автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Снижение уровня шума, возникающего в процессе выпуска дизелей

ВВЕДЕНИЕ.

Глава I. АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ СПОСОБОВ СНИЖЕНИЯ УРОВНЯ ШУМА ВЫПУСКА И МЕТОДОВ РАСЧЁТА ШУМООБРАЗОВАНИЯ И ГЛУШЕНИЯ. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Влияние шума выпуска на общий уровень шума двигателя

1.2. Существующие теории возникновения шума в процессе выпуска

1.3. Способы снижения шума выпуска и устройства для их осуществления

1.4. Методы акустического расчёта глушителей

1.5. Обоснование выбора темы исследования и постановка задачи

Глава 2. РАСТЁТНО-ЭКСПЕРИШТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ШУМ00ЕРА30ВАНИЯ И ГЛУШЕНИЯ В ВЫПУСКНОЙ СИСТЕМЕ ДВС.

2.1. Шумообразование при выпуске

2.2. Расчётно-экспериментальное исследование мероприятий по снижению уровня шума в выпускной системе

Глава 3. ПРИМЕНЕНИЕ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ ПО ШУМО-ОЕРАЗОВАНИЮ И РАСЧЁТУ ГЛУШЕНИЯ ДЛЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ РАЦИОНАЛЬНОЙ ВЫПУСКНОЙ СИСТЕМЫ ДВИГАТЕЛЯ 6ЧН 13/11,5 (СМД-72) . V V.

3.1. Расчет выпускной системы двигателя СЩ-72 с высокочастотными глушителями, встроенными в выпускные коллекторы.

3.2. Рациональная конструкция выпускной системы с высокочастотными глушителями для каждого цилиндра.

ВЫВОДЫ.

В решениях ХХУТ съезда КПСС и последующих Пленумов ЦК предусматриваются серьезные меры по повышению производительности труда во всех областях народного хозяйства, в частности в сельскохозяйственном производстве, на транспорте и других /I/. Повышение производительности труда является основой роста благосостояния советского народа, улучшения условий жизни трудящихся и укрепления экономической мощи страны. Т.к. в течение ближайших лет практически не возможно увеличение числа работающих в народном хозяйстве, то повышение производительности труда является основой для дальнейшего роста производства всех отраслей народного хозяйства.

Кошфетная задача поставлена перед тракторным и сельскохозяйственным машиностроением: повысить технический уровень и качество выпускаемой для сельского хозяйства продукции, с тем, чтобы добиться ее конкурентоспособности на мировом рынке. По условиям труда механизаторов и по воздействию на окружающую среду выпускаемые отечественными заводами тракторы, комбайны и другие сельхозмашины не должны уступать лучшим зарубежным образцам. В частности уровень шума на рабочем месте механизатора не должен превышать 85 дЕА, т.е. величины, оцределяемой санитарными нормами.

Значительный резерв повышения технического уровня двигателей в направлении снижения их общего шума имеется в совершенствовании выпускных систем. Уменьшение уровня шума выпуска способствует существенному повышению цроизводительности труда /64/. В то же время, потери мощности на заглушающие устройства должны быть минимальными.

Совершенствованию глушителей шума выпуска и методов расчета шума выпуска уделяется серьезное внимание с самого начала серийного производства двигателей внутреннего сгорания.Однако, несмотря на длительные и многочисленные исследования по этому вопросу, в настоящее время существует большое количество расчетных методов, рекомендаций и типов глушителей шума выпуска, цричем точность расчетов глушителей по большинству известных методов не достаточна для проектирования глушителя без последующих доводочных работ. Наиболее распространенные методы расчета в настоящее время: I/ расчет по формулам для расширительной и резонаторной камеры; 2/ расчет активных глушителей по формуле А.И.Белова или по усовершенствованной методике, описанной в работе /19/; 3/ расчет по методу электроакустической аналогии с использованием одномерной модели выпускной системы.

Совершенный: метод расчета глушителей предложен в настоящее время Р.Н.Старобинским. В этом методе принята трехмерная модель выпускной системы, отдельные элементы системы рассматриваются как волноводы, а для расчета снижения уровня шума также используется электроакустическая аналогия.

Вопросам шумообразования и расчета исходного спектра шума выпуска уделялось меньше внимания, однако и по этим вопросам имеется ряд работ /15/, /21/, /33/, /34/, /39/, где описываются источники шума при выпуске и различные модели процесса излучения звука из выпускной системы. В большинстве из перечисленных работ в качестве модели источника шума принят точечный источник типа "монополь", расположенный на открытом конце выпускной трубы. Точность расчета уровня и спектра шума выпуска для такой модели, особенно в диапазоне высоких частот, недостаточна. Кроме того, такая модель не учитывает нелинейные эффекты в выпускной системе и не повволяет определить пути уменьшения шумообразования при выпуске. В то же время, в выпускной системе, вследствие истечения с высокой скоростью струи газов из клапана, возникают модулированные по частоте и амплитуде звуковые колебания. Природа колебаний, возбуждаемых струей газа, описана в работе Лайтхилла /35/. Поскольку колебания имеют конечную амплитуду, то, согласно /25/, в выпускной системе происходит акустическое детектирование, т.е. выделение гармонических составляющих низкочастотного колебания, модулирующего излучаемое струей газа высокочастотное колебание. Как показали исследования автора, учет амплитуды звукового давления детектированного колебания позволяет более точно рассчитать уровень шума выпуска, чем это позволяет сделать расчет только для источника типа "монополь". Кроме того, такой подход позволяет наметить путь уменьшения шумообразования цри выпуске: уменьшить амплитуду колебания несущей частоты и парциальные коэффициенты модуляции. Для этого достаточно:

1. Уменьшить скорость истечения струи газа в свободное пространство выпускного канала;

2. Уменьшить амплитуду высокочастотного колебания,создаваемого струей газа в момент наибольшей скорости струи, для чего установить на каждый цилиндр двигателя высокочастотный глушитель.

Для расчета выпускных систем с такими глушителями применялся метод электро-акустической аналогии с использованием одномерной модели выпускной системы, в которой отрезки труб цредставлялись как двухполюсники. Такой способ расчета получается проще, чем способ с использованием модели в виде четырехполюсника.

Кроме того, для большинства частот элементы выпускной системы нет необходимости представлять как волноводы, а можно рассматривать как трубы, т.е. применять одномерную модель.

Экспериментальные исследования подтвердили адекватность разработанной модели шумообразования реальным процессам, происходящим в выпускной системе в течение такта выпуска.

В соответствии с результатами проведенных расчетных и экспериментальных исследований даны рекомендации по совершенствованию выпускных систем двигателей СЗД, в частности, внедрена в производство эффективная конструкция глушителя, защищенная авторским свидетельством СССР № 878983 /7/.

На защиту выносятся следующие основные положения диссертации:

- новая модель процесса и методика расчета шумообразования, основанная на анализе термодинамических процессов в выпускной системе двигателя, учитывающая явление акустического детектирования;

- методика расчета акустического сопротивления элементов выпускной системы, учитывающая отношения длины элемента к длине волны звука;

- рекомендации по совершенствованию выпускных систем дизелей СЩ.

Работа выполнена в Головном специализированном конструкторском бюро по двигателям средней мощности, г. Харьков.

выводы

1. Предложена и экспериментально подтверждена новая модель процесса шумообразования при выпуске двигателя, которая изображает шумообразование как единый процесс, приводящий к излучению звука во всем спектре общим для всех частотных диапазонов источником - струей газов, вытекающих из клапана. На низких частотах этот процесс приводит к существенному увеличению уровня шума по сравнению с уровнем, создаваемым пульсацией расхода газа на выходе из выпускной трубы.

2. Уточнен расчет глушителей типа резонаторных камер путем учета влияния активного соцротивления горловины резонатора на величину заглушения.

3. Рассчитана, спроектирована и внедрена в серийное производство конструкция глушителя (авторское свидетельство № 878983), обеспечивающая снижение уровня шума выпуска двигателей внутреннего сгорания до норм отраслевого стандарта во всем спектре. Народнохозяйственный эффект от внедрения ожидается в размере 1740 тыс.руб.

4. На основании новой модели процесса шумообразования, а также в ренультате применения метода электро-акустической аналогии для расчета выпускной системы по всему спектру, даны рекомендации по дальнейшему совершенствованию акустических характеристик выпускных систем,

5. Получены зависимости, позволяющие производить упрощенный расчет заглушения по методу электро-акустической аналогии для диапазонов средних и высоких частот, дано определение характера частотного диапазона в зависимости от соотношения размеров элементов выпускной системы и длины волны звука, или от критерия частотного диапазона.

1. Материалы ЖУ1 съезда КПСС,- М.: Политиздат, 1981. - 223 с.

2. Абрамович Т.Н. Прикладная газовая динамика.- М.: Наука, 1969.- 823 с.

3. Андреев B.C. Теория нелинейных электрических цепей.- М.:

4. Радио и связь, 1982. 281 с.

5. Андреев H.H. К расчету глушителей для моторов внутреннегосгорания.- Журнал технической физики, 1946, 6, с.729-732.

6. Аэрогидромеханический ншум в технике / Под ред. Р.Хиклинга.

7. Перевод с английского д.т.н. Вишневецкого СЛ.- М.: Мир, 1980. 336 с.

8. A.c. 306750 (СССР). Головка цилиндра / Ф.В.Бережко, Л.В.Гаев,

9. А.В.Касьянов и др. Опубл. в Б.И. 1972, Ш 6.

10. A.c. 878983 (СССР). Глушитель шума / И.А.Коваль, Г.Д.Савран,

11. Л.С.Гильман, Г.Л.Финкель, A.B. Покопцев, H.A. Мартыненко, А.В.Еремин.- Опубл. в Б.И., 1981, Ш 41.

12. Аэроакустика / Отв. ред. д.т.н. Римский-Корсаков.- М.: Наука,1980. 144 с.

13. Белецкий А.Ф. Основы теории линейных электрических цепей.1. М.: Связь, 1967. 608 с.

14. Белов А.И. Затухание звука в трубах с поглашающими стенками.

15. Журнал технической физики, 1938, т.8, с.752-755.

16. Борисенко А.И. Газовая динамика двигателей.- М.: Оборонгиз,1962. 562 с.

17. Борьба с шумом / Под ред. д.т.н. проф.Юдина Е.Я. М.: Издательство литературы по строительству, 1964. 701 с.

18. Ванштейдт В.А. Конструирование и расчеты прочности судовыхдизелей.- Л.: Судостроение, 1969. 639 с.

19. Вукалович М.П., Новиков Й.И. Термодинамика.- М.: Машиностроение, 1972. 670 с.

20. Галиуллин Ф.Ф., Рудой Б.П. Метод глушения шума выпуска д.в.с. В кн.: Виброакустика автомобиля. Межвузовский сб. научных тр. - Куйбышев, 1982, с.85-88.

21. Гильман Л.С., Еремин A.B. Влияние акустических параметров выпускной системы на уровень шума выпуска.- Двигателестроение, 1979, № 6, с.14-16.

22. Глаголев Н.М., Куриц A.A., Водолажченко В.В. Тепловозные двигатели внутреннего сгорания и газовые турбины.- М.: Транспорт, 1973. 336 с.

23. Годдстейн Мэрвин Е. Аэроакустика.- М.: Машиностроение, 1981.294 с.

24. Григорьян Ф.Е., Перцовский Е.А. Расчет и проектирование глушителей шума энергоустановок.- Л.: Энергия, 1980. 118 с.

25. Демидович Б.П., Марон И.А., Шувалова Э.З. Численные методы анализа.- М.: Наука, 1967. 368 с.

26. Егоренков Б.А., Строкин A.A. Расчет исходного спектра шума выпуска двухтактного двигателя. Изв.вузов, 1976, № 5, с.113-118.

27. Ельник А.Г. Исследование шума выпуска дизелей.- В кн.: Техническая эксплуатация морского флота. Информ. сб. № 37/140/, Транспорт, 1965, с 3-13.

28. Зинченко В.И. Шум судовых двигателей.- I.: Судпромгиз, 1957.221 с.

29. Инзель Л.И. Основы глушения шума выхлопа двигателей внутреннего сгорания.- М.: Машгиз, 1949. 196 с.

30. Исакович М.А. Общая акустика.- М.: Наука, 1973. 495 с.

31. Кане А.Б. Борьба с шумом всасывания дизелей.- Л.: Машиностроение, 1969. 144 с.

32. Юпокин И.И. Борьба с шумом и звуковой вибрацией на судах.- Л.: Судостроение, 1971. 416 с.

33. Коваль И.А., Савран Г .Д., Финкель Г.Л., Гильман Л.С. и др. Выбор оптимального проходного сечения глушителя шума выпуска дизеля.- Тракторы и сельхозмашины, 1978, № 6, с.14-15.

34. Коваль И.А., Савран Г.Д., Финкель Г.Л., Гильман Л.С., Локоп-цев A.B. Применение метода электроакустической аналогии к расчетно-экспериментальному исследованию реактивных глушителей.- Тракторы и сельхозмашины, 1979, № 5, с.6-8.

35. Коваль И.А., Симеон А.Э., Гильман Л.С.Шумообразование в выпускной системе двигателя внутреннего сгорания,- Двигателестрое-ние, 1984, с.58-60.

36. Контроль шума в промышленности / Под ред. Дж.Д.Вебба.-Л. : Судостроение, 1981. 312 с.у

37. Кошкин В.Е., Луканин ВЛ1., Тольский В.Е. Методы измерения и экспериментального исследования шума и вибраций автомобильных двигателей.- М.: ОНТИ-НЙТИ, 1961. 78 с.

38. Кутищев М.А. Проектирование газовоздушного тракта поршневых машин.- Киев: Донецк: Вища школа, 1977. 123 с.

39. Кутищев М.А. К оценке шумо образования на выпуске в дизелях.-Двигатели внутреннего сгорания, Харьков, 1984, вып.34, с. 5459.

40. Лайтхилл Дж. Волны в жидкостях.- М. : Мир, 1981. 598 с.

41. Ленин И.М., Попык К.Г., Малашкин О.М. Автомобильные и тракторные двигатели.- М.: Высшая школа, 1969. 656 с.

42. Лепендин Л.Ф. Акустика.- М. : Высшая школа, 1978. 448 с.

43. Ливенцев Ф.Л. Силовые установки с двигателями внутреннего сгорания.- Л.: Машиностроение, 1969. 320 с.

44. Луканин В.Н. Шум автотракторных двигателей внутреннего сгорания.- М.: Машиностроение, 1971. 271 с.

45. OCT 23.1.446-82. Дизели тракторные и комбайновые. Шум и вибрация. Нормы и методы определения.- Введ. 01.01.82.

46. Пат. I 446 553 (Великобритания).

47. TTluffQess/w.TlicoQQ. Изобрет. в СССР и за рубежом, 1976, ЖГ7, вып.37, с.З

48. Пат. I 580 694 (Великобритания).

49. HLcjh <{ze(j,uericy diffusion muffßee fо? gas ^/ets/Vzesse г jndustzips J/zc. Изобрет. в СССР и за рубежом, 1981, Л8, вып.82, с.2043. Пат. 2 942 684 (США).muffle?/РЛSennet. Опубл. 23.12.5744. Пат. 3 957 133 (США).

50. Tiufffez/J.L. Johnson. Изобрет. в СССР и за рубежом, 1976, 1ё17, вып.37, с.2145. Пат. 4 022 291 (США).

51. Eik aast mufffez Aac/c/zg an attenuate? can assemSHy/ й$6е/?&пжщ30б$е?. в СССР и за рубежом, 1977, №16, вып.37, с.2046. Пат. 4 068 630 (США).

52. Engine noise reducing exhaust dartre a??angement /ft £.8e/?net-Изобрет. в СССР и за рубежом, 1978, вып.83, о.5847. Пат. I 247 749 (fl£T).

53. QuspuffsM&dämpfe? füe S?enH?af6masfrcnen /& 777й№ег-Sdznez-Пат. заявки ФРГ, 1967, ШЗ, с. 132

54. Проблемы уменьшения шума реактивных двигателей / Сб. переводов под ред. к.т.н. Соркина Л.И.- М.: Издательство иностранной литературы, 1961. 142 с.

55. Разумовский М.А. Прогнозирование шумовых характеристик поршневых двигателей.- Шнек: Вышэйш.шк., 1981. 39 с.

56. Ржевкин С.Н.Курс лекций по теории звука.- М.: Изд-во Моск. ун-та, I960. 336 с.

57. Савран Г .Д., Гильман Л.С., Финкель Г.Л. и др. Выбор конструкции глушителя для высоко оборотного форсированного дизеля.-Двигатели внутреннего сгорания, Харьков, 1979, вып.30,с.88-92.

58. Седач B.C. Газовая динамика выпускных систем поршневых машин.- Харьков: Вища школа, 1974. 172 с.V

59. Симеон А.Э., Каминский В.Н., Моргулис Ю.Б. и др. Турбонадцув высокооборотных дизелей.- М.: Машиностроение, 1976. 286 с.

60. Скуридин А.А., Михеев Е.М. Борьба с шумом и вибрацией судовых двигателей внутреннего сгорания.- Л.: Судостроение, 1970. 223 с.

61. Скучик Е. Основы акустики. Перевод с немецкого, т.1.- М.: Изд-во иностранной литературы, 617 с.

62. Солонцов В.Д., Солонцова Л.С. Глушители выпуска и способы очистки отработавших газов двигателей внутреннего сгоранияза рубежом. Реферативный сборник.- М.: ЦНШ-ТГЭИТРАКТОРОСЕЛЬХОЗ-МАШ, 1971, вып.2. 179 с.

63. Справочник по контролю промышленных шумов / Перевод с английского под ред. д.т.н., проф. Клюева В.В., М.: Машиностроение, 1979. 447 с.

64. Справочник по судовой акустике / Под общей ред. д.т.н. проф. Клюкина И.И. и к.т.н. Боголепова И.И.- Л.: Судостроение, 1978. 503 с.

65. Справочник по технической акустике / Под ред. М.Хекла и Х.А. Мюллера.- Л.: Судостроение, 1980. 438 с.

66. Старобинский Р.Н. Теория и синтез глушителей шума для систем впуска и выпуска газов двигателей внутреннего сгорания. Авто-реф. дис. . докт.техн.наук.- М., 1983. 24 с.

67. Старобинский Р.Н. Синтез камерных глушителей. Акустический журнал АН СССР, 1983, т.ХХ1У, вып.2, М., с.282-283.

68. Старобинский P.H., Иванов О.И. Анализ спектра выпуска из цилиндра двигателя внутреннего сгорания.- В кн.: Информационное обеспечение, адаптация, динамика и прочность систем.-Куйбышев, 1976, с.313-321.

69. Старобинский Р.Н., Трохименко H.A. Камерные глушители шума с поглощающими материалами,- Виброакустика автомобиля. Межвузовский сб. научных трудов.- Куйбышев, с.89-90.

70. Тимофеенко Л.П., Усок В.Ф. Снижение шума на промышленных предприятиях.- Киев: TexHÎKa, 1980. 143 с.

71. Тракторные дизели / Под ред. Взорова Б.А.- М.: Машиностроение, 1981. 535 с.

72. Фоменко А.Я., Белятынский A.A., Тодоренко Н.Е. Снижение автотранспортного шума в городах.- Киев: TexHÎKa, 1979. 105 с.

73. Францев В.К. Определение уровня шума и параметров шумоглуше-ния авиационных газотурбинных двигателей.- Рига: Рижский институт инженеров гражданского воздушного флота, 1964.60 с.

74. Целлер В. Техника борьбы с шумом. Перевод с французского.-М.: Госстройиздат, 1958. 428 с.

75. Шапиро Б.К. Основы расчета глушителей шума выхлопа.- М.: Оборонгиз, 1943. 64 с.

76. Шутилов В.А. Основы физики ультразвука.- Л.: Изд-во Ленинградок. ун-та, 1980. 280 с.71. aêfeedco/z 'Davis P.O. Реф?п?апсе о/ frAaust SíOesice? Components.- Sound and ¿TiSzatcon t /p?/,/s,a>¿,p.p. /?S-/£>&.

77. Cttfzedcon /?.J.} Zfocris P.O. tfadccráon of Sound /?оп7 an Engine fxáaust. Sound and ¿/¿Station, уд?/, /s,а/2, p.p. 389-408.

78. Czesûaw tfozdzinsài. Ш ûacfy b/yëotowe szyêûoêieznycA siêniÂow spaûinowycA. Wazszawa, Wyafawnictwa tfon7¿/n¿-iacjï с Ûacznosci, /9S4.-z4é>c.

79. Docks P.O. Fke fiesign о/ Science es /ог jfttezncrP Co/nóustíoa Engine.-Sountf a/zá ¿J¿ó?atio/z, <964,/> , p.p. /ss-го/.

80. E?i¿sson ¿j. an CtnaPytccaP 77?ос/еР fa Exhaust system Design.-sas Тес/г. Pap. Se?. /s?â ,//7So 47z, //pp.

81. E^iàsson ¿.j. Current aPtezncrticres in Exhaust System ŒcousticaÛ Esaêuation. Sounof ana' Шration, /£>7&, /г, л>8 , pp. /<9-zs.

82. Eziisson ¿ J. Design implication о/ Aigher otafe? rnotfe propagation en Siëencers. 7?oise-ContzoP, s/, 7?at¿onaP

83. Со/г/. 77oise ContzoP,3-/0june 7 /&/, new 3W, п. у., /за/, p.p. ¿os--//a

84. O-erret /9. Si fencing tec Animes. Engine anay /s>?s, i9, s/Z, pp. H-/3.

85. T77aye? ttP.,7loifotny 8. Ein SerecA/zungswez/ahzer /иг GögasschaPPofämp/er ¿ron tTler^motcren. -77?Г2,к /о, р. р.39/-39$.

86. Pein Aar t ChazPes О., tfêeinPenz j.E. C?naPy¿¿caP techniques use a? ¿a ofesign о/ Pcw êacipzessure snu/fPezs. -7loCse ContzoP> sУ, TtatconaP Con/., 7?ocse ControP,6.¿ojune, ■/&$/, Tteiv Уог£ ,7Z.X, /98/, pp- //Z-//S.

87. ТНР индуктивное сопротивление турбины;

88. Хтра индуктивное сопротивление выпускной трубы в исходной схеме;

89. ЪтРд активное сопротивление выпускной трубы в исходной схеме;$ сила тока в исходной схеме при напряжении и на входе;

90. Хс емкостное сопротивление глушителя;- индуктивное сопротивление диафрагм глушителя;

91. ХТРг индуктивное сопротивление трубы после глушителя;с^ активное сопротивление трубы после глушителя;

92. Уг сила тока в схеме с глушителем;