基于上車架模態(tài)分析的挖掘機(jī)駕駛室聲振舒適性改進(jìn)

米永振，周以齊，劉 磊

（山東大學(xué) 高效潔凈機(jī)械制造教育部重點實驗室，濟(jì)南250061）

基于上車架模態(tài)分析的挖掘機(jī)駕駛室聲振舒適性改進(jìn)

米永振，周以齊，劉 磊

（山東大學(xué) 高效潔凈機(jī)械制造教育部重點實驗室，濟(jì)南250061）

針對某型號履帶式液壓挖掘機(jī)駕駛室怠速時聲振舒適性較差的問題，對其進(jìn)行測試并分析發(fā)動機(jī)、駕駛室兩級懸置的隔振性能及上車架的振動，確定怠速時上車架受發(fā)動機(jī)激勵產(chǎn)生共振。對上車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，并通過有限元模態(tài)分析預(yù)測了改進(jìn)效果。試制樣件后再次測試，發(fā)現(xiàn)駕駛室內(nèi)噪聲明顯下降，上車架的低頻共振基本消除。以怠速時駕駛員右耳耳旁噪聲的響度、粗糙度和抖動度為指標(biāo)，對駕駛室的聲振舒適性進(jìn)行了客觀評價。結(jié)果表明，上車架改進(jìn)后的各參數(shù)較改進(jìn)前均有所下降，駕駛室的聲振舒適性得到改善。

振動與波；挖掘機(jī)；模態(tài)分析；駕駛室；聲振舒適性

工程機(jī)械的使用日益普遍，對其質(zhì)量、可靠性、適應(yīng)能力等性能的要求也愈加嚴(yán)格。同時，在綠色設(shè)計和可持續(xù)發(fā)展理念的指引下，工程機(jī)械的NVH（Noise,Vibration,Harshness）特性也越來越受到重視。近年來，人們借鑒汽車NVH問題中的經(jīng)典方法[1-2]，對工程機(jī)械的振動和噪聲問題開展了廣泛的研究，使其NVH特性不斷提升。在此基礎(chǔ)上，如何從減振降噪的角度改善工程機(jī)械與其駕駛員的關(guān)系，即提高工程機(jī)械的聲振舒適性問題，逐漸成為新的熱點。

工程機(jī)械的振動和噪聲是一個復(fù)雜的問題，涉及發(fā)動機(jī)、冷卻風(fēng)扇、上車架等多個結(jié)構(gòu)。然而，駕駛員在工程機(jī)械上的主要工作環(huán)境是駕駛室。因此，減小駕駛室的振動和內(nèi)部噪聲是提高工程機(jī)械聲振舒適性的關(guān)鍵。林逸等[3]綜合分析了汽車NVH特性研究中常用的CAE仿真手段，給出了聲振粗糙度的含義及其主、客觀評價方法；唐傳茵等[4]建立了六自由度半車系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型并對其振動進(jìn)行控制，降低了加權(quán)加速度均方根值，進(jìn)而對基于煩惱率模型的振動舒適性評價方法進(jìn)行了研究；李智等[5]根據(jù)某型挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)平臺模態(tài)分析的結(jié)果對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，消除了回轉(zhuǎn)平臺與駕駛室的共振，降低了駕駛室的內(nèi)部噪聲；周賢勇等[6]針對某型汽車的車身及車內(nèi)聲腔，在耦合和非耦合情況下分別進(jìn)行了模態(tài)分析。通過對兩者結(jié)果的對比和分析，提出了汽車聲振舒適性改進(jìn)的評判原則。

工程機(jī)械駕駛室振聲振舒適性及其評價方法越來越受關(guān)注。然而，在相關(guān)研究中，結(jié)構(gòu)的振動加速度幅值、駕駛員耳旁噪聲聲壓級等仍然是評價減振降噪效果最常用的指標(biāo)，而表達(dá)駕駛員主觀感受的聲振舒適性相關(guān)指標(biāo)卻較少提及。事實上，聲振舒適性體現(xiàn)了機(jī)械與人的關(guān)系，理應(yīng)作為評價減振降噪效果的指標(biāo)之一[7]。本文以某型履帶式液壓挖掘機(jī)的駕駛室為研究對象，對與其連接的上車架進(jìn)行了模態(tài)分析和結(jié)構(gòu)改進(jìn)，有效降低了駕駛室的結(jié)構(gòu)振動和駕駛員的耳旁噪聲，改善了駕駛室的聲振舒適性，對各類工程機(jī)械的減振降噪工作具有一定的指導(dǎo)意義。

1 駕駛室振動噪聲分析

1.1 振動及噪聲測試

該挖掘機(jī)在運行時發(fā)現(xiàn)駕駛室怠速時整體振動比較強(qiáng)烈，以至駕駛員難以清楚地觀察儀表盤，同時駕駛室內(nèi)可聽到明顯的“轟鳴聲（Booming Noise）”。駕駛員在此情況下連續(xù)工作近4個小時后，出現(xiàn)了頭暈、心慌、手麻等癥狀，并伴有耳鳴、耳膜受壓等不良反應(yīng)[8]。進(jìn)一步探查表明，當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速提高時，駕駛室的振動與內(nèi)部噪聲有所下降，駕駛員的主觀感受也趨于緩解。

為了改善駕駛室怠速時的聲振舒適性，對其進(jìn)行了測試。發(fā)動機(jī)是挖掘機(jī)主要的激勵源，其振動經(jīng)過發(fā)動機(jī)橡膠懸置、上車架、駕駛室液壓懸置三級結(jié)構(gòu)傳遞至駕駛室。在測試中，分別采集怠速時發(fā)動機(jī)減振前后、駕駛室減振前后、上車架四角的加速度信號及各轉(zhuǎn)速下駕駛室地板的加速度信號、駕駛員右耳耳旁噪聲的聲壓信號。

1.2 聲振舒適性分析

心理聲學(xué)參數(shù)是刻畫不同聲音信號引起的主觀感受差別的物理量，常用于聲振舒適性的客觀評價，研究較多的參數(shù)有響度、尖銳度、粗糙度、抖動度、語音清晰度等[9]。考慮到駕駛員右耳耳旁噪聲信號以低頻成分為主，這里選取響度、粗糙度和抖動度進(jìn)行考察。

響度考慮了人耳對聲音頻譜的掩蔽效應(yīng)，將人對聲音強(qiáng)弱的主觀感受線性化表示，比A計權(quán)聲壓級更加準(zhǔn)確地反映聲音信號的響亮程度。

粗糙度描述了聲音信號主要受20 Hz～200 Hz頻率調(diào)制的程度，單位為asper[10]。1 asper表示將1 000 Hz和60 dB的聲音完全調(diào)制70 Hz的粗糙度，其常用計算公式為

式中fmod為調(diào)制頻率，ΔLE聲音的掩蔽深度。

與粗糙度類似，抖動度描述了聲音信號主要受20 Hz以內(nèi)的頻率調(diào)制的程度，單位為vacil。1 vacil表示將1 000 Hz和60 dB的聲音完全調(diào)制4 Hz的抖動度。一種計算抖動度的方法為

式中fmod為調(diào)制頻率，ΔL聲壓級調(diào)制深度。

使用Artemis軟件計算低、中、高三個轉(zhuǎn)速下駕駛員右耳耳旁噪聲的響度（ISO532標(biāo)準(zhǔn)，B方法，擴(kuò)散聲場）、粗糙度和抖動度，結(jié)果如表1所示。從表中可以看出，隨著發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的提高，各參數(shù)均呈下降趨勢，符合駕駛員的主觀感受。

表1 駕駛員右耳耳旁噪聲的心理聲學(xué)參數(shù)

1.3 減振降噪分析

該挖掘機(jī)使用某型四缸四沖程柴油發(fā)動機(jī)，怠速為900 r/min～1 100 r/min，對應(yīng)的激擾基頻為30 Hz～35 Hz。此外，駕駛室內(nèi)噪聲主要是其壁板輻射的固體聲，頻率一般在250 Hz以內(nèi)[11]。因此，對駕駛室進(jìn)行減振降噪分析時，選取20 Hz-250 Hz為重點關(guān)注的頻段。

1.3.1 發(fā)動機(jī)及駕駛室懸置性能分析

發(fā)動機(jī)的橡膠懸置和駕駛室的液壓懸置均為減振器，通常使用振動衰減量來評價減振器的性能，表示為激勵端與響應(yīng)端加速度幅值之比的分貝值，即

式中ΔL為振動衰減量，ae、ar分別為激勵端、響應(yīng)端的加速度幅值。

考慮到發(fā)動機(jī)激擾頻率存在倍頻，這里將頻率的上限擴(kuò)展到500 Hz。根據(jù)隔振理論，當(dāng)頻率繼續(xù)提高時，減振器的隔振性能將提高[12]。因此，懸置在500 Hz以上的性能不再考察。根據(jù)測試結(jié)果，該挖掘機(jī)發(fā)動機(jī)及駕駛室懸置的平均振動衰減量分別如圖1、圖2所示。

圖1 發(fā)動機(jī)懸置的振動衰減量

根據(jù)定義，當(dāng)振動衰減量達(dá)到20 dB時，表示從激勵端到響應(yīng)端加速度被衰減了10倍，此時認(rèn)為懸置的隔振性能滿足要求。觀察圖1，發(fā)動機(jī)懸置的振動衰減量均在10 dB以上，大部分衰減量高于20 dB，說明其隔振性能良好。然而，從圖2可見，駕駛室懸置在很多頻率上的振動衰減量未達(dá)到20 dB，250 Hz以內(nèi)的衰減量大部分在-10 dB以上。在30 Hz附近，其衰減量甚至大于0，加速度不僅未被衰減，反而被放大。可見，駕駛室懸置的低頻隔振性能欠佳。

圖2 駕駛室懸置的振動衰減量

1.3.2 上車架振動分析

為考察上車架本身的振動，測試中采集了怠速時上車架四角位置的加速度信號，如圖3所示。

圖3 上車架四角振動加速度信號

從圖3可見，四個位置加速度信號的各峰值頻率基本一致，分別與發(fā)動機(jī)的各階激擾頻率對應(yīng)。其中，31 Hz、62 Hz及90 Hz處的幅值較大，尤其是31 Hz處的幅值遠(yuǎn)超其余峰值，應(yīng)為上車架受發(fā)動機(jī)激勵產(chǎn)生共振所致。

1.3.3 減振降噪措施

經(jīng)過對該挖掘機(jī)從發(fā)動機(jī)至駕駛室的振動傳遞路徑上各部分的分析，判定上車架的低頻共振是造成駕駛室怠速聲振舒適性較差的主要原因。此外，駕駛室懸置的隔振性能欠佳，不能有效地抑制上車架向上傳遞的振動，也在一定程度上降低了駕駛室的聲振舒適性。

駕駛室結(jié)構(gòu)復(fù)雜，上面安裝著座椅、儀表盤、液壓管路等眾多部件，難以對其結(jié)構(gòu)做出較大改變。因此，針對駕駛室的減振降噪措施主要從兩個方面進(jìn)行：一是更換隔振性能更佳的懸置減振器；二是對上車架進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，消除其30 Hz及其倍頻附近的固有頻率，從而避免其受發(fā)動機(jī)激勵產(chǎn)生共振。

2 上車架結(jié)構(gòu)改進(jìn)

2.1 模態(tài)分析

上車架由多塊鋼板及多根橫梁、縱梁焊接而成，其上安裝著駕駛室、發(fā)動機(jī)、動臂、液壓泵等部件，是挖掘機(jī)重要的組成部分。對上車架進(jìn)行模態(tài)分析時，首先將其三維模型進(jìn)行幾何清理并抽取中面，采用殼單元劃分網(wǎng)格，焊接部位采用合適的焊接單元進(jìn)行模擬，獲得有限元模型。對有限元模型賦予材料和屬性后，求解100 Hz內(nèi)的彈性模態(tài)，結(jié)果如表2所示。

從表2可知，上車架的前3階模態(tài)頻率均位于發(fā)動機(jī)激擾頻率附近，確易引發(fā)共振。為了確定其結(jié)構(gòu)改進(jìn)的具體部位，在后處理中繪制了對質(zhì)量矩陣歸一的各階振型云圖，如圖4所示。

模態(tài)振型并非真實的位移，但能夠反映結(jié)構(gòu)各部分在實際振動時形變的幅值之比。由圖4(a)可見，上車架的第1階振型相對復(fù)雜，變形主要發(fā)生在其四角位置。值得注意的是，駕駛室安裝于上車架的左前角，此時該處的位移也較大。與第1階振型相比，第2階振型相對簡單（圖4(b)），其變形主要發(fā)生在左后角及右后角。在圖4(c)中，僅右后角的位移較大，變形位置更加集中。

圖4 改進(jìn)前上車架的前3階模態(tài)振型

通過以上分析可知，在前3階模態(tài)中，上車架的大變形主要位于其四角位置及左后角附近的鋼板。這些位置呈現(xiàn)兩端固定的“簡支梁”或一端固定一端自由的“懸臂梁”結(jié)構(gòu)，在其跨度較長時，容易發(fā)生撓曲變形。改進(jìn)這類結(jié)構(gòu)時，將以提高其橫向剛度為目標(biāo)，通過增加支撐、增大厚度、更換材料等方式進(jìn)行[13]。

2.2 結(jié)構(gòu)改進(jìn)

根據(jù)模態(tài)分析的結(jié)果，結(jié)合工程經(jīng)驗，對上車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，如圖5所示。其中，圖5(a)表示將上車架左后部的鋼板邊緣向上折彎；圖5(b)位置為上車架左前角，改進(jìn)措施為將原結(jié)構(gòu)中槽鋼框架內(nèi)的支撐鋼板完全向前延伸；圖5(c)、(d)分別對應(yīng)上車架左后部與右后部的拐角處，原均為槽鋼框架與后部鋼板的焊接結(jié)構(gòu)，現(xiàn)改為由一塊鋼板折彎成型的整體結(jié)構(gòu)。

圖5 上車架結(jié)構(gòu)改進(jìn)措施

2.3 效果預(yù)測

采用與之前一致的條件和步驟，對改進(jìn)后的上車架進(jìn)行模態(tài)分析，同樣考察其100 Hz內(nèi)的彈性模態(tài)。各階振型與改進(jìn)前類似，但最大變形量下降，如表3所示。

從表3可以看出，經(jīng)過結(jié)構(gòu)改進(jìn)，上車架的前3階模態(tài)頻率均有所提高。其中，第1階頻率為38.8 Hz，與發(fā)動機(jī)的怠速激振頻率相距較遠(yuǎn)，預(yù)計其與上車架的共振已經(jīng)消除。這里給出第1階的模態(tài)振型云圖（對質(zhì)量矩陣歸一）以觀察上車架此時的變形，如圖6所示。

圖6 改進(jìn)后上車架的第1階模態(tài)振型

圖6中的位移范圍設(shè)定為與圖4中對應(yīng)的各圖相同。由圖6可見，與結(jié)構(gòu)改進(jìn)前相比，此時上車架的各階模態(tài)振型均有所改善，原結(jié)構(gòu)中變形較大部位的位移明顯降低。

3 試驗驗證

通過兩次模態(tài)分析結(jié)果的對比，預(yù)測上車架結(jié)構(gòu)改進(jìn)措施是有效的。隨后，對改進(jìn)后的上車架試制樣件，將其安裝在同一臺的挖掘機(jī)上。為驗證上車架結(jié)構(gòu)改進(jìn)的實際效果，采用相同的試驗條件，對該挖掘機(jī)再次進(jìn)行了測試。

在測試中，將發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速從900 r/min逐漸提高到1 100 r/min，并在1 000 r/min時采集上車架左前角振動加速度信號和駕駛員右耳耳旁噪聲信號，分別與改進(jìn)前相應(yīng)的信號對比，如圖7、圖8所示。

圖7 改進(jìn)前后上車架左前角加速度信號

觀察圖7，上車架結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的振動加速度信號中各幅值明顯減小，振動能量分布更加均勻。同時，從圖8可見，駕駛員右耳耳旁噪聲聲壓級信號中的峰值也有所下降。

圖8 上車架改進(jìn)前后駕駛員右耳耳旁噪聲

在發(fā)動機(jī)增速過程中，駕駛員報告駕駛室的振動相對之前減小，內(nèi)部“轟鳴聲”緩解。為了客觀地考察駕駛員的主觀感受，計算了轉(zhuǎn)速為1 000 r/min時的各心理聲學(xué)參數(shù)，如表4所示。與表1相比，駕駛員右耳耳旁噪聲的響度、粗糙度和抖動度均有所下降，響度降低最為明顯。

表4 上車架結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的各心理聲學(xué)參數(shù)

4 結(jié)語

（1）對挖掘機(jī)發(fā)動機(jī)、駕駛室兩級懸置的隔振性能及上車架的振動進(jìn)行了分析，在此基礎(chǔ)上確定上車架受發(fā)動機(jī)激勵而產(chǎn)生的低頻共振是導(dǎo)致駕駛室怠速時聲振舒適性較差的主要原因。

（2）結(jié)合工程經(jīng)驗，對上車架的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。通過對比改進(jìn)前后模態(tài)分析的結(jié)果，預(yù)測了改進(jìn)措施的有效性。試制樣件后再次測試表明，駕駛員右耳耳旁噪聲聲壓級幅值明顯下降，上車架的共振現(xiàn)象基本消除。

（3）根據(jù)駕駛員的主觀感受，以其右耳耳旁噪聲的響度、粗糙度和抖動度三個心理聲學(xué)參數(shù)對駕駛室的聲振舒適性進(jìn)行客觀評價。結(jié)果表明，怠速時上車架改進(jìn)后的各參數(shù)較改進(jìn)前均有所下降，駕駛室的聲振舒適性得到改善。

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NVH Improvement of Excavator Cab Based on ModalAnalysis of the Upper Frame

MI Yong-zhen,ZHOU Yi-qi,LIULei

(Key Laboratory of High-efficiency and Clean Mechanical Manufacture,Ministry of Education, Shandong University,Jinan 250061,China)

∶The vibration isolation performance of the suspension system of an excavator which supports the engine and the cab,and the vibration of the upper frame,are analyzed based on the test results.It is found that a low-frequency resonance excited by the engine occurs in the upper frame.The structure of the upper frame is modified,and the validity of the modification is predicted by modal analysis simulation and is verified by the tests.The NVH character of the cab is estimated by the parameters of loudness,roughness and fluctuation intensity corresponding to the noise at the driver’s right ear.It is shown that these parameters are reduced apparently after the modification of the upper frame and the NVH character of the cab is improved.

∶vibration and wave;excavator;modal analysis;cab;NVH characteristic

O241.82< class="emphasis_bold">文獻(xiàn)標(biāo)識碼：ADOI編碼：

10.3969/j.issn.1006-1335.2014.06.012

1006-1355(2014)06-0051-05

2014-01-22

濟(jì)南市高校院所自主創(chuàng)新計劃（31360005081330）

米永振（1989-），男，山東濟(jì)南人，碩士生，主要研究方向：大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)動力學(xué)特性研究。

周以齊，男，博士生導(dǎo)師。

E-mail∶yqzhou@sdu.edu.cn