内燃机工况对气缸敲击振动的影响范文
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摘要：内燃机是目前社会上较为常见的热能力机械，作为汽车和轮船的主要原动力，内燃机在正常工作中会受到众多工况影响，产生较为复杂的振动现象。内燃机整体振动对内燃机的工作性能有决定性关系，国内外相关人员对内燃机敲缸作出了大量的研究，分别对不同的内燃机工况下对气缸敲缸振动进行模拟实验，并寻找有效的措施控制措施，提高内燃机的工作性能。本文主要从内燃机基本的工况进行分析，并找出目前内燃机工况现状，以及确认内燃机工况和敲击振动的关系，并提出相应的降低敲击振动措施，减少振动带来的危害和提升内燃机的工作性能。
关键词：内燃机；气缸；敲击振动；转速；功率
引言
所有的内燃机在设计是都会将活塞组件和气缸套之间保留一定的配合间隙，保证活塞组件和气缸套能够合理正常的安装和润滑效果，间隙设计值一般情况都是根据活塞顶的半径大小制定的。内燃机正常运行时，活塞会在气缸内上下反复运行，这个时候活塞存在倾斜角，也就是说活塞轴线运动时与气缸的中心轴线存在一定的夹角，如果气缸内的气体压力突然变大，爆发出强大的冲击力会把活塞强制性推动到气缸壁上，产生严重的气缸敲击现象，我们称之为敲缸现象[1]。内燃机长时间的运行，会因为活塞和气缸套的摩擦而导致活塞组件和气缸套的间隙变大，更容易导致敲击现象，且敲击现象越来越严重，不仅会导致活塞和汽缸壁的损坏，还会降低内燃机整体的工作性能，所以有效解决内燃机工况对气缸敲击振动现象，及确定对内燃机敲缸故障做出预警，可以保证内燃机能够长期可靠、安全的运行。
1简述内燃机工况
内燃机在正常运行过程中，会出现很多工况，其中具有代表性就是典型工况，内燃机运行时始终保持在一个较为稳定的工况情况下基本上是不存在的，在实际情况中内燃机的运行工况变化没有固定趋势，特别不稳定，根据内燃机的使用状况，可以分为三种较为典型的工况：第一种就是在内燃机转速不变的情况下，功率随之而发生变化，比如我们发电常用的内燃机，保持内燃机工作相对稳定，必须要把内燃机转速保持在一个恒定值，功率随着内燃机的负荷大小而变化，呈现直线式上升，变到最大值，而功率的变化没有固定规律，只有内燃机转速相对稳定，那么才能保证功率输出相对稳定[2]。第二种就是转速和功率的关系类似于数学书上三次幂函数，这种内燃机常用在轮船上，内燃机需要带动螺旋桨，这个时候内燃机的功率和转速的变化就变得特别有规律。最后一种就是内燃机转速变化特别大，功率相对变化也极其不稳定，类似于汽车在行驶过程中遇到阻力，转速没有发生变化，内燃机就会产生负荷，内燃机转速发生连续性变化，车速由最低发生到最高。
2内燃机工况现状分析
广义上的内燃机不仅包括往复活塞式内燃机、旋转活塞式发动机和自由活塞式发动机，内燃机可以根据使用的燃料特性，将内燃机分为更多种类，我们生活中最常见的就是柴油机、汽油机和天然气，都是将内能转化为机械能，内燃机主要有曲柄连杆机构、配气机构、燃料供给系统、润滑系统、冷却系统、点火系统和起动系统[3]。内燃机作为判别引擎性能指标之一，那么引擎的振动噪声却是内燃机行业判定好坏的重要指标之一。发动机的振动是振声指标的一个明显特征，根据这个特征可以判定出该发动机引擎的工况和设计存在的缺陷，当然也是评估振动噪声的重要指标。内燃机的振动主要包括整体振动、结构振动以及轴系扭振，整体振动可直接反应出发动机的质量问题，不仅会降低使用寿命，还会降低工作效率，甚至会对环境产生噪音污染，严重影响到居民生生活问题[4]。由于内燃机的曲柄连杆机构较为复杂，气缸在运行过程中做功不连续，它的惯性作用和气缸气体都会产生较为强烈的冲击力和宽频带激发振动现象，由于内燃机的所有的系统和部件都在产生不同的力，所以内燃机的振动具有多振源、现象复杂和宽频带等特征。
3内燃机工况对气缸敲击振动的影响
内燃机在运行过程中，一般会经历四个动作吸气、压缩、燃爆和最后的排气，这四个动作最重要的就是燃爆动作，只有燃爆做功受到活塞被动受力，不管是多少缸的内燃机都会经历燃爆做功受力，且会出现相应的振动，缸数越少振动就越厉害，具体有三种情况：活塞连杆机构和曲轴上下反复运行造成的惯性力；曲轴平衡重心在圆周循环中因为产生平衡差导致离心惯性力；不同的压缩比会产生不同的气缸压力，这种情况下也会产生振动[5]。
3.1离心惯性力和上下反复惯性
力产生的振动离心惯性力和上下反复惯性力产生的振动主要发生在四缸机上，一个缸当做完一套完整的曲轴往复动作，也就是两周，角度是720°，一般情况下每个缸都在缸中运动，且只有一个缸的活塞是受力做功的，在往复运动中会产生惯性，这种情况会导致一个缸受力较多，产生各个缸受力不均衡现象。四缸机工作的时候会很平均的分配到各个缸上，这样每个缸都产生一个力，形成了曲轴的平衡重心都有一个180°的夹角，使所有的力都在一条线上，产生严重的振动现象[6]。
3.2燃气压力差导致的振动
使用燃气内燃机最常见的抖动就是因为长期积累过多的碳导致，引擎在运行的时候进气属于动态模式，所有的燃气厂家在添加气的时候都使用变气技术，这样很容易导致缸体进气之间产生较大气压差，不同的空气混合氧气比例和压缩比例在能力释放时很容易产生振动，也是产生振动的主要原因。
3.3轴系扭转产生的振动
内燃机轴系在运转工程中带动转矩，当出现受到不同转矩的影响而产生不同的角度位移，轴系扭动振动就是当转矩突然受到干扰而导致卸载和加载，轴系保持原有的扭转振动频率，这个时候会产生扭转振动。也是导致内燃机振动的最主要原因之一[7]。曲轴正常运行时会受到切向、方向作用力的影响轴系会同时产弯曲振动和扭转振动现象。由于内燃机特殊的结构和设计要求，弯曲刚度要特别大，这样也导致了弯曲振动的频率就会相对较高。内燃机在正常工作转速范围内就不会产生弯曲振动，但是会造成配套轴系的振动，或者是其他部件也会产生不同的振动。扭转振动主要是因为曲轴太长，扭转刚度过小，和曲轴的轴系在转动过程中产生较大的转动惯性力，这个时候的曲轴的扭转振动频率相对较低，如果内燃机在正常转速内工作不及时解决，会导致噪声、零部件损坏等现象，更严重的就是曲轴断裂[8]。
4控制敲击振动的措施
内燃机的敲击振动一般需要从3个方面进行有效的控制，一是对各种缸数进行调节，二是合理的设计有效的减少内燃振动，三是采用一定的措施减少振动频率[9]。三缸内燃机产生振动是应为在运行过程中缺少冲程导致曲轴圆周的离心力不平衡，可以通过对增加平衡重量的物体，是三缸所对应的平衡都不会超过彼此的180°，在设计新三缸内燃机时就需要设计两个缸为180°，另一个缸与其他两个缸互相垂直，即使一个缸出现问题，这样的设计会把离心惯性力去除，另外一个办法就是让三个缸的平衡重设计成角度为240°，再添加一个平衡轴，这样即使少一个缸运动都不会产生振动。四缸主要从设计上进行避免，比如增加曲轴偏置，把往复惯性力进行有效的错开，使曲轴形成一个低于60°的夹角。六缸振动最小，由于出色的设计使力完全平衡，基本上不用作出任何改善。合理的设计就是要在正在设计和开发的内燃机，通过各种方式让振动发生几率过小。还可以通过隔振的方式减少振动，隔振需要在发生振动的地方和需要防止振动的地方安装隔振器，隔振器的数量是根据振动大小而决定的，最终目的就是振动最小化。隔振还需要根据内燃机的结构和使用条件，一般情况采用总体隔振或是单独隔振，根据需求定制。同样减振技术也可以使用，最常见的减振技术有：冲击与颗粒阻尼器、增加柔软的机角、粘弹阻尼还有空气压膜阻尼等等[10]。
5结语
内燃机工况而引起的气缸敲击振动，不仅会影响工作效率，长时间下去还会导致零部件磨损，更严重的是造成很大的噪声污染。随着现代化要求不断提升，降低内燃机振动已经形成一个趋势，更多的相关人员参与到其中，寻找最佳的方案，甚至是采用全新的设计。但是随着科学技术的发展，噪声监测装备显得格外重要，可以从理论上采用统计能量分析法建立相应的模型寻找振动原因，以后必将针对相关政策来控制振动和产生的噪声，那么监测振动和噪声工具肯定会得到广泛的应用。
参考文献：
[1]姜晓光，蒋明钰.内燃机过渡工况活塞组-缸套耦合瞬态温度场数值模拟[J].内燃机与配件，2017（6）：37-38.
[2]张世雄，蔡艳平，石林锁，等.内燃机振动时频图像的编码特征提取与诊断[J].机械科学与技术，2018（3）：391-395.
[3]张云路，霍杰鹏，蒋利桥，等.微型内燃机工况下C1-C4烷烃着火延迟数值模拟[J].新能源进展，2016（5）：399-403.
[4]李晓磊，刘建敏，乔新勇，等.柴油机活塞敲击振动影响因素研究[J].机械设计与制造，2013（5）：197-200.
[5]卢浩宇，谷丰收，王铁，等.超声振动对内燃机缸套摩擦润滑状态的影响[J].科学技术与工程，2017（34）：67-72.
[6]张春友，侯莹莹，生兆洲.基于小波变换和Labview的内燃机振动信号处理[J].中国农机化学报，2015（1）：233-237.
[7]刘鲲鹏，白云川，于明奇，等.内燃机滚动轴承典型故障及其振动信号特性分析[J].内燃机与配件，2018（10）：72-74.
[8]牟伟杰，石林锁，蔡艳平，等.基于振动时频图像和D-S证据理论的内燃机故障诊断[J].武汉科技大学学报（自然科学版），2017（3）：223-229.
[9]刘鲲鹏，白云川，李泽华，等.MED在内燃机滚动轴承振动信号处理中的应用[J].内燃机与配件，2018（8）：77-79.
[10]刘明明，黄大伟.内燃机热传递和振动噪声问题研究简述[J].内燃机与配件，2018（3）：56-57.
作者：马野 单位：海军工程大学
