柴油机用复合式消声器设计与实验探究
发布时间：2021-12-03
摘要：针对公司研发的一款铁路维护机械，设计了共振腔型带穿孔管的阻抗复合式消声器。首先进行抗性消声器设计，通过对中低频的噪声进行分析计算，得到消声管道直径、共振腔直径、穿孔管板厚、开孔直径、共振腔长度和开孔个数等关键参数。然后，通过在抗性消声器内增加阻性材料，便成为阻抗复合式消声器。最后，根据理论计算结果进行消声器模型设计和制造，并装车验证。实验结果表明，所设计的阻抗复合式消声器能在不同工况下有效降低发动机的排气噪声。
关键词：铁路维护机械;阻抗复合式消声器;共振腔;穿孔管
0引言
随着各种技术的应用和进步，铁路维护作业的机械化、自动化程度逐年提高，原本耗费大量人力、劳动强度大的作业如换轨、换枕、拧扣件螺栓等正逐年被各种大中小型作业机械替代。相比蓄电池或交流电网供电，柴油发动机因其可在恶劣环境下工作、能量产生与使用方便、扭矩大、可独立作业等优点而被大中型铁路维护机械广泛采用。公司研发了一款铁路维护机械，用于对铁路扣件进行拧紧、拧松、除污、喷油等维护工作，其采用发动机提供动力，需要设计一款消声器以降低排气噪声，减小噪声污染对环境的影响。根据消声原理的不同，消声器分为阻性消声器、抗性消声器和阻抗复合式消声器[1]。阻性消声器是利用阻性材料进行消声，将部分声能转化为热能而被吸收，达到消声目的，主要用于进气噪声的降低或排气消声要求高场合，适用中高频噪声;抗性消声器利用气流管道上截面积突变或共振腔使得声音阻抗发生改变，主要用于内燃机等的排气噪声，适用中低频噪声;阻抗复合式消声器把阻性与抗性消声器的原理结合起来，适应低、中、高频噪声。本文铁路维护机械所采用的发动机基本参数如表1所示。根据前文的分析，发动机排气噪声主要成分为中低频噪声，同时含有少量的高频噪声。考虑到设计复杂性和经济性，本文采用阻抗复合式消声器进行消声。首先进行抗性消声器设计，对中低频噪声进行分析计算，得到关键参数。然后，在抗性消声器内增加阻性材料成为阻抗复合式消声器。最后进行制造和装车验证。
1消声器设计计算
按照发动机厂家的要求以及中低频带的划分准则，本文拟设计用于消除中心频率为63Hz、125Hz、250Hz和500Hz声音的发动机排气消声器，倍频带消声量不小于20dB，为共振腔型带穿孔管阻抗复合式消声器。根据文献[1]，两个或两个以上消声器串联时，噪声总的衰减量近似等于各个消声器噪声衰减量(dB)的总和，因此本文近似将各中心频率对应的各频段的消声量设定为5dB。本节以中心频率63Hz的噪声为例进行消声计算说明。对于共振腔型抗性消声器，共振腔的体积V由下式计算[2]：
(1)式中：cT为绝对温度T下的声速，cT=20050姨T(mm/s);K为与消声器性能相关的一个常数;为消声管道的直径(mm)，f0为共振频率(Hz)，即想要消声的频段的中心频率，此处f0=63Hz。
根据文献[1]，消声器内温度一般为500-700°C，取T=873.15K;对于消声管道的直径，根据经验取=75mm;K受很多因素影响，通常由经验公式计算[3]：ΔL=10lg(1+2K2)
(2)式中：ΔL为消声量(dB)，此处ΔL=5dB。对于共振腔型带穿孔管的抗性消声器，共振腔长度L：L=4Vπ(d22-d12)
(3)式中：V为共振腔的体积(mm3);d2为共振腔的直径(mm)，根据发动机尺寸和安装空间，取d2=250mm;为消声管道的直径(mm)。下面需要确定穿孔管的相关参数，穿孔管性能常用导通率G来描述[3]：
(4)(5)式中：n为开孔数量;d3为开孔的直径(mm);t为穿孔管的板厚(mm)。根据文献[1]，取d3=5mm，t=2mm，求得n=1.88，取整为开2个孔。综上，可以求得上述四种频率(63Hz、125Hz、250Hz、500Hz)的消声计算结果如下：消声管道直径均为75mm，共振腔直径d2均为250mm，穿孔管板厚t均为2mm，开孔直径d3均为5mm，共振腔长度L分别为308mm、155mm、78mm和39mm，开孔个数分别为2、4、7、15。前面完成了抗性消声器的设计计算，在此基础上，我们在共振腔内加入阻性材料，使得消声器具备阻性，以对少量的高频噪声进行去除。
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由于阻性消声器设计目前尚缺乏进行较为精确的计算公式，一般是根据经验添加阻性材料。我们在最大的共振腔内加入玻璃纤维，围绕共振腔内壁进行敷设，厚度50mm，容重20kgf/m3，其对中心频率为500Hz、1000Hz、2000Hz、4000Hz的中高频噪声的吸声系数均在0.85以上。当声波通过敷设有玻璃纤维的共振腔时，声波将激发玻璃纤维中众多小孔内空气分子的振动，由于摩擦阻力和粘滞力的作用，使得一部分声能转化为热能耗散掉，从而达到消声目的。
2实验验证
根据上述结果，将消声器模型设计成如图1所示，在腔1中加入厚度50mm的玻璃纤维。根据设计的模型进行制造，由于车上安装空间的限制，排气管尾端朝下，从车的侧下方排气。将制造好的消声器通过支架和U型螺栓安装在发动机上，进行装车验证，如图2所示。根据《GB/T4759-2009内燃机排气消声器测量方法》的要求，在与排气口气流轴向成45°方向上、距离排气口250mm的一圈位置均分地设置A、B、C、D四个点测量噪声[4-5]，如图3所示。发动机设定怠速800r/min和额定转速2000r/min两种工况。测量结果如表2所示，其中1)代表不安装消声器，2)代表安装所设计的阻抗复合式消声器。由表2可知，安装消声器后，排气噪声在不同工况下降低了12.1-16.5dB，噪声降低较为明显，显示了所设计的消声器的良好降噪性能。另外，2000r/min工况下消声效果更加明显。虽然消声效果满足了厂家的推荐值，但是因为消声器的设计涉及到多种因素，难以通过简单的理论计算得到准确的设计结果，未来要根据制造经验和测试结果进行改进，进一步提升其性能。
3总结
针对公司研发的一款铁路维护机械，设计了共振腔型带穿孔管阻抗复合式消声器。首先，通过对中低频的噪声进行分析计算，得到消声管道直径、共振腔直径、穿孔管板厚、开孔直径、共振腔长度和开孔个数等关键参数。然后，在抗性消声器中加入玻璃纤维作为阻性材料以对高频噪声进行去除，形成阻抗复合式消声器。根据计算结果进行消声器模型设计并装车验证。实验结果表明，所设计的消声器能在不同工况下有效降低发动机的排气噪声。未来将根据制造经验和样机测试结果进一步提升该阻抗复合式消声器的性能。作者:何大勇 王印军 周峰
参考文献：
[1]柴油机设计手册委员会.柴油机设计手册中册[M].中国农业出版社，1984.
[2]符江涛.共振腔消声器的设计与应用[J].环境工程，2001，19(3)：36-37.
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[5]方建华，孙香冰，张训敏，等.挖掘机消声器效果的测量与分析[J].筑路机械与施工机械化，2012(7)：32-38.
