發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軟件建立車架結構的三維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，為物料車的動力特性設計提供了理論依據。

物料車車架 固有頻率 振型 發動機激勵 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。對于車架的動力特性的研究亦即模態分析，通常采用試驗法與解析法。

試驗法是測量結構上某些點的動態輸入和輸出響應，根據測得的頻響函數估計模態參數。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。在得到車架的動力特性后，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

對于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征值問題。

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

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建立物料車車架結構的CAD模型，導入ANSYS軟件，采用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、壁厚等參數賦予相應的單元。車架有限元模型如圖1所示，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。自由振動分析得到的前20階模態的自振頻率見表1。圖2給出了模型的前9階模態圖。

表1 車架模態參數

圖2 前9階模態

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

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，作用于這個系統上的各種激勵力(即動載荷)就是使物料車產生復雜振動的動力源。其中發動機運轉時，由于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。

物料車采用六缸四沖程柴油內燃機，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通過發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，車架的模態頻率應盡量避開發動機爆炸壓力與慣性力的激勵頻率范圍。

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關系為

式中:其中Z為發動機的缸數;τ為發動機的沖程數;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沖程柴油機，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

從表2可以看出，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。

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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。