪聲,相關(guān)學(xué)者主要從以下幾個方面著手:減小活塞的質(zhì)量,從而減小活塞工作過程中的慣性力;減少活塞和氣缸在各工況下的間隙,采用緊配式活塞,優(yōu)化它與氣缸間的間隙;優(yōu)化設(shè)計(jì)活塞裙部廓線形狀,采用中凸形或錐形;加強(qiáng)活塞的潤滑,從而降低沖擊強(qiáng)度;采用活塞銷偏置或曲軸銷偏置。對這些控制措施的影響規(guī)律絕大多數(shù)都是針對活塞拍擊力而言的,而沒有見到文獻(xiàn)討論這些控制措施對活塞拍擊引起的噪聲的影響規(guī)律。

2低拍擊噪聲活塞改進(jìn)設(shè)計(jì)

根據(jù)現(xiàn)今的研究成果結(jié)合實(shí)際情況,對原有的活塞進(jìn)行低拍擊噪聲改進(jìn)。

通過長時間研究我們可以得知,減小活塞裙部與缸壁之間的間隙是最直接最有效的降低活塞拍擊噪聲的辦法,但是由于活塞與缸壁之間的間隙是一個涉及活塞和缸壁熱膨脹、活塞裙部的潤滑等多方面問題,如果不考慮這些因素直接修改活塞與缸壁的間隙,可能導(dǎo)致活塞刮傷缸壁,甚至被卡死?；钊|(zhì)量直接影響活塞運(yùn)動中的慣性力大小,也是影響活塞拍擊噪聲的一個重要因素,但是活塞工作過程中,高溫高壓,對其強(qiáng)度要求非常嚴(yán)格,因此對其進(jìn)行修改的可能性也不大。連桿比是內(nèi)燃機(jī)一個非常重要的設(shè)計(jì)參數(shù),前面分析已知減小連桿比可以降低活塞拍擊引起的噪聲。減小連桿比要么是減小曲軸半徑,要么是增加連桿長度,如果減小曲軸半徑同時又要保證發(fā)動機(jī)排量不發(fā)生變化,則必須增加活塞和缸筒的半徑;如果增加連桿長度,這會增加發(fā)動機(jī)高度方向的尺寸,涉及到缸體尺寸和發(fā)動機(jī)布置位置的修改,因此通過修改連桿比來降低活塞拍擊噪聲,需要考慮和修改的其他問題很多。由前面分析可知,對曲軸軸線向主推力面進(jìn)行適當(dāng)?shù)钠?也將會產(chǎn)生降低活塞拍擊噪聲的效果,但是對曲軸軸線位置進(jìn)行修改,涉及到修改曲軸箱體的結(jié)構(gòu)形式,改動量也相當(dāng)?shù)拇?。因?就改進(jìn)的方便性和可行性而言,修改活塞銷偏移距離、活塞裙部剛度、活塞裙部下端長度等參數(shù)相對來說比較容易實(shí)現(xiàn)。由前面分析,活塞銷軸線由原來的偏向主推力面0.5mm改為1mm,并且活塞銷孔軸線向下平移2mm,活塞裙部下端長度減少0.5mm,通過在活塞裙部開槽的方法降低活塞裙部下端的剛度。

總之,本文缺乏對活塞拍擊噪聲影響規(guī)律定量的研究,因此這些控制措施只能為活塞低拍擊噪聲設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供方向性意見,而不能進(jìn)行定量的參數(shù)優(yōu)化匹配設(shè)計(jì)。但深入探討這些控制措施對活塞拍擊噪聲的影響規(guī)律是非常有必要的。