農業機械設備發動機噪聲組成與控制方法分析

南陽師范學院機電工程學院 宋廣進 李果

前言

噪聲對于環境及人體的傷害近年來越發受到重視，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[1]。目前，隨著農業生產機械化、電子化水平的不斷提高，農村的噪聲污染問題也很突出，影響著農民的生活質量，需要加強重視程度，而農業機械設備的噪聲是農村生產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業機械設備的使用壽命和使用安全性產生不利影響，比如過大的噪聲振動可能會引起農業機械設備發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，為了降低農業生產的噪聲，世界各國對于農業機械設備的噪聲都相繼出臺了相關標準和法規進行限制，各大農業機械設備制造廠商對于農業機械設備的噪聲振動性能優化投入占比也越來越大，噪聲等級大小也成為了農業機械設備的一個重要性能指標。

其中，發動機作為農業機械設備的主要噪聲源需要重點關注，因此，發動機噪聲的研究與控制對于農業機械設備的噪聲優化來講是放在首位的。而發動機又是結構比較復雜的總成，包含兩大機構五大系統，零部件非常多，常見的奧托循環四沖程發動機工作過程分為四個行程，各個零部件經受循環往復的周期性沖擊，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，循環較快。因此，從發動機的工作過程就可以看出發動機的噪聲構成十分復雜，不同結構的噪聲類型與噪聲等級都不同，比如配氣機構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。本文從發動機噪聲的產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業機械設備的噪聲水平，改善農村生活的居住舒適度。

1 發動機噪聲的組成

發動機是農業機械設備的動力來源，結構復雜，能夠產生噪聲的零部件很多，根據其工作機理，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動機工作時帶動的氣流運動產生的，包括進氣噪聲、排氣噪聲和風扇噪聲。發動機的正常運轉需要連續不斷的換氣，即氣缸內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，引發脈沖噪聲，當達到行程終了時，進氣門關閉，會引起氣流速度和壓力的波動，引發波動噪聲。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，經由排氣管進入大氣，此過程的氣流運動不穩定，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往復摩擦，發動機的溫度會變得很高，需要連續不斷散熱冷卻，以避免發動機過熱，發動機過熱對于發動機的性能與壽命有著嚴重的影響。對于發動機的冷卻，除了冷卻液的循環流動散熱之外，散熱風扇的運轉也十分重要，能帶走發動機的一部分熱量，散熱風扇的旋轉會不斷切割空氣引發壓力脈動，帶動周圍的空氣產生渦流運動，氣體脈動噪聲和氣體渦流的運動產生的噪聲即為風扇噪聲。而且隨著轉速的增大，風扇噪聲等級迅速增大，甚至會成為最主要的噪聲源之一。

1.2 燃燒噪聲

發動機的工作過程是將燃料的化學能轉化為熱能，再將熱能轉化為機械能進而驅動車輛前行。燃燒過程隨著可燃混合氣的不斷氧化放熱，氣缸內的溫度、壓力不斷升高，由此引起的氣體沖擊振動所產生的噪聲即為燃燒噪聲。通過對發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生一些化學反應的化學階段，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。

由于發動機工作時燃燒過程是周期性不斷發生的，四個沖程不斷變化，所以氣缸內部的壓力是不斷變化的，由此引發的燃燒噪聲也是不可避免的。如果發生不正常燃燒，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，燃料放熱速度非常快，敲缸聲十分明顯，表面點火會引發發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爆燃，二者互相促進，使燃燒過程不斷惡化。另外，如果發動機積碳嚴重會導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生的沖擊振動所激發的噪聲為機械噪聲。這些運動部件很多，包括活塞、配氣機構、正時齒輪、噴油系統等結構的運動摩擦和由于存在一定間隙及周期性沖擊作用產生的撞擊噪聲等。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閉時氣門落座的撞擊都會產生機械噪聲，氣門開啟或關閉時的速度越快，由此產生的噪聲等級也越大。而且，如果氣門機構工作過程當中發生彈性變形，會使得氣門的開啟與關閉不正常，增加氣門撞擊的次數與強度。由于發動機工作時輸出轉矩大與工作轉速快，各個零部件所承受的沖擊也比較大，沖擊次數非常多，由此產生的噪聲也很大。另外，如果各個運動部件的潤滑不充分或潤滑油品質變差也會造成機械噪聲增大。

2 發動機噪聲控制方法

2.1 噪聲源識別方法

對農業機械設備發動機的噪聲類型及產生機理的分析大體上明確了噪聲產生的部位和產生的原因，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來進行分析研究。

聲壓檢測法是依據相關測試標準通過建立包絡面利用聲壓傳感器來采集不同點位的聲壓級，通過相關計算得到聲功率級，聲壓檢測法對于實驗環境要求比較高，對測量設備要求也比較高，而且測試結果容易受到外界環境的影響，需要在消聲室或者半消聲室進行才比較準確，農業機械設備一般體積較大，構建聲壓檢測法的實驗環境比較復雜，花費的成本也比較高，因此，大型農業機械設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境的要求較低，而且操作簡單方便，不需要同時構建出所有測量點位矩陣，可以利用手持式聲強傳感器依據掃描路線進行移動依次檢測，包絡面各個離散點位的數據，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，比較適用于大型農業機械設備。

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選擇合理的且符合空氣動力學的進氣管、排氣管與恰當的氣門結構，管內的接口及拐角處設置圓角平滑過渡，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，應選擇阻力小的濾芯，減少氣體在管路內流動的阻滯，避免在氣流在管路中產生較強的渦流、脈動及共振現象等，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。對于散熱風扇的噪聲控制來講，可以從風扇的材料與結構形式入手，進行改進優化，比如塑料材料的應用、風扇葉片均勻度的改進等，還需優化調整散熱風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律來優化燃燒室的形式，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，以提高燃料的蒸發性，縮短著火延遲期，進而降低燃燒噪聲。

從發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。增壓技術的采用可以改善燃料的著火條件，壓縮行程結束時氣缸內部的溫度和壓力均比未增壓的發動機高，這樣也能縮短發動機著火延遲期，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，發動機使用一段時間之后缸內積碳增多，要及時維護發動機，清除缸內積碳，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減少發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構改進入手，比如缸套增厚、缸套增設加強筋或優化活塞裙部結構等。減小相關驅動零部件的質量大小能減小產生沖擊的慣性力，降低噪聲。

另外，對于燃油供給系統內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計。對于潤滑系統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構改進考慮，比如采用擺線轉子式機油泵、干式油底殼以及圓形油道等，發動機在使用過程中還應及時更換機油，避免潤滑情況變壞。對于正時齒輪的傳動噪聲控制應從材料、加工精度與布置方式等方面進行優化，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化凸輪型線的設計，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生途徑控制并不能完全消除噪聲，而且發動機各個零部件的振動會傳導至外表，進而引發外表的振動響應，導致噪聲的輻射傳播，僅對各類型噪聲產生部位的控制可能達不到預期的降噪目標，因此對于噪聲傳播過程的降噪優化也十分重要。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，比如在發動機外圍加裝隔音棉與隔音罩、在發動機殼體表層涂抹減振隔聲層[6]、優化曲軸箱結構、增設減振支承、油底殼采用雙層結構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，還可以增設發動機噪聲的檢測裝置，在發動機工作時啟動，實時監測發動機的噪聲水平和有無異響情況，如果傳感器檢測到發動機噪聲超過正常閾值便啟動相應的聲光報警功能，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動機控制單元，記錄下這一故障狀態，必要時還可以自動關閉發動機，防止意外事故的發生，保障駕乘人員的生命安全。

3 結語

通過對發動機各部分噪聲產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，為農業機械設備的噪聲優化打下基礎，為進一步減輕農村噪聲污染做出貢獻，促進人們的身心健康發展。