автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Разработка методических основ конструирования двигателей минитракторов с заданными виброакустическими параметрами

московский ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АВТОМОБИЛЬНО-ДОРОЖНЫЙ ИНСТИТУТ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

Разработка методических основ конструирования

двигателей минитракторов с заданными виброакустическими параметрами

Специальность 05.04.02. - тепловые двигатели

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор Алексеев И.В.

7

Григоренко Николай Иванович

На правах рукописи

Москва 1999 год

СОДЕРЖАН И Е

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................................4

ГЛАВА 1. Методы исследования и способы улучшения виброакустических характеристик автотракторных двигателей внутреннего сгорания......................................................7

1.1 Нормирование шума и вибрации энергетических установок............7

1.2 Аналитический обзор существующих методов исследования шума автотракторных двигателей....................................................10

1.3 Анализ основных источников структурного шума автотракторных двигателей различного типа и назначения..........14

1.4 Методы снижения акустической мощности силового агрегата.......24

1.5 Постановка задачи исследования..................................................... 30

ГЛАВА 2. Методические основы прогнозирования эффекта

улучшения виброакустических параметров силового агрегата его полным или частичным капотированием...................................34

2.1. Акустическое излучение силового агрегата....................................34

2.2. Изменение акустических показателей при капотировании силового агрегата..............................................................................38

2.3. Оценка акустического эффекта от полного и частичного капотирования двигателя..................................................................47

2.4. Использование звукоизолирующих материалов и определение коэффициента эффективности звукоизоляции капота..................................................................................................51

ГЛАВА 3. Методы определения коэффициента потерь и анализ факторов, влияющих на экспериментальные исследования и на результаты измерений..................................................................56

3.1. Методика определения коэффициента потерь энергии колебаний в тонкостенных конструкциях и ДВС..............................56

3.2. Экспериментальная установка и результаты определения коэффициента потерь конструкции ДВС..........................................62

3.3. Объект исследования и оценка акустических характеристик испытательного помещения..............................................................67

3.4. Определение погрешностей виброакустических показателей

в результате исследований...............................................................77

ГЛАВА 4. Оценка эффективности использования демпфирующих покрытий и результаты расчетно -экспериментального исследования акустических качеств

конструкции малолитражного двигателя..........................................89

4.1. Анализ исследований капотов с различными

демпфирующими покрытиями и экспериментальная оценка

коэффициента эффективности звукоизоляции капота..................89

4.2 Результаты расчетно-экспериментального анализа

виброакустических характеристик двигателя МД-4.........................98

4.4. Анализ исследования методики оценки эффективности капотирования для различных конструкций поршневых

двигателей........................................................................................114

Основные результаты и выводы:..........................................................123

ЛИТЕРАТУРА:........................................................................................126

введение

Актуальность работы. В настоящие время тенденция непрерывного увеличения количества выпускаемой автомобильной и тракторной техники привело к тому, что остро встал вопрос борьбы с ростом "шумового загрязнения". Важным показателем высокого качества производимой продукции является точное соблюдение требований к виброакустическим параметрам.

Серьезной экологической проблемой является транспортный шум - один из наиболее распространенных неблагоприятных факторов условия труда на транспорте, в строительстве и на производстве. Под воздействием шума и вибрации существенно снижается производительность труда. Снижение шума до существующих норм ЕЭК ООН №51 увеличивает производительность труда на 10 -15 %.

Соответствие виброакустических характеристик выпускаемых промышленностью машин требованиям норм по шуму и вибрации - один из важных эргономических критериев, по которым определяется техническое состояние или качество машины. Соответствие виброакустических характеристик машин требованиям международных стандартов повышает конкурентоспособность продукции на международных рынках. Снижение внешнего шума на 1 дБ, производимого машиной, автоматически означает повышение ее цены на 1% и более. Тенденция неуклонного ужесточения норм предельно допустимых уровней внешнего шума силовой установки обусловила необходимость сохранения конкурентоспособности ДВС.

В многоотраслевом транспортном хозяйстве эксплуатируется большой парк различных по своему назначению машин. В связи с недостаточной эффективностью мероприятий, направленных на улучшение виброакустических показателей в источнике его возникновения, наиболее радикальным направлением дальнейшего значительного снижения шума силовой установки - их полная звукоизоляция, или капотирование.

Проведение натурных испытаний не позволяет существенно снизить сроки проектирования и доводки ДВС по виброакустическим параметрам. Использование расчетных моделей позволяет существенно сократить трудозатраты и сроки по выработке мероприятий по улучшению виброакустических показателей силовой установки. Этим определяется актуальность разработки математической модели, позволяющей на стадии проектирования и доводки силовой установки прогнозировать акустический эффект от капотирования силового агрегата.

Цель работы. Проведение исследования виброакустических характеристик силовой установки для выработки рекомендаций, направленных на улучшения виброакустических показателей, и разработка физико-математической модели оценки акустической эффективности капотирования силовой установки. Составление методики для оценки акустической эффективности силовой установки при ее капотировании.

Научная новизна. Разработан способ улучшения виброакустических свойств ореберных деталей двигателя воздушного охлаждения посредством использования комбинированного капота; предложена конструкция капота в сочетании с демпфирующим материалом; данный способ позволяет обеспечивать заданные акустические характеристики ДВС, находящихся на стадии проектирования, производства и эксплуатации.

Разработана методика по оценке акустической эффективности капотирования ДВС, основанной на учете изменений колебательных характеристик структуры силового агрегата; предлагаемая расчетная модель может быть использована для различных двигателей.

Практическая ценность. Оснбвные положения и результаты выполненной работы могут быть использованы при создании малых двигателей с заданными виброакустическими показателями, а также при виброакустической доводке различных типов силовых агрегатов, освоенных производством и находящихся в эксплуатации.

На основании предложенной методики были проведены расчетные исследования, которые позволили уменьшить акустическую мощность, излучаемую двигателем МД-4 (44 6,2/5) при использовании капота, на 3-5 дБ при его работе по внешней скоростной характеристике.

Реализация результатов работы. Результаты данного исследования были переданы на Владимирский тракторный завод. Предложенная методика улучшения виброакустических параметров силовой установки предложена к использованию на кафедре АТД МАДИ.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы были доложены на 50, 51 научно-методических и научно-практических конференциях (МАДИ, 1992, 1993), на семинарах и заседаниях кафедры "Автотракторные двигатели".

Публикации. По теме диссертации опубликовано три печатные работы.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы. Она изложена на 132 странице машинописного текста, содержит 13 таблиц и 35 иллюстраций, библиография включает 88 наименований.

ГЛАВА 1. Методы исследования и способы улучшения виброакустических характеристик автотракторных двигателей внутреннего сгорания.

1.1 Нормирование шума и вибрации энергетических установок

Среди многочисленных больших и малых вопросов современной экологии заметное место занимает акустическое загрязнение окружающей среды.

Внедрение в промышленность новых технологий, механизация производственных процессов, использование мощных средств воздушного, наземного и водного транспорта, применение разнообразного бытового и инженерного оборудования и пр. Все это привело к тому, что человек непрерывно подвергается воздействию шума: на производстве, в быту, на отдыхе.

В нашей стране только в промышленности воздействию повышенного уровня шума подвергается не менее 20-30 млн. человек; несколько миллионов человек работают на тракторах, грузовых автомобилях и других машинах с повышенной шумностью /23/. Неврит слухового нерва - одно из наиболее распространенных профессиональных заболеваний. Трудно даже приблизительно подсчитать, какое число жителей подвергается действию шума в городах, поселках и населенных пунктах. В крупных городах от 20 до 50 % населения проживает в районах с неблагоприятным акустическим климатом /26/.

Повышенный шум вызывает утомление, пониженное внимание, ухудшение деятельности сердечно - сосудистой системы, при длительном воздействии - на 5-20 % снижает производительность труда.

Многочисленными медицинскими исследованиями доказано, что продолжительное влияние шума высокой интенсивности вредно влияет на человека. У работающих в условиях повышенного шума через 5 лет

появляются явления тугоухости, а через 10 лет и более - поражается слух /29/. При длительном воздействии повышенного уровня шума возникают такие явления как раздражительность, апатия, подавленное настроение, снижение темпа работы, ухудшается качество переработки информации и др. /28/.

Соответствие выпускаемых промышленностью транспортных средств требованиям норм по шуму и вибрации - один из важных эргономических критериев, по которым определяется техническое состояние или качество машины. Виброакустические характеристики автотранспортных средств должны соответствовать треботранспортных средствах заключается в использовании верхних экранов, прикрепляемых к кабине, и нижних экранов, поддерживаемых рамой таким образом, чтобы обеспечивать удобный доступ к частям двигателя.При капотировании энергетических установок характер расп транспортного средства автоматически означает повышение его цены на 1 % и более /43,46/. Результаты исследований показывают, что потенциальный экономический эффект от снижения шума может достигать 1-2 млрд. руб. в год /19,28,43/.

Увеличение парка автомобилей и тракторов приводит к росту уровня шума окружающей среды. Повышение удельной мощности силового агрегата автомобиля, а также снижение металлоемкости автомобилей и автотракторных двигателей достигается путем использования высокофорсированных и экономических дизелей, которые являются источниками шума.

В нашей стране проблеме борьбы с шумом уделяется должное внимание. В государственных актах, в конституции и других нормативных документах указывается на необходимость разработки и осуществления мероприятий по ' предупреждению, снижению и устранению вредного влияния шума на все сферы человеческой деятельности.

Нормативным документам, устанавливающим классификацию шумов, допустимые уровни шума на рабочих местах, общие требования по защите от шума и требования к шумовым характеристикам машин,

механизмов, средств транспорта и другого оборудования является ГОСТ 12.1.003-83. В 1984 году в нашей стране введен в действие отраслевой стандарт ОСТ37.001.266-83 "Шум автомобильных двигателей. Допустимые уровни и методы измерений", который устанавливает предельные шумовые характеристики для двигателей внутреннего сгорания. Данный стандарт основан на двух ГОСТах: ГОСТ 14846-81 "Двигатели автомобильные. Методы стендовых испытаний" и ГОСТ 12.1.026-80 "Шум. Определение шумовых характеристик источников шума в свободном звуковом поле над звукопоглощающей плоскостью. Технический метод". Первый из них регламентирует технические, а второй - акустические условия испытаний двигателей на стенде. Шум автотранспортного средства нормируется ГОСТом 19358-85 (правило № 51 ЕЭК ООН) /51/.

Наличие ограничений на шум двигателей у нас в стране в дополнение к нормам на шум самого автомобиля в целом можно считать как положительное явление, которое позволяет упростить решение задачи, возникающей при доводке акустических характеристик автомобилей, и совершенствовать виброакустические параметры двигателей.

При решении задачи исследования виброакустических характеристик можно разделить на два самостоятельных направления: первое имеет целью улучшить виброакустические качества существующих двигателей без значительных изменений его конструкции и параметров, второе ставит задачу выработки таких конструктивных решений, использование которых на этапе проектирования двигателя позволяло бы создавать силовой агрегат с прогнозируемым, а в пределе - с минимальным уровнями акустического излучения. Последствия неточных конструктивных решений, с точки зрения акустики нельзя исправить после запуска в массовое производство. Это - одна из причин совершенствования виброакустических характеристик двигателей, находящихся в эксплуатации. Следовательно, ДВС при его проектировании на самом первом этапе должен разрабатываться с пониженным уровнем виброакустических характеристик.

1.2 Аналитический обзор существующих методов исследования шума автотракторных двигателей.

Методы виброакустического анализа ДВС направлены на познание физических предпосылок возникновения звуковых волн, распространяющихся по конструкции, и излучение их в окружающее пространство.

В настоящее время существующие методы можно классифицировать на теоретические, экспериментальные и экспериментально-теоретические.

Теоретические методы исследования используют физико-математические методы, описывающие процессы, приводящие к возникновению шума. Преимуществом теоретических методов является возможность анализировать изменение параметров модели возникновения и протекания акустического излучения.

Экспериментальные методы исследования основаны на исследовании виброакустических характеристик непосредственно на работающем двигателе или отдельных его деталей и узлов на безмоторных установках с использованием электронной аппаратуры и специальных механических устройств. При проведении экспериментальных исследований получают более точные виброакустические характеристики процессов, приводящих к возникновению акустического излучения.

Экспериментально - теоретические методы основаны на взаимном использовании эксперимента и анализа возникновения шума с помощью физико- математических моделей. Достоинство данного метода заключается в возможности использования полученных результатов виброакустических характеристик двигателя.

В настоящее время разработано достаточно большое количество методов исследования акустического излучения при различных процессах, протекающих в двигателе

/16,20,24,25,31,33,34,41,63,67,73,79/.

В работе /24/ автор использовал для количественной и качественной оценки шума метод исключения источников. Основу метода составляет использование закона энергетического сложения уровней шума, излучаемого при прокручивании и при работе на холостом ходу. В данной работе отмечаются две причины, вызывающие акустическое излучение конструкции двигателя под действием газовых сил в цилиндре - при интенсивном газовом ударе и появление высокочастотных газодинамических колебаний в цилиндрах двигателя в период сгорания.

Исследователи Зинченко В.И. и Лошаков В.И. /25/ предложили модель ударного воздействия процесса сгорания. Данная модель ударного воздействия позволила дать количественную оценку влияния на шум таких параметров динамического шума, как

ар

а2Р

, —— и угла перехода линии сжатия к линии сгорания, шах (Й2

(Н

Сопоставление расчетного и экспериментального спектра давления показало хорошее их совпадение.

Оценка второй причины - высокочастотных колебаний в цилиндре возможна экспериментальным методом, позволяющим создать в цилиндре реальный спектр возмущающих сил при неподвижном кривошипно-шатуном механизме /41,56,63,81,85/. Анализ показывает, что высокочастотная вибрация и шум при процессе сгорания, в основном, определяется газодинамическими колебаниями.

Пишингер, Шмиллен, Лайнольд /79/ предлагают экспериментальный метод "окно времени - частота". Суть метода в том, что макс