高空作業平臺發動機隔振設計與振動分析

鐘愛平，鄭繼平，宋 曦，李希平

（湖南星邦智能裝備股份有限公司，湖南長沙 410600）

0 引言

高空作業平臺是一種將人送到高空進行作業的工具，是服務于各個行業高空作業、設備安裝、檢修等可移動性高空作業的設備，作為工程機械領域的一個重要組成部分，廣泛應用于船舶、建筑、市政建設、消防、港口貨運等行業的高空作業。高空作業平臺包括站立平臺、底架、可旋轉的轉臺和可隨轉臺伸縮的臂架，一般是人站在站立平臺上進行操作，根據需要做各個動作，然后進行需要的作業。隨著國家《無腳手架安裝作業技術裝備與產業化開發》的重大項目的實施，極大提升了高空作業平臺的影響力。高空作業平臺按驅動形式可分為柴油驅動式、電動式和柴電混動式，其中柴油驅動式和柴電混動式高空作業平臺都安裝柴油發動機。高空作業平臺采用的發動機為四沖程多缸發動機，工作循環中的爆破沖程會引起發動機體的劇烈振動。發動機的振動通過工作平臺的機體結構傳遞到工作平臺，如果發動機振動太大，將直接影響車輛的工作性能、壽命，以及人的舒適性、操作感及疲勞感。因此，必須采取有效的減振措施以消減發動機的各種抖動，使其不傳或少傳到車架和外部環境中去。為了減少發動機振動對工作平臺的影響，必須對發動機安裝結構進行隔振設計。

1 發動機安裝形式

高空作業平臺使用的發動機一般是安裝在上裝即轉臺上，發動機及附屬件用一個可繞固定軸旋轉的托架托起，發動機通過托架將振動傳遞到轉臺上及整個機器上，再傳遞到操作者，如圖1 所示。

圖1 發動機安裝形式

2 隔振設計

當外部激振力與機械系統的某階固有頻率相差在5%范圍內時，系統便會發生共振；當發動機運行時的頻率與機架結構的固有頻率相隔很接近時，便會引發共振。隔振分為主動隔振和被動隔振。無論是主動隔振還是被動隔振，一般被理解為在機械系統與“基體”之間安置些彈性墊，以減緩振動由機械系統向“基體”方向或由“基體”向機械系統方向的傳遞。經分析發現，發動機既是振動源，又是隔振對象。

高空作業平臺一般采用的發動機是直列四缸發動機，其主要激勵源可能來源于3 個方面：①活塞連桿等往復運動部件的往復慣性力；②曲軸飛輪等旋轉部件上不平衡質量引起的離心慣性力；③燃氣壓力。所有活塞式發動機都會由于燃燒氣體和往復運動的部件產生振動，其中，有些振動發生在發動機結構內部，可以由發動機結構自身的反作用力抵消或平衡掉；有些振動會導致發動機整體作為一個剛性體進行運動，進而對發動機懸置系統產生振動力；有些振動過大會使零部件振動疲勞、損壞，使駕駛員可感不舒服等。高空作業平臺作業中發動機的振動是主要的，路面的激勵是次要的，因此，需要有效隔離發動機的振動傳遞到車架上，發動機隔振設計必須能將這些振動與車輛或機器結構隔離開。

發動機均勻點火的脈動頻率f=N×n/30C，其中n 為氣缸數，N 為曲軸轉速，C 為沖程。不平衡旋轉質量和往復運動質量引起的激振頻率為f′=Q×N/60，Q 為比例系數，對于一階不平衡力，Q=1，二階不平衡力Q=2。

為了使發動機懸置系統的分析最簡化，一般將支承發動機的結構視為一個具有無限大質量和無限大剛度的剛性體，用最簡單的矩陣分析法來估計發動機隔振系統的性能。在每個懸置點，動力傳遞系統和其支承之間的隔振裝置都被分別建模為1個彈簧/阻尼系統，在空間3 個方向上都具有剛度、阻尼屬性。經過這樣簡化處理后，發動機懸置系統對發動機傳遞到車體的隔振效果，取決于發動機振動頻率與發動機懸置系統固有頻率之間的關系。發動機懸置系統的隔振效果通常用術語“傳遞率”或是“隔振系數”。對于一個簡單的系統，傳遞率和輸入頻率、固有頻率之比之間的理論關系如圖2 所示。圖2 中，力傳遞率=反作用力/激振力，頻率比=激振力或發火頻率/固有頻率。

圖2 頻率比與傳遞率

從圖2 可以看出，隨著發動機轉速的增加，懸置系統的振動輸入頻率隨之增加，頻率比也隨之增加，傳遞率可隨著發動機轉速增加而降低（隔振改善）。因此，發動機懸置系統的設計中，怠速轉速是關鍵的轉速，也是隔振最需要考慮的。對于阻尼系數為0.2 的典型橡膠墊隔墊，依圖2 所示的傳遞率與頻率比的關系，頻率比為2 便可滿足系統對振動傳遞率的要求。因此，一般取隔振系數0.25，則頻率為

在工程機械行業，四點懸置比較常用。一般在設計中，通過計算需求的剛度和隔振率，選擇合適的隔振墊，再通過測試驗證是否滿足要求。確定發動機總成重心計算剛度k，選擇隔振墊。懸置的功能除隔振，還要支承發動機的重量，需要一定的剛度。通常對發動機懸置的要求是：①支承發動機及附屬件的重量，在各支承上的載荷應有合理的分配；②發動機工作時，整機的不能產生共振；③在整車停車瞬間或是其他外界負荷作用下，發動機本身不應有太大的位移；④懸置部件應有足夠的使用壽命。

一般地，發動機及附屬件是確定的，即隔振墊以上的重量是確定的，例如總重量G=333 kg，發動機怠速轉速v=1600 r/min。

重心分布如圖3 所示，則發動機激振源頻率ω=1600/60×2π=167.4 rad/s，則需要的總剛度K=1/N·2m·ω2=0.25×333.8×167.42=2338 N/mm。

圖3 重心分布

因為四點支承因空間受限，往往是不完全對稱分布，因此4 個懸置點的剛度分別為：K1=K2=2338×220.3/（425.5×2）=605 N/mm，K3=K4=2338×205.2（/425.5×2）=564 N/mm。

確定受力載荷。根據重心分布坐標關系，就可求出每個懸置點所受的力。

懸置點1、懸置點2 受力為F1、F2：F1=F2=172.8/2=87 kg。懸置點3、懸置點4 受力為F3、F4：F3=F4=160.9/2=81 kg。

最后，隔振墊廠家都會提供相應型號的剛度和承重值，根據設計需要的剛度和承重就可以選擇相應的隔振墊型號。

3 發動機的振動測試

測試條件：機器各動作調試正常，測試部件結構完整。

測試工況：發動機怠速，1600 r/min。

測試儀器：加速度傳感器Dytran7503D1、Dytran7503D3，規格0～1000 Hz，量程2g/10g。

標定狀態：整機靜止，發動機熄火。

測點分布在發動機機體的左側面、右側面、前面、后面的4 個支承點，同時測量隔振前和隔振后的加速度，如圖4 所示，測試結果見表1。表1中，x 為前進方向，y為左右方向，z 為上下方向。

圖4 發動機懸置機構測點分布

表1 各工況下各方向的隔振率

由以上結果可得出隔振率與設計要求是相符合的。

4 結論

選擇合適的頻率比和傳遞率進行設計，可以有效隔振。設定合適的怠速轉速，可以避開共振區間。根據結構允許的空間大小，合理設計發動機的4 個支承點位置，盡可能均勻分布，根據重心分布計算每一個隔振墊的剛度就可以實現系統隔振設計。發動機的隔振是每一個發動機動力機械都需要解決的問題，也是影響機械的可靠性、舒適性的重要因素，在設計優化時需要多次測試論證。