鐵路內燃機活塞づ幕髟肷影響因素探討

沈 駿

摘要:作為我國鐵路運營的主力軍內燃機車,由于機車在設計上普遍采用了先進的設計方法,在制造上大量采用新技術新工藝和新材料,使得提速機車的固有可靠性比以往的內燃機車得到大幅度提高。但是內燃機活塞拍擊作為內燃機振動的主要激勵源之一,其引起的噪聲是內燃機僅次于燃燒噪聲的最大的機械噪聲。對于此問題,進行了相關的探討,對降低道路交通噪聲,緩解環境噪聲具有重要的現實意義。

關鍵詞:內燃機;噪聲;改進

中圖分類號:TK4

文獻標識碼:A

文章編號:16723198(2009)20030102お

內燃機車具有柴油機和輔助系統。內燃機活塞拍擊作為內燃機振動的主要激勵源之一,其引起的噪聲是內燃機僅次于燃燒噪聲的最大的機械噪聲。隨著內燃機向高速化、輕量化發展,內燃機機械噪聲也因此顯得更加突出,同時抑制燃燒噪聲技術措施一般與內燃機提高動力性的要求相矛盾,因此控制內燃機表面輻射噪聲的重心一般放在機械噪聲源的控制上,而活塞拍擊噪聲作為內燃機最大的機械噪聲源,理所當然的是內燃機機械噪聲控制的重點。因此對鐵路內燃機活塞拍擊噪聲的探討,探索清楚活塞拍擊噪聲的各種影響因素,從而掌握內燃機機械噪聲控制核心技術。

1鐵路內燃機活塞拍擊噪聲影響因素的探討

20世紀70年代初期,Fawcett.J.N和Burdess,J.S分別討論了采用傳統的活塞環和帶角度的活塞環的燃氣爆發壓力,并研究了活塞銷偏置和采用帶角度的活塞環對燃氣爆發壓力的影響趨勢,從而控制活塞拍擊力的大小。Grover E C和Lalor N.研究表明,燃燒室的壓力量級和振蕩幅度、連桿比參數等因素對活塞敲擊噪聲也有影響。R.WILSON和J.N.FAWCETT通過研究平面曲柄-滑塊機構的運動機理,分別討論了間隙大小、活塞與汽缸壁的摩擦力大小以及曲柄轉速對活塞拍擊力的影響。DeJong.R.G和Parsons.N.E.針對V6發動機的由活塞拍擊引起的噪聲進行測量和動態分析,指出發動機缸套的安裝形式是活塞拍擊噪聲的一個重要影響因素。1985年,Richmond,J.W.和Parker,D.A.研究了活塞間隙和活塞裙部橢圓度對活塞拍擊噪聲的影響,指出活塞間隙過小影響油膜的形成,加劇了活塞的磨損,從而引起振動噪聲過大。

1992年,國內的周勇麟和李樹珉通過研究指出:敲擊的強度主要取決于氣缸5的最高燃氣爆發壓力和活塞與缸壁的間隙大小,因此這種活塞拍擊噪聲既與內燃機的燃燒有關,又和內燃機活塞的具體結構有關。1999年,王政、唐建、于旭東等從活塞動力學分析開始,結合流體動力潤滑方程,建立了活塞裙部-缸套間的潤滑模型,計算模擬四沖發動機活塞二階運動和摩擦功率的軌跡,并將原始的直線型裙部廓線與國外的中凸型廓線進行了對比,探討其優劣。同年,張標標,張宗杰和劉永長提出了活塞裙部摩擦潤滑的數學模型,該模型考慮了活塞裙部表面粗糙度、裙部線型對活塞潤滑和摩擦的影響,所編制計算程序用于計算整個活塞橫向運動軌跡,并揭示出活塞在正常工作情況下其裙部油膜力和摩擦力與曲柄轉角的函數關系。

根據現今研究表明,內燃機活塞拍擊受諸多因素影響,除了燃氣爆發壓力和活塞與缸體之間不可避免的存在間隙重要因素之外,還包括活塞質量、活塞銷位置、連桿比、活塞裙部長度、曲軸軸線位置、活塞質心高度、活塞裙部結構形式。眾多學者建立起了這些影響因素和拍擊力之間的定量的關系,但是由于缺少活塞拍擊噪聲的理論模型,因此沒有建立這些影響因素與拍擊噪聲之間的定量關系,相應的這些影響因素對活塞拍擊噪聲的影響規律也只是通過活塞拍擊力或動能改變量定性的給出。探索清楚這些參數對活塞拍擊噪聲的影響規律,是對活塞進行低拍擊噪聲設計和改進的理論基礎,因此是一個非常有研究價值的問題。

根據內燃機產生噪聲的因素,采取行之有效的措施減小活塞拍擊力從而控制其產生的噪聲,相關學者主要從以下幾個方面著手:減小活塞的質量,從而減小活塞工作過程中的慣性力;減少活塞和氣缸在各工況下的間隙,采用緊配式活塞,優化它與氣缸間的間隙;優化設計活塞裙部廓線形狀,采用中凸形或錐形;加強活塞的潤滑,從而降低沖擊強度;采用活塞銷偏置或曲軸銷偏置。對這些控制措施的影響規律絕大多數都是針對活塞拍擊力而言的,而沒有見到文獻討論這些控制措施對活塞拍擊引起的噪聲的影響規律。

2低拍擊噪聲活塞改進設計

根據現今的研究成果結合實際情況,對原有的活塞進行低拍擊噪聲改進。

通過長時間研究我們可以得知,減小活塞裙部與缸壁之間的間隙是最直接最有效的降低活塞拍擊噪聲的辦法,但是由于活塞與缸壁之間的間隙是一個涉及活塞和缸壁熱膨脹、活塞裙部的潤滑等多方面問題,如果不考慮這些因素直接修改活塞與缸壁的間隙,可能導致活塞刮傷缸壁,甚至被卡死?；钊|量直接影響活塞運動中的慣性力大小,也是影響活塞拍擊噪聲的一個重要因素,但是活塞工作過程中,高溫高壓,對其強度要求非常嚴格,因此對其進行修改的可能性也不大。連桿比是內燃機一個非常重要的設計參數,前面分析已知減小連桿比可以降低活塞拍擊引起的噪聲。減小連桿比要么是減小曲軸半徑,要么是增加連桿長度,如果減小曲軸半徑同時又要保證發動機排量不發生變化,則必須增加活塞和缸筒的半徑;如果增加連桿長度,這會增加發動機高度方向的尺寸,涉及到缸體尺寸和發動機布置位置的修改,因此通過修改連桿比來降低活塞拍擊噪聲,需要考慮和修改的其他問題很多。由前面分析可知,對曲軸軸線向主推力面進行適當的偏移,也將會產生降低活塞拍擊噪聲的效果,但是對曲軸軸線位置進行修改,涉及到修改曲軸箱體的結構形式,改動量也相當的大。因此,就改進的方便性和可行性而言,修改活塞銷偏移距離、活塞裙部剛度、活塞裙部下端長度等參數相對來說比較容易實現。由前面分析,活塞銷軸線由原來的偏向主推力面0.5mm改為1mm,并且活塞銷孔軸線向下平移2mm,活塞裙部下端長度減少0.5mm,通過在活塞裙部開槽的方法降低活塞裙部下端的剛度。

總之,本文缺乏對活塞拍擊噪聲影響規律定量的研究,因此這些控制措施只能為活塞低拍擊噪聲設計和改進提供方向性意見,而不能進行定量的參數優化匹配設計。但深入探討這些控制措施對活塞拍擊噪聲的影響規律是非常有必要的。