基于整体车架模态分析的悬置支架优化设计研究

第３６卷第２期２０１９年２月

机㊀㊀电㊀㊀工㊀㊀程

ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌ＆ＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ

Ｖｏｌ.３６Ｎｏ.２Ｆｅｂ.２０１９

收稿日期:２０１８－０８－３０

基金项目:２０１７浙江省新苗人才计划项目(２０１７Ｒ４０５０７５)ꎻ宁波大学人才工程资助项目(４２１８０６９２０)

作者简介:何海涛(１９９３－)ꎬ男ꎬ江苏淮安人ꎬ硕士研究生ꎬ主要从事结构物仿真与测试方面的研究ꎮＥ￣ｍａｉｌ:２７４１７１７７０３＠ｑｑ.ｃｏｍ通信联系人:陈振雷ꎬ男ꎬ教授ꎬ博士生导师ꎮＥ￣ｍａｉｌ:ｃｈｅｎｚｈｅｎｌｅｉ＠ｎｂｕ.ｅｄｕ.ｃｎ

ＤＯＩ:１０.３９６９/ｊ.ｉｓｓｎ.１００１－４５５１.２０１９.０２.０１４

基于整体车架模态分析的悬置支架优化设计研究∗

何海涛１ꎬ陈振雷１∗ꎬ廖俊雄１ꎬ李坚成１ꎬ赵㊀北２

(１.宁波大学海运学院ꎬ浙江宁波３１５８００ꎻ２.三一重机有限公司ꎬ江苏昆山２１５３００)

摘要:针对某挖掘机发动机悬置系统振动放大问题ꎬ通过采用试验测试和计算机仿真的方法ꎬ评估并优化了其隔振性能ꎮ分析了对应的加速度频谱及该悬置系统在２９０Ｈｚ等频段的共振问题ꎬ采用整车架模态分析方法实现了故障再现ꎻ根据仿真结果ꎬ对悬置支架和车架进行了优化设计ꎬ并对该优化方案进行了试验验证ꎮ研究结果表明:有问题的悬置３点振动传递率得到优化ꎬ达到了减振目标ꎻ悬置２点传递率出现略有升高的情况ꎬ而该位置的振动加速度峰值在优化后得到大幅降低ꎻ传递率升高是整体加速度略有增加引起的ꎮ

关键词:悬置支架ꎻ振动加速度ꎻ模态分析ꎻ优化设计

中图分类号:ＴＨ１２２ꎻＴＨ１１３.１ꎻＵ４６１.２㊀㊀㊀㊀文献标志码:Ａ

文章编号:１００１－４５５１(２０１９)０２－０１８５－０５

Ｍｏｕｎｔｉｎｇｂｒａｃｋｅｔｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｂａｓｅｄｏｎｉｎｔｅｇｒａｌｆｒａｍｅ ｓｍｏｄａｌａｎａｌｙｓｉｓ

ＨＥＨａｉ￣ｔａｏ１ꎬＣＨＥＮＺｈｅｎ￣ｌｅｉ１ꎬＬＩＡＯＪｕｎ￣ｘｉｏｎｇ１ꎬＬＩＪｉａｎ￣ｃｈｅｎｇ１ꎬＺＨＡＯＢｅｉ２

(１.ＦａｃｕｌｔｙｏｆＭａｒｉｔｉｍｅａｎｄＴｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎꎬＮｉｎｇｂｏＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬＮｉｎｇｂｏ３１５８００ꎬＣｈｉｎａꎻ

２.ＳＡＮＹＨｅａｖｙＭａｃｈｉｎｅｒｙＣｏ.ꎬＬｔｄ.ꎬＫｕｎｓｈａｎ２１５３００ꎬＣｈｉｎａ)

Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｒｅｓｏｌｖｅｔｈｅｖｉｂｒａｔｉｏｎａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎｉｓｓｕｅｉｎｔｈｅｐｏｗｅｒｔｒａｉｎｍｏｕｎｔｉｎｇｓｙｓｔｅｍｏｆａｇｉｖｅｎｅｘｃａｖａｔｏｒꎬｔｈｅｖｉｂｒａｔｉｏｎｉｓｏｌａｔｉｏｎｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｗａｓｅｖａｌｕａｔｅｄａｎｄｏｐｔｉｍｉｚｅｄｂｙｔｈｅｍｅｔｈｏｄｓｏｆｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｄａｔａａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｃｏｍｐｕｔｅｒｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ.Ｔｈｅｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇａｃｃｅｌｅｒａ￣ｔｉｏｎｓｐｅｃｔｒｕｍａｎｄｒｅｓｏｎａｎｃｅｏｆｔｈｅｍｏｕｎｔｉｎｇｓｙｓｔｅｍｉｎ２９０Ｈｚａｎｄｏｔｈｅｒｆｒｅｑｕｅｎｃｙｂａｎｄｓｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄａｎｄｓｔｕｄｉｅｄ.Ｔｈｅｒｅａｓｏｎｏｆｔｈｅｆａｕｌｔｗａｓｃａｐｔｕｒｅｄｂｙｔｈｅｗｈｏｌｅｆｒａｍｅｍｏｄａｌａｎａｌｙｓｉｓｍｅｔｈｏｄ.Ｍｅａｎｗｈｉｌｅꎬｔｈｅｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｓｃｈｅｍｅｏｆｔｈｅｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎｂｒａｃｋｅｔａｎｄｆｒａｍｅｓｕｇｇｅｓｔｅｄｂｙｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｗａｓｖｅｒｉｆｉｅｄｂｙｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ.Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｖｉｂｒａｔｉｏｎａｌｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｒａｔｅｏｆｔｈｅ＃３ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎｇｅｔｓｏｐｔｉ￣

ｍｉｚｅｄａｎｄｒｅａｃｈｅｓｔｈｅｔａｒｇｅｔｏｆｄｅｃｒｅａｓｉｎｇｔｈｅｖｉｂｒａｔｉｏｎ.Ａｌｔｈｏｕｇｈｔｈｅｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｒａｔｅｏｆｔｈｅ＃２ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎｂｅｃｏｍｅｓｗｏｒｓｅｓｌｉｇｈｔｌｙꎬｔｈｅｐｅａｋｖａｌｕｅｏｆｔｈｅｖｉｂｒａｔｉｏｎａｌａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎａｔｔｈｅ＃２ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｓｇｒｅａｔｌｙｒｅｄｕｃｅｄｂｙｔｈｅｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ.Ｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｔｈｅｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｒａｔｅｏｆｔｈｅ＃２ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎｉｓｄｕｅｔｏｔｈｅｔｉｎｙｒａｉｓｅｏｆｔｈｅｏｖｅｒａｌｌａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ.

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎｂｒａｃｋｅｔꎻｖｉｂｒａｔｉｏｎａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎꎻｍｏｄａｌａｎａｌｙｓｉｓꎻｏｐｔｉｍｕｍｄｅｓｉｇｎ

０㊀引㊀言

液压挖掘机结构复杂ꎬ相对应的振动和噪声源也较多ꎬ其中动力总成产生的振动噪声是挖掘机振动噪声的主要来源之一[１]ꎮ挖掘机由于其工作的特殊性ꎬ

工作过程中振动较大ꎬ缩短了发动机及其他附件的使

用寿命ꎬ同时也严重影响驾驶员驾乘舒适性[２￣３]ꎮ

为解决挖掘机工作过程中振动过大的问题ꎬ发动

机悬置系统受到关注ꎮ在悬置系统中ꎬ悬置起到支承发动机㊁衰减和隔离发动机振动的重要作用ꎮ

国内外学者对悬置系统减振方面已经做了广泛研究ꎮ杨武森等[４]用有限元软件建立单个悬置支架的有限元模型ꎬ对其模态进行了分析ꎬ并根据模态分析结

果对该悬置支架设计进行了优化ꎻ唐因放[５]对动力总成悬置支架进行模态分析ꎬ发现了原支架固有频率为２６７Ｈｚꎬ与发动机工作转速的激频接近ꎬ会引起共振ꎻ

文献[６]对某典型发动机支架进行了有限元分析ꎬ确定了其固有频率ꎻ文献[７]以能量解耦理论对悬置系统进行了解耦优化设计ꎬ优化后使转向柱及座椅处的振动加速度均下降ꎮ许多先进的研究方法及其结果已经应用于工程机械领域的减振降噪研究ꎮ

本文将通过某挖掘机在各个工况下的振动测试ꎬ针对测试数据中的问题频段进行单个支架和整体车架模态分析ꎬ提出一套结合测试数据与仿真分析的方法ꎮ１㊀挖掘机振动测试与分析

１.１㊀试验测试

本文分析的动力总成悬置布置采用４点悬置布置

型式ꎬ悬置布置方式和测点布置示意图如图１所示

ꎮ

图１㊀悬置布置方式和测点布置示意图

Ｘ 挖掘机行驶方向ꎻＹ 挖掘机左右方向ꎻＺ 竖直方向

测试设备为ＬＭＳ公司的１６通道测试仪ＳＣＭ０５ꎮ按照挖掘机前进的方向ꎬ悬置１点是左后ꎬ２点是左前ꎬ３点是右前ꎬ４点是右后ꎮ每个悬置点的主动侧

(发动机侧测点)及被动侧(车架侧测点)分别布置１个测点(三向加速度传感器)ꎮ试验测试该挖掘机在低速行走ｓ１１档㊁高速行走ｓ１１档㊁模拟挖掘ｓ１１档㊁怠速ｓ１到ｓ１１档下的各测点前后的振动加速度值ꎮ１.２㊀数据分析

在悬置系统的隔振性能分析中ꎬ主要关注测试得到的系统振动频率及计算悬置的加速度隔振率ꎬ需对实验测得的加速度信号的功率谱进行分析ꎮ

在测试数据中ꎬ将这些正常的数据进行时域到频域的转换ꎬ计算有效值(有效值是一种能够表征随机振动信号振动能量的物理量[８])ꎻ频谱形式为功率谱密度ＰＳＤꎮ

样本随机振动信号在ｆ１~ｆ２频率区间的均方根值ＲＭＳ的计算公式为:

ＲＭＳ＝Ａ０

Δｆ

２＋ðｋ－１ｉ－＝１ＡｉΔｆ＋ＡｋΔｆ２(１)式中:Ａ０ 起始采样点的幅值ꎻＡｋ 终止采样点的幅值ꎻＡｉ ｉ频率对应的幅值ꎻΔｆ 频率步长ꎮ

为了更有效地对比振动前后的效果ꎬ工程上采用振动传递率的概念ꎮ传递率定义为:传递率＝减振后的振动/减振前的振动[９]ꎮ

根据测试结果ꎬ对传递率不满足目标(小于７０％)的工况需进行分析改进ꎬ整理得到的图１中４个悬置点各方向不满足目标的ＲＭＳ值与传递率ꎬ如表１所示ꎮ表１㊀悬置振动加速度ＲＭＳ值与传递率

工况/(ｒ ｍｉｎ－１)减振前/ｇ减振后/ｇ传递率/(％)

悬置２点

Ｙ方向

ｓ６(１３５０)０.３１０.３１１００

ｓ７(１４００)０.３９０.３０７７

ｓ１１(１８５０)０.５６０.５２９３

模拟挖掘

(１８５０)０.９１０.８１８９

悬置３点

Ｚ方向

ｓ６(１３５０)０.３２０.３３１０３

ｓ７(１４００)０.３３０.３１９４

ｓ１１(１８５０)０.６７０.８５１２７

模拟挖掘

(１８５０)１.０７０.８１７６㊀㊀由表１可以看出:在怠速ｓ６㊁ｓ７㊁ｓ１１工况和模拟挖掘工况下ꎬ悬置２点在Ｙ方向传递率较高ꎻ悬置３点在Ｚ方向的传递率达到了１００％以上ꎬ存在振动放大现象ꎮ悬置系统是为了隔离发动机在工作过程中的激励振动ꎬ因此其要求隔振后频谱曲线上对应加速度值都减少ꎮ但如果悬置系统所受激励的频率与该系统的某阶固有频率相接近时ꎬ隔振后该频率上加速度会出现不降反升现象ꎬ导致上述传递率超过１００％的情况ꎮ

悬置２点㊁３点振动信号处理图如图２所示ꎮ

(ａ)悬置２在Ｓ６档位Ｙ方向的振动前后信号频谱图

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