某挖掘機駕駛室內部異響診斷及分析

臧獻國, 邵 威

(三一汽車制造有限公司 技術中心, 湖南 長沙 410100)

某挖掘機駕駛室內部異響診斷及分析

臧獻國, 邵 威

(三一汽車制造有限公司 技術中心, 湖南 長沙 410100)

針對某型挖掘機使用過程中出現的駕駛室內部異響問題,通過模態試驗和正弦激勵試驗對駕駛室內部異響原因進行分析,確認玻璃共振是造成異響的原因.對玻璃的結構進行改進,使其一階模態頻率避開常用工作頻率,避免了共振,消除了異響,改善了駕駛室聲學舒適性.

挖掘機; 駕駛室; 共振; 異響; 模態試驗

隨著社會發展和經濟發展,人們對工程機械駕駛室乘坐舒適性的要求不斷提高,駕駛室內噪聲已成為衡量乘坐舒適性的一個重要指標.駕駛室的異常噪聲不僅使人心情煩躁、注意力下降,而且可能預示著故障隱患.在駕駛室噪聲分析與控制方面,國內外展開了大量的研究.文獻[1-4]建立駕駛室結構聲學耦合模型,通過優化駕駛室結構降低駕駛室結構輻射噪聲.文獻[5-7]通過振動與噪聲測試分析診斷異響原因,消除了異響現象.試驗測試與有限元分析在解決異響問題以及控制駕駛室噪聲方面得到廣泛應用,在工程中具有越來越重要的作用.

據駕駛員反映,某挖掘機在發動機5檔工況工作時,駕駛室后部玻璃振動明顯,且存在異常轟鳴聲,而其余檔位工作時,后部玻璃振動和異響微弱甚至不存在.為了診斷駕駛室內部異響的原因,對該駕駛室后部玻璃進行了模態試驗與仿真分析,并對駕駛室進行不同頻率的正弦激勵,復現了駕駛室異響現象,通過試驗結果分析診斷出駕駛室內部異響由駕駛室后部玻璃共振引起,并提出了消除玻璃異常轟鳴的有效措施.

1 駕駛室玻璃模態試驗

1.1 試驗平臺搭建

本文采用LMS模態分析測試系統對挖掘機駕駛室后部玻璃進行模態試驗,試驗系統框圖如圖1所示.進行駕駛室玻璃的模態試驗時,通過力錘施加激勵,同時由傳感器獲取選定測點的加速度信號和力錘產生的力信號.兩路信號通過電荷放大、濾波、A/D轉換輸入計算機,通過FFT處理得到各個測點的頻率響應函數,最后擬合得到被測物體的模態頻率、振型、阻尼比等模態參數.

圖1 模態試驗系統框圖Fig.1 System sketch of modal test

本次試驗對象形狀比較規則、結構較簡單,根據試驗對象結構特性,并考慮傳感器的安裝及測點數據能全面反映試驗對象的振動特性,本文在被測玻璃上均勻布置傳感器,共25個測點,力錘激勵點選取在17號和19號測點,如圖2所示.

圖2 試驗對象及測點布置Fig.2 Test cab and measure position sketch

圖3 部分測點位置Fig.3 Measure position of part sensor

本文采用單點激勵多點輸出的方式對安裝在挖掘機駕駛室上的玻璃進行模態試驗,采用實際安裝約束方式,激勵點選擇在能夠使能量傳遞到玻璃各個位置的剛度較大處.

1.2 試驗結果與分析

對測得的傳遞函數進行處理后得到總的傳遞函數曲線,如圖4所示.

利用PolyMAX方法提取模態參數[8],獲得試驗玻璃的模態頻率和模態振型,前兩階模態試驗結果如圖5和圖6所示.

圖4 綜合傳遞函數Fig.4 Synthesis transfer function

圖5 第1階模態頻率54 HzFig.5 The first order modal frequency 54 Hz

圖6 第2階模態頻率125 HzFig.6 The second order modal frequency 125 Hz

根據試驗結果分析可知,該挖掘機駕駛室玻璃第1階模態頻率為54Hz,與發動機5檔點火頻率(53.3Hz)接近,判斷在5檔工況下,該挖掘機駕駛室后部玻璃共振引起玻璃異常轟鳴.

2 振動激勵試驗

為了進一步確定后部玻璃共振是產生駕駛室異響的原因,采用激振器對玻璃施加給定頻率的正弦激勵,通過主觀聽取駕駛室內部是否有異常轟鳴聲,并在后部玻璃上布置的加速度傳感器、駕駛室內部布置傳聲器,如圖7所示,分析激勵頻率對玻璃共振的影響.

通過激振器施加不同頻率的幅值相同的正弦激勵,獲取后部玻璃加速度和駕駛室內部傳聲器信號,通過分析發現:在51Hz～57Hz正弦激勵下,玻璃振動與駕駛室內部噪聲較大,激振頻率越接近54Hz(第1階模態頻率),玻璃振動與駕駛室內部噪聲越明顯,主觀感受也越明顯,通過對駕駛室進行激振試驗能夠反映實際工況下異常轟鳴聲.幾種典型正弦激勵下,測點振動與駕駛室內部噪聲如圖8和圖9所示,激勵頻率處玻璃加速度頻譜幅值和駕駛室內部聲壓頻譜幅值如表1所示.

圖7 駕駛室后部玻璃激勵試驗Fig.7 Theexcitation test of cab’s back glass

圖8 不同激勵頻率玻璃加速度頻譜對比Fig.8 Contrast of glassacceleration spectrum in different excitation frequency

圖9 不同激勵頻率駕駛室內部聲壓頻譜對比Fig.9 Contrast ofcab pressure spectrum in different excitation frequency

根據正弦激勵試驗結果可知:該挖掘機駕駛室內部異響是由共振引起,該挖掘機常用工況下發動機轉速為1 100～2 000 r/min,氣缸數為4,點火頻率36.7～66.7Hz,發動機5檔工況發動機點火頻率為53.3 Hz.因此,為了消除玻璃共振和駕駛室內部異響,應提高駕駛室后部玻璃的一階模態頻率,使其避開常用工況下發動機的點火頻率,從而避免產生共振.

表1 不同激勵頻率振動和噪聲頻譜幅值對比Tab.1 Contrast of vibration and pressure spectrum amplitude in different excitation frequency

3 結構改進

由于該挖掘機已投產,駕駛室整體布局已定,因此,在不影響駕駛室整體結構的前提下,對后部玻璃局部進行整改,主要對玻璃厚度、玻璃粘膠層的厚度和寬度進行調整.為了指導相關參數調整,對駕駛室后部玻璃進行有限元分析.采用前處理軟件Hypermesh建立駕駛室后部玻璃的有限元模型,其中,鋼化玻璃采用殼單元進行網格劃分,以四邊形單元為主,玻璃粘膠層采用實體單元模擬,玻璃厚度為5mm,粘膠層厚度和寬度為10mm.后部玻璃的有限元模型如圖10所示.

圖10 駕駛室后部玻璃有限元模型Fig.10 Finite element model of cab back glass

駕駛室后部模態仿真與試驗結果對比如表2所示,仿真結果與試驗結果基本一致,能夠用于指導結構改進.

通過對駕駛室玻璃參數進行調整優化后,確定駕駛室玻璃厚度為6 mm,粘膠層厚度和寬度分別為5 mm和25 mm.整改后的駕駛室后部玻璃的一階和二階模態頻率分別為71.8 Hz和147.5 Hz,模態振型不變,一階模態頻率高于常用工況最高激勵頻率66.7 Hz,可以避免共振.

對整改后駕駛室后部玻璃進行模態試驗,試驗驗證駕駛室后部玻璃的模態頻率,整改前后駕駛室后部玻璃傳遞函數對比如圖11所示,整改前后駕駛室后部玻璃前2階模態頻率如表3所示.

表2 駕駛室后部玻璃仿真與試驗結果對比Tab.2 Contrast of back glass modal frequency between simulation and test

圖11 整改前后玻璃模態傳遞函數對比Fig.11 Contrast of back glass transfer function between origin and optimization

表3 整改前后玻璃模態頻率試驗結果對比Tab.3 Contrast of back glass modal test frequency between origin and optimization

從表3可以看出,整改后該挖掘機駕駛室后部玻璃第1階模態頻率提高至71.0 Hz,避開了常用工況下發動機工作頻率36.7 Hz ～66.7 Hz,避免后部玻璃共振.為了進一步驗證整改措施的有效性,對后部玻璃施加不同頻率的正弦激勵,測量玻璃振動加速度和駕駛室內聲壓級,如圖12和圖13所示,激勵頻率處玻璃加速度頻譜幅值和駕駛室內部聲壓頻譜幅值如表4所示.

圖12 整改后不同激勵頻率下加速度頻譜對比圖Fig.12 Contrast of acceleration spectrum of optimization cab in different frequency

圖13 整改后不同激勵頻率下駕駛室內部聲壓級頻譜對比圖Fig.13 Contrast of pressure spectrum of optimization cab in different frequency

取激勵器的激勵為67 Hz正弦激勵,對整改后的駕駛室后部玻璃進行激振,駕駛室玻璃振動與駕駛室內部聲壓級明顯小于共振時的振動與噪聲.駕駛室裝車后,駕駛員在常用工況下未感覺到異響,駕駛室后部玻璃共振和駕駛室內部異響現象消失.

表4 駕駛室整改后不同激勵頻率振動和噪聲頻譜幅值對比Tab.4 Contrast of vibration and pressure spectrum amplitude of optimization in different

4 結論

(1) 通過模態試驗與正弦激勵試驗,識別駕駛室后部玻璃第1階模態頻率位于挖掘機常用工況下發動機的激勵頻率范圍內,駕駛室后部玻璃共振引起駕駛室內部異響.

(2) 單獨對駕駛室進行激振器正弦激勵試驗,獲取駕駛室玻璃振動和駕駛室內部噪聲,能夠復現整機實際駕駛室異響現象.

(3) 結合有限元分析對駕駛室后部玻璃結構進行結構改進,提高了駕駛室后部玻璃第1階模態頻率,發動機常用工作激勵頻率,對改進后的駕駛室進行模態試驗驗證了仿真分析結果,改進后的駕駛室后部玻璃第1階模態頻率避開了發動機常用工作激勵頻率,消除了玻璃共振和異響.

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Diagnosis and analysis on abnormal noises from excavator cab

ZANG Xian-guo, SHAO Wei

(Central Institute of R&D,SanyAutomobile Manufacture Co.,Ltd.,Changsha 410100, China)

For the excavator cab under operational conditions, the modal and excitation testing is conducted to detect abnormal noises. Accordingly, it is found that the abnormal noises are resulted from cab glass resonance. By modifying the glass structure, the excitation frequency under normal operational speed can be avoided by the first order modal frequency of glass. Therefore, the glass resonance, together with abnormal noises, is eliminated while the comfort performance is improved.

excavator; cab; resonance; abnormal noise; modal testing

國家科技支撐計劃項目(2015BAF07B03)

臧獻國(1983-),男,博士.E-mail:zangxianguo@163.com

TB 535

A

1672-5581(2016)06-0532-05