柴油机的局部振动及噪声控制探析

李艳会，卜林森，查晓妍

（南京航空航天大学机电学院，江苏南京 210016）

0 引言

在动力机械中存在着大量的振动问题，如柴油机工作时，由于气缸内的压力和运动部件的惯性引起的轴系振动。噪声作为一种环境污染，严重地影响人们的正常生活，改善环境噪声已成为环境保护的一项重要内容，控制和降低柴油机噪声是柴油机的品质评价指标之一。研究振动的目的有两个方面:1）掌握机械振动的规律，利用振动为人类造福;2）设法减小振动的危害.在不断追求柴油机高效率、低油耗的同时，振动和噪声的分析研究作为柴油机设计的重要环节。

1 振动和噪声对人的危害

许多振动现象对人类有益或为人类利用，但是对大多数机械结构来说，振动往往是有害的，它不仅使机器的精度和其他性能降低，而且使构件中增加了附加动应力，缩短了构件的寿命，甚至酿成灾难性的事故。例如:振动使精密仪器无法正常工作;舰船轴系振动引起推进轴系断裂;汽轮发动机组剧烈振动而断轴，引起机毁人亡的事故发生等。

人耳所能容忍的最高声压一般为120 dB～125 dB，超过可容忍程度，就感觉不适，如发痒或疼痛。当人长年累月在强噪声下工作，长期不断的收到强噪声的刺激，会使内耳感觉器官发生病变。当人们突然暴露于及其强烈的噪声环境下，则会引起鼓膜破裂出血等外伤，甚至丧失听力。噪声对人体的影响是多方面的，除了引起耳聋外，对神经系统及心血系统等方面也有明显的影响。长期接触噪声的人，常会出现头疼、脑胀、昏晕、耳鸣、多梦、瞌睡、心慌、记忆力减退和全身无力等症状;由于视觉器官被伤害，可能患有眼痛、视力减退、眼花等症;同时，由于胃功能紊乱，会表现出食欲不振、恶心、肌无力、消瘦、体质减弱等现象。噪声对内分泌系统也有影响，医学界在噪声病例中发现患者体内物质代谢被破坏。血液中的油脂及胆固醇升高，甲状腺活动增强并有轻度肿大。

2 柴油机振动和噪声的分类

2.1 振动的分类

柴油机发生各类振动的激励，主要来自气缸内的气体压力，以及由于主运动结构的运动而产生的惯性力。由于这些力都是周期性变化的，将引起柴油机产生以下振动。

a）整机振动

由于曲柄连杆机构中的活塞往复运动将产生往复惯性力，在多气缸时，还会产生往复惯性力矩，此外由于气体压力以及往复惯性力的变化特性，由此产生的扭矩也是周期性变化的，这将引起倾覆力矩。以上这些力矩是构成柴油机振动的激励源。柴油机的整机振动包括上下、前后、左右的跳动，以及绕三个轴的摇动，使得柴油机成为工作中最不稳定的动力机。

b）曲轴系的扭转振动

柴油机的曲轴是输出动力的主要部件，它与从动部件以中间轴相连，组成一个扭转的动力系统。由于柴油机工作的间歇周期性，使得作用于曲轴上的一个变化的周期性扭矩，这将引起轴系的扭转振动。

柴油机曲轴系的扭转振动，其曲轴系在回转过程中，平均扭变量上所叠加的一种扭转振动现象。在较大功率的内燃机装置中，曲轴系的固有频率较低，往往会在柴油机的工作转速范围内，由某些较强的激励谐次发起共振而形成过大的扭转共振现象，从而产生较大的动态扭振附加应力。

c）曲轴系的纵向振动

由于柴油机曲轴系是一个金属的弹性系统，除了会产生扭转振动外，还可能产生轴向的振动。柴油机在曲拐上除了作用有交变的扭矩外，还受到交变的法向作用力，而曲拐在受到法向作用力时会产生轴向变形，这就形成了轴向的激励，使曲轴系的轴端受到交变拉力而形成纵向振动。

d）曲轴系的横向振动

在柴油机曲轴系上，由于受到切向和法向的交变应力，最后将形成曲轴系支承梁的垂直和水平方向的振动。由垂直以及水平方向的振动将组成轴系的回旋振动，因此有时称轴系的横向振动为回旋振动。在柴油机的曲轴部分，为了支撑较大的切向以及法向负荷，通常在每一曲拐的左右均配有主轴承，因而曲轴的横向直梁型振动其自振频率很高，除极高谐次外，不会发生梁共振，而高谐次的激励值一般很小，不足以引起由于横向振动的动态放大而导致的损坏，因此在柴油机装置中对曲轴系的横向振动尚未被重视。

以上都是柴油机可能发生的一些主要振动方式，它们的响应特性是人们设计、制造、运用柴油机时研究的主要方面。柴油机上所有的零部件如油、水、气管，各配件及支架等，从其性质上来讲都是质量弹性系统，都存在模态振型以及响应的固有频率，当受到外界刺激时都会发生响应，尤其是发生共振响应时，其振动将会达到破坏性的效果。这些零部件的激励源来自于柴油机的整机振动，如果内燃机完全没有振动，这当然是理想情况，也就不会发生局部振动，但这是不可能实现的。柴油机中的离心力及力矩，一次及二次往复惯性力及力矩等强激励是有可能采取专门的平衡措施予以消除。但是其倾覆力矩通常是无法准确的予以克服，此外，实际的往复惯性力，在四次谐波以上由于其量级较小而忽略不计，但是这并不表示它不存在，再加上计算中的理想化和各种假设带来的误差等，以及柴油机在加工中的许多误差范围，也使得回转部件存在剩余的不平衡力等，这些都构成实际的激励因素，它具有很广阔的频域范围，使得理想化的计算分析，并不能去除所有可能发生的振动响应，使得局部振动问题无法下手，以致防不胜防。

通常来说，处理局部振动的主要方法，除了某些特殊的专用设备，由于抗振的特殊要求，而专门设计弹性的支座外，一般是用改变刚度的方法避开低谐次、大激励量的激励，使之不发生危险谐次。

2.2 柴油机噪声的分类

柴油机的噪声按辐射方式不同，可分为气体动力噪声和表面辐射噪声。气体动力噪声包括进气噪声、排气噪声和风扇噪声，一般呈低、中频特性。表面辐射噪声包括燃烧噪声和机械噪声。以下是上述几种主要噪声的形成原因。

a）排气噪声

在上述几种噪声中，以排气噪声最为突出，排气噪声是柴油机的最强噪声源。对于非增压柴油机来说，排气噪声最强。排气噪声主要来源于气流在排气管中的压力脉动，产生中、低频噪声，以及气流高速流经排气门流通截面时产生的高频涡流噪声。

b）燃烧噪声

燃烧噪声是由气缸内气体压力周期性变化而引起的动载荷以及由冲击波引起的高频振动产生的，随气缸压力升高率增大而增高。

c）机械噪声

机械噪声主要由曲柄活塞连杆机构、配气机构、齿轮机构和喷油泵等运动件与其联接件发生频繁的机械撞击，激励结构振动而产生噪声。主要有如下几种:

1）活塞敲击噪声:活塞对气缸壁的敲击往往是柴油机最强的机械噪声。产生敲击的主要原因是活塞与气缸套之间存在间隙，以及作用在活塞上的气体压力。

2）齿轮传动系统中齿轮啮合间隙的存在、曲轴扭转振动和弯曲振动以及齿轮、喷油泵等扭矩的波动，引起上述几种运动件振动产生噪声。

3）扭转振动及不平衡力矩产生的撞击。

3 柴油机的局部振动和噪声控制措施

3.1 柴油机的局部振动控制

a）曲轴前端断裂问题的出现原因分析及控制措施

曲轴前段振动过大的原因是连接装置与曲轴前端的冲击过大引起的，最有效的方法是通过缓冲减小皮带的冲击。因此可以考虑将机器与皮带轮之间增加一个过渡轮，来缓解连接皮带对皮带轮的冲击，或加粗危险截面。

b）油管局部振动问题的出现原因分析及控制措施

对于柴油机的高压油管来说，其两端分别连接在喷油泵和喷油器上，由于两端的振动情况不协调，振幅相差太大，使得高压油管长期处于扭搓比较严重的状态下工作，从而导致疲劳断裂，导致油管断裂事故的发生。

目前柴油机油泵与驱动齿轮之间是由一根连接轴来驱动的，这样由于连接轴的加工误差和安装精度等方面的原因，特别是安装同轴度的误差对于油泵的振动有比较大的影响。对于已出厂的柴油机来说，由于更换柴油机的喷油泵比较困难，要受到多方面的制约，因此由于周期性供油而产生的脉冲激励也难以改变。所以最直接的方法就是将喷油泵支架的固有特性改变，使共振转速提高或降低到或者不常用的转速下。

1）更换刚度较低的支架，使共振转速降低到1 300 r/min，虽然没有避免谐振发生，但是避免了危险谐振发生在常用转速。

2）改变油泵的连接方式，将喷油泵右移，与驱动齿轮之间用法兰连接，油泵底也不需要支架，只需要对其固定就可以避免连接轴的加工和安装误差，从而减轻油泵的振动，油管嘴端的振动也有所降低。油泵改用法兰连接后，油管泵端的振动明显减轻，并且在所有转速范围内避免了危险谐振，有效地解决了高危险谐振的问题。

3.2 柴油机的噪声控制

1）对于排气管处辐射的噪声，主要是排气脉冲造成的排气管的局部性振动而引起的，对于该部分噪声的控制，主要是对其局部振动的控制。而对于管件，最有效的措施是在其外壁涂上阻尼涂料，如沥青、软橡胶以及其他高分子材料等内损耗较大的材料，减小管件的局部性振动。

2）对于控制齿轮噪声的传播，可以采取合理设计齿轮箱以及对齿轮箱进行屏蔽两个方面的措施。为了减少噪声传出和再生，在设计齿轮箱时，应该提高箱体的刚度，以防止箱体固有频率和齿轮啮合频率发生共振响应;再者就是要提高箱体的密封性，减少通向外界的孔道数目和大小，可以防止齿轮噪声直接向外传出，从而起到隔声的作用;在箱体外面再覆盖一层阻尼材料，可以使箱体表面的辐射噪声明显减弱。

3）对于缸盖和油底壳部分辐射的噪声，可以通过局部隔声的办法来降低其噪声辐射。在整个缸盖部分和油底壳部件上分别加上隔声罩，隔声罩用层状阻尼材料制成或者是涂有阻尼材料的钢板做成，与机器弹性连接，并要与机器表面有一定的间距，注意隔声罩的密封性。其中要注意的是隔声罩不能与机器刚性连接，如果隔声罩用薄钢板做成，与柴油机刚性连接，则对降噪毫无效果有时甚至还会放大;如果隔声罩有间隙或孔，由于声波的泄漏，会导致隔声效果降低。因此使用隔声罩要注意连接方式和密封性。

4 结语

综上所述，影响柴油机振动噪声的因素多种多样，单靠采用某一种方法很难大幅度地把振动噪声降低下来。解决振动噪声控制问题，在设计阶段就需要充分重视，同时还需要进行投资核算，力求高的经济效益。目前，计算机辅助设计、仿真设计等相关软件都在柴油机振动噪声控制中用于其内部噪声源以及隔声罩、消声器声场仿真计算，从而达到低成本、高效率的要求。

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