книги из ГПНТБ / Разумовский М.А. Борьба с шумом на тракторах

лше расчетным путем для низко- и высокочастотных диа­ пазонов. При расчетах и построении низкочастотного диапазона спектров принималось а = 0,6 для процесса впуска и а = 0,8 для процесса выпуска. Удовлетворитель­ ное г-совпадение рассчитанных спектров с эксперимен­ тальными позволяет использовать их для расчетов звуко­ воро.; поля трактора, шума в кабине и требуемых харак-

Рис. 50, Спектрограммы и расчетные спектры шума процесса впуска

(а) (г=0,25 м) и выпуска (б) (г=0,5 м) без заглушающих устройств при работе дизеля Д-240 на номинальном режиме

іеристик заглушающих устройств. При необходимости они' легко могут быть пересчитаны в октавные.

• Применение на двигателях сельскохозяйственных тракторов турбонаддува приводит к изменению характе­ ра колебательных процессов в системах впуска и выпуска и-.характеристик излучаемого шума. При умеренном над­ дуве избыточное давление воздуха после компрессора до­ стигает 0,05 МН/м2, а давление перед турбиной —

too

0,06 МН/м2. В связи с этим увеличивается постоянная составляющая объемной скорости газового потока и уменьшается избыточная работа импульсов при наполне­ нии и очистке цилиндров, что в свою очередь приводит к снижению шума в широком диапазоне частот (см. рис. 20). Величина уменьшения шума выпуска из-за демпфи­ рования, вносимого турбиной, приближенно определяет­ ся из выражения

где рі — избыточное давление перед турбиной; р2— из­ быточное давление после турбины. По этой же формуле ориентировочно может быть определена величина умень­ шения низкочастотного шума при впуске: вместо рі в формулу подставляется значение избыточного давления после компрессора, а вместо р2— абсолютная величина разрежения до него.

Вспектрах незаглушенного шума выпуска двигателя

стурбокомпрессором выделяется высокочастотная то­ нальная составляющая, обусловленная работой турбины (5 ),—- сиренный шум (см. рис. 20), звуковая мощность

которого Р ~ п \ cfT [1], где пт— число оборотов в секун­ ду колеса турбины, а dT — его диаметр, м. Средний уро­ вень звукового давления сиренного шума осевой турби­ ны на расстоянии г м от отверстия выпускной трубы мо­ жет быть приближенно определен по формуле

Здесь К — коэффициент подобия для выпускных систем с турбиной без заглушающих устройств. При выполнении расчетов применительно к тракторным двигателям со стандартными турбокомпрессорами (работа в зоне ма­ ксимального к.п.д.) его значение может быть принято равным 6,5-ІО2.

В шуме процесса впуска без заглушающих устройств шум вращения при работе центробежного компрессора обычно не проявляется (см. рис. 24). При работе двига­ теля с большими нагрузками в высокочастотном шуме впуска преобладают вихревые шумы и шумы от неодно­

101

родности потока, которые хорошо заглушаются комплек­ том воздушных фильтров.

Построение ориентировочного спектра шума выпуска двигателя с турбонаддувом при работе без заглушающих устройств может быть выполнено следующим образом. Вначале рассчитывается спектр низко- и высокочастот­ ного шума, как для обычного выпускного тракта, без учета уменьшения шума турбиной. Затем полученный спектр смещается вниз по графику на величину, опреде­ ляемую по формуле (55). Уровень звукового давления сиренного шума определяется по формуле (56).

При обычных скоростях вращения турбокомпрессоров тракторных двигателей порядка 40000—60000 об/мин тональные составляющие по частоте выходят за преде­ лы нормируемого диапазона и располагаются в октавной полосе со среднегеометрической частотой 16 кГц. По имеющимся данным [18], безопасный уровень звукового давления на рабочем месте на частотах 16—18 кГц со­ ставляет 85—90 дб. Исходя из этого, могут быть опре­ делены необходимые характеристики заглушающих устройств сиренного шума.

Вентиляторы системы охлаждения. В спектре шума вентиляторов системы охлаждения двигателей наблюда­ ются полосы частот, в которых уровни звукового давле­ ния соизмеримы с уровнями излучений главных источни­ ков шума на тракторах. Поэтому при выполнении аку­ стических расчетов особый интерес представляет определение частотного диапазона и уровней максималь­ ных излучений при работе вентиляторов.

На тракторных двигателях применяются преимущест­ венно осевые вентиляторы, создающие воздушный поток со скоростями до 50—60 м/с. Излучаемый ими шум по характеру возмущения можно разделить на следующие составляющие:

шум вращения; шум от неоднородности потока; вихревой шум; механический шум.

Шум вращения возникает от силового воздействия ло­ пастей вентилятора на воздушную среду. Максимум на­ правленности этого шума — под углом ~ 1 1 0 ° к оси вен­ тилятора, а минимум — по его оси [33]. Частота шума вращения определяется из выражения (5).

102

Шум от неоднородности потока возникает в резуль­ тате турбулентных пульсаций набегающего потока и осо­ бенно проявляется при наличии направляющего аппара­ та у вентиляторов двигателей воздушного охлаждения. Этот шум имеет одинаковую природу с вихревым шумом и подчиняется одним и тем же законам.

Частота наиболее интенсивного вихревого шума явля­ ется частотой срыва вихрей, зависящей от скорости по­ тока и поперечных размеров лопастей:

где Sh — число Струхаля; b — поперечный размер лопа­ сти; а — угол установки лопастей; k —l, 2, 3, ... Для плос­ ких лопастей по аналогии с пластинами Sh = 0,18-—0,2.

Максимальные уровни в спектре вихревого шума имеют первые гармонические составляющие, хотя его спектр сплошной в широком диапазоне частот.

Механический шум, составляющие которого кратны частоте вращения вентилятора, зависит от качества изго­ товления, балансировки, зазоров в подшипниках и т. п. У современных тракторных двигателей в результате про­ водимой балансировки в динамическом режиме механи­ ческие шумы вентиляторов не велики.

При расчете уровней шума различных вентиляторов обычно пользуются закономерностями и формулами, по­ лученными Е. Я- Юдиным [8 , 6 6 ]. Звуковая мощность вихревого шума, превалирующего в общем шуме венти­ ляторов тракторных двигателей на высоких частотах, определяется по формуле

ность и скорость звука в воздухе. При выполнении ори­ ентировочных расчетов применительно к вентиляторам, распространенным на тракторных двигателях, можно принимать х = (8-7-11) • ІО-5.

Уровень звукового давления шума вращения венти­ ляторов часто выделяется в спектрах над остальным шу­

103

мом на 6 — 8 дб. Его можно приближенно рассчитать по формуле, полученной на основании закономерностей, установленных Л. Я- Гутиным и А. Демингом:

лопастей; г — расстояние от центра крыльчатки, м. При­ менительно к расчету вентиляторов тракторных двигате­ лей К п = (1 -е З) • 10~7.

Из формул (58) и (59) видно, что основным факто­ ром, влияющим на шум вентиляторов, является окруж­ ная скорость крыльчатки и для уменьшения шума необ­ ходимо стремиться ее уменьшить. При сохранении заданной производительности вентилятора и параметров охлаждения двигателей это достигается главным обра­ зом за счет уменьшения скорости вращения крыльчатки при увеличёнии числа лопастей, площади радиатора и некоторого увеличения диаметра крыльчатки. Уменьше­ ние шума вентиляторов двигателей воздушного охлажде­ ния достигается также за счет уменьшения неоднородно­ сти потока путем соответствующего подбора числа лопа­ ток направляющего аппарата (zn.a>zK), параметров и места установки защитных решеток [38].

10.Определение характеристик шумов механического происхождения

Сточки зрения акустических расчетов главные источ­

ники шумов механического происхождения — двигатели и силовые передачи являются наиболее сложными. Стро­ гий математический расчет их излучений практически невозможен из-за весьма ограниченных возможностей определения расчетным путем механического импеданса (см. выражение (24)) таких сложных по конфигурации деталей, как блоки и головки цилиндров, корпусные де­ тали трансмиссии и т. п., которые являются основными излучателями воздушного шума. В лучшем случае в ре­ зультате упрощений, например при представлении их в виде комплекса осцилляторов [16], удается в первом приближении определить границы диапазона частот наи-

104

большей акустической активности. Поэтому в практике борьбы с шумами на транспортных средствах с двигате­ лями внутреннего сгорания и механическими трансмис­ сиями при расчетах шумовых характеристик этих источ­ ников применяют принципы подобия и упрощенные эмпирические зависимости.

Двигатели. Анализ результатов экспериментальных исследований воздушного шума тракторных двигателей показывает, что основная зона акустических излучений сосредоточена в октавных полосах 0,5; 1; 2 и 4 кГц с пре­ валирующими уровнями в октавах 1 или 2 кГц, т. е. из­ лучения являются высокочастотными, определяющими корректированный уровень звукового давления и звуко­ вой мощности. В этом диапазоне частот отмечается наи­ большая акустическая активность корпусных деталей (см. рис. 41), а излучаемый шум является следствием импульсных возмущений (см. табл. 7) от газовых сил при сгорании топлива в цилиндрах и ударов при перекладке поршней, выборе тепловых зазоров и посадке клапанов в гнезда, пересопряжении зубьев в механизме распреде­ лительных шестерен. Все эти возмущения имеют широ­ кий высокочастотный спектр.

Низкочастотные излучения, обусловленные гармони­ ческими и полигармоническими возмущениями от инер­ ционных и газовых сил, в общем шуме двигателей не ве­ лики. Это объясняется низким акустическим к.п.д. тракторных двигателей как излучателей низкочастотных звуков, поскольку их линейные размеры в этих случаях значительно меньше длины излучаемых волн. В спектрах звуковых вибраций двигателей, наоборот, низкочастот­ ные составляющие от названных возмущений по уровням амплитуд обычно превалируют над высокочастотными (см. рис. 16). Их распространение на детали с большими поверхностями (облицовки, панели кабины) приводит к увеличению низкочастотного шума на тракторах.

На основании анализа модели I (см. параграф 6 ), выражений (22) — (24) и опытных данных уровень вы­ сокочастотных акустических излучений тракторных дви­ гателей можно выразить функцией следующих основных параметров:

где п — число оборотов коленчатого вала в единицу вре­ мени; рі — среднее индикаторное давление; Ѵл — лит­

105

раж двигателя (полный рабочий объем цилиндров); М — масса двигателя. Первые две переменные характеризуют эффективные показатели двигателя и в определенной степени возмущающие силы, а последние — его размер­ ные и весовые показатели, которые во многом опреде­ ляют акустическую активность конструкции.

Из известных эмпирических зависимостей для расче­ та характеристик шума дизельных двигателей, предло­ женных у нас в стране и за рубежом [25, 52, 70, 71], наи­ более полно отвечает функции (60) формула ЦНИДИ для расчета общего уровня звукового давления на рас­ стоянии 0,5 м от корпусных деталей двигателя

где k — коэффициент, учитывающий конструктивные осо­ бенности дизеля (для рядных двигателей k = \, для Е-образных &= 0,75); D — диаметр цилиндра, м; п — число оборотов в минуту; і — число цилиндров; Q — ко­ эффициент, учитывающий возмущение от газовых сил.

Значение коэффициента Q рекомендуется определять из выражения

Q =

Здесь ре— среднее эффективное давление, кгс/см2; г — коэффициент тактности (для четырехтактных двигателей z = 0 ,5, а для двухтактных z= 1 ).

Формула (61) получена на основании анализа стати­ стических данных по судовым дизелям. Ее применение для расчетов воздушного шума тракторных дизелей дает существенно завышенные результаты (на 5— 8 дб), т. е. применительно к тракторным дизелям требуется коррек­ тирование постоянных в формуле, поскольку в ней не учитываются весовые соотношения.

Учитывая функциональную зависимость (60) акусти­ ческих излучений двигателей от механических и газоди­ намических возмущений, средние уровни шума однотип­ ных двигателей могут быть определены из выражения

(6 2 )

106

щие параметры двигателя; а, Ь, с — постоянные для дан­ ного типа двигателей.

На основании анализа результатов эксперименталь­ ных исследований шума тракторных дизелей автором были определены значения постоянных а, Ь, с в выраже­ нии (62) и получена формула для расчета среднего уров­ ня шума тракторных дизелей на расстоянии 1 м от кор­

где В — постоянный член (5 = 31 дбА)\ п — число оборо­ тов в минуту; рі — среднее индикаторное давление, МПа\ тѵ — масса двигателя, отнесенная к рабочему объему (литражу), кг/л.

Значение постоянного члена В в формуле (63) опреде­ ляется из выражения

В = 10(clgm^ 0 — ö lg « 0 — &lgp(f) + Z(A),дбА.

Формула (63) дает хорошее совпадение рассчитанных по ней и полученных экспериментальным путем средних уровней шума четырехтактных тракторных дизелей, включая двигатели воздушного охлаждения (см. табл. 6 ). При этом расчет может быть выполнен для любого ско­ ростного и нагрузочного режима работы двигателя.

Для построения ориентировочных спектров высоко­ частотных излучений тракторных дизелей от газодина­ мических и механических возмущений может быть ис­ пользован усредненный относительный спектр, приведен­ ный на рис. 51. Уровень звукового давления в октавной

полосе Li = L(А)дв—АLj, где L(A)rb— средний уровень шу­

ма, определяемый по формуле (63).

Переход от средних уровней звукового давления на расстоянии 1 ж от двигателя к уровням звуковой мощ­ ности на опорном радиусе эквивалентной полусферы, равном 1 м, необходимый для выполнения различных

107

акустических расчетов, может быть выполнен по фор­ муле

где l, b, h — соответственно длина, ширина и высота кор­ пуса двигателя, м.

Рис. 51. Осредненный относительный спектр для построения октав­ ного спектра шума двигателя

В тех случаях, когда известны параметры вибраций двигателя, для расчета мощности акустических излуче­ ний В. Н. Луканиным [38] предложена формула

процесса двигателя на подвеске и t-го участка его поверх­ ности.

Первый член формулы характеризует низкочастот­ ную составляющую акустической мощности, излучаемой при колебаниях двигателя на подвеске, а второй — t-м участком поверхности. Один из членов формулы, отно­ сящийся к впускной системе двигателя, здесь опущен.

Следует отметить, что на этапе проектирования опре­ деление скорости колебательного процесса отдёльных участков поверхности двигателя сопряжено с теми же трудностями, что и при определении общей функции преобразования возмущений в акустические излучения.

Расчет параметров низкочастотных вибраций трак­ торных двигателей и остова трактора под действием сил

108