НИЗКОШУМНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ 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 двигателей внутреннего сгорания (далее - 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;
- пульт с размещенными на нем органами пуска и управления ДВС;
- приборы для контроля работы двигателя 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;
- излучение структурного и воздушного шума вибрирующими элементами соединительного приводного вала и ограждающего кожуха между исследуемым ДВС и тормозным агрегатом;
- большая звукоотражающая поверхность ограждающего защитного кожуха приводного соединительного вала, искажающая условия свободного звукового поля в измерительных точках вокруг исследуемого ДВС.
В связи с перечисленными недостатками, такого типа концепции стендов не нашли применения в практике виброакустических испытаний ДВС, в первую очередь из-за того, что практически невозможно свести к достаточному минимуму посторонние (помимо исследуемого ДВС) шумовые излучения от приводных механизмов и систем стендового оборудования моторного бокса.
Для проведения стендовых виброакустических исследовательских и доводочных работ на ДВС нашли широкое применение специализированные нагрузочные стенды, установленные в специальных акустических (полузаглушенных или безэховых) камерах [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.
В частности, в [1] приведен пример использования полузаглушенной акустической камеры фирмы «Крайслер» (США), в [2] - акустический моторный стенд центрального автополигона ГУП НИЦИАМТ (г.Дмитров, Московской обл.) с жестким звукоотражающим полом, на пазовой плите которого с помощью специальных стоек закреплен исследуемый ДВС. Тормозные (или приводные - на режимах прокрутки двигателя без реализации в нем рабочего процесса) установки стенда (их 2) находятся на этом же уровне 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 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, по-возможности, 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 вертикальных стойках, установленных на пазовой плите и непосредственно полу камеры, вызывает проблемы их центровки с коленчатым валом исследуемого ДВС, и, как следствие, - генерирование 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, полу 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 дополнительного «паразитного» звука непосредственно полом акустической камеры, вследствие передачи этого вибрационного возбуждения на пол (пазовую плиту) через опорные стойки валов. Как и в случае известного технического решения по патенту РФ №2107175, в противопоставленных в публикациях [1] и [2] не решены проблемы ослабления звукоотражающих эффектов от поверхностей кожухов, ограждающих вращающиеся приводные валы, соединяющие коленвал исследуемого ДВС и тормозную машину.
Более прогрессивным методом исследования и регистрации акустической энергии, излучаемой ДВС в стендовых условиях, является использование концепции акустического моторного стенда, описанного в публикации [З], 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 акустической камеры выполнен полностью виброизолированным от автономного фундамента, на котором установлен приводной (тормозной) стенд, а его поверхность (пола) покрыта эффективным шумопоглощающим материалом (специальными шумопоглощающими клиньями). Корпус двигателя, 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 не находится вблизи звукоотражающей поверхности пола, как это имело место в [1] и [2], и является открытой для качественных, объективных измерений параметров акустического поля исследуемого ДВС. Недостатками данной конструкции акустического моторного стенда с ременным приводом [3] являются:
- высокая виброакустическая возбудимость конструкции на резонансных частотах колебаний стенок защитного кожуха приводного вала, соединяющего коленвал исследуемого ДВС и вал тормозного стенда;
- слабая звукоизолирующая способность тонкостенной металлической структуры стенок защитного кожуха приводного вала, что приводит к переизлучению в пространство камеры шума, генерируемого вращающимся валом;
- большая площадь внешней звукоотражающей поверхности стенок защитного кожуха приводного вала, создающая существенный звукоотражающий эффект в контрольных измерительных точках, располагаемых вокруг исследуемого ДВС.
Известен исследовательский моторный стенд, конструкция которого представлена в свидетельстве Российской Федерации на полезную модель №22553, МПК G 01 M 17/00, публ. 10.04.2002, БИ №10, принимаемый в качестве ПРОТОТИПА. Конструкция данного моторного стенда так же, как и акустического моторного стенда ф.«Порше», содержит безэховую камеру, бетонная оболочка которой виброизолирована от основного здания, машинное отделение, расположенное в отдельном подвальном помещении, тормозную (в данном конкретном примере - балансирную асинхронную машину) установку, установленную на виброизолированном фундаменте, гладкоременную передачу
крутящего (тормозного) момента. Защитный звукоизолирующий кожух ограждения привода, кинематически связывающего приводной вал ДВС с приводным валом балансирной асинхронной машины, выполнен в виде многослойной структуры, включающей несущую металлическую оболочку кожуха, внутренний слой из звукопоглощающего материала, слой вибродемпфирующего материала и внешний звукопоглощающий слой. Недостатком конструкции известного моторного стенда является недостаточная степень звукопоглощения структурой стенок защитного кожуха приводного вала «паразитного» фонового шума, излучаемого вращающимся приводным валом, опорными подшипниками, ременной передачей - ввиду содержания в структуре кожуха жестких звукоотражающих слоев (металлический лист, вибродемпфирующий материал) и недостаточной толщины звукопоглощающих панелей из-за ограниченного внутреннего пространства кожуха и особенностей компоновочных решений акустического моторного стенда, характеризующихся нежелательным увеличением габаритных размеров составных элементов стенда, находящихся в пространстве безэховой испытательной камеры, сокращающих «полезный объем» пространства измерительной зоны камеры. Кроме этого, степень демпфирования колебаний листовой металлической оболочки защитного кожуха вибродемпфирующим битумным материалом зависит от частотного диапазона колебаний стенок кожуха, температурного режима в моторном боксе (температуры стенок кожуха), срока эксплуатации стенда, так как коэффициент потерь вибродемпфирующего материала в существенной степени изменяется в зависимости от его температуры (как правило, уменьшается как при повышении температуры, так и при понижении температуры относительно оптимальной для максимального демпфирования) и срока службы (старение материала с потерей вибродемпфирующих свойств).
Предлагаемое техническое решение позволяет устранить обозначенные выше недостатки.
Сущность полезной модели заключается в том, что в известном низкошумном исследовательском моторном стенде, содержащем, в частности, защитный звукоизолирующий кожух ограждения привода, кинематически связывающего приводной вал ДВС с приводным валом балансирной асинхронной машины, защитный звукоизолирующий кожух выполнен в виде сквозной пористой структуры стенок двухстороннего звукопоглощающего кожуха с образованием объемного звукопоглотителя, образуемого оболочкой кожуха и воздушной полостью, заключенной внутри оболочки; структура оболочки кожуха содержит несущий
металлический сетчатый каркас в виде закладной несущей арматуры, футерованный с обеих сторон звукопоглощающими панелями из пористого, волокнистого или открытоячеистого пенистого материала с внешним защитным звукопрозрачным слоем; концевая часть арматуры каркаса жестко соединена с металлическим угловым профилем для возможности монтажа несущего каркаса на опорном металлическом основании; торцы кожуха ограничены крышками с центральным отверстием, при этом крышки выполнены из перфорированного металлического листа, футерованного с обеих сторон звукопоглощающими панелями, внешние поверхности которых облицованы защитным звукопрозрачным слоем.
Сущность полезной модели иллюстрируется на чертежах. На фиг.1 представлена полностью заглушенная безэховая акустическая камера 1, в которой установлен заявляемый в качестве полезной модели низкошумный исследовательский моторный стенд.
Полезная модель, изображенная на фиг.1 представляет собой низкошумный исследовательский моторный стенд смонтированный в полностью заглушенной безэховой акустической камере 1, с установленной внизу под поверхностью пола 2 приводной (тормозной) балансирной асинхронной (или постоянного тока) машиной 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. Поверхности пола 10, стен 6 и потолка 12 камеры 1 покрыты 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 двухсторонним звукопоглощающим кожухом 19. Область вращения приводного ремня 16 закрыта защитным кожухом 17. Объект испытаний - ДВС 20 монтируется на вертикальных стойках 21 системы крепления ДВС на стенде. Продольные балки 22 системы крепления ДВС, корпус 23 верхнего опорного подшипникового узла смонтированы на несущем силовом каркасе 24. Пол испытательной камеры 1 представляет собой звукопрозрачные решетки 25, виброизолированные от рамы 26
несущего силового каркаса 24. Воздушная полость камеры 1 вентилируется высокопроизводительной приточной 27 и вытяжной 28 вентиляцией.
На фиг.2, 3, 4, 5 представлена конструкция защитного двухстороннего звукопоглощающего кожуха 19 приводного вала 18.
На фиг.6 представлена конструкция несущего металлического сетчатого каркаса защитного двухстороннего звукопоглощающего кожуха.
На фиг.7 представлена схема механического привода акустического моторного стенда, поясняющая динамику возникновения структурных вибраций и излучения звука стенками защитного кожуха.
Защитный звукоизолирующий кожух 19 выполнен в виде двухстороннего звукопоглощающего кожуха с образованием объемного звукопоглотителя, образуемого оболочкой кожуха и воздушной полостью, заключенной внутри оболочки. Структура оболочки кожуха 19 содержит несущий металлический сетчатый каркас 29 в виде закладной несущей арматуры 30 (см. фиг.3, 6). Каркас 29 футерован с обеих сторон звукопоглощающими панелями, выполненными из самоклеющегося звукопоглощающего пористого волокнистого или открытоячеистого пенистого материала 31 с внешним защитным звукопрозрачным слоем 32. Защитный звукопрозрачный слой 32 изготавливается преимущественно из моющегося, огнестойкого, влаго-масло-бензостойкого материала, типа полиэстеровой пленки, не впитывающего указанные вещества внутрь пористой структуры звукопоглощающего материала, легко подвергающегося очистке пылесосом или влажной очистке. Конструктивное исполнение несущего Каракаса защитного кожуха в виде сетчатой структуры позволяет существенно снизить его шумовое излучение от динамического (вибрационного) возбуждения, генерируемого элементами привода (тормоза) стенда (ремнем 16, валом 33, опорными подшипниками 34) и передаваемого через корпус 23 верхнего опорного подшипникового узла и опорное металлическое основание кожуха 35. Стенки кожуха, в которых выполнены крупные отверстия (ячейки), практически не излучают звук вследствие реализации процессов короткого акустического замыкания (перетекания воздушной среды) через данные отверстия, в отличие от вибрирующей сплошной пластинчатой структуры стенки. Двухсторонняя футеровка звукопоглощающим материалом несущего металлического каркаса, в совокупности с его сетчатой структурой, обеспечивает более эффективное поглощение звуковых волн, излучаемых вращающимися приводными элементами стенда (ремнем 16, валом 33, опорными подшипниками 34, приводным валом 18), внутри полости
кожуха 19, позволяя звуковым волнам через сетчатую структуру каркаса проникать в зону внешних пористых слоев звукопоглощающих панелей и, тем самым, ослаблять звуковую энергию уже более толстым (2-х слойным) пористым слоем материала, включающим как внутреннюю, так и внешнюю футеровки несущего каркаса. Кроме этого, ослабляется составляющая «паразитного» шума, образуемая в результате отражения падающих прямых звуковых волн от внешней поверхности защитного кожуха, ввиду изготовления его каркаса из слабо отражающей звук несущей закладной арматуры с двухсторонней футеровкой каркаса звукопоглощающим материалом - что благоприятно сказывается на ослаблении негативного искажения реальных звуковых полей в измерительных зонах (местах установки измерительных микрофонов). Нижняя концевая часть арматуры 30 несущего металлического каркаса 29 жестко соединена (например, сварочным швом) с металлическим угловым профилем 36, имеющим отверстия 37 для монтажа кожуха на опорном металлическом основании 35 с помощью винтов 38. Торцевая часть арматуры 30 содержит металлические пластины 39 с резьбовыми отверстиями 40 для возможности установки в торец кожуха крышки 41 с целью предотвращения проникновения звука в помещение испытательной камеры 1 со стороны торцевой части полости кожуха 19. Крышка 41 выполнена из перфорированного металлического листа 42 с центральным отверстием 43, обрамляющим с зазором корпус стендовой задней подшипниковой опоры 44 ДВС 20. Торцевая крышка 41 имеет отверстия 45 для жесткого фиксирования крышки в торце кожуха 19 с помощью винтов. Перфорированный металлический лист 42 крышки с обеих сторон футерован звукопоглощающими панелями 46. Поверхности звукопоглощающих панелей 46 облицованы защитным звукопрозрачным слоем (ткань, пленка) 47. Опорное основание 35 защитного кожуха усилено (ужесточено) опорным кронштейном 48. Для ослабления возбуждения структурных вибраций и звука, опорное основание 35 и опорный кронштейн 48 задемпфированы слоями вибродемпфирующего материала 49 (например, самоклеющегося или термоприплавляемого битумного ламината). Внутренняя поверхность опорного основания 35 футерована звукопоглощающим материалом 31, позволяющим совместно с звукопоглощающей футеровкой несущего каркаса 29 кожуха 19, частично поглотить воздушный звук, генерируемый вращающимися приводными элементами стенда. Внешние поверхности опорного основания 35 и опорного кронштейна 48 также облицованы звукопоглощающими панелями, выполненными из звукопоглощающего материала 31, в первую очередь, для уменьшения эффекта
отражения звуковых волн, падающих на поверхности опорного основания и кронштейна со стороны исследуемого ДВС.
Практическая реализация предлагаемой конструкции низкошумного акустического моторного стенда позволяет повысить точность и объективность результатов стендовых виброакустических испытаний ДВС.