发动机振动激励对物料车车架动力特性的影响研究

谢钰

(云南开放大学，云南昆明650500)

发动机振动激励对物料车车架动力特性的影响研究

谢钰

(云南开放大学，云南昆明650500)

发动机振动是物料车众多激励来源之一。本文针对某型物料车车架，采用SolidEdge软件建立车架结构的三维CAD模型，导入大型软件ANSYS，建立精细物料车车架模型，基于Block Lanczos法，得到车架的自振特性，通过对发动机振动分析，研究了发动机激励对车架动力特性的影响，为物料车的动力特性设计提供了理论依据。

物料车车架 固有频率 振型 发动机激励 有限元

物料车车架的共振是影响车辆行驶平顺性、驾驶舒适性的关键，因此需对满足刚度与强度要求的车架的动力特性进行研究，探讨防止车架发生共振的措施。对于车架的动力特性的研究亦即模态分析，通常采用试验法与解析法。

试验法是测量结构上某些点的动态输入和输出响应，根据测得的频响函数估计模态参数。试验法准确性较高，但是需要制作模型，成本较高，效率较低。解析法是建立数值模型，求解系统的特征方程，从而得到结构的模态参数。解析法计算效率高，成本低，也是设计阶段常用的方法。在得到车架的动力特性后，结合发动机振动特性，即可以进行发动机激励对车架动力特性影响的研究。

本文以一物料车车架结构为研究对象，建立精细的有限元模型，采用Block Lanczos向量迭代法，对模型动力特性进行分析，计算得到车架的固有频率和相应振型。通过对发动机振动分析，研究了发动机激励对车架动力特性的影响，为物料车的设计提供了理论依据。

1 有限元模态分析理论

对于物料车多自由度弹性结构，求解系统的固有振型与固有频率即求解下式的广义特征值问题。

式中:［K］为系统的刚度矩阵;［M］为系统的质量矩阵;ω为系统的固有频率;{δM}为系统的固有振型。

式(1)的特征矩阵及特征方程为

2 有限元模型的建立

物料车车架由左右分开的2根纵梁、7根横梁与3根斜梁组成，属于边梁式车架。车架长约21.54 m，宽约2.74 m。车架纵梁为箱型，横梁、斜梁为槽型。实际物料车车架工艺复杂，结合结构动力分析的特点，建立数值模型时在不影响振动分析结果的前提下对物料车车架进行了简化，简化原则为:①焊接和螺栓连接部位视为刚性连接;②简化几何外形，忽略车架上的小圆孔和倒角。

物料车车架的主体结构采用Q345D钢板，弹性模量210 GPa，泊松比0.27，密度7 850 kg/m3。

应用三维绘图软件SolidEdge建立物料车车架结构的CAD模型，导入ANSYS软件，采用4节点Shell63单元进行有限元网格划分，将车架结构的材料属性、壁厚等参数赋予相应的单元。车架有限元模型如图1所示，节点总数为30 879，单元总数为30 258个。

考虑到车架立柱轴与悬架连接，将车架上的荷载传递到悬架上，因此将车架柱轴端面施加全约束。

图1 车架有限元模型示意

3 车架模态计算结果与分析

Block Lanczos向量迭代法是一种矢量正交化方法，该方法对于求解大型稀疏矩阵的特征值问题最有效且计算效率较高。利用该方法可求得物料车车架的前20阶模态及其所对应的自振频率。自由振动分析得到的前20阶模态的自振频率见表1。图2给出了模型的前9阶模态图。

表1 车架模态参数

图2 前9阶模态

从图2可以看出，1阶振型为竖直面内横梁一阶弯曲，2阶振型为水平面内横梁一阶弯扭，3阶振型为竖直面内横梁二阶弯曲，4阶振型为竖直面内横梁三阶弯曲，5阶振型为水平面内横梁一阶扭转，6阶振型为水平面内横梁二阶扭转。

4 发动机振动对物料车振动的影响

车架是一个多自由度的弹性振动系统，作用于这个系统上的各种激励力(即动载荷)就是使物料车产生复杂振动的动力源。其中发动机运转时，由于燃烧爆发压力和活塞组等零件的往复惯性力引起的简谐激励是物料车车架多种激扰力的一种。

物料车采用六缸四冲程柴油内燃机，缸内气体产生的爆发压力、运动件产生的惯性力和惯性力矩通过发动机和车架之间的连接支撑传递到车架上。其中由曲轴、连杆以及活塞运动的不平衡质量而引起的往复惯性力和力矩容易引起车架的共振，对物料车的振动影响较大，其余成分影响较小。因此，要降低振动，车架的模态频率应尽量避开发动机爆炸压力与惯性力的激励频率范围。

发动机的激励主要包括爆炸压力产生的激励、运动部件产生的激励和运动部件重力产生的激励。

爆发压力产生的激励，对于四冲程机，频率是转速阶数的0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0，3.5，4.0，…倍，最大为1阶，其他逐次减少，各个型号的内燃机有差别。

往复惯性力有切向力(1阶系数0.25，2阶0.50，3阶0.75，4阶0.25，…)和径向力(1阶系数0.25，2阶0.50，3阶0.75，4阶0.25，…)，最后作用给基座的是合成作用力。

发动机激励频率f0与爆炸压力f1和往复惯性力产生的激励频率f2关系为

式中:其中Z为发动机的缸数;τ为发动机的冲程数;n为发动机的转速;A的取值为0.5～1.0。物料车发动机为六缸四冲程柴油机，转速1 000～2 300 r/min，按照式(4)计算得到发动机的激励频率，见表2。

表2 发动机不同转速时的激励频率

从表2可以看出，与发动机的常用转速1 000～2 300 r/min对应的发动机激励频率在75～230 Hz。对比表1可以看出，对于钢板厚度采用20 mm的物料车的前12阶频率值均小于发动机不同转速时的激励频率。发动机活塞的往复运动产生的激励频率与物料车车架的高阶模态接近，但是一般高频模态对结构的振动贡献较小。因此发动机工作过程中对物料车振动影响不大，物料车动力特性设计合理可行。

5 结论

本文以物料车车架为研究对象，借助三维绘图软件SolidEdge与大型有限元软件，建立了某型物料车车架精细有限元模型。基于有限元理论，对模型进行模态分析，得到车架的固有频率和相应振型。通过对物料运输车发动机激扰频响的分析，研究了发动机激励对车架动力特性的影响。研究结果表明:发动机激励对物料车车架振动影响不大，物料车动力特性设计合理可行。

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(责任审编李付军)

U216.6

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．04．38

1003-1995(2015)04-0147-03

2014-11-13;

2015-02-25

谢钰(1978—)，女，云南昆明人，讲师，硕士。