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備，振動噪聲作為柴油機的重要性能參數之一，一直成為相關領域的研究重點。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實意義。但柴油機的振動與很多因素有關，其噪聲特性相對復雜，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，為相關領域提供了理論和實踐參考。

關鍵詞：船船動力；低速柴油機；振動噪聲；結構優化

1柴油機振動特性研究方法

隨著計算機技術和數學理論的發展，目前人們已經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。從文獻檢索的結果來看，有關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識水平。常用的計算機仿真方法包括有限元法、模態分析法、瞬態動力學分析法和邊界元法等等。其中有限元法（FEM）的應用最為廣泛。其基本思想是把研究對象進行離散分解成許多小網絡，當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，然后對每個網格進行分別求解，再層層迭代，最終求出整個結構的近似解。有限元法的仿真精度與其離散的程度有關，仿真精度與網格的尺寸成反比，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。許多學者開始將目光轉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、灰度理論、粗糙集、神經網絡、模式識別等技術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。而根據有限元法對網絡分割尺寸的要求，至少應把各網絡的尺寸控制在1/6倍波長以下，才能保證仿真精度，取得可靠的分析結果。如果需要求解的頻率范圍較寬，網絡數量會以指數的速度增長，這對于普通計算機性能而言是無法接受的。統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，但它是基于統計學原理來求解問題的，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，本文在模態分析和瞬態響應的基礎，構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）聲學包絡網格和場點風格等信息作為輸入，按照瞬態邊界元法的仿真要求對相關參數進行設置，并選取相應的材料屬性，即可開始對模型進行求解。為了使求解結果盡量精確，本文進行了五個周期的聲學仿真，并取結果的均值進行評價。按照業內規范，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，該方法在業內又稱為“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。噪聲由柴油機內部產生并向環境中輻射之后，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表示計算參考點數量。各參考點的的平均輻射聲壓級仿真結果如表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 數據分析及結論

從仿真結果不難分析，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。根據船用柴油機的結構不難發現，柴油機的振動噪聲主要是經過缸套、水套等位置輻射出來的，因為這些位置的結構厚度相對較小，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部結構及外殼薄壁設計，可以大大減小振動噪聲水平。

3振動噪聲的控制與優化探討

對于低速船用柴油機而言，其噪聲控制涉及到多學科領域的綜合運用，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。根據本文的仿真結果，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的，因此對這些局部結構進行優化設計是控制船用柴油機振動噪聲的關鍵。

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。應減少小十字頭滑塊與軌道之間的間隙，使其嚴格在軌道上運動，防止發生橫向的漂移而產生碰撞或摩擦噪聲。

其次，為了防止噪聲通過管架等結構向外傳播，應加強管架端面的強度，提高結構剛度，例如可以在相應部位設計加強筋，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構改進思路也與此類似。

再次，低板結構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，因此在設計時出于成本考慮往往結構比較簡單，厚度也較薄，但包含了大量的細節結構，使局部模態變得更加復雜。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，2016.

[2]李均勇，詹淑文.柴油機管道振動處理[J].內燃機，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，本科，在讀學生，本科在讀，機械設計制造及其自動化機械設計制造及其自動化