船用低速柴油機振動噪聲特性及控制研究

黃啟芮 程鉑森 張宇

摘要：柴油機是船舶的重要動力設(shè)備，振動噪聲作為柴油機的重要性能參數(shù)之一，一直成為相關(guān)領(lǐng)域的研究重點。如果柴油機的振動噪聲水平過高，不但會影響船舶的綜合性能，更會影響到乘員的舒適性，因此研究船用柴油機的振動噪聲特性并對其進行控制具有重要的現(xiàn)實意義。但柴油機的振動與很多因素有關(guān)，其噪聲特性相對復(fù)雜，本文采用有限元分析方法對船用低速柴油機振動噪聲特性進行了研究，為相關(guān)領(lǐng)域提供了理論和實踐參考。

關(guān)鍵詞：船船動力；低速柴油機；振動噪聲；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

1柴油機振動特性研究方法

隨著計算機技術(shù)和數(shù)學(xué)理論的發(fā)展，目前人們已經(jīng)普遍采用計算機仿真軟件對柴油機的振動過程進行模擬，以探索其基本原理，從而尋求解決方案。從文獻檢索的結(jié)果來看，有關(guān)柴油機振動和噪聲的研究主要集中振動機理、傳播特性、作用機制、控制方法等方面的探索，取得了一系列的研究成果，提高了人們對柴油機振動的認(rèn)識水平。常用的計算機仿真方法包括有限元法、模態(tài)分析法、瞬態(tài)動力學(xué)分析法和邊界元法等等。其中有限元法（FEM）的應(yīng)用最為廣泛。其基本思想是把研究對象進行離散分解成許多小網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)分解粒度小到一定程度時，即可將其物理特性看成是線性的，然后對每個網(wǎng)格進行分別求解，再層層迭代，最終求出整個結(jié)構(gòu)的近似解。有限元法的仿真精度與其離散的程度有關(guān)，仿真精度與網(wǎng)格的尺寸成反比，與計算量成正比。

在各種信號處理算法不斷優(yōu)化的背景下，各種針對振動信號先進的信號處理方法也不斷涌現(xiàn)。許多學(xué)者開始將目光轉(zhuǎn)移至柴油機振動信號特征提取、在線故障診斷等方向的研究，并把分形技術(shù)、灰度理論、粗糙集、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模式識別等技術(shù)引入到柴油機振動噪聲分析體系中來，形成了豐富的理論研究體系[5]。

2柴油機振動噪聲特性分析

2.1分析方法的確定

在柴油機振動噪聲的輻射特性求解中，常見的方法有主要有有限元法（FEM）、邊界元法（BEM）、能量分析法（SEA）等等。大量研究表明，低速二沖程柴油機振動所造成的噪聲，其頻率主要集中在中低頻段。而根據(jù)有限元法對網(wǎng)絡(luò)分割尺寸的要求，至少應(yīng)把各網(wǎng)絡(luò)的尺寸控制在1/6倍波長以下，才能保證仿真精度，取得可靠的分析結(jié)果。如果需要求解的頻率范圍較寬，網(wǎng)絡(luò)數(shù)量會以指數(shù)的速度增長，這對于普通計算機性能而言是無法接受的。統(tǒng)計分析法需要可以在很大程度上解決高頻噪聲輻射仿真的問題，但它是基于統(tǒng)計學(xué)原理來求解問題的，對于本文研究的船用柴油機而言明顯達不到所需的精度。而有限元法可以在求解頻率和精度兩個方面達到平衡，因此符合本文的分析要求。

2.2輻射噪聲特性仿真

為了對柴油機整機的噪聲輻射特性進行研究，本文在模態(tài)分析和瞬態(tài)響應(yīng)的基礎(chǔ)，構(gòu)建了低速二沖程柴油機的邊界元模型，并在其周邊1米的空間范圍內(nèi)建立場點，如圖1所示。

通過商用仿真軟件Virtual lab對柴油機的輻射噪聲進行求解，以圖1（b）聲學(xué)包絡(luò)網(wǎng)格和場點風(fēng)格等信息作為輸入，按照瞬態(tài)邊界元法的仿真要求對相關(guān)參數(shù)進行設(shè)置，并選取相應(yīng)的材料屬性，即可開始對模型進行求解。為了使求解結(jié)果盡量精確，本文進行了五個周期的聲學(xué)仿真，并取結(jié)果的均值進行評價。按照業(yè)內(nèi)規(guī)范，在場點上隨機選取19個計算參考點，通過平均聲壓級來反映噪聲水平的高低，該方法在業(yè)內(nèi)又稱為“19點法”。聲壓級可以表示為

其中pe表示實測聲壓值， 表示參考聲壓值。噪聲由柴油機內(nèi)部產(chǎn)生并向環(huán)境中輻射之后，其噪聲可以通過表面各計算參考點平均聲壓級來描述

其中表示第i個計算參考點的聲壓級，單位為dB，N表示計算參考點數(shù)量。各參考點的的平均輻射聲壓級仿真結(jié)果如表1所示。

對所有輻射面的聲壓級進行能量疊加，得到整機平均聲壓級如表2所示。

2.3 數(shù)據(jù)分析及結(jié)論

從仿真結(jié)果不難分析，柴油機在不同的方向上的噪聲輻射強度是不同的，其中觀察窗和增壓器所在的方向噪聲輻射強度最高，達到113.9和113.3dB，輸出端面和飛輪殼面噪聲水平較低，整機平均聲壓級為112.5dB。根據(jù)船用柴油機的結(jié)構(gòu)不難發(fā)現(xiàn)，柴油機的振動噪聲主要是經(jīng)過缸套、水套等位置輻射出來的，因為這些位置的結(jié)構(gòu)厚度相對較小，對噪聲的吸收和阻擋能力較弱。因此，通過對船用柴油機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及外殼薄壁設(shè)計，可以大大減小振動噪聲水平。

3振動噪聲的控制與優(yōu)化探討

對于低速船用柴油機而言，其噪聲控制涉及到多學(xué)科領(lǐng)域的綜合運用，在噪聲水平的同時，也需要保證功率密度和油耗量保持在合理的范圍，從而確保機器整體性能。根據(jù)本文的仿真結(jié)果，噪聲的輻射主要是通過排氣管架、觀察窗等薄弱部位來實現(xiàn)的，因此對這些局部結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計是控制船用柴油機振動噪聲的關(guān)鍵。

首先，為了避免零件加工誤差和機械裝配不良帶來的機器噪聲，可以進一步控制零件精度，并采用自動化裝配流水線，減少人為造成的裝配不良。應(yīng)減少小十字頭滑塊與軌道之間的間隙，使其嚴(yán)格在軌道上運動，防止發(fā)生橫向的漂移而產(chǎn)生碰撞或摩擦噪聲。

其次，為了防止噪聲通過管架等結(jié)構(gòu)向外傳播，應(yīng)加強管架端面的強度，提高結(jié)構(gòu)剛度，例如可以在相應(yīng)部位設(shè)計加強筋，使其對振動的敏感性大大降低。輸出端面和觀察窗附近的結(jié)構(gòu)改進思路也與此類似。

再次，低板結(jié)構(gòu)的加強也可以在一定程度上減輕振動噪聲的影響。一般來說，底板位于基座之下，由于功能性不強，因此在設(shè)計時出于成本考慮往往結(jié)構(gòu)比較簡單，厚度也較薄，但包含了大量的細節(jié)結(jié)構(gòu)，使局部模態(tài)變得更加復(fù)雜。因此也可以通過增加加強筋或增加厚度的方法來改善底板的防噪聲性能。

參考文獻：

[1]閆力奇.船用低速柴油機振動噪聲特性及控制研究[D].哈爾濱工程大學(xué)，2016.

[2]李均勇，詹淑文.柴油機管道振動處理[J].內(nèi)燃機，2014（1）：19-20.

個人簡介：黃啟芮，1998年2月15日，男，漢，山東濟寧，青島理工大學(xué)，本科，在讀學(xué)生，本科在讀，機械設(shè)計制造及其自動化機械設(shè)計制造及其自動化