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

Г л а в а III

БОРЬБА С ШУМОМ В ИСТОЧНИКАХ

11. Глушение шума процесса выпуска

Требования к тракторным глушителям. Специфиче­ ской особенностью выпускных систем двигателей на уни­ версальных сельскохозяйственных тракторах является выпуск отработавших газов вверх над двигателем. Та­ кая компоновка обусловлена, с одной стороны, своей простотой, а с другой — противопожарными требования­ ми, учитывающими условия эксплуатации универсальных тракторов в сельском хозяйстве. При конструировании выпускных систем эти особенности компоновки ограни­ чивают длину выпускного тракта, габариты, объем и вес глушителей из-за необходимости обеспечения требований по обзорности, прочности и эстетике.

К глушителям шума выпуска тракторных двигателей предъявляются следующие основные требования: доста­ точное заглушение шума процесса выпуска в широком диапазоне частот; низкое аэродинамическое сопротивле­ ние; эффективное искрогашение; ограниченные габариты и вес; простота конструкции, обслуживания и низкая стоимость.

Необходимая характеристика заглушения шума вы­ пуска глушителем определяется из условия обеспечения допустимых уровней внешнего шума трактора и шума на рабочем месте (см. параграф 8 ). Для выполнения этих условий общее заглушение шума выпуска обычно должно быть не менее 15—20 дбА у тракторов с кабина­ ми и 22—26 дбА у тракторов без кабин. Установившимся можно считать требование к тракторным глушителям по аэродинамическому сопротивлению — допустимые потери мощности двигателем в пределах 1—1,5% при ухудшении экономичности не более чем на 2,5 мкг/(кВт-ч) .

Эффективность искрогашения, оцениваемая по ре­ зультатам сравнительных испытаний, должна быть не хуже, чем у эталонных образцов глушителей-искрогаси­ телей, допущенных органами противопожарной охраны к эксплуатации в сельском хозяйстве.

Исходя из отмеченных ограничений габаритов трак­ торных глушителей, их объем обычно не превышает (1,5—2) Ѵл (Ил — общий рабочий объем цилиндров дви­ гателя— литраж), а масса—4— 8 кг.

Выполнение перечисленных требований к характери­ стикам глушителей, включая простоту и низкую стои­ мость при ограниченных объемах, является весьма слож­ ной технической задачей, а возможности использования зарекомендовавших себя глушителей (схем) в транспорт­ ном машиностроении для тракторов очень ограничены из-за специфических особенностей компоновки.

Элементы конструкций глушителей. Глушение шума процесса выпуска (впуска) основано на принципах по­ глощения и отражения звуковой энергии, теплообмена и интерференции звуковых волн. В практике глушения шу­ ма выпуска двигателей внутреннего сгорания применяют­ ся обычно сложные комбинированные глушители, кото­ рые состоят из отдельных ячеек — простых глушителей [8 , 33, 60, 65, 79]. По принципу работы простые глушите­ ли условно подразделяют на два типа —■активные и ре­ активные. Схемы простых глушителей и вид характери­ стик заглушения приведены на рис. 52.

Активные глушители в свою очередь подразделяются на глушители с параллельной и последовательной фрик­ цией. В первом случае ослабление шума происходит за счет поглощения звуковой энергии в материале набивки (облицовки) — рассеивание в порах и превращение в тепло. Во втором случае звуковая энергия необратимо расходуется на работу сил трения между звуковыми волнами в потоке газа и элементами трения в виде ре­ шеток, сеток и других деталей конструкции. Аналогами таких поглотителей энергии в электрических цепях-явля­ ются активные сопротивления.

Ослабление звуковой энергии в глушителях с набив­ кой из поглощающего материала при инженерных рас­

114

Как видно из формулы (70), ослабление звука в ак­ тивном глушителе будет тем больше, чем выше погло-

пАктивные

L J 3 3 ® 5 a _ АL

/гг1і1 _іI I

Реактивные

m

J L

Рис. 52. Элементы глушителей и вид характеристик заглушения:

«—с параллельной фрикцией; б—с последовательной фрикцией; о—камерный; г и д—резонаторные

щающие свойства материала, больше длина и меньше диаметр трубы.

Глушители активного типа с набивкой из стекловаты, асбестового пухшнура, алюминиевой ваты и других ма­ териалов хорошо поглощают звуковую энергию в широ­ ком диапазоне частот. Смещение граничной частоты эф­ фективного звукопоглощения в сторону низких частот достигается за счет увеличения толщины слоя мате­ риала.

Несмотря на хорошие заглушающие свойства, глуши­ тели активного типа с набивкой в практике глушения шума выпуска двигателей применяются пока редко из-за более высокой стоимости, засоряемости набивки в про­ цессе эксплуатации и других недостатков. Значительно чаще используются активные глушители с последова­ тельной фрикцией как более простые и удобные в экс­ плуатации. Однако высокие заглушающие свойства у них достигаются обычно при более высоком аэродинами­ ческом сопротивлении.

Реактивные глушители, или, как их иначе называют, акустические фильтры, подразделяются на камерные и резонаторные (рис. 52). Они представляют собой изве­ стный в акустике резонатор Гельмгольца, подключае­ мый в выпускной тракт в первом случае последователь­ но, во втором — параллельно. Роль колеблющейся массы у такого резонатора выполняет масса воздуха в его гор­ ловине, а роль упругого элемента — объем воздуха в камере.

При работе камерного глушителя (рис. 52, в) в месте расширения газопровода создается большое волновое сопротивление — «волновая пробка», что в определенных диапазонах частот препятствует прохождению звука через глушитель. Граничная частота, начиная с которой камерный глушитель начинает эффективно работать, определяется по формуле

(71)

где с — скорость звука, ж/с; Fі — площадь поперечного сечения трубы, м2; I — длина горловины, м; Гк — объем камеры, м3. На основании этой зависимости определяют­ ся основные размеры камерного глушителя.

Ослабление шума однокамерным глушителем при распространении плоских волн в системе выпуска опре­ деляется из выражения

s\v?klK дб. (72)

Здесь пг = — — отношение площади сечения камеры F%

116

мальных значений, то спадает до нуля. Провалы наблю­ даются на тех частотах, когда длина глушителя равна

сдвигает частоту первого максимума в область низких частот, при этом область эффективного заглушения ста­

При совпадении частоты звука с собственной частотой резонатора объемная скорость массы газа в горловине стремится к бесконечности, а акустическое сопротивле­ ние — к нулю. Иначе говоря, когда у горловины прохо­ дит уплотненный участок звуковой волны, резонатор от­ бирает и аккумулирует в себе энергию, а затем возвра­ щает ее разреженному участку волны. Таким образом он как бы сглаживает колебания, уменьшая их амплитуду.

Резонаторный глушитель эффективно работает на ча­ стотах, близких к его собственной частоте, а максимум заглушения отмечается на резонансной частоте, которая определяется по формуле

где К — проводимость отверстий резонатора; V — объем камеры, м3.

Проводимость отверстий резонаторного глушителя при инженерных расчетах определяется из выражения

Здесь 5 — площадь отверстия, м'2; п — количество отвер­ стий, а /отв — длина отверстия (толщина стенки тру­ бы) , м.

117

В выражении (74) ориентировочно учтено влияние присоединенной массы, так как фактическая масса, уча­ ствующая в колебательном движении, в горловине резо­ натора несколько больше той, которая определяется только размерами горловины. Более точный учет присо­ единенной массы при расчетах резонаторных глушите­ лей приведен в работах [8 , 54].

Приближенный расчет заглушения шума резонатор­ ным глушителем может быть выполнен по формуле

где F — проходное сечение глушителя (трубы), м2; р —■ плотность газа, кг/м2; р — коэффициент кинематической вязкости газа; d — диаметр отверстия перфорации (гор­ ловины), м; а — расстояние между отверстиями, м.

Реактивные глушители отличаются простотой конст­ рукции и по сравнению с глушителями активного типа имеют обычно более низкое аэродинамическое сопротив­ ление. Однако при одинаковой ширине полосы заглуше­ ния они получаются более громоздкими.

Выбор параметров комбинированных глушителей.

Для уменьшения шума процесса выпуска в широком диапазоне частот из простых глушителей составляются сложные комбинированные схемы. Первоначальный вы­ бор параметров каждого элемента сложного глушителя производится на основании приведенных выше зависимо­ стей таким образом, чтобы характеристики их перекры­ вались и в общей характеристике заглушения не было бы провалов. Например, для получения равномерной ха­ рактеристики заглушения в случае использования не­ скольких последовательных камер их размеры и размеры

118

соединительных трубок выполняют различными, а гра­ ничная частота каждой ячейки подбирается такой, что­ бы перекрывались диапазоны пропускаемых частот со­ седними ячейками.

Расчет комбинированных схем реактивных глушите­ лей удобно выполнять, используя методы электрических аналогий. Элементы акустических схем выпускных (впускных) систем двигателей с глушителями и эквива­ лентные им электрические схемы приведены в табл. 9 [ 1 2 , 43, 63]. Аналогом звукового давления в электриче­ ских цепях является напряжение (или электродвижущая сила, если рассматривается возмущающее давление), а аналогом колебательной скорости — ток в электрической цепи.

Эквивалентные электрические схемы (цепи) сложных акустических систем составляются с использованием про­ стейших аналогов, приведенных в табл. 9. Расчетный ана­ лиз эквивалентных схем (исследование передаточных функций цепей) может производиться различными мето­ дами [7, 30, 33, 63]. Например, эквивалентная схема мо­ жет быть описана системой дифференциальных уравне­ ний, которые затем могут быть исследованы на анало­ говых и цифровых вычислительных машинах. Можно также выполнить физическое моделирование, т. е. прове­ сти натурные исследования эквивалентной электрической цепи с использованием генераторов электрических коле­ баний. В обоих случаях в основу подбора масштабных соотношений акустических и электрических величин мо­ жет быть положена аналогия простого резонаторного глушителя — резонатора Гельмгольца и электрического колебательного контура. Дифференциальные уравнения, описывающие эти схемы, имеют одинаковый вид

для акустической системы

тЛ + Rj> + СЛ = Pae'Wt>

для электрической схемы

dt

119