關於發動機振動激勵對物料車車架動力特性的影響研究論文
關於發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，探討防止車架發生共振的措施。對於車架的動力特性的研究亦即模態分析，通常採用試驗法與解析法。
試驗法是測量結構上某些點的動態輸入和輸出響應，根據測得的頻響函式估計模態引數。試驗法準確性較高，但是需要製作模型，成本較高，效率較低。解析法是建立數值模型，求解系統的特徵方程，從而得到結構的模態引數。解析法計算效率高，成本低，也是設計階段常用的方法。在得到車架的動力特性後，結合發動機振動特性，即可以進行發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構為研究物件，建立精細的有限元模型，採用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。透過對發動機振動分析，研究了發動機激勵對車架動力特性的影響，為物料車的設計提供了理論依據。
1 有限元模態分析理論
對於物料車多自由度彈性結構，求解系統的固有振型與固有頻率即求解下式的廣義特徵值問題。
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 根橫樑與3根斜梁組成，屬於邊梁式車架。車架長約21. 54 m，寬約2. 74 m。車架縱梁為箱型，橫樑、斜梁為槽型。實際物料車車架工藝複雜，結合結構動力分析的特點，建立數值模型時在不影響振動分析結果的前提下對物料車車架進行了簡化，簡化原則為: ①焊接和螺栓連線部位視為剛性連線; 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構採用Q345D 鋼板，彈性模量210 GPa，泊松比0. 27，密度7 850 kg /m3。應用三維繪圖軟體SolidEdge 建立物料車車架結構的CAD 模型，匯入ANSYS 軟體，採用4 節點Shell63單元進行有限元網格劃分，將車架結構的'材料屬性、壁厚等引數賦予相應的單元。車架有限元模型，節點總數為30 879，單元總數為30 258 個。考慮到車架立柱軸與懸架連線，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 車架模態計算結果與分析
Block Lanczos 向量迭代法是一種向量正交化方法，該方法對於求解大型稀疏矩陣的特徵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 階模態及其所對應的自振頻率。
4 發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，作用於這個系統上的各種激勵力( 即動載荷) 就是使物料車產生複雜振動的動力源。其中發動機運轉時，由於燃燒爆發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。
物料車採用六缸四衝程柴油內燃機，缸內氣體產生的爆發壓力、運動件產生的慣性力和慣性力矩透過發動機和車架之間的連線支撐傳遞到車架上。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，其餘成分影響較小。因此，要降低振動，車架的模態頻率應儘量避開發動機爆炸壓力與慣性力的激勵頻率範圍。
發動機的激勵主要包括爆炸壓力產生的激勵、運動部件產生的激勵和運動部件重力產生的激勵。爆發壓力產生的激勵，對於四衝程機，頻率是轉速階數的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，各個型號的內燃機有差別。往復慣性力有切向力( 1 階係數0. 25，2階0. 50，3階0. 75，4階0. 25，…) 和徑向力( 1 階係數0. 25，2階0. 50，3階0. 75，4階0. 25，…) ，最後作用給基座的是合成作用力。發動機激勵頻率f0與爆炸壓力f1和往復慣性力產生的激勵頻率f2關係為f0 = f1 + f2 = f1 + Af1 = ( 1 + A) f1 =( 1 + A) × 2nZ60τ( 4)式中: 其中Z 為發動機的缸數; τ 為發動機的衝程數; n為發動機的轉速; A 的取值為0. 5 ～ 1. 0。物料車發動機為六缸四衝程柴油機，轉速1 000 ～ 2 300 r /min，按照式( 4) 計算得到發動機的激勵頻率，見表2。表2 發動機不同轉速時的激勵頻率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 對應的頻率值，f *0為A = 1. 0 對應的頻率值。
與發動機的常用轉速1 000 ～2 300 r /min 對應的發動機激勵頻率在75 ～ 230 Hz。對比對於鋼板厚度採用20 mm 的物料車的前12 階頻率值均小於發動機不同轉速時的激勵頻率。發動機活塞的往復運動產生的激勵頻率與物料車車架的高階模態接近，但是一般高頻模態對結構的振動貢獻較小。因此發動機工作過程中對物料車振動影響不大，物料車動力特性設計合理可行。
5 結論
本文以物料車車架為研究物件，藉助三維繪圖軟體SolidEdge 與大型有限元軟體，建立了某型物料車車架精細有限元模型。基於有限元理論，對模型進行模態分析，得到車架的固有頻率和相應振型。透過對物料運輸車發動機激擾頻響的分析，研究了發動機激勵對車架動力特性的影響。研究結果表明: 發動機激勵對物料車車架振動影響不大，物料車動力特性設計合理可行。