柴油機用復合式消聲器設計與實驗探究

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摘要：針對公司研發的一款鐵路維護機械，設計了共振腔型帶穿孔管的阻抗復合式消聲器。首先進行抗性消聲器設計，通過對中低頻的噪聲進行分析計算，得到消聲管道直徑、共振腔直徑、穿孔管板厚、開孔直徑、共振腔長度和開孔個數等關鍵參數。然后，通過在抗性消聲器內增加阻性材料，便成為阻抗復合式消聲器。最后，根據理論計算結果進行消聲器模型設計和制造，并裝車驗證。實驗結果表明，所設計的阻抗復合式消聲器能在不同工況下有效降低發動機的排氣噪聲。

關鍵詞：鐵路維護機械；阻抗復合式消聲器；共振腔；穿孔管

0引言

隨著各種技術的應用和進步，鐵路維護作業的機械化、自動化程度逐年提高，原本耗費大量人力、勞動強度大的作業如換軌、換枕、擰扣件螺栓等正逐年被各種大中小型作業機械替代。相比蓄電池或交流電網供電，柴油發動機因其可在惡劣環境下工作、能量產生與使用方便、扭矩大、可獨立作業等優點而被大中型鐵路維護機械廣泛采用。公司研發了一款鐵路維護機械，用于對鐵路扣件進行擰緊、擰松、除污、噴油等維護工作，其采用發動機提供動力，需要設計一款消聲器以降低排氣噪聲，減小噪聲污染對環境的影響。根據消聲原理的不同，消聲器分為阻性消聲器、抗性消聲器和阻抗復合式消聲器[1]。阻性消聲器是利用阻性材料進行消聲，將部分聲能轉化為熱能而被吸收，達到消聲目的，主要用于進氣噪聲的降低或排氣消聲要求高場合，適用中高頻噪聲；抗性消聲器利用氣流管道上截面積突變或共振腔使得聲音阻抗發生改變，主要用于內燃機等的排氣噪聲，適用中低頻噪聲；阻抗復合式消聲器把阻性與抗性消聲器的原理結合起來，適應低、中、高頻噪聲。本文鐵路維護機械所采用的發動機基本參數如表1所示。根據前文的分析，發動機排氣噪聲主要成分為中低頻噪聲，同時含有少量的高頻噪聲。考慮到設計復雜性和經濟性，本文采用阻抗復合式消聲器進行消聲。首先進行抗性消聲器設計，對中低頻噪聲進行分析計算，得到關鍵參數。然后，在抗性消聲器內增加阻性材料成為阻抗復合式消聲器。最后進行制造和裝車驗證。

1消聲器設計計算

按照發動機廠家的要求以及中低頻帶的劃分準則，本文擬設計用于消除中心頻率為63Hz、125Hz、250Hz和500Hz聲音的發動機排氣消聲器，倍頻帶消聲量不小于20dB，為共振腔型帶穿孔管阻抗復合式消聲器。根據文獻[1]，兩個或兩個以上消聲器串聯時，噪聲總的衰減量近似等于各個消聲器噪聲衰減量（dB）的總和，因此本文近似將各中心頻率對應的各頻段的消聲量設定為5dB。本節以中心頻率63Hz的噪聲為例進行消聲計算說明。對于共振腔型抗性消聲器，共振腔的體積V由下式計算[2]：（1）式中：cT為絕對溫度T下的聲速，cT=20050姨T（mm/s）；K為與消聲器性能相關的一個常數；為消聲管道的直徑（mm），f0為共振頻率（Hz），即想要消聲的頻段的中心頻率，此處f0=63Hz。根據文獻[1]，消聲器內溫度一般為500-700°C，取T=873.15K；對于消聲管道的直徑，根據經驗取=75mm；K受很多因素影響，通常由經驗公式計算[3]：ΔL=10lg（1+2K2）（2）式中：ΔL為消聲量（dB），此處ΔL=5dB。對于共振腔型帶穿孔管的抗性消聲器，共振腔長度L：L=4Vπ（d22-d12）（3）式中：V為共振腔的體積（mm3）；d2為共振腔的直徑（mm），根據發動機尺寸和安裝空間，取d2=250mm；為消聲管道的直徑（mm）。下面需要確定穿孔管的相關參數，穿孔管性能常用導通率G來描述[3]：（4）（5）式中：n為開孔數量；d3為開孔的直徑（mm）；t為穿孔管的板厚（mm）。根據文獻[1]，取d3=5mm，t=2mm，求得n=1.88，取整為開2個孔。綜上，可以求得上述四種頻率（63Hz、125Hz、250Hz、500Hz）的消聲計算結果如下：消聲管道直徑均為75mm，共振腔直徑d2均為250mm，穿孔管板厚t均為2mm，開孔直徑d3均為5mm，共振腔長度L分別為308mm、155mm、78mm和39mm，開孔個數分別為2、4、7、15。前面完成了抗性消聲器的設計計算，在此基礎上，我們在共振腔內加入阻性材料，使得消聲器具備阻性，以對少量的高頻噪聲進行去除。由于阻性消聲器設計目前尚缺乏進行較為精確的計算公式，一般是根據經驗添加阻性材料。我們在最大的共振腔內加入玻璃纖維，圍繞共振腔內壁進行敷設，厚度50mm，容重20kgf/m3，其對中心頻率為500Hz、1000Hz、2000Hz、4000Hz的中高頻噪聲的吸聲系數均在0.85以上。當聲波通過敷設有玻璃纖維的共振腔時，聲波將激發玻璃纖維中眾多小孔內空氣分子的振動，由于摩擦阻力和粘滯力的作用，使得一部分聲能轉化為熱能耗散掉，從而達到消聲目的。

2實驗驗證

根據上述結果，將消聲器模型設計成如圖1所示，在腔1中加入厚度50mm的玻璃纖維。根據設計的模型進行制造，由于車上安裝空間的限制，排氣管尾端朝下，從車的側下方排氣。將制造好的消聲器通過支架和U型螺栓安裝在發動機上，進行裝車驗證，如圖2所示。根據《GB/T4759-2009內燃機排氣消聲器測量方法》的要求，在與排氣口氣流軸向成45°方向上、距離排氣口250mm的一圈位置均分地設置A、B、C、D四個點測量噪聲[4-5]，如圖3所示。發動機設定怠速800r/min和額定轉速2000r/min兩種工況。測量結果如表2所示，其中1）代表不安裝消聲器，2）代表安裝所設計的阻抗復合式消聲器。由表2可知，安裝消聲器后，排氣噪聲在不同工況下降低了12.1-16.5dB，噪聲降低較為明顯，顯示了所設計的消聲器的良好降噪性能。另外，2000r/min工況下消聲效果更加明顯。雖然消聲效果滿足了廠家的推薦值，但是因為消聲器的設計涉及到多種因素，難以通過簡單的理論計算得到準確的設計結果，未來要根據制造經驗和測試結果進行改進，進一步提升其性能。

3總結

針對公司研發的一款鐵路維護機械，設計了共振腔型帶穿孔管阻抗復合式消聲器。首先，通過對中低頻的噪聲進行分析計算，得到消聲管道直徑、共振腔直徑、穿孔管板厚、開孔直徑、共振腔長度和開孔個數等關鍵參數。然后，在抗性消聲器中加入玻璃纖維作為阻性材料以對高頻噪聲進行去除，形成阻抗復合式消聲器。根據計算結果進行消聲器模型設計并裝車驗證。實驗結果表明，所設計的消聲器能在不同工況下有效降低發動機的排氣噪聲。未來將根據制造經驗和樣機測試結果進一步提升該阻抗復合式消聲器的性能。

參考文獻：

[1]柴油機設計手冊委員會.柴油機設計手冊中冊[M].中國農業出版社，1984.

[2]符江濤.共振腔消聲器的設計與應用[J].環境工程，2001，19（3）：36-37.

[3]薛飛.工程機械抗性消聲器綜合性能分析與優化設計[D].東南大學，2014.

[4]張亞南.柴油發電機組裝消音器降噪試驗分析[J].山東工業技術，2016（12）：81.

[5]方建華，孫香冰，張訓敏，等.挖掘機消聲器效果的測量與分析[J].筑路機械與施工機械化，2012（7）：32-38.

作者:何大勇 王印軍 周峰 單位:常州中車瑞泰裝備科技有限公司