Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние проблемы снижения низкочастотного звука и вибрации энергетических установок. Цели и задачи исследования 17
1.1. Основные виды энергетических установок и их классификация. 17
1.2. Воздействие низкочастотного звука и вибрации на человека и их нормирование 23
1.3. Анализ энергетических установок как источников низкочастотного звука и вибрации и их вклада в процессы шумообразования в городских условиях 29
1.4. Анализ существующих методов и средств снижения низкочастотного звука и вибрации энергетических установок 51
1.5. Снижение низкочастотного звука и вибрации энергетических установок путем использования активной и гибридной компенсации 78
1.6. Анализ методов расчета и прогнозирования низкочастотного звука и вибрации энергетических установок 107
1.7. Обоснование цели и постановка задачи исследования 131
Глава 2. Методологические основы классификации методов снижения низкочастотного звука и вибрации энергетических установок 138
2.1. Обобщенная классификация методов снижения низкочастотного звука и вибрации энергетических установок 138
2.2. Систематизация патентов по алгоритмам расчета и устройствам активной и гибридной компенсации низкочастотного звука и вибрации энергетических установок и активным акустическим преобразователям 155
2.3. Методологические основы классификации активных и гибридных систем компенсации низкочастотного звука и вибрации 177
Глава 3. Теория и расчет снижения низкочастотного звука и вибрации в газоводных системах энергетических установок с использованием активной и гибридной компенсации 206
3.1. Теоретические основы активной и гибридной компенсации низкочастотного звука и вибрации в газоводных системах энергетических установок 206
3.2. Разработка методики комплексного снижения внешнего и внутреннего шума транспортного средства, генерируемого двигателем внутреннего сгорания
3.3. Многофункциональное использование активной компенсации. Теоретические основы активного и гибридного акустического наддува ЛВС. Вносимые потери при активной компенсации и активном акустическом наддуве 226
3.4. Математическое моделирование и методики расчета низкочастотного звука и вибрации в газоводных системах энергетических установок 237
3.5. Особенности расчета активной компенсации низкочастотного звука и вибрации внутри пассажирского салона и кабины водителя автомобиля 298
3.6. Разработка концепции составления динамических карт шума, низкочастотного звука и вибрации 306
Глава 4. Разработка методик экспериментальных исследований характеристик низкочастотного звука и вибрации энергетических установок 310
4.1. Разработка методики исследования низкочастотных виброакустических характеристик стационарных энергетических установок 310
4.2. Разработка методики экспериментальных исследований низко-частотной вибрации компрессорных установок и присоединённых трубопроводных систем 312
4.3. Разработка методики экспериментальных исследований низкочастотного звука и вибрации, генерируемых автомобильным ДВС, и их активной компенсации 320
4.4. Разработка методики исследования факторов внешнего воздействия на работу устройств активной компенсации низкочастотного звука и вибрации в газоводах энергетических установок 328
4.5. Дополнения к методикам проведения измерений шумовых характеристик и обработки результатов измерений для селитебной территории 332
4.6. Оценка погрешности результатов измерений 333
Глава 5. Экспериментальные исследования характеристик низкочастотного звука и вибрации энергетических установок 340
5.1. Экспериментальные исследования вибрации компрессорных установок и присоединенных трубопроводных систем 340
5.2. Экспериментальные исследования снижения низкочастотного звука систем газообмена автомобильных поршневых ДВС методом активной компенсации 363
5.3. Экспериментальные исследования влияния внешних факторов на характеристики элементов активной компенсации низкочастотного звука в газоводных системах энергетических установок 370
ГЛАВА 6. Разработка и описание предложенных конструкций снижения низкочастотного звука и вибрации энергетических установок и результатов их апробации 376
6.1. Разработка и апробация помехозащищенных конструкций активной компенсации низкочастотного звука и вибрации в газоводах энергетических установок 376
6.2. Разработка и апробация устройств комплексной активной компенсации шума ДВС 410
6.3. Разработка устройств активного и гибридного акустического наддува 434
6.4. Разработка и апробация конструкций по снижению низкочастотной вибрации газоводных систем энергетических установок 446
ГЛАВА 7. Проблемы и опыт практического внедрения результатов работы для снижения низкочастотного звука и вибрации энергетических установок 484
7.1. Особенности и проблемы практического использования активной компенсации низкочастотного звука и вибрации энергетических установок 484
7.2. Разработка программного обеспечения по расчёту снижения низкочастотного звука и вибрации энергетических установок и его практическая реализация 491
7.3. Опыт снижения низкочастотного звука и вибрации в жилой зоне и на рабочих местах промышленных предприятий 511
Заключение. Основные выводы. Направления дальнейшего совершенствования полученных результатов 538
Список использованных источников 544
Приложения 591
- Анализ энергетических установок как источников низкочастотного звука и вибрации и их вклада в процессы шумообразования в городских условиях
- Систематизация патентов по алгоритмам расчета и устройствам активной и гибридной компенсации низкочастотного звука и вибрации энергетических установок и активным акустическим преобразователям
- Многофункциональное использование активной компенсации. Теоретические основы активного и гибридного акустического наддува ЛВС. Вносимые потери при активной компенсации и активном акустическом наддуве
- Разработка методики экспериментальных исследований низкочастотного звука и вибрации, генерируемых автомобильным ДВС, и их активной компенсации
Введение к работе
Основы виброакустики как науки были заложены в середине XX века и приведены в работах Е. Скучика, М.А. Исаковича, сэра Дж. Лайтхилла, Л. Беранека, М. Крокера, М. Хекла, И.И. Клюкина, Е.Я. Юдина, А.С. Никифорова, Н.И. Иванова, Э.Л. Мышинского, Б.Д. Тартаковского и других ученых. В настоящее время достигнут значительный прогресс в практическом использовании её результатов для различных случаев снижения шума и вибрации, а возможности виброакустики стали гораздо более широкими и не ограничиваются только задачей снижения шума и вибрации. Сейчас уже возможно говорить о виброакустике как о науке, разрабатывающей теоретические и прикладные аспекты использования акустических законов и явлений не только для снижения шума и звуковой вибрации, но и для улучшения характеристик машин, приборов и других технических средств.
Для любого современного города характерно наличие как ряда крупных промышленных предприятий, так и значительного автотранспортного парка, оказывающих значительное виброакустическое воздействие в условиях окружающей, производственной и бытовой среды. Интенсивными источниками акустического излучения и вибрации, особенно в низкочастотном диапазоне, являются силовые установки транспортных средств, использующие в качестве рабочего тела для своих двигателей газовую смесь, а также вентиляторы, воздуходувки, компрессоры, стационарные двигатели внутреннего сгорания и пр. Объектом исследования в настоящей диссертации явились энергетические установки различных типов как источники низкочастотного звука и вибрации.
Низкочастотный звук и вибрация, возникающие при эксплуатации современных энергетических установок, вызывают разнообразные проблемы. Так, снижаются производительность, надежность, долговечность и другие характеристики энергетических установок. Интенсивная вибрация может явиться причиной разрушения соединений трубопроводов и аппаратов,
деталей ДВС и других энергетических установок, нарушения герметичности уплотнений и др.
Интенсивный шум на производстве способствует снижению внимания и увеличению числа ошибок при выполнении работы, оказывает влияние на быстроту реакции, сбор информации и аналитические процессы. В результате наряду с ухудшением здоровья человека шум вызывает снижение безопасности, производительности и качества труда. Низкочастотная вибрация опасна с точки зрения воздействия на человека ввиду возможного возникновения резонанса колебаний внутренних органов и частей тела человека. Воздействие повышенной вибрации (в первую очередь низкочастотной) может вызвать виброболезнь - стойкое нарушение физиологических функций организма, обусловленного воздействием вибраций на центральную нервную систему. По данным ОАО "АВТОВАЗ", именно тугоухость и виброболезнь прочно удерживают лидерство среди других профессиональных заболеваний.
Серьезные проблемы вызывает шум автотранспортных потоков, создающий 60-80% от общей доли шумов, воздействующих на человека в жилой застройке. Как отмечают многие авторы [130, 145, 146, 147, 158, 164, 174, 193, 315, 382 и др.], свыше 60% населения крупных городов проживает в условиях чрезмерного шума. При этом основная часть жалоб касается воздействия низкочастотного звука [383, 395, 399 и др.]. Так, исследования, проведенные в ЦНИИ им. академика Крылова и в БГТУ "Военмех" (г. Санкт-Петербург) в 1992-2005 гг., показали, что на большинстве автотранспортных магистралей уровни шумов значительно превышают допустимые нормы (для районов жилой застройки норма составляет 50 дБ в дневное время и 45 дБ в ночное, а на транспортных магистралях - 65дБ), и достигают 85 дБ. В ряде городов автотранспортные магистрали вплотную примыкают к селитебной зоне, в результате чего значительная часть населения подвергается воздействию повышенных уровней звука. При этом спектры уровней звукового давления и уровней звука транспортных потоков носят ярко
выраженный низкочастотный характер [3, 10, 12, 21, 90, 143, 147, 158, 193 и др.]. В России многие автотранспортные средства эксплуатируются в течение нескольких десятилетий, и шумовые характеристики их двигателей не удовлетворяют требуемым нормативам.
В условиях городской среды наибольшее значение приобретает тот факт, что звуки различного спектрального состава при распространении в открытом пространстве вглубь территории жилой застройки будут иметь различную степень затухания. Поэтому наиболее нежелательным будет воздействие звука такого частотного диапазона, который максимально достигнет селитебной территории. Именно низкочастотный звук распространяется без особого затухания на значительное расстояние и является основным источником дискомфорта для селитебных территорий. В производственных условиях в спектре звука и вибрации ряда энергетических установок (вентиляторы, компрессоры и др.) также преобладают низкочастотные составляющие. Главным источником низкочастотной вибрации являются силовые установки наземного общественного транспорта и грузового автомобильного транспорта, создающие существенную вибрационную нагрузку не только на людей, но также и на здания, наземные и подземные инженерные сооружения, покрытия дорог [130, 147, 189].
Таким образом, для современного машиностроения (в частности двигателестроения) и других отраслей промышленности и транспорта актуальным является снижение низкочастотного звука и вибрации стационарных и передвижных энергетических установок.
Для снижения низкочастотного звука, генерируемого энергетическими установками, градостроительные и административно-организационные шумозащитные мероприятия (рациональная акустическая планировка жилых массивов, установка шумозащитных экранирующих сооружений, создание шумозащитного озеленения улиц, повышение звукоизолирующих качеств зданий и т.д.) оказываются недостаточно эффективными. Более эффективным является использование технических средств.
Из различных существующих методов снижения низкочастотного звука и вибрации энергетических установок традиционно эффективной является установка глушителей шума и гасителей пульсаций давления газа. Однако использование существующих низкочастотных глушителей и гасителей пульсаций зачастую невозможно ввиду необходимых больших габаритов. Снижение габаритов может быть достигнуто путем использования устройств активной и гибридной (активно-пассивной) компенсации. Однако их практическое применение существенным образом ограничивается воздействием внешних факторов. Таким образом, необходимы разработка и апробация эффективных компактных конструкций глушителей низкочастотного шума и гасителей пульсаций. Перспективным также является широкое использование мониторинга низкочастотного шума и вибрации урбанизированных территорий, новых методов прогнозирования шума и вибрации.
Научная новизна работы заключается в том, что:
- предложены методологические основы классификации активной и
гибридной компенсации низкочастотного звука и вибрации энергетических
установок, позволяющие находить эффективные решения различных задач
снижения низкочастотного звука и вибрации для энергетических установок
различных типов;
разработана математическая модель передачи низкочастотного звука и газодинамических пульсаций в газоводных системах энергетических установок при наличии активного акустического излучения, позволяющая рассчитывать передаточные функции и виброакустические характеристики систем с учетом характеристик источника активной компенсации;
предложена методика комплексного снижения низкочастотного звука и вибрации, генерируемых ДВС, позволяющая обеспечить одновременное снижение внешнего и внутреннего шума в салоне транспортного средства с учетом взаимосвязи виброакустических полей моторного отсека и пассажирского салона;
- разработаны теоретические основы многофункциональной активной
компенсации, активного и гибридного акустического наддува ДВС,
позволяющие достичь как снижения низкочастотного звука, так и повышения
мощности ДВС и улучшения отвода токсичных газов при выпуске ДВС.
Методы исследований. Для исследования параметров передаточной функции систем активной компенсации низкочастотного звука и вибрации энергетических установок использовались методы аналитического моделирования с использованием акустических четырехполюсников и электроакустических аналогий. Экспериментальные исследования виброакустических характеристик энергетических установок осуществлялись по методикам, разработанным автором с учетом существующих ГОСТов и методических указаний (ГОСТ 12.1.023.80*, ГОСТ 12.1.012-90, ГОСТ 26568-85, ГОСТ Р 52231-04 и др.) с помощью прецизионной виброакустической аппаратуры фирм "Брюль и Къер" и "Октава+". Экспериментальные исследования вибрационного состояния поршневых и винтовых компрессорных установок, а также вентиляционного шума проведены в реальных производственных условиях. Снижение низкочастотного шума впуска автомобильного ДВС с использованием активной компенсации выполнено в лабораторных условиях при работе двигателей ВАЗ в режиме холостого хода на тормозном стенде фирмы "Schenk". Комплексное снижение низкочастотного звука автомобильного ДВС осуществлено на макетных установках и на динамометрическом стенде для двигателя ВАЗ-11183. Экспериментальные исследования воздействия повышенного статического давления на мембрану активного компенсатора звука, выполненного в виде громкоговорителя, проведены в лабораторных условиях при нагнетании давления в трубопроводе до 15000 Па.
В процессе исследования получены и защищаются следующие основные результаты:
- обобщенная классификация методов снижения низкочастотного звука и
вибрации энергетических установок;
анализ патентов и методологические основы классификации активной и гибридной компенсации низкочастотного звука и вибрации энергетических установок;
теоретические основы активной и гибридной компенсации низкочастотного звука и вибрации в газоводных системах энергетических установок;
методика комплексного снижения внешнего и внутреннего шума транспортного средства, генерируемого ДВС;
теоретические основы многофункциональной активной компенсации, активного и гибридного акустического наддува ДВС;
- методика составления динамических карт шума, низкочастотного звука и
вибрации;
методики экспериментальных исследований характеристик низкочастотного звука и вибрации основных типов энергетических установок: низкочастотной вибрации компрессорных установок и присоединённых трубопроводных систем; низкочастотного звука вентиляционных систем; низкочастотного звука и вибрации, генерируемых автомобильным ДВС, их активной и гибридной компенсации и активного акустического наддува ДВС;
результаты экспериментальных исследований характеристик низкочастотного звука и вибрации энергетических установок и их снижения на основе разработанных методик;
- результаты разработки и апробации конструкций активных глушителей
низкочастотного звука энергетических установок и гасителей
низкочастотных пульсаций в газоводах поршневых машин;
- результаты разработки и внедрения мероприятий и программного
обеспечения по снижению низкочастотного звука и вибрации энергетических
установок.
Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на:
Международные конгрессы:
- Международном Конгрессе по автобусам, грузовым и легковым
автомобилям и производящей технологии "Автотехника - 91", г.
Бирмингем, Великобритания, 12-15 ноября 1991 г.;
- Пятнадцатом международном акустическом конгрессе, г. Трондхейм,
Норвегия, 26-30 июня 1995 г.;
- Двадцать шестом международном конгрессе по борьбе с шумом "Интер-
Щум 97", г. Будапешт, Венгрия, 25-27 августа 1997 г.;
- Международном конгрессе "Евро-Шум 98", г. Мюнхен, ФРГ 4-6 октября
1998 г.;
Двадцать девятом международном конгрессе по борьбе с шумом "Интер-шум 2000", г. Ницца, Франция, 27-30 августа 2000 г.;
Восьмом международном конгрессе по звуку и вибрации, Гонконг, Китай, 4 -6 июля 2001 г.;
Восьмом международном конгрессе по шуму как проблеме для здоровья населения, г. Роттердам, Нидерланды, 29 июня - 3 июля 2003 г.;
Одиннадцатом международном конгрессе по звуку и вибрации, г. Санкт-Петербург, 5-8 июля 2004 г. 1
Международные конференции, симпозиумы, семинары, выставки:
Втором международном симпозиуме " Шум и вибрация на транспорте", Санкт-Петербург, Россия, 4-6 октября 1994 г.;
Первой, второй, третьей и четвертой международных научно-технических конференциях "Решение экологических проблем в автотранспортном комплексе", Москва, МАДИ (ТУ), 1996, 1998, 2000, 2002 гг.;
Международном симпозиуме по активному снижению шума и вибрации "ACTIVE-97", г. Будапешт, Венгрия, 21-23 августа 1997 г.;
- Четвертом международном симпозиуме "Шум и вибрация на
транспорте", г. Таллин, Эстония, 8-Ю июня 1998 г.;
- Семинаре департамента технической акустики института строительной
физики Fraunhofer-Institut Fiir Bauphysik, г. Штутгарт, ФРГ, 16 сентября 1998;
- Пятой международной научной конференции по двигателям внутреннего сгорания и транспортным средствам "MOTAUTO-98", София, Болгария, 14-16 октября 1998 г.;
- Первой, второй, третьей и четвертой международных научно-технических
конференциях "Безопасность транспортных систем", Самара, май 1998,
2000, 2002 и 2004 гг.;
Международном экологическом симпозиуме "Перспективные информационные технологии и проблемы управления рисками на пороге нового тысячелетия", г. Санкт-Петербург, 1-3 июня 2000 г.;
V-м международном симпозиуме "Шум и вибрация на транспорте", Санкт-Петербург, 6-8 июня 2000 г.;
Двадцать пятой международной научной конференции "ISMA-25", Лейвен, Бельгия, 13-15 сентября 2000 г.;
Международной научно-практической конференции памяти генерального конструктора аэрокосмической техники акад. Н.Д. Кузнецова, г. Самара, 21 -22 июня 2001 г.;
VI-м международном симпозиуме "Шум и вибрация на транспорте", г. Санкт-Петербург, 4-6 июня 2002 г.;
42-й международной научно-технической конференции Ассоциации автомобильных инженеров "Автомобиль и окружающая среда", г. Дмитров, 3-5 июня 2003 г.
Первой и второй международных научно-технических конференциях "Экология и безопасность жизнедеятельности промышленно-транспортных комплексов" (ELPIT), г. Тольятти, сентябрь 2003 и 2005 гг.;
Третьей международной научной конференции "Экологические проблемы бассейнов крупных рек", г. Тольятти, 15-19 сентября 2003 г.;
XV международной конференции "Физика прочности и пластичности материалов", г. Тольятти, 30 сентября - 3 октября 2003 г.;
Международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы надёжности технологических, энергетических и транспортных машин",
посвященной 90-летию Самарского государственного технического университета, г. Самара, 25-27 ноября 2003 г.;
VIII Международных научных чтениях "Белые ночи-2004", г. Санкт-Петербург, 4-6 июня 2004 г.;
VII-м международном симпозиуме "Шум и вибрация на транспорте", г. Санкт-Петербург, 8-Ю июня 2004 г.;
- Международной научно-практической конференции "Исследование,
разработка и применение высоких технологий в промышленности. Научно-
технологические, экономические, юридические, политологические,
социальные и международные аспекты", г. Санкт-Петербург, 30 мая - 2 июня
2005 г.;- Международной научной конференции "Форум акустикум-2005", г.
Будапешт, Венгрия, 29 августа - 2 сентября 2005 г.Национальные конгрессы и конференции зарубежных стран:
- Второй болгарской национальной конференции по диагностике машин и
сооружений и неразрушающему контролю, Варна, Болгария, 25-28
октября 1990 г.;- Второй, четвертой и пятой болгарских национальных конференциях с
межд. участием "Эко-Варна 96, 98, 99", Варна, Болгария, май 1996, 1998,
1999 гг.;- Итальянской национальной научно-технической конференции с
международным участием "Шум на транспорте", г. Флоренция, Италия, 26
февраля 2004 г.;- Тридцать первом конгрессе итальянской ассоциации акустиков, г. Венеция,
Италия, 5-7 мая 2004 г.Всесоюзные, Всероссийские и внутривузовские научные конференции, симпозиумы, семинары, заседания:
- Всесоюзной научно-технической конференции "Вибрация и шум.
Глушители шума", Тольятти, 13-15 октября 1991 г.;- Пятом научно-практическом семинаре "Совершенствование мощностных,
экономических и экологических показателей ДВС", Владимир, 16-19 мая
1995;Первой, второй, третьей, четвертой и пятой Всероссийских научно-практических конференциях с международным участием "Новое в экологии и безопасности жизнедеятельности", Санкт-Петербург, 1996,1997,1998, 1999, 2000 гг.;
Всероссийской научно-практической конференции "Новые материалы и технологии", Москва, МАТИ-РГТУ, 4-5 февраля 1997 г.;
- Всероссийской научно-технической конференции Тольяттинского
политехнического института, г. Тольятти, 5-7 мая 1997 г.;Всероссийской научно-практической конференции "Безопасность жизнедеятельности и чрезвычайные ситуации", Самара, 1997;
Второй Всероссийской конференции "Новое в архитектуре, проектировании строительных конструкций и реконструкций НАСКР-99", 6-7 июля 1999 г., Чебоксары, 1999;
Выставке-ярмарке "Самарская межрегиональная выставка инновационных технологий", г. Самара, 25-28 мая 2000 г.;
Всероссийской научно-технической конференции "Перспективы развития автомобильного транспорта", г. Тольятти, октября 2000 г.;
Научных чтениях "Белые Ночи 2001", Санкт-Петербург, 5-7 июня 2001 г.;
Всероссийской научно-технической конференции "Технический вуз - наука, образование и производство в регионе", г. Тольятти, 3-4 октября 2001 г.
- Второй, третьей и четвертой Всероссийских научно-технических
конференциях "Современные тенденции развития автомобилестроения в
России", г. Тольятти, май 2003, 2004, 2005 гг.;- Первой и второй Всероссийских научно-технических конференциях с
международным участием "Луканинские чтения. Проблемы и перспективы
развития автотранспортного комплекса", г. Москва, МАДИ (ГТУ), февраль
2003 и 2005 гг.;- IX и X Всероссийских научных конференциях «Окружающая среда для нас
и будущих поколений», г. Самара, сентябрь 2004 и 2005 гг.;Всероссийской научно-технической конференции "Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии", г. Тольятти, 21-24 сентября 2004 г.;
- Всероссийской научно-технической конференции "Теплофизические и
технологические аспекты управления качеством в машиностроении" памяти
А.Н. Резникова, г. Тольятти, 18-20 мая 2005 г.;X Всероссийском конгрессе "Экология и здоровье человека", г. Самара, 11-13 октября 2005 г.;
Заседаниях научно-технических советов Тольяттинского политехнического института и Тольяттинского государственного университета 1998, 1999, 2000, 2001. 2002, 2003, 2004 и 2005 гг.;
Заседаниях научно-исследовательской лаборатории "Виброакустика, экология и безопасность жизнедеятельности" Тольяттинского государственного университета 2003, 2004 и 2005 гг.;
Заседаниях кафедры "Машиноведение и инженерная экология" Тольяттинского государственного университета 2004 и 2005 гг.;
Заседании кафедры "Экология и безопасность жизнедеятельности" Балтийского государственного технического университета "ВОЕНМЕХ", 2005 г.
Результаты работы внедрены и использованы в ЗАО "Куйбышевазот", ЗАО "ВЭМ-1", ОАО "АВТОВАЗ", мэрией г. Тольятти и др.
Основные положения диссертации опубликованы в 160 печатных работах.
Автор пользуется случаем выразить свою искреннюю благодарность заведующему кафедрой "Экология и безопасность жизнедеятельности" БГТУ "ВОЕНМЕХ" им. Д.Ф. Устинова Н.И. Иванову за неоценимую помощь в ходе подготовки диссертации.
Анализ энергетических установок как источников низкочастотного звука и вибрации и их вклада в процессы шумообразования в городских условиях
Энергетические установки можно разделить на два основных вида: стационарные (вентиляторы, воздуходувки, насосы, компрессоры, стационарные двигатели внутреннего сгорания (ДВС) и пр.) и передвижные, или транспортные (силовые установки транспортных средств, например, поршневые ДВС).
Вентиляционные установки широко используются как в промышленных, так и бытовых условиях для подачи больших объемов воздуха. Их подразделяют на вентиляторы общего назначения, вентиляторы дутьевые котельные, дымососы котельные и вентиляторы шахтные. По направлению потока воздуха в рабочем колесе вентиляторы делятся на осевые, радиальные (центробежные), диагональные, диаметральные; по конструкции - на одно- и многоступенчатые, реверсивные, одно- и двухстороннего всасывания; по положению рабочего колеса - на горизонтальные и вертикальные; по виду привода - с электродвигателем, воздушной турбиной, двигателем внутреннего сгорания и др.; по исполнению - стандартные, газонепроницаемые, для транспортировки горючих и взрывоопасных газов, коррозионно опасных газов и пр.
Компрессор предназначен для повышения давления и перемещения газа. Как и вентиляторы, компрессор относится к классу воздухо- или газодувных машин. В зависимости от типов компрессорных установок, условий их работы и процесса шумообразования они имеют различные акустические характеристики. Так, в спектре шума всасывания турбокомпрессоров, являющихся высокоскоростными агрегатами динамического действия (сжатие происходит в результате непрерывного создания ускорений в потоке газа), преобладают высокие частоты. К компрессорам объемного действия, в которых сжатие происходит в результате периодического уменьшения объема, занимаемого газом, можно отнести поршневые, роторные и мембранные [169].
В спектре шума всасывания роторных машин преобладает частота вращения вала и ее гармоники, что вызвано внезапными изменениями давления, связанными с подачей сжатого газа вращающимися элементами во впускной канал или всасывающее окно [128, 129, 154]. Форма отверстий и полостей входного и отводящего трубопроводов оказывает большое влияние на генерируемый шум. Поскольку скорости вращения вала машины этого класса велики, шум всасывания носит высокочастотный характер.
Большинство поршневых и мембранных компрессоров представляют собой низкооборотные машины, поэтому характерным для их спектра шума является наличие дискретных низкочастотных составляющих. При этом, как правило, можно выделить гармонические составляющие с наиболее высокими уровнями звука.
Насосами называют машины, предназначенные для перемещения жидкостей и сообщения им энергии. Работающий насос превращает механическую энергию, подводимую от двигателя, в потенциальную, кинетическую и тепловую энергию потока жидкости. Насосы бывают лопастные (центробежные, вихревые, осевые, диагональные), объемные (поршневые и роторные) пневматические, струйные. Наибольшее распространение получили лопастные насосы.
К двигателям относятся устройства, преобразующие какой-либо вид энергии в механическую работу. Машины, трансформирующие тепловую энергию в механическую работу, носят название тепловых двигателей и являются основным типом энергетической установки на всех видах транспорта (железнодорожный, речной, морской, автомобильный и воздушный), на сельскохозяйственных и дорожно-строительных машинах. При этом различают тепловые двигатели стационарные и транспортные. По способу подвода теплоты к рабочему телу различают двигатели с внешним подводом теплоты (ДВПТ) и двигатели внутреннего сгорания (ДВС). Для ДВПТ характерны следующие особенности: теплота к рабочему телу подводится вне рабочего цилиндра двигателя (обычно в теплообменнике); рабочее тело не обновляется и циркулирует в различных агрегатных состояниях по замкнутому контуру; работа совершается в турбине или в расширительном цилиндре. Классический пример этого типа тепловых двигателей - паровой двигатель. Для ДВС характерно следующее: - сжигание топливам, выделение теплоты и преобразование её в механическую работу происходит непосредственно в цилиндре двигателя; - рабочее тело обновляется в процессе работы двигателя. ДВС по сравнению с ДВПТ имеют существенно меньшие габариты и массу на единицу производимой мощности и являются основным типом транспортных энергетических установок. По конструкции элементов, с помощью которых тепловая энергия сгорающего топлива преобразуется в механическую работу, различают: поршневые ДВС с возвратно-поступательно движущимися поршнями (ПДВС); двигатели с вращающимися поршнями, или роторно-поршневые ДВС (РПД); газотурбинные двигатели (ГТД); реактивные двигатели (РД). По способу осуществления цикла различают двухтактные и четырехтактные ДВС.
Из-за неудовлетворительной топливной экономичности РПД, ГТД и РД не нашли широкого применения в наземной транспортной технике.
На автомобилях применяют двигатели с воспламенением от искры (карбюраторные, газовые, с впрыском топлива) и с воспламенением от сжатия (дизели), а также роторно-поршневые двигатели. Для автомобилей малой грузоподъёмности иногда используются электрические двигатели, работающие от аккумуляторных батарей.
В настоящее время и в обозримой перспективе основным типом тепловых двигателей, используемым на наземном транспорте, являются двигатели внутреннего сгорания (ДВС) (рис. 1.1), работающие на жидком топливе. Это обусловлено тем, что они обладают рядом преимуществ: экономичность, надёжность, долговечность, компактность и пр.
По способу воспламенения смеси различают ДВС с принудительным (преимущественно искровым) зажиганием и дизели, работающие с воспламенением от сжатия. Двигатели с искровым зажиганием могут быть карбюраторные (рис. 1.2) и газовые, в которых топливовоздушная смесь, поступающая в цилиндры, подготавливается вне их, т. е. в автономном устройстве, называемом карбюратором или смесителем. По другому признаку классификации эти двигатели относят к ДВС с внешним смесеобразованием.
Систематизация патентов по алгоритмам расчета и устройствам активной и гибридной компенсации низкочастотного звука и вибрации энергетических установок и активным акустическим преобразователям
Компрессорные установки являются интенсивными источниками вибрации на рабочих местах предприятий машиностроения и других отраслей промышленности. Для поршневых компрессоров возбуждение вибраций происходит ввиду пульсирующего характера потока газа в трубопроводах, колебаний корпуса компрессора и фундамента, вызванных переменными силами от движущихся деталей (поршень, клапана, силы от остаточного дисбаланса вращающихся деталей) и др. Кроме того, компрессорные установки являются источниками интенсивного шума как в помещении компрессорной станции, так и на прилежащей территории. Наиболее значительное акустическое загрязнение селитебной территории возникает при всасывании воздуха в компрессор и при выхлопе газа в атмосферу. Шум в жилой застройке, расположенной вблизи компрессорной станции, носит, как правило, низкочастотный характер и превышает допустимые уровни на 7... 18 дБ в нормируемом диапазоне частот. Шум внутри производственного помещения возникает вследствие колебаний корпуса компрессорной установки, дисбаланса вращающихся частей, динамической несоосности агрегатов, от ударов при перекладке поршней, стука клапанов, движения по коммуникациям турбулентного потока газа и т.д.
Уровень звука, излучаемого в окружающую среду поршневым компрессором, тем выше, чем интенсивнее происходят колебательные газодинамические процессы. Снижение интенсивности этих процессов приводит не только к снижению шума. Колебания давления газа, вызываемые периодичностью процессов всасывания и нагнетания, изменяют производительность компрессора, увеличивая или уменьшая ее, повышают потребляемую мощность компрессора, нарушают работу клапанов, вызывают вибрацию трубопроводных систем и связанных с ними узлов и аппаратов. В ряде случаев вибрация трубопроводов приводит к разрушениям элементов конструкций, к авариям, длительным простоям технологических установок. Пульсирующий поток газа вызывает изменение мощности примерно в пределах ± 20%, а производительности компрессора - до ± 10%.
Как отмечают многие авторы [128, 129, 154, 195, 197 и др.], для низкооборотных поршневых компрессоров газовые пульсации в трубопроводах являются основным источником вибрации. Поэтому устранение влияния пульсирующего потока газа на работу поршневого компрессора является эффективным средством снижения шума и вибрации, повышает эффективность эксплуатации компрессора.
С точки зрения акустического загрязнения окружающей среды наибольшие проблемы создает низкочастотный звук, излучаемый при всасывании поршневых низкооборотных компрессоров и при выпуске газа в атмосферу. С точки зрения воздействия на производственное оборудование сильное влияние на его разрушение компрессоров и их трубопроводов оказывают именно низкочастотные вибрации.
В настоящее время классификация методов снижения звука и вибрации является достаточно разветвленной и многообразной. Общая классификация средств и методов защиты от шума содержится в ГОСТ 12.1.029-80 "ССБТ. Средства и методы защиты от шума. Классификация". В широком плане средства защиты от шума и вибрации можно подразделить на средства индивидуальной и коллективной защиты. Средства индивидуальной защиты от шума (например, противошумные наушники, вкладыши, шлемы) используются персонально и перекрывают основной канал проникновения звука в ухо человека. Индивидуальные средства защиты от вибрации в основном предназначены для уменьшения воздействия локальной вибрации. К ним относятся виброзащитные рукавицы, представляющие устройство с мягкой поролоновой прокладкой. Возможно также использование виброизолирующих рукояток и виброзащитной обуви, предназначенной для снижения общей вибрации. Средства индивидуальной защиты от шума и вибрации используются персонально и не могут заменить использование коллективных средств.
Коллективные средства защиты от шума предназначены и используются для его снижения на рабочих местах, в окружающей среде и в других местах пребывания человека. По отношению к источнику шума все средства коллективной защиты можно подразделить на следующие: снижающие шум в источнике образования; снижающие шум по пути от источника шума к точке наблюдения или расчётной точке (например, путем установки на пути распространения шума звукозащитных сооружений и звукоизолирующих ограждений). В свою очередь, снизить шум в источнике можно двумя основными способами: снижением силового воздействия и уменьшением звукоизлучающей способности элементов источника. Коллективные средства и методы защиты от шума и вибрации классифицируются следующим образом: 1. Архитектурно-планировочные методы: - рациональные акустические решения планировок производственных помещений и генеральных планов объектов; - рациональное размещение технологического оборудования; - рациональное размещение рабочих мест; - создание шумозащитных зон. 2. Акустические средства: - средства звукоизоляции; - средства звукопоглощения; - средства виброизоляции; - глушители шума. 3. Организационно-технические методы: - применение малошумных технологических процессов; -оснащение шумных машин средствами дистанционного управления и автоматического контроля; - совершенствование технологии ремонта и обслуживания машин; - применение малошумных машин, изменение конструктивных элементов машин; - использование рациональных режимов труда и отдыха. Автором предложена следующая классификация мероприятий по обеспечению виброакустической безопасности: концептуальные, политические, экономические, законодательные, организационные, научно-технические, информационные, образовательные и др. [12, 18, 19]. В частности, к законодательным мероприятиям относится принятие государственных законов и правил; к организационным - вынос шумных предприятий за городскую черту, организация рационального движения, проведение профилактического ремонта подвижного состава, ремонт автодорог и др. При разработке средств защиты от шума и вибрации энергетических установок прежде всего следует выяснить их вид, так как необходимое снижение шума и вибрации можно достигнуть только при правильном выборе этих средств. Необходимость проведения мероприятий по снижению шума, производимого эксплуатируемыми источниками, определяется на основании измерений соответствующих уровней L, LAxe, LAwi;c в сравнении с допустимыми нормами.
Многофункциональное использование активной компенсации. Теоретические основы активного и гибридного акустического наддува ЛВС. Вносимые потери при активной компенсации и активном акустическом наддуве
Для автомобильных двигателей шум, излучаемый от системы впуска, является вторым по интенсивности после шума выпуска. Однако проблема его уменьшения стоит далее более остро, так как требования к потерям напора воздушного потока в системе впуска чрезвычайно жесткие [8, 10, 143, 180]. Даже небольшое увеличение потерь приводит к ухудшению наполнения цилиндров, уменьшению мощности и ухудшению экономичности ДВС. Кроме того, системы впуска располагаются вместе с глушителем в моторном отсеке, и их компоновка связана со значительными трудностями.
Существенного снижения шума впуска молено достичь путем создания оптимальных конструкций воздухозаборных патрубков. В частности, при исследовании, проведенном автором для конструкции воздухозаборного патрубка воздухоочистителя автомобиля ВАЗ 2112, разработанной фирмой "Порше", удалось достичь значительной оптимизации, что позволило значительно снизить уровень шума впуска [185].
Меньшая длина труб может привести к тому, что низкочастотные резонансы системы могут попасть в рабочий диапазон частот. Особые сложности возникают при размещении в системе двухобъемных элементов.
Шум впуска двигателя легкового автомобиля распространяется в окружающую среду через пространство моторного отсека. При этом существенное значение имеет месторасположение среза воздухозаборного патрубка в пространстве моторного отсека. Например, возможны ситуации, когда достаточно низкошумная конструкция впускной системы при оценке ее излучения в неограниченное пространство может оказаться неожиданно шумной при установке ее в моторный отсек автомобиля. Так, в работе [10] сравнивается эффективность воздухоочистителей с одной и той лее шумозаглушающей способностью, но с разным месторасположением воздухозаборного патрубка в пространстве моторного отсека. Показывается, что в одних случаях достигается эффект снижения общего уровня внешнего шума автомобиля до 1,5 дБА, в других случаях эффект отсутствует. Еще более сложную проблему представляет передача шума от термостатированной системы впуска в окружающую среду. В этом случае в пространстве моторного отсека автомобиля одновременно находятся два излучателя, расположенных в различных зонах. Взаимодействуя между собой, они могут вызвать дополнительное усиление или ослабление внешнего шума автомобиля. Причиной усиления низкочастотного излучения шума является образование резонансных явлений в замкнутом воздушном пространстве моторного отсека. В ряде работ установлено, что для уменьшения передачи шума системой "система впуска ДВС - моторный отсек" целесообразно располагать срез впускного патрубка вблизи геометрического центра моторного отсека.
Наиболее простым и традиционным путем снижения уровня излучаемого низкочастотного шума впуска автомобильного ДВС является использование воздухоочистителя как заглушающей камеры [1, 10, 143, 147, 158, 159, 180, 189, 202, 209]. При удачном его проектировании и при использовании хорошо спроектированных впускного и промежуточного патрубков заглушение можно приближенно оценить по формуле
С ростом частоты заглушение камеры воздухоочистителя увеличивается на 6 дБ на октаву (в области высших гармоник - 4 дБ на октаву), см. [143, 158, 180]. При этом подавлять низкие частоты наиболее сложно. Поэтому при потенциально равных в дБА уровнях излучения звука в атмосферу наибольшие проблемы возникают при подавлении первых гармоник шума впуска. Для двигателей ВАЗ воздухоочиститель позволяет уменьшить общий уровень внешнего шума автомобиля на 3-5 дБ А, а уровни отдельных частотных составляющих внешнего шума - не менее чем на 3-8 дБ [10, 180]. В свою очередь, сухой бумажный фильтрующий элемент воздухоочистителя ВАЗ, являясь широкополосным глушителем, обеспечивает дополнительное заглушение уровня звука, генерируемого системой впуска, на величину порядка 1,5-2,5 дБА. Дополнительное заглушающее действие оказывает промасливание фильтрующего элемента, однако оно может привести к быстрому загрязнению фильтрующего элемента в процессе эксплуатации, замасливанию элементов карбюратора, увеличению сопротивления системы впуска.
Суммарная совокупность элементов шумоглушения, заключающихся в конструкции воздухоочистителя, позволяет обеспечить заглушение шума впуска на величину порядка 10-25 дБ [158].
Значительного уменьшения уровня шума впуска можно достигнуть путем использования дополнительных заглушающих камер [202, 209]. В настоящее время воздухоочистители увеличенного объема установлены на двигателях ряда зарубежных автомобилей, например, Renault - 18 GTS, Sitroen-Visa-SUPER, VW GOLF D и др. Двухкамерные глушители установлены на автомобилях Renault 14 TS, Renault "18" 9CV, Renault 20 TS [209], Citroen CX, Craysler Simca "Horizon" и др. Например, автомобиль Nissan-Prairie имеет увеличенный объем камеры воздухоочистителя, равный 6,5 л, а автомобиль Renault-Espase имеет двухкамерный воздухоочиститель с объемами камер 3,4 и 3,8 л. Для увеличения заглушающего эффекта на впуске могут использоваться дополнительные объемы, устройства для улавливания паров топлива и пр.
Акустическая эффективность систем впуска непосредственно зависит от величины объема камер (камеры воздухоочистителя, камеры дополнительного глушителя). Так, W. Bach и Н. Alf [209, 202] делают вывод, что если необходимый по акустическим соображениям объем камеры воздухоочистителя автомобильного ДВС 1970-х гг. равнялся примерно десятикратному объему одного цилиндра двигателя, то в автомобиле 80-х гг. требовался двадцатикратный объем, а для современных и перспективных двигателей это соотношение тем более велико. Однако ввиду ряда ограничений (габариты, масса и др.) увеличение объема заглушающих камер имеет свой предел. Это заставляет использовать новые методы снижения шума впуска, например, метод активной компенсации.
Помимо увеличения заглушающих объемов, улучшение акустических характеристик воздухоочистителей может быть достигнуто с помощью: - подбора оптимальных длин воздухозаборных патрубков; - определения оптимального подсоединения патрубков к соответствующим зонам камеры воздухоочистителя; - устранения резонансных автоколебаний заслонки терморегулятора путем ее оптимального перфорирования; - перфорирования воздухозаборных патрубков.
Разработка методики экспериментальных исследований низкочастотного звука и вибрации, генерируемых автомобильным ДВС, и их активной компенсации
Важным фактором виброакустического воздействия на окружающую среду и жилые массивы в условиях современного промышленного города являются производственные предприятия машиностроения, химической промышленности, объекты энергетики и др. Интенсивное акустическое излучение создают энергетические установки, выбрасывающие в окружающую среду газовоздушные смеси: низкооборотные компрессорные установки, воздуходувки, стационарные двигатели внутреннего сгорания, системы вентиляции и пр. Особенно серьезную проблему представляет борьба с низкочастотными звуками, распространяющимися на значительное расстояние и являющимися источником дискомфорта для городского населения. Так, участились жалобы населения Нидерландов на низкочастотный шум, источники которого часто остаются неизвестными (обычно это установленные в помещениях системы кондиционирования, вентиляторы, расположенные невдалеке заводы и др.) [383].
Вентиляторы и вентиляционные решетки являются источниками шума в широком спектре частот. Шум в диапазоне средних и высоких частот интенсивно поглощается вблизи мест его возникновения пассивными звукопоглотителями в виде тонких слоев пористого материала. Для вытяжных систем с газоводами, имеющими большие размеры поперечного сечения, применение типовых глушителей ограничено: абсорбционных -необходимостью замены запыленного звукопоглощающего материала; отражающих - соизмеримостью поперечного сечения нагнетательного патрубка вентилятора с длинами звуковых волн. В низкочастотном диапазоне эффективным средством борьбы с шумом является активная компенсация.
Для снижения вентиляционного шума можно рекомендовать следующие основные мероприятия [8, 147]: 1. Уменьшение уровня звуковой мощности источника шума Lp, что в условиях эксплуатации достигается заменой шумного, устаревшего оборудования, выбором оборудования с лучшими шумовыми характеристиками, правильным расчетом режима его работы и т.д. Например, при подборе вентилятора необходимо стремиться к тому, чтобы его к.п.д. был максимальным; сброс сжатого воздуха, газа или пара должен быть растянут во времени и т.п. 2. Правильная ориентация источника шума или места излучения шума по отношению к рабочему месту для снижения показателя направленности G. С этой целью устройства для забора и выброса воздуха и газовоздушной смеси вентиляционных установок следует устанавливать так, чтобы излучение шума шло в противоположную сторону. Снижение шума за счет правильной ориентации может быть определено как AL = G, - G2, где G, и G2 - показатели направленности излучения шума соответственно воздухозаборным или выпускным устройствами при их неправильной и правильной ориентации в сторону рабочего места. 3. Размещение источника шума на возможно удаленном от рабочего места расстоянии. 4. Использование средств звукопоглощения при выполнении акустической обработки шумных помещений, через окна которых шум излучается в атмосферу. 5. Использование метода активной компенсации вентиляционного шума. 6. Установку реактивных глушителей шума в воздуховодах вентиляторов. Исследования отражающих глушителей шума систем с газоводами большого поперечного сечения показали перспективность совершенствования щелевых конструкций, где отражающими элементами являются щелевые камеры, образованные чередующимися участками сужения и расширения каналов глушителя. Последовательное плавное изменение длин участков расширения обеспечивает максимальную акустическую эффективность камер на близко расположенных частотах и обусловливает ровное широкополосное снижения шума всей конструкцией. Однако при ограниченности длины глушителя и требуемом диапазоне шумоглушения (63 +- 4000 Гц) возникает необходимость неплавного изменения длин участков расширения каналов. Шаг изменения может достигать двух раз, что обеспечивает максимальную акустическую эффективность щелевых камер в нешироком диапазоне каждой из 7 октав. Для частот, отстоящих на 1/3 октавы от частот максимальной эффективности, величина заглушения уменьшается до 4-5 дБ. Это ограничивает использование глушителя, поскольку его акустическая эффективность в случае требуемого ровного широкополосного снижения шума, определяется величиной минимального заглушения. Акустическую характеристику конструкции можно улучшить с помощью резонансных дополнений. Их можно получить без существенного усложнения изготовления глушителя, если снабдить участки расширения щелевых каналов двумя продольными перфорированными перегородками. Условие обеспечения требуемой настройки образовавшихся резонаторов:
Похожие диссертации на Снижение низкочастотного звука и вибрации энергетических установок
