工程機(jī)械內(nèi)燃機(jī)減噪降溫設(shè)計(jì)分析

尤勇 李巖 艾國政

摘要： 在化工業(yè)、制造業(yè)、軍工業(yè)、運(yùn)輸業(yè)等領(lǐng)域，內(nèi)燃機(jī)都是運(yùn)輸工具和工程機(jī)械的主要?jiǎng)恿υ?，其安全運(yùn)轉(zhuǎn)在保證社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，甚至是維持社會(huì)的穩(wěn)定發(fā)展上有著舉足輕重的位置。若內(nèi)燃機(jī)出現(xiàn)溫度過高或噪音過大的問題，則會(huì)縮減其使用壽命，嚴(yán)重影響相關(guān)作業(yè)的進(jìn)行。為了延長內(nèi)燃機(jī)的使用壽命、提升其使用質(zhì)量、保證經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益，必須不斷地提升內(nèi)燃機(jī)的性能和質(zhì)量，對其進(jìn)行科學(xué)、有效地設(shè)計(jì)，這對我國工業(yè)發(fā)展有非常重大的意義?；诖?，本文開展工程機(jī)械內(nèi)燃機(jī)減噪降溫的設(shè)計(jì)分析，分別分析內(nèi)燃機(jī)的振動(dòng)噪聲、傳熱過高這兩個(gè)問題，并有針對性地提出相應(yīng)的設(shè)計(jì)分析，期以為我國工業(yè)的接續(xù)發(fā)展提供有參考價(jià)值的意見。

Abstract： In the chemical industry， manufacturing， military industry， transportation and other fields， the internal combustion engine is the main source of power for transportation and construction machinery. Its safe operation plays an important role in ensuring social and economic benefits， and even maintaining the stable development of society Location. If the internal combustion engine suffers from excessive temperature or excessive noise， its service life will be shortened and related operations will be seriously affected. In order to prolong the service life of internal combustion engines， improve its quality of use， and ensure economic and social benefits， it is necessary to continuously improve the performance and quality of internal combustion engines， and to design them scientifically and effectively. This is of great significance to the development of my country's industry. Based on this， this article carries out the design analysis of noise reduction and temperature reduction of construction machinery internal combustion engines， respectively analyzes the two problems of internal combustion engine vibration and noise， excessive heat transfer， and puts forward corresponding design analysis in a targeted manner， hoping to provide reference for the continued development of China industry.

關(guān)鍵詞： 工程機(jī)械;內(nèi)燃機(jī);減噪;降溫;設(shè)計(jì)分析

Key words： construction machinery;internal combustion engine;noise reduction;cooling;design analysis

中圖分類號(hào)：U262.0? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）17-0070-02

0? 引言

目前，內(nèi)燃機(jī)的應(yīng)用非常廣泛，經(jīng)過不斷地更新?lián)Q代，其減噪、降溫系統(tǒng)也得到了很大的發(fā)展。但我國工業(yè)的發(fā)展也對內(nèi)燃機(jī)提出了更高的要求，這就需要工程師和科研人員在內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)工作中不斷地加以優(yōu)化和改進(jìn)。作為內(nèi)燃機(jī)不可或缺的兩大重要部件，減噪、降溫系統(tǒng)起著減少噪音、減振，以及維持內(nèi)部溫度平衡的作用，能夠保證整個(gè)工程機(jī)械的運(yùn)轉(zhuǎn)質(zhì)量和工作效率。所以，應(yīng)當(dāng)在不改變內(nèi)燃機(jī)整體的前提下，對其進(jìn)行新一代技術(shù)的改造，使其能夠更高效地運(yùn)轉(zhuǎn)。

1? 內(nèi)燃機(jī)振動(dòng)噪聲問題

由于內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速以及功率和提高，其系統(tǒng)振動(dòng)和整機(jī)輻射噪聲問題日益突出，這兩大問題直接影響到內(nèi)燃機(jī)的使用壽命、運(yùn)行安全以及工作效率。所以，深入研究內(nèi)燃機(jī)噪聲的分布規(guī)律及其相應(yīng)的降噪技術(shù)措施的實(shí)踐意義和價(jià)值都相當(dāng)重大。振動(dòng)和噪聲的問題也一直都是各國所關(guān)注的焦點(diǎn)，并對其開展了大量的研究，提出了不同的處理和控制方法。但是，隨著技術(shù)的發(fā)展，噪聲和振動(dòng)的問題也在不斷地變化，需要對其進(jìn)行更加全面地分析，才能優(yōu)化、提升控制效果，真正實(shí)現(xiàn)降噪目標(biāo)。內(nèi)燃機(jī)減噪技術(shù)可以分為噪聲源識(shí)別以及減振降噪這兩個(gè)部分。噪聲源識(shí)別是指通過捕獲表面振動(dòng)的方式識(shí)別噪聲發(fā)生的位置，從而得到非常精確的信息。噪聲源識(shí)別還在后續(xù)的設(shè)計(jì)中考慮到了散熱和潤滑的問題，為減噪、降溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了完備的數(shù)據(jù)支持。減振降噪技術(shù)包括使用阻尼材料、扭矩縱耦合振動(dòng)設(shè)計(jì)、耦合強(qiáng)迫振動(dòng)設(shè)計(jì)。這三種方法均可達(dá)到降噪、把振動(dòng)控制在一定范圍內(nèi)、有效提高控制輻射聲場的效果。

2? 內(nèi)燃機(jī)減噪設(shè)計(jì)分析

2.1 減少機(jī)械噪聲的技術(shù)

在內(nèi)燃機(jī)的實(shí)際運(yùn)行中，氣缸活塞在運(yùn)動(dòng)的過程中受側(cè)向力的作用逐漸向另一面靠攏，對氣缸壁有著較強(qiáng)的敲擊作用?；钊c氣缸壁之間的撞擊，究其原因是它們之間存在一定的間隙。為了減少活塞敲擊所產(chǎn)生的噪音，就要進(jìn)一步減小氣缸與活塞之間的距離?？梢詫钊共窟M(jìn)行水平切槽和縱向切槽的處理;采用熱脹冷縮系數(shù)小的共晶鋁硅合金活塞、不銹鋼片活塞、橢圓鼓式活塞等，減小柱塞與缸體之間的距離;也可將活塞孔中心置于氣缸的三分之一的位置，都可以將活塞與氣缸壁之間的撞擊噪音減小。齒輪傳動(dòng)噪音是齒間咬合時(shí)摩擦和沖擊而產(chǎn)生的主要噪聲。內(nèi)燃機(jī)的變速器通常需要進(jìn)行可變負(fù)載，可變負(fù)載傳導(dǎo)至軸承上時(shí)會(huì)使軸承發(fā)生形變，進(jìn)一步導(dǎo)致齒輪室外殼以及發(fā)動(dòng)機(jī)外殼振動(dòng)，使內(nèi)燃機(jī)整體產(chǎn)生大量的噪聲。針對齒輪傳動(dòng)的降噪措施包括這幾個(gè)方面：①確定齒輪類型及各項(xiàng)參數(shù)，采用科學(xué)的加工方法，提高齒輪的實(shí)際加工精度;②用斜齒輪代替直齒輪，并且減小齒輪之間的側(cè)向縫隙;③齒輪材料要適配，盡可能選擇外隔振、高的材料，齒輪體表面應(yīng)該涂上具有優(yōu)異阻尼性能的高分子材料。

2.2 減少空氣動(dòng)力噪聲的技術(shù)

進(jìn)氣門周期性的開關(guān)閉合會(huì)導(dǎo)致壓力起伏變化程度大，這就導(dǎo)致了進(jìn)氣噪聲。進(jìn)氣噪聲與發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣技術(shù)、進(jìn)氣門的尺寸、凸輪輪廓線、氣缸直徑等參數(shù)密切相關(guān)。其降噪措施包括：①降低進(jìn)氣管中壓力脈動(dòng)的實(shí)際強(qiáng)度以及氣門經(jīng)過橫截面位置的渦流強(qiáng)度，進(jìn)氣管可以選用波紋管;②選擇功率大的進(jìn)氣口消聲器，并把進(jìn)氣口消聲器和空氣過濾器結(jié)合起來。排氣噪聲的產(chǎn)生與進(jìn)氣噪聲類似，對內(nèi)燃機(jī)排氣噪聲進(jìn)行控制，排氣管也要合理選用波紋管，以免產(chǎn)生共振，減小渦流強(qiáng)度。風(fēng)扇噪聲是內(nèi)燃機(jī)噪聲的主要來源，主要為渦流噪聲以及旋轉(zhuǎn)噪聲，受運(yùn)轉(zhuǎn)功率以及轉(zhuǎn)速的影響。風(fēng)扇直徑越大，轉(zhuǎn)速越高，則風(fēng)扇風(fēng)量就會(huì)越大，噪音也會(huì)越高。所以，要選擇風(fēng)扇頁面最佳的風(fēng)機(jī)，合理配置安裝角度，以降低軸流風(fēng)機(jī)的噪聲。也可增大工作輪與靜輪間的距離，改變?nèi)~片數(shù)，有效減少風(fēng)機(jī)噪聲。

2.3 減少燃燒噪聲的技術(shù)

減少燃燒噪聲方面，可以選擇半開式的低噪聲燃燒室，也可以改變發(fā)動(dòng)機(jī)的整體結(jié)構(gòu)，確保噪聲有效衰減，包括：采用小口徑的氣缸，減少曲柄與連桿的間隙，提升內(nèi)燃機(jī)整體的的剛性，采取噪聲與振動(dòng)隔離措施;提高燃燒室內(nèi)渦流強(qiáng)度，改善燃燒條件，使燃料與空氣充分混合，燃燒更徹底;采用更小的燃料提前角，充分達(dá)到柔性燃燒。

3? 內(nèi)燃機(jī)溫控問題

實(shí)施節(jié)能減排政策后，針對內(nèi)燃機(jī)的主要科研任務(wù)就是節(jié)能降耗和提高效率，要保證內(nèi)燃機(jī)能在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到設(shè)計(jì)的工作溫度范圍，并能在運(yùn)行中快速、有效地冷卻內(nèi)燃機(jī)，保證其正常運(yùn)轉(zhuǎn)，以此達(dá)到降低能量損耗，提高工作效率的目的。內(nèi)燃機(jī)運(yùn)行一段時(shí)間后，溫度會(huì)因燃油的燃燒而急劇上升，在這種情況要使內(nèi)燃機(jī)能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，設(shè)計(jì)冷卻裝置就顯得十分地重要。但由于內(nèi)燃機(jī)在低溫和高溫下運(yùn)行而產(chǎn)生的能量完全不同，且在低溫條件下的工作效率低，因此，除了散熱功能外，還需設(shè)計(jì)出可以優(yōu)化溫控的裝置。

4? 內(nèi)燃機(jī)降溫系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

發(fā)動(dòng)機(jī)降溫系統(tǒng)的首要任務(wù)是確保發(fā)動(dòng)機(jī)在適當(dāng)?shù)臏囟认逻\(yùn)轉(zhuǎn)，以保證燃料燃燒質(zhì)量，并為部件創(chuàng)造適當(dāng)?shù)沫h(huán)境，從而有效地延長其使用壽命。鑄件材料制造商可利用常用的碳鋼材料，防止低溫凍裂;氣缸氣體可以帶走大量的熱量，因此也可以優(yōu)化排氣門的設(shè)計(jì)，增加排氣量，進(jìn)一步提高其排氣性能，充分優(yōu)化降溫系統(tǒng)。舉例來說，用內(nèi)外扣錐面接觸開閉閥來替換球形尼龍接口，進(jìn)一步提升其冷卻性能。由于水的比熱容較大，可以帶走非常大的熱量，因此大部分的內(nèi)燃機(jī)都與水冷卻系統(tǒng)相配合。水冷系統(tǒng)一次性最多能散發(fā)600千瓦的熱量，但是這個(gè)數(shù)值還不夠，內(nèi)燃機(jī)的溫度仍舊較高，還需要在這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)上最多可以減少30%的熱量。根據(jù)對內(nèi)燃機(jī)工作效率的實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，內(nèi)燃機(jī)的工作溫度控制到80～90℃之間，其運(yùn)轉(zhuǎn)效率以及燃料燃燒程度都是比較理想的。因此，考慮到水的流體性質(zhì)，其溫度較為不穩(wěn)定，可將水冷系統(tǒng)的進(jìn)水溫度設(shè)置略低于目標(biāo)溫度，為70℃;而預(yù)熱系統(tǒng)溫度應(yīng)大幅低于目標(biāo)溫度，設(shè)置在40℃左右。一旦水溫低于70°C，單控閥自動(dòng)開啟輔助閥，使熱水能流入泵內(nèi)，由泵的推力引導(dǎo)至內(nèi)燃機(jī)。若水溫上升到70°C以上，溫度控制閥則會(huì)再次自動(dòng)開啟，使熱水流入主換熱器，并利用風(fēng)冷系統(tǒng)降溫;降溫后的冷卻水回流溫控閥中，實(shí)現(xiàn)水溫的調(diào)節(jié)。簡單來說，將70℃設(shè)定為溫度閾值，溫度高于閾值時(shí)水流就進(jìn)入附加換熱器，而低于閾值時(shí)則會(huì)進(jìn)入泵，從而實(shí)現(xiàn)恒溫冷卻的水循環(huán)。在實(shí)際工作中，舊式換熱器換熱能力不足以滿足內(nèi)燃機(jī)工作環(huán)境的要求，因此不需要對其進(jìn)行部分優(yōu)化。因?yàn)橹评錂C(jī)組自身的散熱面積很小，所以附加換熱器的尺寸必須慎重考慮，根據(jù)換熱器管長和閥門連接方式的不同，板翅式換熱器最為有效。板翅式換熱器所占體積小巧，空間緊湊，性能優(yōu)良;并且可以通過對信道參數(shù)的優(yōu)化，解決運(yùn)行時(shí)能量不足的問題。在降溫系統(tǒng)中，經(jīng)大量的計(jì)算，筆者認(rèn)為15條水冷管搭配30條風(fēng)冷通道最佳，可以使其達(dá)到最大的傳熱效果。此外，進(jìn)水口水的溫度以及流量的控制也是影響進(jìn)水門性能的重要因素。例如，當(dāng)水溫低于40℃時(shí)，燃料的油粘度增大，油缸潤滑性能變差，最終將降低內(nèi)燃機(jī)的性能并損害其零部件。如前文所述，一般控制到80℃的閾值，通過循環(huán)冷卻溫控系統(tǒng)，可有效地避免水溫偏低的問題，提高內(nèi)燃機(jī)運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性。

5? 定時(shí)開展故障排查工作

借助在本文之前的章節(jié)中對內(nèi)燃機(jī)表面振動(dòng)特性和溫控優(yōu)化的分析，可以對內(nèi)燃機(jī)發(fā)生運(yùn)行問題背后的原因進(jìn)行初步探究，并針對內(nèi)燃機(jī)的振動(dòng)、過熱問題進(jìn)內(nèi)燃機(jī)養(yǎng)護(hù)技術(shù)上的分析。

內(nèi)燃機(jī)過熱故障所產(chǎn)生的危害很大，極易引起缸體變形、活塞融化、齒輪卡死、脫缸拉缸等問題，從而導(dǎo)致油耗上升、動(dòng)力輸出下降，嚴(yán)重時(shí)還可能引起內(nèi)燃機(jī)故障、報(bào)廢。發(fā)動(dòng)機(jī)過載、長時(shí)間的高溫和冷卻系統(tǒng)故障、長時(shí)間超負(fù)荷運(yùn)行是導(dǎo)致內(nèi)燃機(jī)過熱的主要原因，當(dāng)出現(xiàn)過熱故障后，應(yīng)盡快查明導(dǎo)致故障發(fā)生的原因，并根據(jù)具體情況進(jìn)行維修以及優(yōu)化設(shè)計(jì)，包括①查看冷卻水位，如果液面位置低，則冷卻液量不夠，需要加入足夠的冷卻液。②若內(nèi)燃機(jī)在添加冷卻液后恢復(fù)正常，并在短時(shí)間內(nèi)再一次出現(xiàn)過熱現(xiàn)象，則冷卻系統(tǒng)發(fā)生冷卻液泄漏，必須找出冷卻液泄漏的具體位置，并采取補(bǔ)救措施。③對水泵和氣泵、散熱器進(jìn)行檢查，維修或更換有故障的零部件，確保泵、散熱器能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。④檢查其它零部件，排查過熱的原因，包括燃油噴嘴開裂、排氣門泄露、機(jī)油散熱器故障。

6? 結(jié)束語

總的來說，內(nèi)燃機(jī)運(yùn)行環(huán)境日趨復(fù)雜，傳統(tǒng)的減噪、降溫系統(tǒng)已不能解決內(nèi)燃機(jī)日益嚴(yán)重的振動(dòng)和過熱的問題，因此要設(shè)計(jì)一種新型的減噪和降溫系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)冷卻液溫度和流量的控制，解決散熱與振動(dòng)問題，充分滿足內(nèi)燃機(jī)安全運(yùn)行的要求。

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