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摘要：內燃機是目前社會上較為常見的熱能力機械，作為汽車和輪船的主要原動力，內燃機在正常工作中會受到眾多工況影響，產生較為復雜的振動現象。內燃機整體振動對內燃機的工作性能有決定性關系，國內外相關人員對內燃機敲缸作出了大量的研究，分別對不同的內燃機工況下對氣缸敲缸振動進行模擬實驗，并尋找有效的措施控制措施，提高內燃機的工作性能。本文主要從內燃機基本的工況進行分析，并找出目前內燃機工況現狀，以及確認內燃機工況和敲擊振動的關系，并提出相應的降低敲擊振動措施，減少振動帶來的危害和提升內燃機的工作性能。

關鍵詞：內燃機；氣缸；敲擊振動；轉速；功率

引言

所有的內燃機在設計是都會將活塞組件和氣缸套之間保留一定的配合間隙，保證活塞組件和氣缸套能夠合理正常的安裝和潤滑效果，間隙設計值一般情況都是根據活塞頂的半徑大小制定的。內燃機正常運行時，活塞會在氣缸內上下反復運行，這個時候活塞存在傾斜角，也就是說活塞軸線運動時與氣缸的中心軸線存在一定的夾角，如果氣缸內的氣體壓力突然變大，爆發出強大的沖擊力會把活塞強制性推動到氣缸壁上，產生嚴重的氣缸敲擊現象，我們稱之為敲缸現象[1]。內燃機長時間的運行，會因為活塞和氣缸套的摩擦而導致活塞組件和氣缸套的間隙變大，更容易導致敲擊現象，且敲擊現象越來越嚴重，不僅會導致活塞和汽缸壁的損壞，還會降低內燃機整體的工作性能，所以有效解決內燃機工況對氣缸敲擊振動現象，及確定對內燃機敲缸故障做出預警，可以保證內燃機能夠長期可靠、安全的運行。

1簡述內燃機工況

內燃機在正常運行過程中，會出現很多工況，其中具有代表性就是典型工況，內燃機運行時始終保持在一個較為穩定的工況情況下基本上是不存在的，在實際情況中內燃機的運行工況變化沒有固定趨勢，特別不穩定，根據內燃機的使用狀況，可以分為三種較為典型的工況：第一種就是在內燃機轉速不變的情況下，功率隨之而發生變化，比如我們發電常用的內燃機，保持內燃機工作相對穩定，必須要把內燃機轉速保持在一個恒定值，功率隨著內燃機的負荷大小而變化，呈現直線式上升，變到最大值，而功率的變化沒有固定規律，只有內燃機轉速相對穩定，那么才能保證功率輸出相對穩定[2]。第二種就是轉速和功率的關系類似于數學書上三次冪函數，這種內燃機常用在輪船上，內燃機需要帶動螺旋槳，這個時候內燃機的功率和轉速的變化就變得特別有規律。最后一種就是內燃機轉速變化特別大，功率相對變化也極其不穩定，類似于汽車在行駛過程中遇到阻力，轉速沒有發生變化，內燃機就會產生負荷，內燃機轉速發生連續性變化，車速由最低發生到最高。

2內燃機工況現狀分析

廣義上的內燃機不僅包括往復活塞式內燃機、旋轉活塞式發動機和自由活塞式發動機，內燃機可以根據使用的燃料特性，將內燃機分為更多種類，我們生活中最常見的就是柴油機、汽油機和天然氣，都是將內能轉化為機械能，內燃機主要有曲柄連桿機構、配氣機構、燃料供給系統、潤滑系統、冷卻系統、點火系統和起動系統[3]。內燃機作為判別引擎性能指標之一，那么引擎的振動噪聲卻是內燃機行業判定好壞的重要指標之一。發動機的振動是振聲指標的一個明顯特征，根據這個特征可以判定出該發動機引擎的工況和設計存在的缺陷，當然也是評估振動噪聲的重要指標。內燃機的振動主要包括整體振動、結構振動以及軸系扭振，整體振動可直接反應出發動機的質量問題，不僅會降低使用壽命，還會降低工作效率，甚至會對環境產生噪音污染，嚴重影響到居民生生活問題[4]。由于內燃機的曲柄連桿機構較為復雜，氣缸在運行過程中做功不連續，它的慣性作用和氣缸氣體都會產生較為強烈的沖擊力和寬頻帶激發振動現象，由于內燃機的所有的系統和部件都在產生不同的力，所以內燃機的振動具有多振源、現象復雜和寬頻帶等特征。

3內燃機工況對氣缸敲擊振動的影響

內燃機在運行過程中，一般會經歷四個動作吸氣、壓縮、燃爆和最后的排氣，這四個動作最重要的就是燃爆動作，只有燃爆做功受到活塞被動受力，不管是多少缸的內燃機都會經歷燃爆做功受力，且會出現相應的振動，缸數越少振動就越厲害，具體有三種情況：活塞連桿機構和曲軸上下反復運行造成的慣性力；曲軸平衡重心在圓周循環中因為產生平衡差導致離心慣性力；不同的壓縮比會產生不同的氣缸壓力，這種情況下也會產生振動[5]。

3.1離心慣性力和上下反復慣性

力產生的振動離心慣性力和上下反復慣性力產生的振動主要發生在四缸機上，一個缸當做完一套完整的曲軸往復動作，也就是兩周，角度是720°，一般情況下每個缸都在缸中運動，且只有一個缸的活塞是受力做功的，在往復運動中會產生慣性，這種情況會導致一個缸受力較多，產生各個缸受力不均衡現象。四缸機工作的時候會很平均的分配到各個缸上，這樣每個缸都產生一個力，形成了曲軸的平衡重心都有一個180°的夾角，使所有的力都在一條線上，產生嚴重的振動現象[6]。

3.2燃氣壓力差導致的振動

使用燃氣內燃機最常見的抖動就是因為長期積累過多的碳導致，引擎在運行的時候進氣屬于動態模式，所有的燃氣廠家在添加氣的時候都使用變氣技術，這樣很容易導致缸體進氣之間產生較大氣壓差，不同的空氣混合氧氣比例和壓縮比例在能力釋放時很容易產生振動，也是產生振動的主要原因。

3.3軸系扭轉產生的振動

內燃機軸系在運轉工程中帶動轉矩，當出現受到不同轉矩的影響而產生不同的角度位移，軸系扭動振動就是當轉矩突然受到干擾而導致卸載和加載，軸系保持原有的扭轉振動頻率，這個時候會產生扭轉振動。也是導致內燃機振動的最主要原因之一[7]。曲軸正常運行時會受到切向、方向作用力的影響軸系會同時產彎曲振動和扭轉振動現象。由于內燃機特殊的結構和設計要求，彎曲剛度要特別大，這樣也導致了彎曲振動的頻率就會相對較高。內燃機在正常工作轉速范圍內就不會產生彎曲振動，但是會造成配套軸系的振動，或者是其他部件也會產生不同的振動。扭轉振動主要是因為曲軸太長，扭轉剛度過小，和曲軸的軸系在轉動過程中產生較大的轉動慣性力，這個時候的曲軸的扭轉振動頻率相對較低，如果內燃機在正常轉速內工作不及時解決，會導致噪聲、零部件損壞等現象，更嚴重的就是曲軸斷裂[8]。

4控制敲擊振動的措施

內燃機的敲擊振動一般需要從3個方面進行有效的控制，一是對各種缸數進行調節，二是合理的設計有效的減少內燃振動，三是采用一定的措施減少振動頻率[9]。三缸內燃機產生振動是應為在運行過程中缺少沖程導致曲軸圓周的離心力不平衡，可以通過對增加平衡重量的物體，是三缸所對應的平衡都不會超過彼此的180°，在設計新三缸內燃機時就需要設計兩個缸為180°，另一個缸與其他兩個缸互相垂直，即使一個缸出現問題，這樣的設計會把離心慣性力去除，另外一個辦法就是讓三個缸的平衡重設計成角度為240°，再添加一個平衡軸，這樣即使少一個缸運動都不會產生振動。四缸主要從設計上進行避免，比如增加曲軸偏置，把往復慣性力進行有效的錯開，使曲軸形成一個低于60°的夾角。六缸振動最小，由于出色的設計使力完全平衡，基本上不用作出任何改善。合理的設計就是要在正在設計和開發的內燃機，通過各種方式讓振動發生幾率過小。還可以通過隔振的方式減少振動，隔振需要在發生振動的地方和需要防止振動的地方安裝隔振器，隔振器的數量是根據振動大小而決定的，最終目的就是振動最小化。隔振還需要根據內燃機的結構和使用條件，一般情況采用總體隔振或是單獨隔振，根據需求定制。同樣減振技術也可以使用，最常見的減振技術有：沖擊與顆粒阻尼器、增加柔軟的機角、粘彈阻尼還有空氣壓膜阻尼等等[10]。

5結語

內燃機工況而引起的氣缸敲擊振動，不僅會影響工作效率，長時間下去還會導致零部件磨損，更嚴重的是造成很大的噪聲污染。隨著現代化要求不斷提升，降低內燃機振動已經形成一個趨勢，更多的相關人員參與到其中，尋找最佳的方案，甚至是采用全新的設計。但是隨著科學技術的發展，噪聲監測裝備顯得格外重要，可以從理論上采用統計能量分析法建立相應的模型尋找振動原因，以后必將針對相關政策來控制振動和產生的噪聲，那么監測振動和噪聲工具肯定會得到廣泛的應用。

參考文獻：

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[9]劉鯤鵬，白云川，李澤華，等.MED在內燃機滾動軸承振動信號處理中的應用[J].內燃機與配件，2018（8）：77-79.

[10]劉明明，黃大偉.內燃機熱傳遞和振動噪聲問題研究簡述[J].內燃機與配件，2018（3）：56-57.

作者：馬野 單位：海軍工程大學