НИЗКОШУМНЫЙ АКУСТИЧЕСКИЙ МОТОРНЫЙ СТЕНД

Низкошумный акустический моторный стенд.
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 стенды, оборудованные различными устройствами и измерительной аппаратурой.
В качестве базового оборудования стенд испытаний ДВС содержит:
-автономный (виброизолированный) фундамент для поглощения вибраций, возникающих из-за действия в двигателе неуравновешенных сил и моментов инерции;
-фундаментную плиту (пазовую) для установки исследуемого ДВС и тормоза;
-стойки для установки и крепления ДВС на фундаментной плите;
-нагрузочный 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 двигатель охлаждаемого смазочного масла, охлаждающей жидкости системы охлаждения ДВС, отвода в атмосферу отработавших и картерных газов двигателя;
-устройства и коммуникации для питания двигателя топливом и воздухом с соответствующими датчиками и приборами для измерения расхода, температуры, давлений воздуха и топлива;
-специальные устройства для регулирования и определения отдельных параметров, влияющих на рабочий процесс и показатели ДВС (угол опережения зажигания, состав смеси, угол опережения начала впрыска);
-системы, обеспечивающие регулирование и управление ДВС в процессе испытаний;
-приборы для контроля работы ДВС и приборы для регистрации 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 техническое решение по исполнению стенда для обкатки и испытания двигателя внутреннего сгорания (патент РФ №2107175, по заявке 96114020), содержащее основание, нагрузочное (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 двигателя 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, стойки, поперечные и продольные направляющие, автономные балки рамы) и, как следствие, интенсивное шумовое излучение от этих элементов в пространство испытательного 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 вентилятором электрической машины нагрузочного устройства.
В связи с перечисленными недостатками, такого типа концепции стендов не нашли применения в практике виброакустических испытаний ДВС, когда требуется свести к минимуму посторонние (помимо исследуемого ДВС) шумовые излучения от приводных механизмов и систем стендового оборудования моторного бокса.
нагрузочные стенды, установленные в специальных акустических (полузаглушенных или безэховых) камерах например, 1, 2,
Известен пример использования полузаглушенной акустической камеры фирмы «Крайслер (США), см. публикацию в Adam Gavine. The American Way. Testing Technology International, November, 2000, p. 28...31, и акустического моторного стенда центрального автополигона ГУП НИЦИАМТ (г. Дмитров, Московской обл.) с жестким звукоотражающим полом, на пазовой плите которого с помощью специальных стоек закреплен исследуемый ДВС, см. ГУП НИЦИАМТ «Акустический центр выполнит:. Автомобильная промышленность, 2000, №11, с.1 В данных примерах тормозные (или приводные - на режимах прокрутки двигателя без реализации в нем рабочего процесса) установки стенда (их 2) находятся по высоте на этом же уровне, но вне помещения акустической камеры и располагаются за стенами камеры в соседнем помещении (помещение машинного зала). Исследуемый ДВС 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 закреплены с помощью специальных стоек к пазовой плите 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 стенах и полу (пазовой плите) камеры в машинное отделение стенда, оборудованное различными технологическими 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 шумовиброактивной). Именно в связи с этим, нижняя зона двигателя представляет для исследователей и доводчиков ДВС наибольший практический интерес и требует выполнения в этой зоне наиболее трудоемких и, повозможности, наиболее точных и объективных исследований. С другой стороны, применение в качестве соединительных приводных элементов, соединяющих коленчатый вал ДВС и вал отбора мощности тормозной машины стенда, длинных карданных валов с опорными подшипниками в корпусах вертикальных стоек, установленных на пазовой плите и непосредственно полу камеры, вызывает проблемы их центровки с коленчатым валом исследуемого ДВС, и, как следствие.
генерирование 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, полу или стенам камеры), что влечет дополнительное искажение регистрируемых шумовых характеристик как исследуемого ДВС, так и излучение «паразитного звука непосредственно защитными кожухами валов стенда, а также и излучение «паразитного звука непосредственно полом (стенами) акустической камеры, вследствие передачи этого вибрационного возбуждения на стены, пол (пазовую плиту) через опорные стойки валов.
В качестве прототипа выбран наиболее прогрессивный метод исследования и регистрации акустической энергии, излучаемой ДВС в стендовых условиях, с использованием концепции акустического моторного стенда, описанного в публикации Peter Gutzmer und Reimer Pilgrim, Motorakustische Versuchs-und Meptechnik bei Porsche. MTZ, Motortechnische Zeitschrift, 48 (1987), 2, 47...50., применяемого в исследовательском центре фирмы «Порше (ФРГ). В данном случае он предусматривает применение тормозного (нагрузочного) стенда, установленного по центру камеры внизу под поверхностью пола полностью заглушенной безэховой акустической камеры. Передача крутящего (тормозного) момента осуществляется при этом бесконечной гибкой связью - гладкоременной передачей. В этом случае, пол в составе акустической камеры выполнен полностью виброизолированным от автономного фундамента, на котором установлен приводной (тормозной) стенд, а их поверхности (пола, стен, потолка) покрыты эффективным шумопоглощающим материалом (специальными шумопоглощающими клиньями). Корпус ДВС, как объект исследования, в этом случае располагается вблизи геометрического центра воздушного пространства камеры, т.е. в зоне наиболее удаленной от звукоотражающих поверхностей (с «наилучшей акустикой). Нижняя зона исследуемого ДВС в этом случае не находится вблизи звукоотражающей поверхности пола, как это имело место при использовании акустической камеры фирмы «Крайслер или акустического моторного стенда центрального автополигона ГУП НИЦИАМТ, что позволяет проводить качественные, объективные измерения параметров акустического поля исследуемого ДВС. Таким образом, конструкция акустического моторного стенда фирмы «Порше является наиболее совершенной, что определяет ее выбор в качестве прототипа.
смонтирована несущая рама квадратного сечения, а нижние концы стоек жестко закреплены в бетонном виброизолированном полу помещения акустического моторного бокса. Недостатком данной пространственной схемы несущего силового каркаса акустического моторного стенда является высокая вибровозбудимость и вибропроводность его металлической структуры, что приводит к добротной передаче (циркуляции потоков) по ней вибрационной энергии, излучению паразитного шума как непосредственно каркасом, так и присоединенными к нему навесными элементами (вспомогательными агрегатами технологического оборудования), дополнительного к исследуемому шумовому излучению ДВС, что ведет к снижению точности измерений шума, излучаемого объектом испытаний (ДВС), и достоверности исследовательских работ. Вибрация, генерируемая элементами привода (тормоза) стенда, передается непосредственно на несущий силовой каркас (раму, вертикальные несущие стойки) преимущественно твердым путем опорными связями и присоединительными элементами. В первую очередь, вибрация передается через жестко закрепленный на раме корпус верхнего блока подшипников (требование жесткого закрепления верхнего опорного подшипника и корпуса привода необходимо для обеспечения вьюокоточной центровки верхнего и нижнего валов ременного привода и обеспечения постоянства значения усилия натяжения ремня во всем скоростном диапазоне работы привода стенда) и через поддерживающую стойку (опору) защитного кожуха соединительного вала между ДВС и верхним валом опорного подшипника. Такая пространственная металлическая структура каркаса является достаточно легко возбудимой от динамических воздействий, генерируемых приводными (тормозными) агрегатами стенда. Наиболее опасным является резонансное возбуждение отдельных элементов конструкций каркаса (стоек, балок рамы). Спектр их собственных частот является достаточно «густым из-за реализации многочисленных изгибных резонансов элементов каркаса при их совпадении с частотами возбуждения привода стенда), а излучаемый структурный шум силового каркаса становится широкополосным. Недостатком конструкции несущего пространственного силового каркаса акустического моторного стенда также является большая площадь звукоотражения внешних поверхностей составных элементов конструкции каркаса, что приводит к возникновению дополнительных звукоотражающих эффектов, искажающих реальное (свободное) звуковое поле вокруг исследуемого объекта (ДВС).
Сущность предлагаемой полезной модели заключается в том, что в известном акустическом моторном стенде, содержащим несущую раму, на которой виброизолированно установлен исследуемый ДВС, смонтированную на низкощумном, виброизолированном от пола и несущей оболочки акустической камеры силовом каркасе, выполненном в виде вертикальных стоек. Между стойками установлены диагональные растяжки. Несущая рама, вертикальные стойки и диагональные растяжки несущего силового каркаса выполнены из полых, с замкнутыми торцами профилей. При этом полости профилей заполнены эффективным сыпучим и/или пенистым вибродемпфирующим веществом, крепление диагональных растяжек в зоне их взаимного пересечения выполнено встык, замыкающие элементы торцев профилей, в стыках соединений диагональных растяжек с вертикальными стойками силового каркаса выполнены в виде заглушек из листовой стали, имеющих полусферическую форму, наружные поверхности элементов каркаса футеруются снаружи эффективным звукопоглощающим материалом, внешняя поверхность которого облицована звукопрозрачной стекловолоконной тканью или тонкой защитной, термостойкой, влагогазонепроницаемой звукопрозрачной фольгой.
Устройство полезной модели поясняется графически.
На фиг. 1 представлена полностью заглущенная безэховая акустическая камера 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 здания (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, стен 6 и потолка 12 камеры 1 покрыта специальными шумопоглощающими клиньями или 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 18, закрытый защитным кожухом 19. Область вращения приводного ремня 16 закрыта защитным кожухом 17. Объект испытаний - ДВС 20 монтируется на вертикальных стойках 21 с применением штатных виброопор системы крепления ДВС на стенде. Продольные балки 22 системы крепления ДВС, стойки 23 защитного кожуха 19, корпус 24 верхнего опорного подшипникового узла смонтированы на низкошумном несущем
силовом каркасе 25. Пол испытательной камеры 1 представляет собой звукопрозрачные решетки 26, изолированные от рамы 27 несущего силового каркаса 25. Воздушная полость камеры 1 вентилируется высокопроизводительной приточной 28 и вытяжной 29 вентиляцией.
На фиг. 2, 3, 4 представлена конструкция предлагаемого низкошумного несущего силового каркаса 25 акустического моторного стенда в виде шести вертикальных, замкнутого, с пустотелым сечением, профиля стоек 30, установленных между ними «стык-встык, диагональных растяжек 31 замкнутого профиля с пустотелым сечением. Организация замкнутого (пустотелого) профиля стоек 30 и растяжек 31 (например, применением труб 32 или металлических коробов квадратного или круглого сечения) позволяет впоследствие заполнить внутреннее пространство этих профилей эффеетивным сыпучим, пенистым или другим вибродемпфирующим веществом 33 (например, кварцевым песком, бетоном, интегральной пеной, свинцовой или чугунной дробью, или сочетанием в смеси этих веществ в заданных пропорциях), что обеспечивает требуемый высокий шумовибродемпфирующий эффект. Замкнутая полость полой несущей рамы 27 также должна быть заполнена виброшумодемпфирующим веществом 33. Крепление диагональных растяжек 31, выполненное «стык-встык, обеспечивает большую опорную площадь сопрягаемых поверхностей элементов и повышенную жесткость конструкции каркаса 25 в целом, устраняя появление низкочастотных изгибных резонансов. В случае применения трубчатых диагональных растяжек, заглушки 34, закрывающие трубчатые элементы 32 после заполнения, например, сыпучим вибродемпфирующим веществом, выполняются полусферической формы - что обеспечивает плотное прилегание и жесткое соединение сопрягаемых стыкуемых поверхностей элементов каркаса 25. Места стыковки трубчатых элементов 32 каркаса 25 в виде неразъемных соединений обеспечиваются применением сварочных швов. Для ослабления возникновения дополнительных звукоотражающих эффектов и, как следствие, искажения исследуемого звукового поля испытуемого объекта (ДВС) 20 в пространстве акустической безэховой камеры 1, все внешние поверхности элементов каркаса 25 (стоек 30 и растяжек 31) футеруются извне эффективным звукопоглощающим материалом 35, внешняя поверхность которого облицована звукопрозрачной стекловолоконной тканью или тонкой защитной, термостойкой, влагогазонепроницаемой звукопрозрачной фольгой 36.
использование с передней стороны каркаса 25 (со стороны консольно выступающей рамы 27) диагональных трубчатых растяжек 37 увеличенного диаметра (не менее диаметра вертикальных стоек), что позволит, при необходимости, существенно повысить изгибную жесткость элементов конструкции в целом и дополнительно снизить излучаемый каркасом 25 структурный шум в области низких частот скоростей вращения вала приводной (тормозной) машины 3 стенда (исключить появление низкочастотных резонансов каркаса из-за возможного совпадения вынужденных частот возбуждения стенда рабочими процессами, реализуемыми как непосредственно приводом стенда, так и исследуемым объектом - ДВС, с собственными частотами отдельных элементов силового каркаса).
Практическая реализация предлагаемой конструкции позволит повысить точность и объективность результатов стендовых виброакустических испытаний