關于發動機臺架減振質量塊的建設施工

毛開清，馬永兵，楊明亮，張瀧堂

（華菱星馬汽車（集團）股份有限公司，安徽 馬鞍山 243061）

0 引 言

發動機試驗室在進行發動機臺架試驗時，試驗平臺會產生很大的振動，如不采取相應的隔振措施，會對周圍精密儀器、儀表的正常使用、工作環境、建筑設施等都會帶來不良影響。所以必須采取相應的隔振措施，以隔除振動，降低噪音，美化環境，也為試驗室工作人員提供一個舒適的工作場所。

1 發動機試驗室項目背景

安徽華菱星馬汽車（集團）股份有限公司發動機試驗室是針對華菱公司自主開發的新一代節能環保大功率發動機而開發新建的項目，獲得了國家國際科技合作項目的支持，項目內容包括試驗樓主體、空壓機房、配電房、冷凍站房、水泵房及油化庫等，其中試驗室作為項目的主體，內部主要設立了電力測功機、電渦流測功機及水力測功機等16個發動機試驗間和相應的零部件試驗間。

2 發動機臺架試驗簡述

汽車技術的發展很大程度上取決于試驗技術的發展，國內外技術處于領先地位的汽車公司都擁有先進的測試技術和完整的試驗設施，尤其擁有由相當數量試驗臺架組成的發動機試驗室。

汽車發動機的試驗，一般都在專門的試驗臺架上進行，所以又叫發動機的臺架試驗。臺架試驗根據實驗的不同目的，可以分為：

①定型鑒定試驗；

②出廠試驗，新組裝的發動機在出廠之前進行的試驗，一般包括磨合調整試驗、檢查移交試驗和驗收試驗等；

③定期抽查試驗。

上述各類試驗又分為性能試驗、功能試驗、可靠性與耐久試驗等。各類試驗應符合相應的國家標準。通常，發動機臺架試驗是在穩定的工況下進行的。隨著試驗技術的發展，發動機的臺架動態試驗已成為開發車用發動機的重要手段，按照模擬道路載荷譜，在臺架上對發動機運行動態加載試驗，能夠較為真實地反映發動機的實際技術狀態。

3 發動機臺架試驗室的構成

發動機臺架試驗室（如圖1所示）一般包含試驗間和控制室兩部分。

試驗間內的試驗系統主要由試驗測試系統和試驗室環境系統兩大部分組成。測試系統由對發動機進行加載與測量的裝置——測功機保證發動機運行的燃料供應系統、空氣供給系統、冷卻系統和控制系統以及數據采集系統組成；試驗室環境系統主要包括通風系統、發動機進排氣系統和消聲與隔聲系統，以保證發動機在所需的正常環境運行，避免室內噪聲和排放物的污染。試驗系統的控制部分及操作界面放在試驗室的控制間內。

發動機試驗室的設計是非常重要的，因為發動機試驗室很復雜，集機器、儀器和輔助設備于一體，所有這些都必須作為一個整體來運行，才能保證試驗系統的正常工作。

4 試驗臺架基礎要求

發動機臺架基礎的結構形式主要有兩種：一種是發動機與測功機固定在一個臺架基礎上，這樣的發動機和測功機同時振動；另外一種是測功機固定在固定基礎上，而發動機固定在彈性基礎上，此時發動機與聯軸器必須使用彈性聯接（剛性連接因為安裝要求很難滿足，一般不采用）。

目前常見的鐵底板減震方式有二種：一是在鐵底板下方直接放置減震氣囊；另一種是將鐵底板固定在鋼筋水泥塊上，在水泥塊底部安裝減震彈簧。本文主要結合現場實際重點闡述第二種方式的水泥質量塊的基礎設計。

試驗室基礎為整體鋼筋混凝土，上面為鐵底板。

發動機的臺架基礎除了要確定其尺寸和大小外，設計的重點是減振和隔振的設計。在車用發動機的試驗臺架在試驗時所受到的振動主要有以下幾種：

①受迫振動，由于發動機各缸周期性的慣性力和力矩引起的；

②由于脈沖和地基引起的沖擊；

③從固體表面擴散出去的固體聲的作用，因而產生振動和噪音。

因此，試驗臺架在設計時均需考慮隔振措施，即將臺架基礎和地基基礎隔開（豎直方向）。

隔振措施包括積極隔振和消極隔振兩種措施，通過一個中間體（如阻尼彈簧、減振氣囊等）來實現，隔振的機理是通過相應的頻率調諧，系統的周期性運動不再同步，而是反向影響。采用隔振措施時，還要求系統不能產生共振，共振不僅與激振頻率有關，還與臺架系統的固定頻率有關，激振頻率根據激振體（發動機、測功機）來計算，臺架的固有頻率根據fn=1Σk/Σm/2∏計算。式中：Σk 為所有中間提的剛度；Σm 為臺架基礎及其上所有設備的重量。

當系統激振頻率與固有頻率之比小于1時，系統無法隔振；當系統激振頻率與固有頻率之比等于1時，系統產生共振；當系統激振頻率與固有頻率之比大于1時，系統可以隔振，一般要求頻率比大于3，頻率比越高，則隔振效果越好，同時彈簧的阻尼系統越大，隔振效果越低。另外基礎設計還應該考慮水平方向的移動，可以使用橡膠擋塊。

4.1 試驗臺架基坑設計要求

①試驗臺架基坑坑底1m深度范圍內加碎石不少于50%，碎石粒徑不大于50mm且不小于20mm，分層夯實的壓實系數0.96；坑底地基承載力特征值不小于245kPa。

②試驗臺架基坑地板，側壁混凝土強度等級為C30，內加HEA混凝土膨脹劑，水下養護14d的限制膨脹率為0.025%，抗滲等級為p6。

③試驗臺架基坑鋼筋保護層厚度：與土壤接觸一側為25mm；底板板底鋼筋為40mm。

④試驗臺架基坑四角圴設置構造柱。

⑤地坑側壁均拉筋￠8@450～450，所有鋼筋圴應滿足錨固長度。

4.2 試驗臺架鐵底板減振質量塊設計施工

為保證試驗系統整體減振及隔振效果，華菱星馬汽車（集團）股份有限公司試驗室采用整體鐵底板，使發動機、測功機、鐵底板以及配套附屬試驗設施形成一個有機的整體。

鋼筋混凝土質量塊是本系統中減振的重要部分（如圖2所示），為保證發動機在試驗時的基礎振幅不超過0.1mm，混凝土質量塊還應有足夠的重量。本項目根據臺架設計功率要求，設計混凝土質量塊尺寸為4500mm×1600mm×500mm,總重約9.5t。質量塊的底部安裝8個減振阻尼彈簧，保證隔振系統的固有頻率≤4Hz。

上述設計在項目實施前期發現基坑與混凝土質量塊若同時澆筑后，由于試驗間的房間高度限制（吊車無法進入起吊）、接觸面接觸過緊等因素，導致阻尼彈簧無法放置安裝，設計中存在一定的缺陷。

在汲取以上經驗的基礎上，二次設計時，對混凝土質量塊下沉重基坑面進行了較為重大的改進（如圖3所示），改進后在原有基坑面的四角各預留一個700×250×250的凹槽（如圖4所示），后續在進行阻尼彈簧的安裝放置時只需在凹槽內放置千斤頂將混凝土質量塊頂起與沉重基坑分離，即可方便地進行阻尼彈簧的放置安裝。改進后的設計圖具有如下優點：

①項目施工更為簡單、合理，阻尼彈簧安裝強度大幅降低；阻尼彈簧安裝時間比原設計縮短2/3；

②用千斤頂對混凝土質量塊進行托起從根本上解決了用吊車起吊時不易掛實、起吊過程中混凝土質量塊易擺動的問題，杜絕安全隱患；完全滿足了試驗臺架鐵底板后續安裝需求；設計簡單可靠，維護檢修方便。

5 結 語

汽車發動機試驗室鐵底板減振質量塊的設計是發動機進行各項性能開發、耐久、磨合試驗的基礎，它是為發動機的廠家、設計、檢測和教學等科研項目提供了基礎保障。華菱星馬汽車（集團）股份有限公司發動機試驗室目前已經投入運行，從試驗室建設施工中分析得到了相當寶貴的理論知識和實踐經驗。總之，汽車技術的發展很大程度上取決于試驗技術的發展。本項目在施工中充分考慮了發動機臺架試驗運行時的各種因素，結合發動機試驗實際需求而設計，便于后續減振阻尼彈簧和鐵底板的安裝及維護，具有許多將混凝土質量塊直接與沉重基坑接觸設計無法比擬的優點，對同行內的試驗室的設計發展具有重要的借鑒意義。

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