關(guān)于發(fā)動(dòng)機振動(dòng)激勵對物料車(chē)車(chē)架動(dòng)力特性的影響研究論文
物料車(chē)車(chē)架的共振是影響車(chē)輛行駛平順性、駕駛舒適性的關(guān)鍵，因此需對滿(mǎn)足剛度與強度要求的車(chē)架的動(dòng)力特性進(jìn)行研究，探討防止車(chē)架發(fā)生共振的措施。對于車(chē)架的動(dòng)力特性的研究亦即模態(tài)分析，通常采用試驗法與解析法。
試驗法是測量結構上某些點(diǎn)的動(dòng)態(tài)輸入和輸出響應，根據測得的頻響函數估計模態(tài)參數。試驗法準確性較高，但是需要制作模型，成本較高，效率較低。解析法是建立數值模型，求解系統的特征方程，從而得到結構的模態(tài)參數。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(chē)架的動(dòng)力特性后，結合發(fā)動(dòng)機振動(dòng)特性，即可以進(jìn)行發(fā)動(dòng)機激勵對車(chē)架動(dòng)力特性影響的研究。
本文以一物料車(chē)車(chē)架結構為研究對象，建立精細的有限元模型，采用Block Lanczos 向量迭代法，對模型動(dòng)力特性進(jìn)行分析，計算得到車(chē)架的固有頻率和相應振型。通過(guò)對發(fā)動(dòng)機振動(dòng)分析，研究了發(fā)動(dòng)機激勵對車(chē)架動(dòng)力特性的影響，為物料車(chē)的設計提供了理論依據。
1 有限元模態(tài)分析理論
對于物料車(chē)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征值問(wèn)題。
2 有限元模型的建立
物料車(chē)車(chē)架由左右分開(kāi)的2 根縱梁、7 根橫梁與3根斜梁組成，屬于邊梁式車(chē)架。車(chē)架長(cháng)約21. 54 m，寬約2. 74 m。車(chē)架縱梁為箱型，橫梁、斜梁為槽型。實(shí)際物料車(chē)車(chē)架工藝復雜，結合結構動(dòng)力分析的特點(diǎn)，建立數值模型時(shí)在不影響振動(dòng)分析結果的前提下對物料車(chē)車(chē)架進(jìn)行了簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化原則為: ①焊接和螺栓連接部位視為剛性連接; ②簡(jiǎn)化幾何外形，忽略車(chē)架上的小圓孔和倒角。
物料車(chē)車(chē)架的主體結構采用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(chē)車(chē)架結構的CAD 模型，導入ANSYS 軟件，采用4 節點(diǎn)Shell63單元進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，將車(chē)架結構的'材料屬性、壁厚等參數賦予相應的單元。車(chē)架有限元模型，節點(diǎn)總數為30 879，單元總數為30 258 個(gè)�？紤]到車(chē)架立柱軸與懸架連接，將車(chē)架上的荷載傳遞到懸架上，因此將車(chē)架柱軸端面施加全約束。
3 車(chē)架模態(tài)計算結果與分析
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(wèn)題最有效且計算效率較高。利用該方法可求得物料車(chē)車(chē)架的前20 階模態(tài)及其所對應的自振頻率。
4 發(fā)動(dòng)機振動(dòng)對物料車(chē)振動(dòng)的影響
車(chē)架是一個(gè)多自由度的彈性振動(dòng)系統，作用于這個(gè)系統上的各種激勵力( 即動(dòng)載荷) 就是使物料車(chē)產(chǎn)生復雜振動(dòng)的動(dòng)力源。其中發(fā)動(dòng)機運轉時(shí)，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(jiǎn)諧激勵是物料車(chē)車(chē)架多種激擾力的一種。
物料車(chē)采用六缸四沖程柴油內燃機，缸內氣體產(chǎn)生的爆發(fā)壓力、運動(dòng)件產(chǎn)生的慣性力和慣性力矩通過(guò)發(fā)動(dòng)機和車(chē)架之間的連接支撐傳遞到車(chē)架上。其中由曲軸、連桿以及活塞運動(dòng)的不平衡質(zhì)量而引起的往復慣性力和力矩容易引起車(chē)架的共振，對物料車(chē)的振動(dòng)影響較大，其余成分影響較小。因此，要降低振動(dòng)，車(chē)架的模態(tài)頻率應盡量避開(kāi)發(fā)動(dòng)機爆炸壓力與慣性力的激勵頻率范圍。
發(fā)動(dòng)機的激勵主要包括爆炸壓力產(chǎn)生的激勵、運動(dòng)部件產(chǎn)生的激勵和運動(dòng)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(gè)型號的內燃機有差別。往復慣性力有切向力( 1 階系數0. 25，2階0. 50，3階0. 75，4階0. 25，…) 和徑向力( 1 階系數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(dòng)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f0 = f1 + f2 = f1 + Af1 = ( 1 + A) f1 =( 1 + A) × 2nZ60τ( 4)式中: 其中Z 為發(fā)動(dòng)機的缸數; τ 為發(fā)動(dòng)機的沖程數; n為發(fā)動(dòng)機的轉速; A 的取值為0. 5 ～ 1. 0。物料車(chē)發(fā)動(dòng)機為六缸四沖程柴油機，轉速1 000 ～ 2 300 r /min，按照式( 4) 計算得到發(fā)動(dòng)機的激勵頻率，見(jiàn)表2。表2 發(fā)動(dòng)機不同轉速時(shí)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(fā)動(dòng)機的常用轉速1 000 ～2 300 r /min 對應的發(fā)動(dòng)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(chē)的前12 階頻率值均小于發(fā)動(dòng)機不同轉速時(shí)的激勵頻率。發(fā)動(dòng)機活塞的往復運動(dòng)產(chǎn)生的激勵頻率與物料車(chē)車(chē)架的高階模態(tài)接近，但是一般高頻模態(tài)對結構的振動(dòng)貢獻較小。因此發(fā)動(dòng)機工作過(guò)程中對物料車(chē)振動(dòng)影響不大，物料車(chē)動(dòng)力特性設計合理可行。
5 結論
本文以物料車(chē)車(chē)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(chē)車(chē)架精細有限元模型�；谟邢拊碚�，對模型進(jìn)行模態(tài)分析，得到車(chē)架的固有頻率和相應振型。通過(guò)對物料運輸車(chē)發(fā)動(dòng)機激擾頻響的分析，研究了發(fā)動(dòng)機激勵對車(chē)架動(dòng)力特性的影響。研究結果表明: 發(fā)動(dòng)機激勵對物料車(chē)車(chē)架振動(dòng)影響不大，物料車(chē)動(dòng)力特性設計合理可行。
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