關(guān)于發(fā)動機振動激勵對物料車車架動力特性的影響研究論文
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(yīng)，根據(jù)測得的頻響函數(shù)估計模態(tài)參數(shù)。試驗法準(zhǔn)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(yīng)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。
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(fù)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(yīng)用三維繪圖軟件SolidEdge 建立物料車車架結(jié)構(gòu)的CAD 模型，導(dǎo)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(yīng)的單元。車架有限元模型，節(jié)點總數(shù)為30 879，單元總數(shù)為30 258 個�？紤]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。
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(yīng)的自振頻率。
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(fù)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(fù)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(fù)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(yīng)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(fù)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(fù)慣性力產(chǎn)生的激勵頻率f2關(guān)系為f0 = f1 + f2 = f1 + Af1 = ( 1 + A) f1 =( 1 + A) × 2nZ60τ( 4)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n /( r /min) f0 /Hz f *0 /Hz n /( r /min) f0 /Hz f *0 /Hz1 000 75 100 2 100 157. 5 2101 400 105 140 2 200 165. 0 2202 000 150 200 2 300 172. 5 230注: f0為A = 0. 5 對應(yīng)的頻率值，f *0為A = 1. 0 對應(yīng)的頻率值。
與發(fā)動機的常用轉(zhuǎn)速1 000 ～2 300 r /min 對應(yīng)的發(fā)動機激勵頻率在75 ～ 230 Hz。對比對于鋼板厚度采用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(fù)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。基于有限元理論，對模型進行模態(tài)分析，得到車架的固有頻率和相應(yīng)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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