柴油機(jī)用復(fù)合式消聲器設(shè)計與實驗探究

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摘要：針對公司研發(fā)的一款鐵路維護(hù)機(jī)械，設(shè)計了共振腔型帶穿孔管的阻抗復(fù)合式消聲器。首先進(jìn)行抗性消聲器設(shè)計，通過對中低頻的噪聲進(jìn)行分析計算，得到消聲管道直徑、共振腔直徑、穿孔管板厚、開孔直徑、共振腔長度和開孔個數(shù)等關(guān)鍵參數(shù)。然后，通過在抗性消聲器內(nèi)增加阻性材料，便成為阻抗復(fù)合式消聲器。最后，根據(jù)理論計算結(jié)果進(jìn)行消聲器模型設(shè)計和制造，并裝車驗證。實驗結(jié)果表明，所設(shè)計的阻抗復(fù)合式消聲器能在不同工況下有效降低發(fā)動機(jī)的排氣噪聲。

關(guān)鍵詞：鐵路維護(hù)機(jī)械；阻抗復(fù)合式消聲器；共振腔；穿孔管

0引言

隨著各種技術(shù)的應(yīng)用和進(jìn)步，鐵路維護(hù)作業(yè)的機(jī)械化、自動化程度逐年提高，原本耗費大量人力、勞動強(qiáng)度大的作業(yè)如換軌、換枕、擰扣件螺栓等正逐年被各種大中小型作業(yè)機(jī)械替代。相比蓄電池或交流電網(wǎng)供電，柴油發(fā)動機(jī)因其可在惡劣環(huán)境下工作、能量產(chǎn)生與使用方便、扭矩大、可獨立作業(yè)等優(yōu)點而被大中型鐵路維護(hù)機(jī)械廣泛采用。公司研發(fā)了一款鐵路維護(hù)機(jī)械，用于對鐵路扣件進(jìn)行擰緊、擰松、除污、噴油等維護(hù)工作，其采用發(fā)動機(jī)提供動力，需要設(shè)計一款消聲器以降低排氣噪聲，減小噪聲污染對環(huán)境的影響。根據(jù)消聲原理的不同，消聲器分為阻性消聲器、抗性消聲器和阻抗復(fù)合式消聲器[1]。阻性消聲器是利用阻性材料進(jìn)行消聲，將部分聲能轉(zhuǎn)化為熱能而被吸收，達(dá)到消聲目的，主要用于進(jìn)氣噪聲的降低或排氣消聲要求高場合，適用中高頻噪聲；抗性消聲器利用氣流管道上截面積突變或共振腔使得聲音阻抗發(fā)生改變，主要用于內(nèi)燃機(jī)等的排氣噪聲，適用中低頻噪聲；阻抗復(fù)合式消聲器把阻性與抗性消聲器的原理結(jié)合起來，適應(yīng)低、中、高頻噪聲。本文鐵路維護(hù)機(jī)械所采用的發(fā)動機(jī)基本參數(shù)如表1所示。根據(jù)前文的分析，發(fā)動機(jī)排氣噪聲主要成分為中低頻噪聲，同時含有少量的高頻噪聲。考慮到設(shè)計復(fù)雜性和經(jīng)濟(jì)性，本文采用阻抗復(fù)合式消聲器進(jìn)行消聲。首先進(jìn)行抗性消聲器設(shè)計，對中低頻噪聲進(jìn)行分析計算，得到關(guān)鍵參數(shù)。然后，在抗性消聲器內(nèi)增加阻性材料成為阻抗復(fù)合式消聲器。最后進(jìn)行制造和裝車驗證。

1消聲器設(shè)計計算

按照發(fā)動機(jī)廠家的要求以及中低頻帶的劃分準(zhǔn)則，本文擬設(shè)計用于消除中心頻率為63Hz、125Hz、250Hz和500Hz聲音的發(fā)動機(jī)排氣消聲器，倍頻帶消聲量不小于20dB，為共振腔型帶穿孔管阻抗復(fù)合式消聲器。根據(jù)文獻(xiàn)[1]，兩個或兩個以上消聲器串聯(lián)時，噪聲總的衰減量近似等于各個消聲器噪聲衰減量（dB）的總和，因此本文近似將各中心頻率對應(yīng)的各頻段的消聲量設(shè)定為5dB。本節(jié)以中心頻率63Hz的噪聲為例進(jìn)行消聲計算說明。對于共振腔型抗性消聲器，共振腔的體積V由下式計算[2]：（1）式中：cT為絕對溫度T下的聲速，cT=20050姨T（mm/s）；K為與消聲器性能相關(guān)的一個常數(shù)；為消聲管道的直徑（mm），f0為共振頻率（Hz），即想要消聲的頻段的中心頻率，此處f0=63Hz。根據(jù)文獻(xiàn)[1]，消聲器內(nèi)溫度一般為500-700°C，取T=873.15K；對于消聲管道的直徑，根據(jù)經(jīng)驗取=75mm；K受很多因素影響，通常由經(jīng)驗公式計算[3]：ΔL=10lg（1+2K2）（2）式中：ΔL為消聲量（dB），此處ΔL=5dB。對于共振腔型帶穿孔管的抗性消聲器，共振腔長度L：L=4Vπ（d22-d12）（3）式中：V為共振腔的體積（mm3）；d2為共振腔的直徑（mm），根據(jù)發(fā)動機(jī)尺寸和安裝空間，取d2=250mm；為消聲管道的直徑（mm）。下面需要確定穿孔管的相關(guān)參數(shù)，穿孔管性能常用導(dǎo)通率G來描述[3]：（4）（5）式中：n為開孔數(shù)量；d3為開孔的直徑（mm）；t為穿孔管的板厚（mm）。根據(jù)文獻(xiàn)[1]，取d3=5mm，t=2mm，求得n=1.88，取整為開2個孔。綜上，可以求得上述四種頻率（63Hz、125Hz、250Hz、500Hz）的消聲計算結(jié)果如下：消聲管道直徑均為75mm，共振腔直徑d2均為250mm，穿孔管板厚t均為2mm，開孔直徑d3均為5mm，共振腔長度L分別為308mm、155mm、78mm和39mm，開孔個數(shù)分別為2、4、7、15。前面完成了抗性消聲器的設(shè)計計算，在此基礎(chǔ)上，我們在共振腔內(nèi)加入阻性材料，使得消聲器具備阻性，以對少量的高頻噪聲進(jìn)行去除。由于阻性消聲器設(shè)計目前尚缺乏進(jìn)行較為精確的計算公式，一般是根據(jù)經(jīng)驗添加阻性材料。我們在最大的共振腔內(nèi)加入玻璃纖維，圍繞共振腔內(nèi)壁進(jìn)行敷設(shè)，厚度50mm，容重20kgf/m3，其對中心頻率為500Hz、1000Hz、2000Hz、4000Hz的中高頻噪聲的吸聲系數(shù)均在0.85以上。當(dāng)聲波通過敷設(shè)有玻璃纖維的共振腔時，聲波將激發(fā)玻璃纖維中眾多小孔內(nèi)空氣分子的振動，由于摩擦阻力和粘滯力的作用，使得一部分聲能轉(zhuǎn)化為熱能耗散掉，從而達(dá)到消聲目的。

2實驗驗證

根據(jù)上述結(jié)果，將消聲器模型設(shè)計成如圖1所示，在腔1中加入厚度50mm的玻璃纖維。根據(jù)設(shè)計的模型進(jìn)行制造，由于車上安裝空間的限制，排氣管尾端朝下，從車的側(cè)下方排氣。將制造好的消聲器通過支架和U型螺栓安裝在發(fā)動機(jī)上，進(jìn)行裝車驗證，如圖2所示。根據(jù)《GB/T4759-2009內(nèi)燃機(jī)排氣消聲器測量方法》的要求，在與排氣口氣流軸向成45°方向上、距離排氣口250mm的一圈位置均分地設(shè)置A、B、C、D四個點測量噪聲[4-5]，如圖3所示。發(fā)動機(jī)設(shè)定怠速800r/min和額定轉(zhuǎn)速2000r/min兩種工況。測量結(jié)果如表2所示，其中1）代表不安裝消聲器，2）代表安裝所設(shè)計的阻抗復(fù)合式消聲器。由表2可知，安裝消聲器后，排氣噪聲在不同工況下降低了12.1-16.5dB，噪聲降低較為明顯，顯示了所設(shè)計的消聲器的良好降噪性能。另外，2000r/min工況下消聲效果更加明顯。雖然消聲效果滿足了廠家的推薦值，但是因為消聲器的設(shè)計涉及到多種因素，難以通過簡單的理論計算得到準(zhǔn)確的設(shè)計結(jié)果，未來要根據(jù)制造經(jīng)驗和測試結(jié)果進(jìn)行改進(jìn)，進(jìn)一步提升其性能。

3總結(jié)

針對公司研發(fā)的一款鐵路維護(hù)機(jī)械，設(shè)計了共振腔型帶穿孔管阻抗復(fù)合式消聲器。首先，通過對中低頻的噪聲進(jìn)行分析計算，得到消聲管道直徑、共振腔直徑、穿孔管板厚、開孔直徑、共振腔長度和開孔個數(shù)等關(guān)鍵參數(shù)。然后，在抗性消聲器中加入玻璃纖維作為阻性材料以對高頻噪聲進(jìn)行去除，形成阻抗復(fù)合式消聲器。根據(jù)計算結(jié)果進(jìn)行消聲器模型設(shè)計并裝車驗證。實驗結(jié)果表明，所設(shè)計的消聲器能在不同工況下有效降低發(fā)動機(jī)的排氣噪聲。未來將根據(jù)制造經(jīng)驗和樣機(jī)測試結(jié)果進(jìn)一步提升該阻抗復(fù)合式消聲器的性能。

參考文獻(xiàn)：

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作者:何大勇 王印軍 周峰 單位:常州中車瑞泰裝備科技有限公司