СТЕНД ДЛЯ АКУСТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Стенд для акустических исследований двигателей внутреннего сгорания.
Полезная модель относится к контрольно-диагностическому оборудованию, в частности, к испытательному стенду для проведения виброакустических стендовых испытаний двигателей внутреннего сгорания (далее-ДВС).
Для определения основных технических показателей ДВС используют специальные испытательные сгенды, оборудованные различными устройствами и измерительной аппаратурой.
В качестве базового оборудования стенд испьпаний ДВС, как правило, содержит:
автономный (виброизолированный) фундамент для поглощения вибраций, возникающих из-за действия в ДВС неуравновешенных сил и моментов инерции;
фундаментную плиту (пазовую) для установки исследуемого ДВС и тормоза;
стойки для установки и крепления ДВС на фундаментной плите; нафузочный тормоз (гидравлический, электрический) для поглощения развиваемой ДВС мощности с устройством измерения крутящего момента на валу двигателя (тормоза);
вал и специальные муфты для соединения коленвала ДВС с валом тормоза;
устройства и коммуникации для подачи в ДВС охлаждаемого смазочного масла, охлаждающей жидкости системы охлаждения ДВС, отвода в атмосферу отработавших и картерных газов ДВС;
устройства и коммуникации для питания ДВС топливом и воздухом с соответствующими датчиками и приборами для измерения расхода, температуры, давлений воздуха и топлива;
МПК G01M17/00
две (угол опережения зажигания, состав смеси, угол опережения начала впрыска);
системы, обеспечивающие регулирование и управление ДВС в процессе испытаний;
пульт с размещенными на нем органами пуска и управления ДВС;
приборы для контроля работы ДВС и приборы для ретстрации замеряемых величин;
дополнительные устройства и приборы, предназначенные для
специальных исследований с целью определения отдельных
параметров ДВС (токсичности, дымности, шума, вибраций, тепловой
напряженности, деформаций отдельных деталей и т.п.).
Известно, в частности, техническое решение по исполнению стенда для
обкатки и испьп-ания ДВС патент РФ №2107175, содержащее основание,
нафузочное (тормозное) и соединительные устройства. На основании
закреплены продольные направляющие, на которых установлена рама,
выполненная в виде автономных балок. Балки установлены с возможностью
перемещения по продольным направляющим и фиксирования относительно них.
На балках закреплены поперечные направляющие, на которых установлены
стойки с возможностью перемещения по ним и фиксирования. На стойках
закреплены ложементы для размещения ДВС с возможностью перемещения и
фиксирования в избранном направлении.
Недостатками данного технического решения являются:
жесткая передача вибровозбуждения от исследуемого работающего ДВС на присоединительные металлические элементы основания и соединительные устройства стенда (ложементы, сгойки, поперечные и продольные направляющие, автономные балки рамы) и, как следствие, интенсивное шумовое излучение от этих элементов в пространство испьггательного помещения (моторного бокса);
жесткая и интенсивная передача возбуждения от работающего нагрузочного (тормозного) устройства (электрическая машина) на металлические элементы основания и соединительные устройства стенда (ложементы, стойки, поперечные и продольные направляющие, автономные балки рамы);
излучение воздушного шума в пространство испытательного помещения моторного бокса непосредственно корпусом и вентил5ттором электрической машины нафузочного устройства;
В связи с перечисленными недостатками, такого типа концепции стендов не нашли широкого применения в практике виброакустических испьпаний ДВС, в первую очередь из-за того, что практически невозможно в этом случае свести к минимуму посторонние (помимо исследуемого ДВС) «паразитные шумовые излучения от приводных механизмов и систем стендового оборудования моторного бокса.
Для проведения качественных объективных стендовых виброакустических исследовательских и доводочных работ на ДВС нашли широкое применение специализированные низкошумные нафузочные стенды, установленные в специальных акустических (полузаглушенных или безэховых) камерах см., например, 1, 2, 3,
1 Adam Gavine. The American Way. Testing Technology International, November, 2000, p. 28...31;
2 ГУП НИЦИАМТ «Акустический центр выполнит:. Автомобильная промышленность, 2000, №11, 1.
3 Peter Gutzmer und Reimer Pilgrim. Motorakustische Versuchs-und Мер technik bei Porsche. MTZ, Motortechnische Zeitschrift, 48 (1987), 2, 47...50.
4 Peter Brandstatt, Helmut V. Fuchs, and Manfred Roller. Novel silencers and absorbers for wind tunnels and acoustic test cells. Noise Control Eng. J. 50 (2). 2002 Mar-Apr, p. 46-47.
В частности, в 1 приведен пример использования моторного стенда, размещенного в полузаглушенной акустической камере фирмы «Крайслер (США), в 2 - акустический моторный стенд центрального автополигона ГУП НИЦИАМТ (г. Дмитров, Московской обл.). В приведенных примерах отмечено использование полубезэховых акустических камер с жестким звукоотражающим полом, на пазовой плите которого с помощью специальных стоек закреплен исследуемый ДВС. Тормозные (или приводные - на режимах профутки ДВС без реализации в нем рабочего процесса) установки стенда (их 2) находятся на этом же уровне (что и исследуемый объект) вне помещения акустической камеры и располагаются за стенами камеры в соседнем помещении (помещение машинного зала). Исследуемый ДВС (его коленчатый вал) с тормозной балансирной машиной соединяется с помощью специальных приводных валов (валов отбора мощности), обеспечивающих передачу крутящего или тормозного момента между ними. Концевые участки приводных валов, находящиеся в пространстве акустической камеры, закреплены с помощью специальных стоек как к пазовой плите, так и непосредственно поверхности пола камеры. Трубопроводы и различные коммуникационные элементы систем питания, охлаждения, отвода выхлопных газов выводятся из пространства акустической камеры через специальные звукоизолированные проемы в полу (пазовой плите) и/или стене камеры в машинное отделение стенда, оборудованное различными технолоп/1ческими системами и агрегатами обеспечения функционирования стенда. Недостатками используемой концепции акустического моторного стенда является применение камеры с жестким звукоотражающим полом, искажающим реальное звуковое поле исследуемого ДВС (в особенности, - излучение звука нижней частью ДВС, находящейся в непосредственной близости от звукоотражающей поверхности пола, которая, как правило, у всех поршневых ДВС является наиболее шумовиброакгивной). Именно в связи с этим, нижняя зона ДВС представляет для исследователей и доводчиков ДВС, как правило, наибольший практический интерес и требует выполнения в этой зоне наиболее трудоемких и, по-возможности, наиболее точных и объективных исследований. С другой стороны, применение в качестве приводных элементов, соединяющих коленчатый вал ДВС и вал отбора мощности тормозной машины стенда, длинных валов с опорными подшипниками в вертикальных стойках, установленных на пазовой плите и непосредственно полу камеры, вызывает проблемы их центровки с коленчатым валом исследуемого ДВС, а также такая динамическая система является нежесткой с соответствующими низкочастотными изгибными резонансами приводной линии, что, как следствие, ведет к генерированию интенсивных вибросил на частотах и порядковых гармониках их вращения, передаваемых через опорные связи как непосредственно исследуемому ДВС, вызывая его дополнительное шумоизлучение, так и некоторым присоединенным структурам акустической камеры (например, плите или полу камеры), что влечет дополнительное искажение регистрируемых шумовых характеристик как исследуемого ДВС, так и регистрируется излучение «паразитного звука, генерируемого непосредственно валами и защитными кожухами валов стенда, а также и излучение «паразитного звука, производимое непосредственно полом JiBb, ч акустической камеры, вследствие передачи этого вибрационного возбуждения на пол (пазовую плиту) через опорные стойки валов. Более прогрессивным и объективным методом исследования и регистрации акустической энергии, излучаемой ДВС в стендовых условиях, является использование концепций акустических моторных стендов, описанных в публикациях 3 и 4, применяемых в исследовательских центрах фирмы «Порше и «BMW (ФРГ). В первом варианте (моторный стенд фирмы «Порше) предусматривается применение тормозного (нагрузочного) стенда, установленного по центру камеры, внизу под поверхностью пола полностью заглушенной безэховой акустической камеры. Передача крутящего (тормозного) момента осуществляется бесконечной гибкой связью - гладкоременной передачей. Пол акустической камеры выполнен попностью виброизолированным от автономного фундамента, виброизолированного от пола здания, на котором установлен приводной (тормозной) стенд, а его поверхность (пол камеры) покрыта эффективным шумопоглощающим материалом (специальными шумопоглощающими клиньями). Во втором варианте (моторный стенд фирмы «BMW), тормозная (приводная) установка стенда находится на уровне объекта испьп-аний (оси валов коленвапа и вала тормозной установки совмещены) вне помещения акустической камеры и располагается за стенами камеры в отдельном помещении машинного зала. Исследуемый ДВС с тормозной балансирной машиной соединяется с помощью специальных приводных валов (валов отбора мощности). И в том и другом случае, корпус ДВС, как объект исследования, располагается вблизи геометрического центра воздушного пространства камеры, т.е. в зоне наиболее удаленной от поверхностей стен, потолка и пола камеры (с «наилучшей акустикой). Нижняя зона исследуемого ДВС не находится вблизи звукоотражающей поверхности пола, как это имело место в 1 и 2, а является открьггой для качественных, объективных измерений параметров акустического поля исследуемого ДВС. В это же время, в этих известных конструкциях (3, 4), акустических моторных стендов используются различные крупногабаритные корпуса измерительных устройств для обеспечения функционирования стенда, например, для олределения расхода топлива (расходомеры топлива), электробензонасос подачи топлива, технолотческая резервная емкость подачи топлива, располагающиеся непосредственно в пространстве акустической камеры. Как известно, внешние поверхности корпусов
расходомера топлива и резервной емкости подачи топлива являются металлическими и способствуют возникновению звукоотражающих эффектов, искажающих реальное звуковое поле, излучаемое исследуемым объектом - ДВС в точках расположения измерительных микрофонов. Звуковые волны, излучаемые ДВС, дополнительно отражаются в этом случае от жестких металлических поверхностей расходомера топлива и резервной емкости подачи топлива, попадая в пространство измерительной зоны вокруг исследуемого объекта испытаний, с установленными в нем измерительными микрофонами, что непосредственным образом оказывает отрицательное влияние на точность и объективность исследовательских и доводочных работ. Кроме этого, работающий электробензонасос магистрали подачи топлива к исследуемому ДВС, излучает в зону измерений дополнительный шум, ухудшающий процесс объективных измерений корпусного шума исследуемого ДВС.
Обозначенные выше недостатки исследовательских моторных стендов частично решены в конструкции акустического моторного стенда, представленного в свидетельстве Российской Федерации на полезную модель №29778, МПК7 G01M 17/00, публ. 27.05.2003, БИ № 15, принимаемого в качестве ПРОТОТИПА.
Данный моторный стенд содержит установленный на опорных стойках в зоне расположения расходомера топлива и электробензонасоса двухсторонний шумопоглощающий экран плоской прямоугольной формы, выполненный в виде многослойной панели, состоящей из несущего перфорированного металлического листа и слоев самоклеющегося звукопоглощающего пористого волокнистого или открытоячеистого пенистого материала с внешним защитным звукопрозрачным слоем. Установка экрана позволяет ослабить эффект отражения звуковых волн, излучаемых работающим исследуемым ДВС, от внешней металлической поверхности расходомера топлива, корпуса электробензонасоса подачи топлива, технологической резервной емкости подачи топлива. Недостатками известной конструкции шумоглощающего экрана, входящего в состав акустического моторного стенда, является его плоская прямоугольная форма, что ухудшает приближение акустических свойств безэховой камеры к свободному звуковому полю, а также жесткое невиброизолированное крепление экрана к опорным стойкам. Для улучшения акустических свойств безэховой камеры целесообразно обеспечить более качественное согласование акустических импедансов
воздушной среды пространства камеры и пористой среды звукопоглощающего материала, ослабляющее процесс отражения звуковых волн в пространстве безэховой камеры. С этой целью является предпочтительней клиновая конструкция звукопоглощающего экрана, с направлением вершины звукопоглощающего клина в сторону источника излучения звуковых волн (исследуемого ДВС), как обеспечивающая за счет конструкции пористого звукопоглощающего клина более плавное согласование акустических импедансов сред распространения звуковых волн (воздушного пространства камеры и клинового пористого звукопоглощающего слоя экрана). Кроме этого, упомянутый шумопоглощающий экран содержит массивные металлические стойки, поверхность которых также является звукоотражающей, а крепление невиброизолированное. Вышеперечисленные недостатки акустического моторного стенда отрицательно влияют на точность и объективность результатов качественных акустических стендовых исследований ДВС.
Предлагаемое техническое решение позволяет устранить обозначенные выше недостатки.
Сущность полезной модели заключается в том, что в известном стенде для акустических исследований ДВС, содержащем, в Частности, установленные в безэховой испытательной камере измерительные устройства и технологические емкости, в зоне расположения которых установлен двухсторонний шумопоглощающий экран клиновидной формы с направлением вершины экрана (клина) в сторону источника излучения звуковых волн (исследуемого ДВС), выполненный в виде многослойной панели, структура которой включает комбинацию плотно взаимноприлегающих слоев несущего перфорированного металлического листа и двух слоев самоклеющегося высокоэффективного звукопоглощающего пористого волокнистого или открытоячеистого пенистого материала с внешним защитным звукопрозрачным слоем, располагаемых по обе стороны несущего перфорированного листа. Панель шумопоглощающего экрана с внутренней стороны содержит специальные кронштейны, выполняющие функцию усилителей жесткости конструкции экрана, и посредством которых экран монтируется на штатные крепёжные стойки закрываемых экраном звукоотражающих корпусов технологических топливных емкостей, измерительных устройств акустического моторного стенда. Крепление кронил-ейнов к стойкам выполнено виброизолировано с использованием упругих, в частности, резиновых вибродемпфирующих прокладок. При этом, звукопоглощающий эфан имеет возможность регулировки высоты его расположения в пространстве безэховой испытательной камеры. Сущность полезной модели иллюстрируется на чертежах. На фиг. 1 представлена полностью заглушенная безэховая акустическая камера, в которой установлен, заявляемый в качестве полезной модели, стенд для акустических исследований ДВС. На фиг. 2, 3 представлен фрагмент конструкции предлагаемого стенда для акустических исследований ДВС, содержащий двухсторонний шумопоглощающий экран клиновидной формы. Полезная модель, изображенная на фиг. 1, представляет собой моторный стенд, смонтированный в безэховой акустической камере 1, с установленной внизу под поверхностью пола 2 приводной (тормозной) балансирной асинхронной (или постоянного тока) машины 3 на виброизолированном специальными пружинами 4 автономном фундаменте 5. Внутренняя бетонная оболочка 6 камеры 1 установлена по периметру пола 7 на специальных пружинах 8, и полностью изолирована от внешней бетонной оболочки 9 (принцип строительства «камера в камере). Пол 10 акустической камеры 1 виброшумоизолирован от фундамента 5, на котором установлена балансирная асинхронная машина 3, резиновыми уплотнениями 11. Поверхность пола 10, 2, стен 6 и потолка 12 камеры 1 покрыта специальными шумопоглощающими клиньями (кулисами) 13. Балансирная асинхронная машина 3 передает крутящий (тормозной) момент через нижний вал 14, установленный в корпусе 15 нижнего опорного подшипникового узла, приводной ремень 16, верхний вал 17, закрытый защитным кожухом 18. Область вращения приводного ремня 16 закрыта защитным кожухом 19. Объект испытаний - ДВС 20 монтируется через специальные упругие резинометаллические опоры 21 и усиленные кронштейны 22 на вертикальных стойках 23, имеющих возможность перемещаться по поперечным направляющим 24 и фиксироваться в необходимом положении. Поперечные направляющие 24, в свою очередь, могут свободно перемещаться при выполнении монтажных работ, и фиксироваться вдоль продольных направляющих 25. Продольные направляющие балки 25 устройства крепления ДВС на стенде, стойки 26 защитного кожуха 18, корпус 27 верхнего опорного подшипникового узла смонтированы на несущем силовом каркасе 28. Пол испьп-ательной камеры 1 представляет собой звуколрозрачные ч решетки 29, изолированные от рамы 30 несущего силового каркаса 28. Воздушная полость камеры 1 вентилируется высокопроизводительной приточной 31 и вытяжной 32 вентиляцией. В пространстве акустической камеры установлен расходомер топлива 33 с вмонтированным в магистраль топливоподачи элекгробензонасосом 34. На специальной металлической стойке 35 установлена технолотческая резервная емкость подачи топлива 36. На стойке технолотческой емкости виброизолировано смонтирован регулируемый по высоте расположения двухсгоронний звукопоглощающий эфан клиновидной формы 37, позволяющий ослабить эффект отражения звуковых волн, излучаемых работающим ДВС, от внешней металлической поверхности технологической емкости 36, металлической стойки 35 и расходомера топлива 33. Сущность полезной модели поясняется графически. На фиг. 2 представлен фрагмент конструкции заявляемого стенда для акустических исследований ДВС, содержащий двухсторонний шумопоглощающий экран клиновидной формы 37, несущий каркас которого выполнен из перфорированного металлического листа 38, который с двух сторон футерован звукопоглощающими панелями 39, выполненными из самоклеющегося звукопоглощающего пористого волокнистого или открьггоячеистого вспененного материала с внешним защитным звукопрозрачным слоем 40 (например, звукопроницаемым, негорючим, влагостойким, стекпотканевым полотном или тонкой, защитной, термостойкой, влагогазонепроницаемой звукопрозрачной фольгой). Сама перфорированная структура металлического листа 38 является слабовозбудимой для излучения звука вследствие образования условий для короткого акустического замыкания через отверстия перфорации, а также вследствие виброизоляции структуры экрана упруго-демпфирующими прокладками 45, а сдругой стороны - позволяет звуковым волнам через перфорированные отверстия проникать в зону пористых слоев звукопоглощающих панелей 39, тем самым существенно ослабляя влияние отраженного звукового поля, формируемого со стороны исследуемого источника излучения - установленного в испьпательной камере ДВС. Выполнение двухстороннего звукопоглощающего экрана в виде клиновидной формы с направлением вершины экрана (клина) в сторону источника излучения звука (работающего ДВС), позволяет обеспечить более плавное согласование акустических импедансов воздушной среды камеры и структуры пористого
поглощающего слоя материала и, таким образом, минимизировать влияние струюуры звукопоглощающего экрана на акустические свойства безэховой испытательной камеры, приблизив их к условиям свободного звукового поля. Еще одной характерной особенностью предлагаемого звукопоглощающего экрана является отсутствие дополнительных опорных стоек звукопоглощающего экрана. Установка экрана производится на штатных крепежных стойках измерительных приборов, технологических топливных емкостей, ограждающих элементах моторного стенда и т.д., с помощью специальных кронштейнов 41 и 42 (применение крепежных кроштейнов возможно из профилей типа стального уголка, прямоугольной трубки и т.д.), прижимной пластины 43 и крепежных болтов 44. Крепление кронштейнов к стойке выполнено виброизолировано с использованием упругих вибродемпфирующих прокладок 45, ослабляющих передачу на экран структурного вибрационного возбуждения несущих элементов экранного клина. В местах стыковки между собой, кронштейны 41 и 42 соединены сварочным швом и, кроме монтажной функции, выполняют функцию усилителей жесткости каркаса звукопоглощающего экрана. Такой способ установки звукопоглощающего экрана позволяет выполнять регулировку расположения экрана по высоте, что актуально при установке в пространстве безэховой камеры корпусов дополнительных измерительных и технологических устройств моторного стенда, проведении сервисного обслуживания оборудования и т.п.
Практическая реализация заявляемой конструкции стенда для акустических исследований ДВС позволяет эффективно ослаблять дополнительные искажения звукового поля, формируемого непосредственно исследуемым объектом - ДВС, вследствие ослабления негативных звукоотражающих эффектов от внешних поверхностей корпусов измерительных приборов и корпусов технологических топливных емкостей путем ослабления звукоотражающего влияния самой структуры звукопоглощающего экрана на акустические свойства безэховой испытательной камеры, приблизив условия распространения звука в измерительных точках пространства безэховой камеры к условиям свободного звукового поля, вследствие применения клиновидной виброизолированной конструкции звукопоглощающего экрана, охватывающей зону расположения корпусов измерительных приборов, технологических топливных емкостей и т.п.
10