劉 旭, 亢榮玉, 陳曉陽(yáng)*, 陶德華, NI Ben

(1.上海大學(xué) 機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院, 上海 200072;2.美國(guó)福特汽車公司 全球發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)中心, 密歇根州 迪爾伯恩 48124)

發(fā)動(dòng)機(jī)是汽車的核心部件，其噪聲水平是評(píng)價(jià)發(fā)動(dòng)機(jī)的重要指標(biāo)之一.隨著汽車NVH(噪聲、振動(dòng)和聲振粗糙度)技術(shù)的進(jìn)步，發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的燃燒、活塞沖擊以及齒輪嚙合等帶來的噪聲已經(jīng)大幅度降低[1-2].但是近些年一種發(fā)生于發(fā)動(dòng)機(jī)主軸承油膜中類似打字機(jī)般無規(guī)律的異常噪音問題逐漸引起各大汽車廠商的關(guān)注，噪聲產(chǎn)生時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)處于空擋怠速運(yùn)行狀態(tài)(轉(zhuǎn)速為600 r/min)，而怠速運(yùn)轉(zhuǎn)下的噪聲是重要的噪聲評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)[3].這種無規(guī)律異常噪聲現(xiàn)象主要出現(xiàn)在6～8缸大排量汽車柴油發(fā)動(dòng)機(jī)中，因機(jī)理研究比較有限，故缺乏有效的解決措施.

2003年，豐田的工程師Aoyama等[4]首先研究了發(fā)動(dòng)機(jī)中的這種主軸承噪聲，通過建模振動(dòng)仿真證實(shí)了發(fā)動(dòng)機(jī)主軸承中的無規(guī)律噪音與油膜中的空穴有關(guān).五十鈴工程師Kimura等[5]使用振動(dòng)仿真軟件得到了類似的結(jié)論，即噪聲是油膜空穴造成的.然而上述的研究都只對(duì)振動(dòng)進(jìn)行仿真探究，并未直接對(duì)噪聲進(jìn)行求解，同時(shí)缺乏相關(guān)的試驗(yàn)研究.實(shí)際上，軸承中的油膜空穴現(xiàn)象很早就被試驗(yàn)證實(shí)了[6-8]，但目前試驗(yàn)研究的重點(diǎn)是其對(duì)油膜承載力的影響和對(duì)軸承表面的侵蝕作用，很少關(guān)注空穴的噪聲問題.同時(shí)常用的發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)并不適用于研究這種主軸承噪聲：一是無法觀察主軸承油膜中的空穴形貌變化；二是臺(tái)架試驗(yàn)在工作的時(shí)候其他噪聲會(huì)有嚴(yán)重干擾.為了探究動(dòng)載工況下這種無規(guī)律噪聲與油膜空穴的關(guān)系，豐田工程師Aoyama等[9]進(jìn)行了擠壓油膜試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)噪聲產(chǎn)于油膜空穴與大氣連通時(shí).國(guó)內(nèi)上海大學(xué)張等[10-13]對(duì)擠壓油膜進(jìn)行了大量的研究，作者所在課題組[14-18]在此基礎(chǔ)上用擠壓油膜噪聲試驗(yàn)機(jī)研究了不同工況下的這種異常油膜空穴噪聲，試驗(yàn)結(jié)果表明在小振幅、遠(yuǎn)離特定頻率、充分供油和同軸度偏差小等工況下，能夠有效減少油膜空穴噪聲的產(chǎn)生.

但是若實(shí)施這些措施勢(shì)必會(huì)改變發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和性能，考慮到發(fā)動(dòng)機(jī)牽一發(fā)而動(dòng)全身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并不是一種優(yōu)解.如果能通過改善潤(rùn)滑油來減少甚至消除這種油膜空穴噪聲，就具有很強(qiáng)的實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性.2011年，福特工程師Morgan等[19-20]發(fā)現(xiàn)在潤(rùn)滑油中加入碳粉能夠減少發(fā)動(dòng)機(jī)軸承噪聲的產(chǎn)生，并由此配置了XL-17發(fā)動(dòng)機(jī)油改性劑用于減少噪聲.但是碳粉會(huì)使?jié)櫥统尸F(xiàn)不友好的黑色，引起消費(fèi)者的恐慌，同時(shí)這種碳粉降噪的有效時(shí)間不長(zhǎng)，需要定時(shí)更換，增大了使用成本.碳粉作為一種固體粉末添加劑經(jīng)常被加入到潤(rùn)滑油中以提高其耐熱性，增加耐負(fù)荷性，減少磨損[21].目前關(guān)于固體粉末添加劑的研究主要針對(duì)如何改善軸承的潤(rùn)滑性能[22-28]，而很少研究固體粉末添加劑對(duì)油膜空穴噪聲的影響.如果能夠找到一種有效的固體粉末添加劑，其具有比碳粉更好的抑制油膜空穴噪聲的效果而沒有碳粉存在的缺點(diǎn)，將在經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性方面具有重要意義.

本研究的目的是利用可以同步采集振動(dòng)、位移、聲壓、力和油膜空穴圖像五種信號(hào)的平行板擠壓油膜試驗(yàn)機(jī)對(duì)固體粉末添加劑與無規(guī)律油膜空穴噪聲的關(guān)系進(jìn)行試驗(yàn)研究.其中固體粉末添加劑選取碳粉(純粉末和XL-17發(fā)動(dòng)機(jī)油改性劑)、多孔質(zhì)硅鋁酸鹽、熒光劑(油溶性和非油溶性)以及二硫化鉬等幾種固體粉末作為潤(rùn)滑油添加劑，尋找抑制油膜空穴噪聲的有效辦法.

1 試驗(yàn)機(jī)及試驗(yàn)方案

Fig.1 Schematic of the test apparatus圖1 試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖與其實(shí)物圖

Fig.2 Image of test apparatus圖2 試驗(yàn)機(jī)實(shí)物圖

發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過程中動(dòng)載擠壓效應(yīng)對(duì)于油膜空穴噪聲的影響尤為直接，作者所在課題組由此簡(jiǎn)化了試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)，只考慮動(dòng)載擠壓效應(yīng)，搭建了平行板擠壓油膜噪聲試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)機(jī)原理和實(shí)物分別如圖1和圖2所示.平行板擠壓油膜的核心就是在潤(rùn)滑油中的兩個(gè)圓板沿法向進(jìn)行直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，即下平板(8)和上平板(11)之間，其中下平板(8)靜止固定在托板(6)上，上平板(11)進(jìn)行上下擠壓運(yùn)動(dòng)，同時(shí)為了能觀測(cè)到擠壓過程中油膜空穴的形貌變化，上平板(11)的材料為K9光學(xué)玻璃.試驗(yàn)中油池(10)充滿潤(rùn)滑油，擠壓油膜運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力由激振器(1)提供，激振器通過連桿帶動(dòng)動(dòng)支架(5)做上下擠壓運(yùn)動(dòng)，上平板(11)則固定在動(dòng)支架的底端，與下平板(8)保持平行.同時(shí)為了進(jìn)一步保證上平板(11)和下平板(8)兩者在運(yùn)動(dòng)過程中保持平行，采用6根彈簧鋼絲(3)分上下兩層將動(dòng)支架均勻固定在靜支架(2)上，每層的3根彈簧鋼絲呈120°分布，其中彈簧鋼絲一端與動(dòng)支架(5)相連，另一端通過細(xì)牙螺紋與靜支架(2)連接，通過微調(diào)螺紋即可調(diào)整動(dòng)支架的位置.反光鏡支架底部固定在靜支架上，頂部延伸到動(dòng)支架內(nèi)部，使反光鏡(12)呈45°放置在玻璃上平板(11)上方.這樣LED光源照射到反光鏡上，反光鏡將光通過玻璃上平板照射到油膜，然后將油膜的成像按光路的反方向反射到高速攝像機(jī)內(nèi)，達(dá)到實(shí)時(shí)拍攝的目的.力傳感器(13)固定在激振器和動(dòng)支架之間，用于測(cè)量激振器的輸出力.3個(gè)位移傳感器(7)呈120°固定在油池內(nèi)部，用于測(cè)量擠壓過程中的振幅和判定動(dòng)支架在擠壓過程中是否水平.振動(dòng)傳感器(9)通過磁吸座吸附在下平板底部，用于測(cè)量振動(dòng)加速度信號(hào).聲壓傳感器的采樣點(diǎn)根據(jù)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求放置在擠壓油膜斜上方45°且距離擠壓油膜中心10 cm的位置.

如圖3中所示，信號(hào)發(fā)生器的輸出端與功率放大器相連，通過功率放大器進(jìn)行放大，最終輸入激振器.試驗(yàn)的參數(shù)列于表1中，因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)主軸承異常空穴噪聲主要在空載怠速狀態(tài)下產(chǎn)生(600 r/min)，所以擠壓頻率被設(shè)置為10 Hz，同時(shí)激振器輸出力的振幅保持為100 N.在試驗(yàn)的過程中，各信號(hào)之間的同步性對(duì)于試驗(yàn)結(jié)果的分析很重要，其中聲壓、振動(dòng)、位移和拉壓力通過高速同步采集卡確保其同步性，采樣頻率設(shè)置為48 000 Hz.這里需要注意的是，聲壓傳感器放置在距離聲源10 cm處，而聲音在空氣中傳播的速度遠(yuǎn)慢于其他傳感器的電信號(hào)，所以為了消除這一干擾，在本文中接下來所有聲壓信號(hào)的時(shí)間坐標(biāo)都會(huì)減去聲音在這段空氣傳播所用的時(shí)間(0.000 29 s).高速相機(jī)為分體式結(jié)構(gòu)，能夠以最快3 000 fps(每秒幀數(shù))的速度通過圖像采集卡向PCI-E 固態(tài)硬盤寫入數(shù)據(jù).由于噪音的產(chǎn)生是無規(guī)律的，因此高速相機(jī)會(huì)在整個(gè)試驗(yàn)過程中持續(xù)地拍攝并寫入數(shù)據(jù)，以確保在出現(xiàn)噪音時(shí)相機(jī)能捕獲油膜空穴的動(dòng)態(tài)圖像.考慮到硬盤存儲(chǔ)和后期數(shù)據(jù)分析的壓力以及研究并不涉及空穴的微射流，所以將拍攝速率設(shè)置為500 fps.利用自行編寫的觸發(fā)程序可實(shí)現(xiàn)聲壓、振動(dòng)、位移、擠壓力和油膜圖像的同步測(cè)量與拍攝.

表1 試驗(yàn)條件Table 1 Experimental condition

Fig.3 Schematic diagram of data acquisition system of test apparatus圖3 試驗(yàn)機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)示意圖

在該試驗(yàn)工況下，使用擠壓油膜噪聲試驗(yàn)機(jī)成功復(fù)現(xiàn)了無規(guī)律的油膜空穴噪聲現(xiàn)象.在噪聲產(chǎn)生時(shí)采集到的1組同步的位移、拉壓力、振動(dòng)、聲壓信號(hào)與油膜空穴圖像如圖4所示.從圖4中可以發(fā)現(xiàn)，噪聲主要發(fā)生在位移信號(hào)的下降沿(2時(shí)刻)，此刻聲壓大到最大值4 Pa，同時(shí)位移快速減小，振動(dòng)也達(dá)到最大值，激振力突然增大.通過觀察圖中1、2和3點(diǎn)的油膜空穴圖像可以看出，油膜空穴一開始逐漸增大，隨后噪聲產(chǎn)生在油膜空穴與大氣聯(lián)通的潰滅瞬間，而后油膜空穴逐漸消失，聲壓恢復(fù)到正常值.

由于本文中探究的添加劑是固體粉末，直接加入油池中可能存在難以混合均勻的問題，為此需要先制備高濃度的添加劑-潤(rùn)滑油懸浮液：首先將固體粉末顆粒放置在200 ℃的干燥箱中干燥2 h，用以蒸發(fā)固體顆粒中可能存在的水汽；然后將固體粉末顆粒進(jìn)行研磨，使添加劑顆粒容易分散，將研磨后的0.69 g的固體添加劑粉末加入至100 mL的全合成油SAE 5W-30中，充分?jǐn)嚢柚笤儆贸暡〝嚢杵鬟M(jìn)行分散，配制成高濃度的添加劑-潤(rùn)滑油懸浮液，過程如圖5所示.

在每組試驗(yàn)中，使用定量移液管從油池中抽取5 mL潤(rùn)滑油，然后再加入5 mL上文中制備的高濃度添加劑-潤(rùn)滑油懸浮液至油池，充分?jǐn)嚢杈鶆?，這樣保持油池總體積不變.為了探究不同濃度的固體粉末添加劑對(duì)油膜空穴噪聲的影響，重復(fù)這一過程14次，這樣每組試驗(yàn)油池中添加劑的濃度就可以計(jì)算出來：

式中，Ci為第i次試驗(yàn)潤(rùn)滑油中固體粉末添加劑的濃度，單位g/mL，Cdense為上述配制的高濃度添加劑-潤(rùn)滑油懸浮液濃度，其值為6.9×10-3g/mL，Voil為油池中潤(rùn)滑油的體積，其值為222 mL.經(jīng)計(jì)算得出添加劑的濃度梯度為0、1.55×10-4、3.07×10-4、4.55×10-4、6.0×10-4、7.42×10-4、 8.8×10-4、 10.2×10-4、 11.5×10-4、 12.8×10-4、14.0×10-4、15.3×10-4、16.5×10-4和17.7×10-4g/mL.

2 結(jié)果與分析

2.1 碳粉對(duì)油膜空穴噪聲的影響

試驗(yàn)所用碳粉是黑色的鱗狀碳粉，是石墨的一種，其含碳量為99.99%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，經(jīng)常被用作固體潤(rùn)滑添加劑加入至潤(rùn)滑油中，減小磨損.試驗(yàn)按照上文中試驗(yàn)方案的步驟進(jìn)行，試驗(yàn)中油膜空穴噪聲的產(chǎn)生是無規(guī)律的，同時(shí)其聲壓值一般大于0.5 Pa，如圖6所示.同時(shí)也能發(fā)現(xiàn)這種無規(guī)律性主要體現(xiàn)在相鄰油膜空穴的間隔時(shí)間呈現(xiàn)無規(guī)律性，而且還表現(xiàn)在每次噪聲的聲壓值大小變化是無規(guī)律的.因此為了定量比較噪聲的強(qiáng)弱，劃分了3個(gè)聲壓區(qū)間0.5～1 Pa，1～2 Pa和大于2 Pa進(jìn)行對(duì)比分析，其中低于0.5 Pa的采樣點(diǎn)為背景噪聲，故忽略.通過計(jì)算各聲壓區(qū)間采樣點(diǎn)數(shù)量與總采樣點(diǎn)數(shù)量比值，算出每個(gè)聲壓區(qū)間占總體采樣點(diǎn)的百分比來表征噪聲產(chǎn)生的頻率與強(qiáng)度.

Fig.4 Cavitation pictures and signals of displacement, force,vibration and sound pressure圖4 位移、拉壓力、振動(dòng)、聲壓信號(hào)與空穴圖像

按上述噪聲劃分的方法，油膜空穴噪聲出現(xiàn)次數(shù)與碳粉加入濃度的關(guān)系如圖7所示.從圖7中可以看出，在潤(rùn)滑油中加入碳粉之后，油膜空穴噪聲出現(xiàn)次數(shù)迅速減少，說明碳粉具有抑制油膜空穴噪聲的作用.此外，在低濃度時(shí)(小于6.00×10-4g/mL)，這種噪聲抑制效果隨著碳粉加入濃度的升高而加強(qiáng).但當(dāng)碳粉加入濃度達(dá)到較高值(大于6.00×10-4g/mL)后，這種噪聲抑制效果就趨于穩(wěn)定.這表明隨著潤(rùn)滑油中碳粉加入濃度的不斷增加，油膜空穴噪聲產(chǎn)生的次數(shù)先迅速降低，在濃度較高時(shí)逐漸平穩(wěn).

福特汽車公司為了降低發(fā)動(dòng)機(jī)主軸承的噪聲，配置了XL-17發(fā)動(dòng)機(jī)油改性劑以供維保使用，其有效成分也為碳粉.根據(jù)XL-17發(fā)動(dòng)機(jī)油改性劑中的碳粉含量進(jìn)行計(jì)算和稀釋，使試驗(yàn)的碳粉濃度與之前保持一致，試驗(yàn)得到的油膜空穴噪聲出現(xiàn)次數(shù)與碳粉加入濃度的關(guān)系如圖8所示，其中虛線表示上述純碳粉的試驗(yàn)結(jié)果，而實(shí)線則表示XL-17發(fā)動(dòng)機(jī)油改性劑的試驗(yàn)結(jié)果.從圖8中可以看出，XL-17發(fā)動(dòng)機(jī)油改性劑的降噪效果與純碳粉類似，在碳粉濃度相同的情況下，兩者的降噪效果大致相同，進(jìn)一步驗(yàn)證了碳粉試驗(yàn)的準(zhǔn)確性和可靠性.同時(shí)因?yàn)閮蓚€(gè)結(jié)果比較接近，下文中就只用純碳粉的試驗(yàn)結(jié)果作為對(duì)比分析.

2.2 多孔質(zhì)硅鋁酸鹽粉對(duì)油膜空穴噪聲的影響

多孔質(zhì)硅鋁酸鹽粉是分子篩的主要成分，主要作為催化劑的載體，用于增大催化劑與試劑的接觸面積.其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)中有許多規(guī)整而均勻的孔道和排列整齊的孔穴，是一種白色粉末狀固體.試驗(yàn)條件除固體粉末添加劑不同外，其他均與碳粉試驗(yàn)保持一致，試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示.隨著多孔質(zhì)硅鋁酸鹽粉加入濃度的不斷增大，油膜空穴噪聲出現(xiàn)次數(shù)逐漸降低，但是當(dāng)濃度超過6.0×10-4g/mL之后，繼續(xù)增加多孔質(zhì)硅鋁酸鹽粉的濃度，雖然其降噪效果會(huì)出現(xiàn)一定的波動(dòng)性，但是整體上呈現(xiàn)一種平穩(wěn)的趨勢(shì)而不會(huì)繼續(xù)增強(qiáng).這種噪聲抑制效果的波動(dòng)性主要由油膜空穴噪聲的不規(guī)律性引起的.綜上多孔質(zhì)硅鋁酸鹽粉與碳粉的降噪效果類似，即隨著加入濃度的增大，其抑制噪聲作用會(huì)先增強(qiáng)后趨向平穩(wěn).

Fig.5 Treatment process of solid powder additive圖5 固體粉末添加劑的處理過程

Fig.6 Sound pressure signal collected in the experiments圖6 試驗(yàn)采集到的聲壓信號(hào)

Fig.7 The relationship between the concentration of carbon powder and the noise intensity of oil film cavitation圖7 碳粉加入濃度與油膜空穴噪聲強(qiáng)度之間的關(guān)系

Fig.8 The relationship between the concentration of carbon powder and XL-17 engine oil modifier and the noise intensity of oil film cavitation圖8 碳粉和XL-17發(fā)動(dòng)機(jī)油改性劑加入濃度與油膜空穴噪聲強(qiáng)度之間的關(guān)系

Fig.9 The relationship between the concentration of porous aluminosilicate powder and the noise intensity of oil film cavitation圖9 多孔質(zhì)硅鋁酸鹽粉加入濃度與油膜空穴噪聲強(qiáng)度之間的關(guān)系

2.3 熒光劑粉對(duì)油膜空穴噪聲的影響

熒光劑廣泛使用于工業(yè)檢漏中，主要成分為樹脂，屬于多孔質(zhì)物質(zhì).本文中試驗(yàn)了兩種不同類型的熒光劑，一種是油溶性熒光劑粉，易溶于潤(rùn)滑油，黃色粉末，另外一種是非油溶性熒光劑粉，不溶于油，綠色粉末.非油溶性熒光劑粉的試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示，從圖10中可以發(fā)現(xiàn)，油膜空穴噪聲強(qiáng)度隨著非油溶性熒光劑粉在潤(rùn)滑油中濃度的增加先下降再升高.非油溶性熒光劑粉在低濃度1.55×10-4g/mL附近具有最佳的降噪效果，當(dāng)加入濃度超過3.07×10-4g/mL時(shí)，非油溶性熒光劑粉的降噪效果整體呈減弱趨勢(shì).這表明對(duì)于非油溶性熒光劑粉，存在1個(gè)最佳的加入濃度，當(dāng)實(shí)際的加入濃度低于或者高于這個(gè)濃度的時(shí)候，都無法取得很好的降噪效果.

油溶性熒光劑粉的試驗(yàn)結(jié)果如圖11所示，可見在潤(rùn)滑油中隨著油溶性熒光劑粉濃度的升高，油膜空穴噪聲整體并沒有出現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)，這說明油溶性熒光劑粉不具有抑制油膜空穴噪聲的作用.

2.4 二硫化鉬對(duì)油膜空穴噪聲的影響

二硫化鉬是常用的潤(rùn)滑添加劑，能夠提高潤(rùn)滑油的摩擦性能，故使用二硫化鉬作為固體粉末添加劑，研究其對(duì)空穴噪聲的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖12所示.從圖12中可以看出，在潤(rùn)滑油中加入二硫化鉬之后，油膜空穴噪聲出現(xiàn)次數(shù)非但沒有降低，反而出現(xiàn)大幅度的上升.這表明二硫化鉬對(duì)油膜空穴噪聲并沒有抑制效果，甚至有可能會(huì)增大油膜空穴噪聲的產(chǎn)生次數(shù).

Fig.10 The relationship between the concentration of non-oil-soluble fluorescent powder and the noise intensity of oil film cavitation圖10 非油溶性熒光劑粉加入濃度與油膜空穴噪聲強(qiáng)度之間的關(guān)系

Fig.11 The relationship between the concentration of oil-soluble fluorescent powder and the noise intensity of oil film cavitation圖11 油溶性熒光劑粉加入濃度與油膜空穴噪聲強(qiáng)度之間的關(guān)系

Fig.12 The relationship between the concentration of molybdenum disulfide powder and the noise intensity of oil film cavitation圖12 二硫化鉬加入濃度與油膜空穴噪聲強(qiáng)度之間的關(guān)系

2.5 固體粉末添加劑降噪效果對(duì)比

對(duì)比上述幾種添加劑，發(fā)現(xiàn)碳粉、多孔質(zhì)硅鋁酸鹽粉和非油溶性熒光劑粉三種固體粉末添加劑具有抑制油膜空穴噪聲作用，而且三者的降噪效果主要集中在低濃度的時(shí)候(小于7.42×10-4g/mL)，當(dāng)濃度增大時(shí)前兩者降噪能力并不會(huì)增大，而非油溶性熒光劑粉反而會(huì)下降.因此為了突出比較這三種固體粉末添加劑的降噪效果優(yōu)劣，把配置高濃度懸濁液的質(zhì)量由0.69 g減少至0.4 g，這樣濃度范圍由原來的0～17.7×10-4g/mL縮小至0～7.41×10-4g/mL，對(duì)他們各個(gè)聲壓區(qū)間0.5～1 Pa、1～2 Pa以及大于2 Pa的噪聲采樣點(diǎn)百分比進(jìn)行了對(duì)比，如圖13所示.

從圖13中可以看出，相較于碳粉和非油溶性熒光劑粉，多孔質(zhì)硅鋁酸鹽粉在3個(gè)不同聲壓區(qū)間都有相對(duì)穩(wěn)定的最佳降噪效果，波動(dòng)性較?。环怯腿苄詿晒鈩┓墼跐舛容^低，即處于0.9×10-4～4.31×10-4g/mL之間時(shí)，降噪效果明顯優(yōu)于碳粉，但當(dāng)濃度繼續(xù)增加時(shí)，非油溶性熒光劑粉的降噪效果就會(huì)下降，降噪效果不如其他兩種添加劑.

為了定量比較三種添加劑的優(yōu)劣，計(jì)算了這三種添加劑抑制噪聲的平均降噪率，平均降噪率的計(jì)算方法是計(jì)算有效降噪濃度點(diǎn)產(chǎn)生噪聲的采樣點(diǎn)隨著添加劑加入后減少率的平均值，計(jì)算公式如式(2～3)所示.

式中：Rj為第j組試驗(yàn)的降噪率，一共有10組，當(dāng)Rj小于等于0為無效值；N1為第1組試驗(yàn)(未加任何添加劑)出現(xiàn)噪聲的采樣點(diǎn)總數(shù)，即大于0.5 Pa的采樣點(diǎn)總數(shù)；Nj為第j試驗(yàn)出現(xiàn)噪聲采樣點(diǎn)總數(shù)；Rreduction為所有有效降噪率的平均值；z為有效降噪濃度點(diǎn)的數(shù)量.計(jì)算結(jié)果列于表2中，在有效降噪濃度范圍內(nèi)，碳粉的平均降噪率為50%，而多孔質(zhì)硅鋁酸鹽粉和非油溶性熒光劑粉則為75%和70%，說明這兩者具有比碳粉更好的降噪效果.

表2 三種固體粉末添加劑降噪率比較Table 2 Comparison of noise reduction rate of three solid powder additives

同時(shí)三者加入潤(rùn)滑油后的顏色對(duì)比如圖14所示，從左向右依次為未加入任何固體粉末添加劑的5W-30潤(rùn)滑油，加入非油溶性熒光劑粉、多孔質(zhì)硅鋁酸鹽粉和碳粉的潤(rùn)滑油懸濁液.多孔質(zhì)硅鋁酸鹽為白色粉末，加入潤(rùn)滑油后并不會(huì)改變潤(rùn)滑油的顏色，潤(rùn)滑油仍然清澄透亮，與未加入任何固體粉末添加劑的5W-30潤(rùn)滑油無明顯差別；非油溶性熒光劑粉為綠色，加入潤(rùn)滑油后使?jié)櫥妥優(yōu)榫G色，但潤(rùn)滑油仍然保持清澄透亮；碳粉加入潤(rùn)滑油后使?jié)櫥偷念伾兊闷岷?，同時(shí)讓潤(rùn)滑油變得渾濁而且不透明.所以多孔質(zhì)硅鋁酸鹽粉和非油溶性熒光劑粉加入潤(rùn)滑油之后的顏色更容易被消費(fèi)者接受.

Fig.13 The relationship between the concentration of different solid powder additive and the noise intensity of oil film cavitation圖13 不同固體粉末添加劑加入濃度與油膜空穴噪聲強(qiáng)度之間的關(guān)系

2.6 降噪機(jī)理分析

為了分析碳粉、多孔質(zhì)硅鋁酸鹽粉和非油溶性熒光劑粉抑制油膜空穴噪聲的機(jī)理，對(duì)其在噪聲時(shí)刻附近的油膜空穴圖像進(jìn)行分析.把油膜空穴噪聲產(chǎn)生的時(shí)刻定義為0時(shí)刻，這樣就能得到不同固體添加劑下的油膜空穴圖片，如圖15所示.

Fig.14 The pictures of different solid powder additiveslubricating oil suspension圖14 不同固體粉末添加劑-潤(rùn)滑油懸浮液顏色對(duì)比

不溶于潤(rùn)滑油的懸浮固體顆粒表面的特定幾何結(jié)構(gòu)能夠促進(jìn)空穴的生長(zhǎng)，這種位置稱為成核點(diǎn)[29-30].當(dāng)壓力降低時(shí)，這些部位將能夠產(chǎn)生氣泡并將其釋放到液體中.研究表明碳粉、非油溶性熒光劑粉和多孔質(zhì)硅鋁酸鹽粉都屬于多孔性物質(zhì)[27,31-32].碳粉、非油溶性熒光劑粉和多孔質(zhì)硅鋁酸鹽粉顆粒以懸浮顆粒的形式存在于油膜中，因其顆粒表面和內(nèi)部的多孔結(jié)構(gòu)，懸浮顆粒存在很多可以促進(jìn)空穴生長(zhǎng)的成核點(diǎn)，這些成核點(diǎn)增加了液體中的成核粒子，形成了致密的小空穴，這些小空穴形成之后變成泡群，如圖15所示.這些群泡不易聚集形成大空穴，降低了油膜空穴與大氣接觸的可能性，從而降低了油膜空穴噪聲的出現(xiàn)頻率.而多孔質(zhì)硅鋁酸鹽的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是內(nèi)部孔道密集且相互連通，推測(cè)認(rèn)為這是其降噪效果優(yōu)于其他二者的原因，這為解決發(fā)動(dòng)機(jī)主軸承油膜的不規(guī)則噪聲提供了重要的方法和思路.

Fig.15 Cavitation images of different solid powder additives near the moment of noise圖15 不同固體粉末添加劑在噪聲發(fā)生時(shí)刻附近的油膜空穴圖像

3 結(jié)論

a.碳粉和多孔質(zhì)硅鋁酸鹽粉抑制油膜空穴噪聲的作用一開始會(huì)隨著加入濃度的升高而加強(qiáng)，但是超過一定濃度即使再升高添加劑的濃度其作用也不會(huì)增強(qiáng)，而是逐漸趨于平穩(wěn)；非油溶性熒光劑粉抑制噪聲的作用會(huì)隨著加入濃度的升高先增強(qiáng)后減弱.

b.通過對(duì)三種有效固體粉末添加劑進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)多孔質(zhì)硅鋁酸鹽粉具有三者中最好的降噪效果，非油溶性熒光劑粉次之，碳粉最差.同時(shí)多孔質(zhì)硅鋁酸鹽粉和非油溶性熒光劑粉加入潤(rùn)滑油后的顏色更容易被接受.

c.油溶性熒光劑粉的加入對(duì)油膜空穴噪聲并沒有明顯的效果，二硫化鉬粉的加入反而會(huì)增加油膜空穴噪聲的產(chǎn)生.

d.碳粉、多孔質(zhì)硅鋁酸鹽粉和非油溶性熒光劑粉的降噪效果與其多孔結(jié)構(gòu)有關(guān).多孔結(jié)構(gòu)具有較多的成核點(diǎn)，促進(jìn)小空穴的形成，這些小空穴不易聚集形成大空穴，分散了大空穴，降低空穴與大氣接觸的可能性，從而降低油膜空穴噪聲的出現(xiàn)頻率.