铁路内燃机活塞づ幕髟肷影响因素探讨

沈 骏

摘要:作为我国铁路运营的主力军内燃机车,由于机车在设计上普遍采用了先进的设计方法,在制造上大量采用新技术新工艺和新材料,使得提速机车的固有可靠性比以往的内燃机车得到大幅度提高。但是内燃机活塞拍击作为内燃机振动的主要激励源之一,其引起的噪声是内燃机仅次于燃烧噪声的最大的机械噪声。对于此问题,进行了相关的探讨,对降低道路交通噪声,缓解环境噪声具有重要的现实意义。

关键词:内燃机;噪声;改进

中图分类号:TK4

文献标识码:A

文章编号:16723198(2009)20030102お

内燃机车具有柴油机和辅助系统。内燃机活塞拍击作为内燃机振动的主要激励源之一,其引起的噪声是内燃机仅次于燃烧噪声的最大的机械噪声。随着内燃机向高速化、轻量化发展,内燃机机械噪声也因此显得更加突出,同时抑制燃烧噪声技术措施一般与内燃机提高动力性的要求相矛盾,因此控制内燃机表面辐射噪声的重心一般放在机械噪声源的控制上,而活塞拍击噪声作为内燃机最大的机械噪声源,理所当然的是内燃机机械噪声控制的重点。因此对铁路内燃机活塞拍击噪声的探讨,探索清楚活塞拍击噪声的各种影响因素,从而掌握内燃机机械噪声控制核心技术。

1铁路内燃机活塞拍击噪声影响因素的探讨

20世纪70年代初期,Fawcett.J.N和Burdess,J.S分别讨论了采用传统的活塞环和带角度的活塞环的燃气爆发压力,并研究了活塞销偏置和采用带角度的活塞环对燃气爆发压力的影响趋势,从而控制活塞拍击力的大小。Grover E C和Lalor N.研究表明,燃烧室的压力量级和振荡幅度、连杆比参数等因素对活塞敲击噪声也有影响。R.WILSON和J.N.FAWCETT通过研究平面曲柄-滑块机构的运动机理,分别讨论了间隙大小、活塞与汽缸壁的摩擦力大小以及曲柄转速对活塞拍击力的影响。DeJong.R.G和Parsons.N.E.针对V6发动机的由活塞拍击引起的噪声进行测量和动态分析,指出发动机缸套的安装形式是活塞拍击噪声的一个重要影响因素。1985年,Richmond,J.W.和Parker,D.A.研究了活塞间隙和活塞裙部椭圆度对活塞拍击噪声的影响,指出活塞间隙过小影响油膜的形成,加剧了活塞的磨损,从而引起振动噪声过大。

1992年,国内的周勇麟和李树珉通过研究指出:敲击的强度主要取决于气缸5的最高燃气爆发压力和活塞与缸壁的间隙大小,因此这种活塞拍击噪声既与内燃机的燃烧有关,又和内燃机活塞的具体结构有关。1999年,王政、唐建、于旭东等从活塞动力学分析开始,结合流体动力润滑方程,建立了活塞裙部-缸套间的润滑模型,计算模拟四冲发动机活塞二阶运动和摩擦功率的轨迹,并将原始的直线型裙部廓线与国外的中凸型廓线进行了对比,探讨其优劣。同年,张标标,张宗杰和刘永长提出了活塞裙部摩擦润滑的数学模型,该模型考虑了活塞裙部表面粗糙度、裙部线型对活塞润滑和摩擦的影响,所编制计算程序用于计算整个活塞横向运动轨迹,并揭示出活塞在正常工作情况下其裙部油膜力和摩擦力与曲柄转角的函数关系。

根据现今研究表明,内燃机活塞拍击受诸多因素影响,除了燃气爆发压力和活塞与缸体之间不可避免的存在间隙重要因素之外,还包括活塞质量、活塞销位置、连杆比、活塞裙部长度、曲轴轴线位置、活塞质心高度、活塞裙部结构形式。众多学者建立起了这些影响因素和拍击力之间的定量的关系,但是由于缺少活塞拍击噪声的理论模型,因此没有建立这些影响因素与拍击噪声之间的定量关系,相应的这些影响因素对活塞拍击噪声的影响规律也只是通过活塞拍击力或动能改变量定性的给出。探索清楚这些参数对活塞拍击噪声的影响规律,是对活塞进行低拍击噪声设计和改进的理论基础,因此是一个非常有研究价值的问题。

根据内燃机产生噪声的因素,采取行之有效的措施减小活塞拍击力从而控制其产生的噪声,相关学者主要从以下几个方面着手:减小活塞的质量,从而减小活塞工作过程中的惯性力;减少活塞和气缸在各工况下的间隙,采用紧配式活塞,优化它与气缸间的间隙;优化设计活塞裙部廓线形状,采用中凸形或锥形;加强活塞的润滑,从而降低冲击强度;采用活塞销偏置或曲轴销偏置。对这些控制措施的影响规律绝大多数都是针对活塞拍击力而言的,而没有见到文献讨论这些控制措施对活塞拍击引起的噪声的影响规律。

2低拍击噪声活塞改进设计

根据现今的研究成果结合实际情况,对原有的活塞进行低拍击噪声改进。

通过长时间研究我们可以得知,减小活塞裙部与缸壁之间的间隙是最直接最有效的降低活塞拍击噪声的办法,但是由于活塞与缸壁之间的间隙是一个涉及活塞和缸壁热膨胀、活塞裙部的润滑等多方面问题,如果不考虑这些因素直接修改活塞与缸壁的间隙,可能导致活塞刮伤缸壁,甚至被卡死。活塞质量直接影响活塞运动中的惯性力大小,也是影响活塞拍击噪声的一个重要因素,但是活塞工作过程中,高温高压,对其强度要求非常严格,因此对其进行修改的可能性也不大。连杆比是内燃机一个非常重要的设计参数,前面分析已知减小连杆比可以降低活塞拍击引起的噪声。减小连杆比要么是减小曲轴半径,要么是增加连杆长度,如果减小曲轴半径同时又要保证发动机排量不发生变化,则必须增加活塞和缸筒的半径;如果增加连杆长度,这会增加发动机高度方向的尺寸,涉及到缸体尺寸和发动机布置位置的修改,因此通过修改连杆比来降低活塞拍击噪声,需要考虑和修改的其他问题很多。由前面分析可知,对曲轴轴线向主推力面进行适当的偏移,也将会产生降低活塞拍击噪声的效果,但是对曲轴轴线位置进行修改,涉及到修改曲轴箱体的结构形式,改动量也相当的大。因此,就改进的方便性和可行性而言,修改活塞销偏移距离、活塞裙部刚度、活塞裙部下端长度等参数相对来说比较容易实现。由前面分析,活塞销轴线由原来的偏向主推力面0.5mm改为1mm,并且活塞销孔轴线向下平移2mm,活塞裙部下端长度减少0.5mm,通过在活塞裙部开槽的方法降低活塞裙部下端的刚度。

总之,本文缺乏对活塞拍击噪声影响规律定量的研究,因此这些控制措施只能为活塞低拍击噪声设计和改进提供方向性意见,而不能进行定量的参数优化匹配设计。但深入探讨这些控制措施对活塞拍击噪声的影响规律是非常有必要的。