南陽師范學(xué)院機電工程學(xué)院 宋廣進 李果

前言

噪聲對于環(huán)境及人體的傷害近年來越發(fā)受到重視，不僅影響著人們的身體健康，也影響著人們的心理健康，降低人們的幸福指數(shù)[1]。目前，隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機械化、電子化水平的不斷提高，農(nóng)村的噪聲污染問題也很突出，影響著農(nóng)民的生活質(zhì)量，需要加強重視程度，而農(nóng)業(yè)機械設(shè)備的噪聲是農(nóng)村生產(chǎn)生活的主要噪聲源之一，影響范圍較廣泛，危害性也很大，不容忽視。而且，噪聲與振動過大也會對農(nóng)業(yè)機械設(shè)備的使用壽命和使用安全性產(chǎn)生不利影響，比如過大的噪聲振動可能會引起農(nóng)業(yè)機械設(shè)備發(fā)動機曲軸和凸輪軸的斷裂失效、傳動齒輪的嚴重磨損失效等問題。因此，為了降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的噪聲，世界各國對于農(nóng)業(yè)機械設(shè)備的噪聲都相繼出臺了相關(guān)標準和法規(guī)進行限制，各大農(nóng)業(yè)機械設(shè)備制造廠商對于農(nóng)業(yè)機械設(shè)備的噪聲振動性能優(yōu)化投入占比也越來越大，噪聲等級大小也成為了農(nóng)業(yè)機械設(shè)備的一個重要性能指標。

其中，發(fā)動機作為農(nóng)業(yè)機械設(shè)備的主要噪聲源需要重點關(guān)注，因此，發(fā)動機噪聲的研究與控制對于農(nóng)業(yè)機械設(shè)備的噪聲優(yōu)化來講是放在首位的。而發(fā)動機又是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的總成，包含兩大機構(gòu)五大系統(tǒng)，零部件非常多，常見的奧托循環(huán)四沖程發(fā)動機工作過程分為四個行程，各個零部件經(jīng)受循環(huán)往復(fù)的周期性沖擊，空氣和可燃混合氣的氣流運動和燃料燃燒也是周期性循環(huán)，循環(huán)較快。因此，從發(fā)動機的工作過程就可以看出發(fā)動機的噪聲構(gòu)成十分復(fù)雜，不同結(jié)構(gòu)的噪聲類型與噪聲等級都不同，比如配氣機構(gòu)既包含氣流運動的空氣動力噪聲，又包含由存在氣門間隙和振動引起的機械噪聲，所以需要分析不同類型噪聲的產(chǎn)生機理與組成才能進一步提出控制方法來降低噪聲。本文從發(fā)動機噪聲的產(chǎn)生機理和組成入手進行闡述，提出降噪的具體方法來降低農(nóng)業(yè)機械設(shè)備的噪聲水平，改善農(nóng)村生活的居住舒適度。

1 發(fā)動機噪聲的組成

發(fā)動機是農(nóng)業(yè)機械設(shè)備的動力來源，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，能夠產(chǎn)生噪聲的零部件很多，根據(jù)其工作機理，可將其噪聲分為三個方面，分別是空氣動力噪聲、燃燒噪聲和機械噪聲[2]。

1.1 空氣動力噪聲

空氣動力噪聲是由發(fā)動機工作時帶動的氣流運動產(chǎn)生的，包括進氣噪聲、排氣噪聲和風(fēng)扇噪聲。發(fā)動機的正常運轉(zhuǎn)需要連續(xù)不斷的換氣，即氣缸內(nèi)部通過進氣門和排氣門的開閉不斷充入新鮮的可燃混合氣或者純空氣，排出燃料燃燒后的廢氣，在進氣和排氣的過程中由于氣流振動所產(chǎn)生的噪聲為進氣噪聲和排氣噪聲。在進氣行程時，進氣門開啟，活塞下行，活塞的運動速度由零開始逐漸增大，活塞附近的氣體隨之運動，形成壓力脈沖，引發(fā)脈沖噪聲，當(dāng)達到行程終了時，進氣門關(guān)閉，會引起氣流速度和壓力的波動，引發(fā)波動噪聲。在排氣行程時，排氣門開啟，燃燒后的廢氣會以極高的速度排出氣缸，經(jīng)由排氣管進入大氣，此過程的氣流運動不穩(wěn)定，噪聲等級較大，其中排氣噪聲最大的部分為燃燒后的廢氣高速通過排氣門時的渦流噪聲。

除此之外，伴隨著燃料的燃燒和活塞的循環(huán)往復(fù)摩擦，發(fā)動機的溫度會變得很高，需要連續(xù)不斷散熱冷卻，以避免發(fā)動機過熱，發(fā)動機過熱對于發(fā)動機的性能與壽命有著嚴重的影響。對于發(fā)動機的冷卻，除了冷卻液的循環(huán)流動散熱之外，散熱風(fēng)扇的運轉(zhuǎn)也十分重要，能帶走發(fā)動機的一部分熱量，散熱風(fēng)扇的旋轉(zhuǎn)會不斷切割空氣引發(fā)壓力脈動，帶動周圍的空氣產(chǎn)生渦流運動，氣體脈動噪聲和氣體渦流的運動產(chǎn)生的噪聲即為風(fēng)扇噪聲。而且隨著轉(zhuǎn)速的增大，風(fēng)扇噪聲等級迅速增大，甚至?xí)蔀樽钪饕脑肼曉粗弧?/p>

1.2 燃燒噪聲

發(fā)動機的工作過程是將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能，再將熱能轉(zhuǎn)化為機械能進而驅(qū)動車輛前行。燃燒過程隨著可燃混合氣的不斷氧化放熱，氣缸內(nèi)的溫度、壓力不斷升高，由此引起的氣體沖擊振動所產(chǎn)生的噪聲即為燃燒噪聲。通過對發(fā)動機燃燒過程分析可知，不同燃燒時期的燃燒特點不同，對發(fā)動機燃燒噪聲的影響也不同，以柴油機為例，在著火延遲期時燃燒室處于準備階段，包括可燃混合氣形成的物理階段和混合氣發(fā)生一些化學(xué)反應(yīng)的化學(xué)階段，在速燃期時燃燒室處于燃料的迅速燃燒膨脹過程，平均壓力升高率是影響燃燒噪聲的重要指標，在緩燃期時燃料燃燒速度逐漸減慢，在補燃期時氣缸壓力不斷下降，緩燃期和補燃期對燃燒噪聲影響不大，所以對發(fā)動機燃燒噪聲控制時主要考慮著火延遲期和速燃期的影響因素。

由于發(fā)動機工作時燃燒過程是周期性不斷發(fā)生的，四個沖程不斷變化，所以氣缸內(nèi)部的壓力是不斷變化的，由此引發(fā)的燃燒噪聲也是不可避免的。如果發(fā)生不正常燃燒，燃燒噪聲會顯著增加，比如爆燃和表面點火，會引起較大沖擊振動，爆燃會引起鋸齒波形的氣缸壓力曲線波動，燃料放熱速度非?？?，敲缸聲十分明顯，表面點火會引發(fā)發(fā)動機工作的粗暴程度增大，部分零部件過熱，還有可能進一步誘發(fā)爆燃，二者互相促進，使燃燒過程不斷惡化。另外，如果發(fā)動機積碳嚴重會導(dǎo)致局部過熱形成熾熱點，熾熱點可能會過早引燃混合氣，造成燃燒過程異常，增大燃燒噪聲。燃燒噪聲分別通過氣缸蓋與氣缸體下部向上、向下輻射傳播[3]。

1.3 機械噪聲

發(fā)動機的各個運動部件在氣體膨脹壓力及慣性力的影響下產(chǎn)生的沖擊振動所激發(fā)的噪聲為機械噪聲。這些運動部件很多，包括活塞、配氣機構(gòu)、正時齒輪、噴油系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)的運動摩擦和由于存在一定間隙及周期性沖擊作用產(chǎn)生的撞擊噪聲等。比如，氣門處不僅有空氣動力噪聲，也有機械噪聲，主要是由氣門的開啟和關(guān)閉時的沖擊引起的，氣門開啟時凸輪施加在氣門上的沖擊力和氣門關(guān)閉時氣門落座的撞擊都會產(chǎn)生機械噪聲，氣門開啟或關(guān)閉時的速度越快，由此產(chǎn)生的噪聲等級也越大。而且，如果氣門機構(gòu)工作過程當(dāng)中發(fā)生彈性變形，會使得氣門的開啟與關(guān)閉不正常，增加氣門撞擊的次數(shù)與強度。由于發(fā)動機工作時輸出轉(zhuǎn)矩大與工作轉(zhuǎn)速快，各個零部件所承受的沖擊也比較大，沖擊次數(shù)非常多，由此產(chǎn)生的噪聲也很大。另外，如果各個運動部件的潤滑不充分或潤滑油品質(zhì)變差也會造成機械噪聲增大。

2 發(fā)動機噪聲控制方法

2.1 噪聲源識別方法

對農(nóng)業(yè)機械設(shè)備發(fā)動機的噪聲類型及產(chǎn)生機理的分析大體上明確了噪聲產(chǎn)生的部位和產(chǎn)生的原因，但是對于噪聲的量級和源頭的確定還不夠具體，需要進一步借助聲壓檢測法或聲強檢測法的噪聲測試技術(shù)來進行分析研究。

聲壓檢測法是依據(jù)相關(guān)測試標準通過建立包絡(luò)面利用聲壓傳感器來采集不同點位的聲壓級，通過相關(guān)計算得到聲功率級，聲壓檢測法對于實驗環(huán)境要求比較高，對測量設(shè)備要求也比較高，而且測試結(jié)果容易受到外界環(huán)境的影響，需要在消聲室或者半消聲室進行才比較準確，農(nóng)業(yè)機械設(shè)備一般體積較大，構(gòu)建聲壓檢測法的實驗環(huán)境比較復(fù)雜，花費的成本也比較高，因此，大型農(nóng)業(yè)機械設(shè)備不太適合采用聲壓檢測法。

相對于聲壓檢測法來說，聲強檢測法對于實驗環(huán)境的要求較低，而且操作簡單方便，不需要同時構(gòu)建出所有測量點位矩陣，可以利用手持式聲強傳感器依據(jù)掃描路線進行移動依次檢測，包絡(luò)面各個離散點位的數(shù)據(jù)，聲強傳感器探頭移動時注意保證各點位的均勻性以及和測量面的垂直，得出各個測量點位的聲強級，得到聲強云圖，計算出聲功率級，比較適用于大型農(nóng)業(yè)機械設(shè)備。

通過聲壓檢測法或者聲強檢測法精確得到噪聲源的具體方位和各個部位的噪聲等級，然后分析研究不同類型噪聲的控制方法，提出降噪措施。

2.2 空氣動力噪聲控制方法

對于進氣噪聲和排氣噪聲的控制應(yīng)選擇合理的且符合空氣動力學(xué)的進氣管、排氣管與恰當(dāng)?shù)臍忾T結(jié)構(gòu)，管內(nèi)的接口及拐角處設(shè)置圓角平滑過渡，避免存在鋒利的邊緣，對于空氣濾清器的濾芯選擇也要合理，應(yīng)選擇阻力小的濾芯，減少氣體在管路內(nèi)流動的阻滯，避免在氣流在管路中產(chǎn)生較強的渦流、脈動及共振現(xiàn)象等，以降低這些形式的空氣動力噪聲。另外，還可以加裝一個或者多個消聲器來削弱進氣噪聲和排氣噪聲，消聲器的參數(shù)也要合理匹配，令消聲器的效果達到最佳，比如直徑不宜大于360mm 等。對于散熱風(fēng)扇的噪聲控制來講，可以從風(fēng)扇的材料與結(jié)構(gòu)形式入手，進行改進優(yōu)化，比如塑料材料的應(yīng)用、風(fēng)扇葉片均勻度的改進等，還需優(yōu)化調(diào)整散熱風(fēng)扇與散熱器之間的距離，在達到最好的散熱效果的同時降低散熱風(fēng)扇的噪聲。

2.3 燃燒噪聲控制方法

對于燃燒噪聲的控制可以基于燃料的燃燒規(guī)律來優(yōu)化燃燒室的形式，降低燃燒過程的壓力升高率，比如將燃燒室做成兩部分的分隔式燃燒室，提高燃燒過程的柔和性，能夠顯著降低噪聲等級。燃料特性方面對燃燒噪聲大小也有影響，柴油可選用高十六烷值的，汽油可選用高辛烷值的，以提高燃料的蒸發(fā)性，縮短著火延遲期，進而降低燃燒噪聲。

從發(fā)動機工作過程控制方面，能夠縮短著火延遲期，減弱燃燒粗暴程度，能降低燃燒噪聲，比如推遲噴油或點火時間和避免過低的氣缸溫度等。增壓技術(shù)的采用可以改善燃料的著火條件，壓縮行程結(jié)束時氣缸內(nèi)部的溫度和壓力均比未增壓的發(fā)動機高，這樣也能縮短發(fā)動機著火延遲期，而且隨著增壓壓力值的增大，燃燒過程的壓力升高率逐漸降低，燃燒噪聲的降噪效果就越好。另外，發(fā)動機使用一段時間之后缸內(nèi)積碳增多，要及時維護發(fā)動機，清除缸內(nèi)積碳，使得燃料燃燒更加充分，進一步降低噪聲，尤其是對于降低怠速時的抖動和噪聲很有效果。

2.4 機械噪聲控制方法

對于機械噪聲的控制應(yīng)減少發(fā)動機的各個配合零部件的沖擊振動，保證合適的配合間隙與精度，避免過大的慣性力引起的劇烈機械振動，如活塞的敲擊、缸蓋的變形等振動[4]。活塞敲擊聲的降低也可以從缸套剛度的增加和活塞結(jié)構(gòu)改進入手，比如缸套增厚、缸套增設(shè)加強筋或優(yōu)化活塞裙部結(jié)構(gòu)等。減小相關(guān)驅(qū)動零部件的質(zhì)量大小能減小產(chǎn)生沖擊的慣性力，降低噪聲。

另外，對于燃油供給系統(tǒng)內(nèi)燃油流動時摩擦造成的噪聲控制方面，可對燃油泵、燃油濾清器與噴油器等零部件進行合理選用與設(shè)計。對于潤滑系統(tǒng)的噪聲控制可以機油泵和油底殼的型式選擇以及油道的結(jié)構(gòu)改進考慮，比如采用擺線轉(zhuǎn)子式機油泵、干式油底殼以及圓形油道等，發(fā)動機在使用過程中還應(yīng)及時更換機油，避免潤滑情況變壞。對于正時齒輪的傳動噪聲控制應(yīng)從材料、加工精度與布置方式等方面進行優(yōu)化，降低噪聲，正時皮帶在工作過程中會有一定的磨損，要及時進行維護，調(diào)整皮帶的松緊度，避免由于皮帶的顫動或打滑造成噪聲增大。對于氣門處的機械噪聲限制可優(yōu)化凸輪型線的設(shè)計，進而降低氣門在剛開始升起和最終落座時的速率，減小沖擊，也可提高凸輪的加工精度，減小氣門間隙大小，以降低噪聲[5]。

2.5 噪聲傳播控制方法

對于空氣動力噪聲、燃燒噪聲和機械噪聲的產(chǎn)生途徑控制并不能完全消除噪聲，而且發(fā)動機各個零部件的振動會傳導(dǎo)至外表，進而引發(fā)外表的振動響應(yīng)，導(dǎo)致噪聲的輻射傳播，僅對各類型噪聲產(chǎn)生部位的控制可能達不到預(yù)期的降噪目標，因此對于噪聲傳播過程的降噪優(yōu)化也十分重要。噪聲傳播過程的降噪措施有多種形式，可采用相關(guān)的隔聲降噪與防振方法，阻止噪聲的傳播輻射，能夠阻斷各零部件激振力的傳遞和降低發(fā)動機外表的聲輻射效率的方式均是可以有效降噪的，比如在發(fā)動機外圍加裝隔音棉與隔音罩、在發(fā)動機殼體表層涂抹減振隔聲層[6]、優(yōu)化曲軸箱結(jié)構(gòu)、增設(shè)減振支承、油底殼采用雙層結(jié)構(gòu)等措施都可以降低傳到駕駛員與其他人員耳中的噪聲等級，達到降噪的目的。

另外，還可以增設(shè)發(fā)動機噪聲的檢測裝置，在發(fā)動機工作時啟動，實時監(jiān)測發(fā)動機的噪聲水平和有無異響情況，如果傳感器檢測到發(fā)動機噪聲超過正常閾值便啟動相應(yīng)的聲光報警功能，讓駕駛員及時察覺，并及時維護修理，并且將此故障情況反饋給發(fā)動機控制單元，記錄下這一故障狀態(tài)，必要時還可以自動關(guān)閉發(fā)動機，防止意外事故的發(fā)生，保障駕乘人員的生命安全。

3 結(jié)語

通過對發(fā)動機各部分噪聲產(chǎn)生的機理與降噪方法的分析研究，明確了空氣動力噪聲、燃燒噪聲與機械噪聲的影響因素與不同類型噪聲降噪的一般方法，為農(nóng)業(yè)機械設(shè)備的噪聲優(yōu)化打下基礎(chǔ)，為進一步減輕農(nóng)村噪聲污染做出貢獻，促進人們的身心健康發(fā)展。