農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲組成與控制方法分析

南陽師范學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院 宋廣進(jìn) 李果

前言

噪聲對(duì)于環(huán)境及人體的傷害近年來越發(fā)受到重視，不僅影響著人們的身體健康，也影響著人們的心理健康，降低人們的幸福指數(shù)[1]。目前，隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化、電子化水平的不斷提高，農(nóng)村的噪聲污染問題也很突出，影響著農(nóng)民的生活質(zhì)量，需要加強(qiáng)重視程度，而農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備的噪聲是農(nóng)村生產(chǎn)生活的主要噪聲源之一，影響范圍較廣泛，危害性也很大，不容忽視。而且，噪聲與振動(dòng)過大也會(huì)對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備的使用壽命和使用安全性產(chǎn)生不利影響，比如過大的噪聲振動(dòng)可能會(huì)引起農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸和凸輪軸的斷裂失效、傳動(dòng)齒輪的嚴(yán)重磨損失效等問題。因此，為了降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的噪聲，世界各國對(duì)于農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備的噪聲都相繼出臺(tái)了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)進(jìn)行限制，各大農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備制造廠商對(duì)于農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備的噪聲振動(dòng)性能優(yōu)化投入占比也越來越大，噪聲等級(jí)大小也成為了農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備的一個(gè)重要性能指標(biāo)。

其中，發(fā)動(dòng)機(jī)作為農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備的主要噪聲源需要重點(diǎn)關(guān)注，因此，發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲的研究與控制對(duì)于農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備的噪聲優(yōu)化來講是放在首位的。而發(fā)動(dòng)機(jī)又是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的總成，包含兩大機(jī)構(gòu)五大系統(tǒng)，零部件非常多，常見的奧托循環(huán)四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程分為四個(gè)行程，各個(gè)零部件經(jīng)受循環(huán)往復(fù)的周期性沖擊，空氣和可燃混合氣的氣流運(yùn)動(dòng)和燃料燃燒也是周期性循環(huán)，循環(huán)較快。因此，從發(fā)動(dòng)機(jī)的工作過程就可以看出發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲構(gòu)成十分復(fù)雜，不同結(jié)構(gòu)的噪聲類型與噪聲等級(jí)都不同，比如配氣機(jī)構(gòu)既包含氣流運(yùn)動(dòng)的空氣動(dòng)力噪聲，又包含由存在氣門間隙和振動(dòng)引起的機(jī)械噪聲，所以需要分析不同類型噪聲的產(chǎn)生機(jī)理與組成才能進(jìn)一步提出控制方法來降低噪聲。本文從發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲的產(chǎn)生機(jī)理和組成入手進(jìn)行闡述，提出降噪的具體方法來降低農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備的噪聲水平，改善農(nóng)村生活的居住舒適度。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲的組成

發(fā)動(dòng)機(jī)是農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備的動(dòng)力來源，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，能夠產(chǎn)生噪聲的零部件很多，根據(jù)其工作機(jī)理，可將其噪聲分為三個(gè)方面，分別是空氣動(dòng)力噪聲、燃燒噪聲和機(jī)械噪聲[2]。

1.1 空氣動(dòng)力噪聲

空氣動(dòng)力噪聲是由發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)帶動(dòng)的氣流運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的，包括進(jìn)氣噪聲、排氣噪聲和風(fēng)扇噪聲。發(fā)動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)需要連續(xù)不斷的換氣，即氣缸內(nèi)部通過進(jìn)氣門和排氣門的開閉不斷充入新鮮的可燃混合氣或者純空氣，排出燃料燃燒后的廢氣，在進(jìn)氣和排氣的過程中由于氣流振動(dòng)所產(chǎn)生的噪聲為進(jìn)氣噪聲和排氣噪聲。在進(jìn)氣行程時(shí)，進(jìn)氣門開啟，活塞下行，活塞的運(yùn)動(dòng)速度由零開始逐漸增大，活塞附近的氣體隨之運(yùn)動(dòng)，形成壓力脈沖，引發(fā)脈沖噪聲，當(dāng)達(dá)到行程終了時(shí)，進(jìn)氣門關(guān)閉，會(huì)引起氣流速度和壓力的波動(dòng)，引發(fā)波動(dòng)噪聲。在排氣行程時(shí)，排氣門開啟，燃燒后的廢氣會(huì)以極高的速度排出氣缸，經(jīng)由排氣管進(jìn)入大氣，此過程的氣流運(yùn)動(dòng)不穩(wěn)定，噪聲等級(jí)較大，其中排氣噪聲最大的部分為燃燒后的廢氣高速通過排氣門時(shí)的渦流噪聲。

除此之外，伴隨著燃料的燃燒和活塞的循環(huán)往復(fù)摩擦，發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度會(huì)變得很高，需要連續(xù)不斷散熱冷卻，以避免發(fā)動(dòng)機(jī)過熱，發(fā)動(dòng)機(jī)過熱對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)的性能與壽命有著嚴(yán)重的影響。對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻，除了冷卻液的循環(huán)流動(dòng)散熱之外，散熱風(fēng)扇的運(yùn)轉(zhuǎn)也十分重要，能帶走發(fā)動(dòng)機(jī)的一部分熱量，散熱風(fēng)扇的旋轉(zhuǎn)會(huì)不斷切割空氣引發(fā)壓力脈動(dòng)，帶動(dòng)周圍的空氣產(chǎn)生渦流運(yùn)動(dòng)，氣體脈動(dòng)噪聲和氣體渦流的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的噪聲即為風(fēng)扇噪聲。而且隨著轉(zhuǎn)速的增大，風(fēng)扇噪聲等級(jí)迅速增大，甚至?xí)蔀樽钪饕脑肼曉粗弧?/p>

1.2 燃燒噪聲

發(fā)動(dòng)機(jī)的工作過程是將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能，再將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能進(jìn)而驅(qū)動(dòng)車輛前行。燃燒過程隨著可燃混合氣的不斷氧化放熱，氣缸內(nèi)的溫度、壓力不斷升高，由此引起的氣體沖擊振動(dòng)所產(chǎn)生的噪聲即為燃燒噪聲。通過對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過程分析可知，不同燃燒時(shí)期的燃燒特點(diǎn)不同，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒噪聲的影響也不同，以柴油機(jī)為例，在著火延遲期時(shí)燃燒室處于準(zhǔn)備階段，包括可燃混合氣形成的物理階段和混合氣發(fā)生一些化學(xué)反應(yīng)的化學(xué)階段，在速燃期時(shí)燃燒室處于燃料的迅速燃燒膨脹過程，平均壓力升高率是影響燃燒噪聲的重要指標(biāo)，在緩燃期時(shí)燃料燃燒速度逐漸減慢，在補(bǔ)燃期時(shí)氣缸壓力不斷下降，緩燃期和補(bǔ)燃期對(duì)燃燒噪聲影響不大，所以對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒噪聲控制時(shí)主要考慮著火延遲期和速燃期的影響因素。

由于發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)燃燒過程是周期性不斷發(fā)生的，四個(gè)沖程不斷變化，所以氣缸內(nèi)部的壓力是不斷變化的，由此引發(fā)的燃燒噪聲也是不可避免的。如果發(fā)生不正常燃燒，燃燒噪聲會(huì)顯著增加，比如爆燃和表面點(diǎn)火，會(huì)引起較大沖擊振動(dòng)，爆燃會(huì)引起鋸齒波形的氣缸壓力曲線波動(dòng)，燃料放熱速度非?？?，敲缸聲十分明顯，表面點(diǎn)火會(huì)引發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)工作的粗暴程度增大，部分零部件過熱，還有可能進(jìn)一步誘發(fā)爆燃，二者互相促進(jìn)，使燃燒過程不斷惡化。另外，如果發(fā)動(dòng)機(jī)積碳嚴(yán)重會(huì)導(dǎo)致局部過熱形成熾熱點(diǎn)，熾熱點(diǎn)可能會(huì)過早引燃混合氣，造成燃燒過程異常，增大燃燒噪聲。燃燒噪聲分別通過氣缸蓋與氣缸體下部向上、向下輻射傳播[3]。

1.3 機(jī)械噪聲

發(fā)動(dòng)機(jī)的各個(gè)運(yùn)動(dòng)部件在氣體膨脹壓力及慣性力的影響下產(chǎn)生的沖擊振動(dòng)所激發(fā)的噪聲為機(jī)械噪聲。這些運(yùn)動(dòng)部件很多，包括活塞、配氣機(jī)構(gòu)、正時(shí)齒輪、噴油系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)摩擦和由于存在一定間隙及周期性沖擊作用產(chǎn)生的撞擊噪聲等。比如，氣門處不僅有空氣動(dòng)力噪聲，也有機(jī)械噪聲，主要是由氣門的開啟和關(guān)閉時(shí)的沖擊引起的，氣門開啟時(shí)凸輪施加在氣門上的沖擊力和氣門關(guān)閉時(shí)氣門落座的撞擊都會(huì)產(chǎn)生機(jī)械噪聲，氣門開啟或關(guān)閉時(shí)的速度越快，由此產(chǎn)生的噪聲等級(jí)也越大。而且，如果氣門機(jī)構(gòu)工作過程當(dāng)中發(fā)生彈性變形，會(huì)使得氣門的開啟與關(guān)閉不正常，增加氣門撞擊的次數(shù)與強(qiáng)度。由于發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩大與工作轉(zhuǎn)速快，各個(gè)零部件所承受的沖擊也比較大，沖擊次數(shù)非常多，由此產(chǎn)生的噪聲也很大。另外，如果各個(gè)運(yùn)動(dòng)部件的潤滑不充分或潤滑油品質(zhì)變差也會(huì)造成機(jī)械噪聲增大。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲控制方法

2.1 噪聲源識(shí)別方法

對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲類型及產(chǎn)生機(jī)理的分析大體上明確了噪聲產(chǎn)生的部位和產(chǎn)生的原因，但是對(duì)于噪聲的量級(jí)和源頭的確定還不夠具體，需要進(jìn)一步借助聲壓檢測法或聲強(qiáng)檢測法的噪聲測試技術(shù)來進(jìn)行分析研究。

聲壓檢測法是依據(jù)相關(guān)測試標(biāo)準(zhǔn)通過建立包絡(luò)面利用聲壓傳感器來采集不同點(diǎn)位的聲壓級(jí)，通過相關(guān)計(jì)算得到聲功率級(jí)，聲壓檢測法對(duì)于實(shí)驗(yàn)環(huán)境要求比較高，對(duì)測量設(shè)備要求也比較高，而且測試結(jié)果容易受到外界環(huán)境的影響，需要在消聲室或者半消聲室進(jìn)行才比較準(zhǔn)確，農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備一般體積較大，構(gòu)建聲壓檢測法的實(shí)驗(yàn)環(huán)境比較復(fù)雜，花費(fèi)的成本也比較高，因此，大型農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備不太適合采用聲壓檢測法。

相對(duì)于聲壓檢測法來說，聲強(qiáng)檢測法對(duì)于實(shí)驗(yàn)環(huán)境的要求較低，而且操作簡單方便，不需要同時(shí)構(gòu)建出所有測量點(diǎn)位矩陣，可以利用手持式聲強(qiáng)傳感器依據(jù)掃描路線進(jìn)行移動(dòng)依次檢測，包絡(luò)面各個(gè)離散點(diǎn)位的數(shù)據(jù)，聲強(qiáng)傳感器探頭移動(dòng)時(shí)注意保證各點(diǎn)位的均勻性以及和測量面的垂直，得出各個(gè)測量點(diǎn)位的聲強(qiáng)級(jí)，得到聲強(qiáng)云圖，計(jì)算出聲功率級(jí)，比較適用于大型農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備。

通過聲壓檢測法或者聲強(qiáng)檢測法精確得到噪聲源的具體方位和各個(gè)部位的噪聲等級(jí)，然后分析研究不同類型噪聲的控制方法，提出降噪措施。

2.2 空氣動(dòng)力噪聲控制方法

對(duì)于進(jìn)氣噪聲和排氣噪聲的控制應(yīng)選擇合理的且符合空氣動(dòng)力學(xué)的進(jìn)氣管、排氣管與恰當(dāng)?shù)臍忾T結(jié)構(gòu)，管內(nèi)的接口及拐角處設(shè)置圓角平滑過渡，避免存在鋒利的邊緣，對(duì)于空氣濾清器的濾芯選擇也要合理，應(yīng)選擇阻力小的濾芯，減少氣體在管路內(nèi)流動(dòng)的阻滯，避免在氣流在管路中產(chǎn)生較強(qiáng)的渦流、脈動(dòng)及共振現(xiàn)象等，以降低這些形式的空氣動(dòng)力噪聲。另外，還可以加裝一個(gè)或者多個(gè)消聲器來削弱進(jìn)氣噪聲和排氣噪聲，消聲器的參數(shù)也要合理匹配，令消聲器的效果達(dá)到最佳，比如直徑不宜大于360mm 等。對(duì)于散熱風(fēng)扇的噪聲控制來講，可以從風(fēng)扇的材料與結(jié)構(gòu)形式入手，進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，比如塑料材料的應(yīng)用、風(fēng)扇葉片均勻度的改進(jìn)等，還需優(yōu)化調(diào)整散熱風(fēng)扇與散熱器之間的距離，在達(dá)到最好的散熱效果的同時(shí)降低散熱風(fēng)扇的噪聲。

2.3 燃燒噪聲控制方法

對(duì)于燃燒噪聲的控制可以基于燃料的燃燒規(guī)律來優(yōu)化燃燒室的形式，降低燃燒過程的壓力升高率，比如將燃燒室做成兩部分的分隔式燃燒室，提高燃燒過程的柔和性，能夠顯著降低噪聲等級(jí)。燃料特性方面對(duì)燃燒噪聲大小也有影響，柴油可選用高十六烷值的，汽油可選用高辛烷值的，以提高燃料的蒸發(fā)性，縮短著火延遲期，進(jìn)而降低燃燒噪聲。

從發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程控制方面，能夠縮短著火延遲期，減弱燃燒粗暴程度，能降低燃燒噪聲，比如推遲噴油或點(diǎn)火時(shí)間和避免過低的氣缸溫度等。增壓技術(shù)的采用可以改善燃料的著火條件，壓縮行程結(jié)束時(shí)氣缸內(nèi)部的溫度和壓力均比未增壓的發(fā)動(dòng)機(jī)高，這樣也能縮短發(fā)動(dòng)機(jī)著火延遲期，而且隨著增壓壓力值的增大，燃燒過程的壓力升高率逐漸降低，燃燒噪聲的降噪效果就越好。另外，發(fā)動(dòng)機(jī)使用一段時(shí)間之后缸內(nèi)積碳增多，要及時(shí)維護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)，清除缸內(nèi)積碳，使得燃料燃燒更加充分，進(jìn)一步降低噪聲，尤其是對(duì)于降低怠速時(shí)的抖動(dòng)和噪聲很有效果。

2.4 機(jī)械噪聲控制方法

對(duì)于機(jī)械噪聲的控制應(yīng)減少發(fā)動(dòng)機(jī)的各個(gè)配合零部件的沖擊振動(dòng)，保證合適的配合間隙與精度，避免過大的慣性力引起的劇烈機(jī)械振動(dòng)，如活塞的敲擊、缸蓋的變形等振動(dòng)[4]?；钊脫袈暤慕档鸵部梢詮母滋讋偠鹊脑黾雍突钊Y(jié)構(gòu)改進(jìn)入手，比如缸套增厚、缸套增設(shè)加強(qiáng)筋或優(yōu)化活塞裙部結(jié)構(gòu)等。減小相關(guān)驅(qū)動(dòng)零部件的質(zhì)量大小能減小產(chǎn)生沖擊的慣性力，降低噪聲。

另外，對(duì)于燃油供給系統(tǒng)內(nèi)燃油流動(dòng)時(shí)摩擦造成的噪聲控制方面，可對(duì)燃油泵、燃油濾清器與噴油器等零部件進(jìn)行合理選用與設(shè)計(jì)。對(duì)于潤滑系統(tǒng)的噪聲控制可以機(jī)油泵和油底殼的型式選擇以及油道的結(jié)構(gòu)改進(jìn)考慮，比如采用擺線轉(zhuǎn)子式機(jī)油泵、干式油底殼以及圓形油道等，發(fā)動(dòng)機(jī)在使用過程中還應(yīng)及時(shí)更換機(jī)油，避免潤滑情況變壞。對(duì)于正時(shí)齒輪的傳動(dòng)噪聲控制應(yīng)從材料、加工精度與布置方式等方面進(jìn)行優(yōu)化，降低噪聲，正時(shí)皮帶在工作過程中會(huì)有一定的磨損，要及時(shí)進(jìn)行維護(hù)，調(diào)整皮帶的松緊度，避免由于皮帶的顫動(dòng)或打滑造成噪聲增大。對(duì)于氣門處的機(jī)械噪聲限制可優(yōu)化凸輪型線的設(shè)計(jì)，進(jìn)而降低氣門在剛開始升起和最終落座時(shí)的速率，減小沖擊，也可提高凸輪的加工精度，減小氣門間隙大小，以降低噪聲[5]。

2.5 噪聲傳播控制方法

對(duì)于空氣動(dòng)力噪聲、燃燒噪聲和機(jī)械噪聲的產(chǎn)生途徑控制并不能完全消除噪聲，而且發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)零部件的振動(dòng)會(huì)傳導(dǎo)至外表，進(jìn)而引發(fā)外表的振動(dòng)響應(yīng)，導(dǎo)致噪聲的輻射傳播，僅對(duì)各類型噪聲產(chǎn)生部位的控制可能達(dá)不到預(yù)期的降噪目標(biāo)，因此對(duì)于噪聲傳播過程的降噪優(yōu)化也十分重要。噪聲傳播過程的降噪措施有多種形式，可采用相關(guān)的隔聲降噪與防振方法，阻止噪聲的傳播輻射，能夠阻斷各零部件激振力的傳遞和降低發(fā)動(dòng)機(jī)外表的聲輻射效率的方式均是可以有效降噪的，比如在發(fā)動(dòng)機(jī)外圍加裝隔音棉與隔音罩、在發(fā)動(dòng)機(jī)殼體表層涂抹減振隔聲層[6]、優(yōu)化曲軸箱結(jié)構(gòu)、增設(shè)減振支承、油底殼采用雙層結(jié)構(gòu)等措施都可以降低傳到駕駛員與其他人員耳中的噪聲等級(jí)，達(dá)到降噪的目的。

另外，還可以增設(shè)發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲的檢測裝置，在發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)啟動(dòng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲水平和有無異響情況，如果傳感器檢測到發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲超過正常閾值便啟動(dòng)相應(yīng)的聲光報(bào)警功能，讓駕駛員及時(shí)察覺，并及時(shí)維護(hù)修理，并且將此故障情況反饋給發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元，記錄下這一故障狀態(tài)，必要時(shí)還可以自動(dòng)關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)，防止意外事故的發(fā)生，保障駕乘人員的生命安全。

3 結(jié)語

通過對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)各部分噪聲產(chǎn)生的機(jī)理與降噪方法的分析研究，明確了空氣動(dòng)力噪聲、燃燒噪聲與機(jī)械噪聲的影響因素與不同類型噪聲降噪的一般方法，為農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備的噪聲優(yōu)化打下基礎(chǔ)，為進(jìn)一步減輕農(nóng)村噪聲污染做出貢獻(xiàn)，促進(jìn)人們的身心健康發(fā)展。