發(fā)動機振動激勵對物料車車架動力特性的影響研究

謝鈺

(云南開放大學，云南昆明650500)

發(fā)動機振動激勵對物料車車架動力特性的影響研究

謝鈺

(云南開放大學，云南昆明650500)

發(fā)動機振動是物料車眾多激勵來源之一。本文針對某型物料車車架，采用SolidEdge軟件建立車架結(jié)構(gòu)的三維CAD模型，導入大型軟件ANSYS，建立精細物料車車架模型，基于Block Lanczos法，得到車架的自振特性，通過對發(fā)動機振動分析，研究了發(fā)動機激勵對車架動力特性的影響，為物料車的動力特性設(shè)計提供了理論依據(jù)。

物料車車架 固有頻率 振型 發(fā)動機激勵 有限元

物料車車架的共振是影響車輛行駛平順性、駕駛舒適性的關(guān)鍵，因此需對滿足剛度與強度要求的車架的動力特性進行研究，探討防止車架發(fā)生共振的措施。對于車架的動力特性的研究亦即模態(tài)分析，通常采用試驗法與解析法。

試驗法是測量結(jié)構(gòu)上某些點的動態(tài)輸入和輸出響應，根據(jù)測得的頻響函數(shù)估計模態(tài)參數(shù)。試驗法準確性較高，但是需要制作模型，成本較高，效率較低。解析法是建立數(shù)值模型，求解系統(tǒng)的特征方程，從而得到結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)。解析法計算效率高，成本低，也是設(shè)計階段常用的方法。在得到車架的動力特性后，結(jié)合發(fā)動機振動特性，即可以進行發(fā)動機激勵對車架動力特性影響的研究。

本文以一物料車車架結(jié)構(gòu)為研究對象，建立精細的有限元模型，采用Block Lanczos向量迭代法，對模型動力特性進行分析，計算得到車架的固有頻率和相應振型。通過對發(fā)動機振動分析，研究了發(fā)動機激勵對車架動力特性的影響，為物料車的設(shè)計提供了理論依據(jù)。

1 有限元模態(tài)分析理論

對于物料車多自由度彈性結(jié)構(gòu)，求解系統(tǒng)的固有振型與固有頻率即求解下式的廣義特征值問題。

式中:［K］為系統(tǒng)的剛度矩陣;［M］為系統(tǒng)的質(zhì)量矩陣;ω為系統(tǒng)的固有頻率;{δM}為系統(tǒng)的固有振型。

式(1)的特征矩陣及特征方程為

2 有限元模型的建立

物料車車架由左右分開的2根縱梁、7根橫梁與3根斜梁組成，屬于邊梁式車架。車架長約21.54 m，寬約2.74 m。車架縱梁為箱型，橫梁、斜梁為槽型。實際物料車車架工藝復雜，結(jié)合結(jié)構(gòu)動力分析的特點，建立數(shù)值模型時在不影響振動分析結(jié)果的前提下對物料車車架進行了簡化，簡化原則為:①焊接和螺栓連接部位視為剛性連接;②簡化幾何外形，忽略車架上的小圓孔和倒角。

物料車車架的主體結(jié)構(gòu)采用Q345D鋼板，彈性模量210 GPa，泊松比0.27，密度7 850 kg/m3。

應用三維繪圖軟件SolidEdge建立物料車車架結(jié)構(gòu)的CAD模型，導入ANSYS軟件，采用4節(jié)點Shell63單元進行有限元網(wǎng)格劃分，將車架結(jié)構(gòu)的材料屬性、壁厚等參數(shù)賦予相應的單元。車架有限元模型如圖1所示，節(jié)點總數(shù)為30 879，單元總數(shù)為30 258個。

考慮到車架立柱軸與懸架連接，將車架上的荷載傳遞到懸架上，因此將車架柱軸端面施加全約束。

圖1 車架有限元模型示意

3 車架模態(tài)計算結(jié)果與分析

Block Lanczos向量迭代法是一種矢量正交化方法，該方法對于求解大型稀疏矩陣的特征值問題最有效且計算效率較高。利用該方法可求得物料車車架的前20階模態(tài)及其所對應的自振頻率。自由振動分析得到的前20階模態(tài)的自振頻率見表1。圖2給出了模型的前9階模態(tài)圖。

表1 車架模態(tài)參數(shù)

圖2 前9階模態(tài)

從圖2可以看出，1階振型為豎直面內(nèi)橫梁一階彎曲，2階振型為水平面內(nèi)橫梁一階彎扭，3階振型為豎直面內(nèi)橫梁二階彎曲，4階振型為豎直面內(nèi)橫梁三階彎曲，5階振型為水平面內(nèi)橫梁一階扭轉(zhuǎn)，6階振型為水平面內(nèi)橫梁二階扭轉(zhuǎn)。

4 發(fā)動機振動對物料車振動的影響

車架是一個多自由度的彈性振動系統(tǒng)，作用于這個系統(tǒng)上的各種激勵力(即動載荷)就是使物料車產(chǎn)生復雜振動的動力源。其中發(fā)動機運轉(zhuǎn)時，由于燃燒爆發(fā)壓力和活塞組等零件的往復慣性力引起的簡諧激勵是物料車車架多種激擾力的一種。

物料車采用六缸四沖程柴油內(nèi)燃機，缸內(nèi)氣體產(chǎn)生的爆發(fā)壓力、運動件產(chǎn)生的慣性力和慣性力矩通過發(fā)動機和車架之間的連接支撐傳遞到車架上。其中由曲軸、連桿以及活塞運動的不平衡質(zhì)量而引起的往復慣性力和力矩容易引起車架的共振，對物料車的振動影響較大，其余成分影響較小。因此，要降低振動，車架的模態(tài)頻率應盡量避開發(fā)動機爆炸壓力與慣性力的激勵頻率范圍。

發(fā)動機的激勵主要包括爆炸壓力產(chǎn)生的激勵、運動部件產(chǎn)生的激勵和運動部件重力產(chǎn)生的激勵。

爆發(fā)壓力產(chǎn)生的激勵，對于四沖程機，頻率是轉(zhuǎn)速階數(shù)的0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0，3.5，4.0，…倍，最大為1階，其他逐次減少，各個型號的內(nèi)燃機有差別。

往復慣性力有切向力(1階系數(shù)0.25，2階0.50，3階0.75，4階0.25，…)和徑向力(1階系數(shù)0.25，2階0.50，3階0.75，4階0.25，…)，最后作用給基座的是合成作用力。

發(fā)動機激勵頻率f0與爆炸壓力f1和往復慣性力產(chǎn)生的激勵頻率f2關(guān)系為

式中:其中Z為發(fā)動機的缸數(shù);τ為發(fā)動機的沖程數(shù);n為發(fā)動機的轉(zhuǎn)速;A的取值為0.5～1.0。物料車發(fā)動機為六缸四沖程柴油機，轉(zhuǎn)速1 000～2 300 r/min，按照式(4)計算得到發(fā)動機的激勵頻率，見表2。

表2 發(fā)動機不同轉(zhuǎn)速時的激勵頻率

從表2可以看出，與發(fā)動機的常用轉(zhuǎn)速1 000～2 300 r/min對應的發(fā)動機激勵頻率在75～230 Hz。對比表1可以看出，對于鋼板厚度采用20 mm的物料車的前12階頻率值均小于發(fā)動機不同轉(zhuǎn)速時的激勵頻率。發(fā)動機活塞的往復運動產(chǎn)生的激勵頻率與物料車車架的高階模態(tài)接近，但是一般高頻模態(tài)對結(jié)構(gòu)的振動貢獻較小。因此發(fā)動機工作過程中對物料車振動影響不大，物料車動力特性設(shè)計合理可行。

5 結(jié)論

本文以物料車車架為研究對象，借助三維繪圖軟件SolidEdge與大型有限元軟件，建立了某型物料車車架精細有限元模型?；谟邢拊碚?，對模型進行模態(tài)分析，得到車架的固有頻率和相應振型。通過對物料運輸車發(fā)動機激擾頻響的分析，研究了發(fā)動機激勵對車架動力特性的影響。研究結(jié)果表明:發(fā)動機激勵對物料車車架振動影響不大，物料車動力特性設(shè)計合理可行。

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(責任審編李付軍)

U216.6

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．04．38

1003-1995(2015)04-0147-03

2014-11-13;

2015-02-25

謝鈺(1978—)，女，云南昆明人，講師，碩士。