孫梅云，曾銳，孫玉華，閆兵，王東

（1.唐山軌道客車有限責(zé)任公司，河北唐山 063035；2.西南交通大學(xué)，成都 610031）

大功率柴油機(jī)是一種寬頻帶激振源，其中高頻激振力是誘發(fā)內(nèi)燃機(jī)機(jī)體和車體彈性振動(dòng)及結(jié)構(gòu)噪聲的主要振源。而內(nèi)燃機(jī)車振動(dòng)會(huì)影響各部件的使用壽命及性能，降低車輛的舒適性。因此，對(duì)柴油機(jī)的振動(dòng)加以控制和隔離顯得尤為重要。當(dāng)前，隔振系統(tǒng)分為單、雙層隔振兩類。單層隔振系統(tǒng)是在動(dòng)力機(jī)械設(shè)備和基礎(chǔ)之間加入隔振元件的隔振系統(tǒng)，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但大量工程實(shí)踐表明，隔振效果一般是10～20 dB，力傳遞率一般在20%到10%之間，很難低于10%；并且激振頻率越高，理論與實(shí)際結(jié)果相差越大，不適用于高頻振動(dòng)的隔離[1,2]。在單層隔振系統(tǒng)中，當(dāng)激振頻率大于諧振頻率時(shí)，其力傳遞率是以1ω2衰減，而雙層隔振系統(tǒng)則以1ω4衰減[2]，故隔振效率明顯高于單層隔振系統(tǒng)，并具有良好的高頻隔振能力。在艦船柴油機(jī)雙層隔振系統(tǒng)等工程實(shí)踐應(yīng)用也表明[3]，雙層隔振在減振、降噪及防沖擊等方面的性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于單層隔振系統(tǒng)，即使受到動(dòng)力耦合效應(yīng)等影響，其力傳遞率也能達(dá)到低于10%的隔振水平。

由于雙層隔振系統(tǒng)良好的隔振能力，近年來，已在艦船等領(lǐng)域得到了廣泛使用，并有一些針對(duì)其特點(diǎn)的隔振設(shè)計(jì)方法和試驗(yàn)研究[4―8]。但對(duì)于使用中高速柴油機(jī)的內(nèi)燃機(jī)車或動(dòng)車，雙層隔振系統(tǒng)設(shè)計(jì)有其明顯特點(diǎn)，由于受到空間限制，雙層隔振系統(tǒng)的中間質(zhì)量不可能設(shè)計(jì)為較大質(zhì)量的剛體，而只能設(shè)計(jì)為質(zhì)量較小的構(gòu)架，并在構(gòu)件上安裝冷卻裝置和消聲器等部件。目前國(guó)內(nèi)對(duì)于這類雙層隔振系統(tǒng)應(yīng)用和研究很少，本文結(jié)合國(guó)內(nèi)首次研制的某型內(nèi)燃動(dòng)車動(dòng)力總成系統(tǒng)，根據(jù)柴油機(jī)激振力（矩）特性，對(duì)其雙層隔振系統(tǒng)的隔振性能進(jìn)行全面的仿真和實(shí)驗(yàn)研究，研究結(jié)果對(duì)于內(nèi)燃機(jī)車雙層隔振系統(tǒng)設(shè)計(jì)和工程應(yīng)用有一定參考意義。

1 柴油機(jī)激振力（矩）特性分析

內(nèi)燃動(dòng)車所用柴油機(jī)為直列6缸柴油機(jī)。對(duì)于均勻發(fā)火的直列6缸柴油機(jī)，作用在柴油發(fā)電機(jī)組上引起整機(jī)振動(dòng)的激振力（矩）主要為3.0、6.0諧次等顛復(fù)力矩；離心慣性力（矩）及往復(fù)慣性力（矩）理論上為零，僅有因曲柄連桿機(jī)構(gòu)的加工偏差所產(chǎn)生的不平衡慣性力（矩）；柴油機(jī)運(yùn)行不穩(wěn)定、轉(zhuǎn)速波動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生0.5、1.0等低諧次力（矩）。

對(duì)顛復(fù)力矩分別進(jìn)行了理論計(jì)算及實(shí)際測(cè)量。理論計(jì)算利用參考機(jī)型的氣體切向力簡(jiǎn)諧系數(shù)，當(dāng)直列6缸機(jī)各缸做功均勻時(shí)，將各缸3.0、6.0等主簡(jiǎn)諧力矩同相（位）相加，即可得相應(yīng)諧次顛復(fù)力矩。為得到柴油機(jī)實(shí)際工況的激振力（矩）特性，按照文獻(xiàn)[2]介紹的通過求解剛體運(yùn)動(dòng)方程來獲得激振力（矩）的實(shí)驗(yàn)方法，進(jìn)行了激振力（矩）識(shí)別實(shí)驗(yàn)。其測(cè)試結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果相一致（見圖1）。

圖1 3.0、6.0諧次顛復(fù)力矩測(cè)試和計(jì)算對(duì)比

由圖1可見3.0諧次顛復(fù)力矩遠(yuǎn)大于6.0諧次顛復(fù)力矩，為主要的激振源，故本文中重點(diǎn)研究隔振系統(tǒng)對(duì)3.0諧次激振力的隔振效果。

2 雙層隔振系統(tǒng)仿真研究

2.1 雙層隔振系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

內(nèi)燃動(dòng)車動(dòng)力總成雙層隔振系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖見圖2，在柴油機(jī)組與構(gòu)架之間設(shè)置5個(gè)一級(jí)隔振器，在公共構(gòu)架與車體之間設(shè)置4個(gè)二級(jí)隔振器，組成柴油機(jī)組的雙層隔振系統(tǒng)。受到動(dòng)力包結(jié)構(gòu)的限制，隔振器安裝位置不可調(diào)，只能通過優(yōu)化隔振器參數(shù)，使系統(tǒng)具有良好的隔振性能。其中坐標(biāo)系原點(diǎn)O位于系統(tǒng)的質(zhì)心位置，X軸與曲軸中心線同向，Z軸方向豎直向上，Y軸方向垂直于XOZ平面，α、β、γ分別表示繞X、Y、Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。將柴油發(fā)電機(jī)組和構(gòu)架視為剛體質(zhì)量塊，隔振器簡(jiǎn)化為三向垂直的彈簧，采用ADAMS動(dòng)力學(xué)仿真軟件建立的雙層隔振動(dòng)力學(xué)模型，如圖3所示。

在對(duì)隔振系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，可以從多個(gè)角度提出不同的目標(biāo)函數(shù)和約束條件，建立不同的數(shù)學(xué)模型。對(duì)此雙層隔振系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)目的和要求如下：

（1）根據(jù)激勵(lì)頻率特性、支承構(gòu)架和連接車體的模態(tài)特性，合理選擇雙層隔振系統(tǒng)12個(gè)模態(tài)的頻率范圍，盡量避開同一方向的激勵(lì)頻率和車體的共振頻率；

（2）在選取二級(jí)隔振器剛度時(shí)，既要避免構(gòu)架與機(jī)組和車體之間的共振模態(tài)頻率，又要保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，避免機(jī)組在低頻振動(dòng)和沖擊下位移過大；

（3）從降低12個(gè)模態(tài)相互間的耦合度、機(jī)組振動(dòng)烈度和二級(jí)隔振器傳遞到車體的動(dòng)支反力等方面尋找選隔振器參數(shù)優(yōu)化的方向和規(guī)律。

在系統(tǒng)全面分析了隔振器剛度等參數(shù)對(duì)系統(tǒng)隔振性能的影響的基礎(chǔ)上，優(yōu)選出固有頻率匹配合理、系統(tǒng)振動(dòng)解耦度高、系統(tǒng)的振動(dòng)烈度和支撐處的動(dòng)反力小的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

一級(jí)隔振系統(tǒng)中5個(gè)隔振器位置如圖4所示。根據(jù)隔振器位置特點(diǎn)和解耦需要，對(duì)隔振器按剛度分為兩組。通過大量的一級(jí)隔振器剛度參數(shù)優(yōu)化，各組剛度設(shè)置如表1。由于隔振器彈性力相對(duì)于垂向慣性軸對(duì)稱布置，使垂向振動(dòng)基本能完全解耦，其他方向解耦度也增大。水平方向兩剛度值不同，更有利于系統(tǒng)的解耦。一級(jí)隔振系統(tǒng)固有頻率結(jié)果如表2，計(jì)算結(jié)果表明，垂向z方向幾乎完全解耦，解耦度為99.007 9%。

二級(jí)隔振系統(tǒng)中，4個(gè)隔振器位置如圖6所示。以雙層隔振系統(tǒng)12自由度綜合解耦度、繞曲軸方向（即顛復(fù)力矩作用方向）的α向解耦度、機(jī)組的振動(dòng)烈度和二級(jí)隔振器安裝位置的動(dòng)支反力為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)雙層隔振系統(tǒng)的隔振器剛度進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，并結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)及安裝的可行性，最終確定二級(jí)隔振器各剛度如表1所示。二級(jí)隔振系統(tǒng)構(gòu)架α方向固有頻率為33.39 Hz，而在柴油機(jī)常用工作轉(zhuǎn)速（1 100～1 800 r/min）范圍3.0諧次顛復(fù)力矩頻率為55～90 Hz，33.39 Hz的固有頻率約為55 Hz顛復(fù)力矩頻率的0.61，已小于12的頻率匹配要求，能有效避免產(chǎn)生共振。

2.2 雙層隔振系統(tǒng)力傳遞率仿真計(jì)算

力傳遞率是指隔振后傳遞到基礎(chǔ)的力(力矩)幅值與激勵(lì)力(力矩)幅值之比，反映了力或力矩的衰減速率，是目前評(píng)價(jià)系統(tǒng)隔振效果最常用的指標(biāo)之一。

圖2 雙層隔振系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

表1 一、二級(jí)隔振器剛度

表2 一級(jí)隔振系統(tǒng)固有頻率

圖3 雙層隔振系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型

為了便于研究在顛復(fù)力矩方向雙層隔振系統(tǒng)的隔振特性，仿真計(jì)算了系統(tǒng)在該方向的傳遞率曲線，如圖5所示。從圖中可以看出系統(tǒng)在頻率為10 Hz和33 Hz附近出現(xiàn)了兩個(gè)較明顯的共振峰值，對(duì)比表3中給出的系統(tǒng)固有頻率可知此兩共振峰值恰好為機(jī)組和構(gòu)架在顛復(fù)力矩方向振動(dòng)模態(tài)的固有頻率。在過共振峰后系統(tǒng)傳遞率迅速衰減，在50 Hz左右系統(tǒng)的傳遞率就衰減到0.1左右了，可知雙層隔振系統(tǒng)優(yōu)越的高頻隔振性能。

圖4 一級(jí)隔振器位置示意圖

表3 雙層隔振系統(tǒng)固有頻率

圖5 傳遞率仿真計(jì)算結(jié)果

3 雙層隔振系統(tǒng)隔振效率測(cè)試

雙層隔振系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用中受到機(jī)組與基礎(chǔ)和構(gòu)架剛?cè)狁詈系纫蛩氐挠绊懀粽裥什豢赡苓_(dá)到上述理論計(jì)算值，為獲得系統(tǒng)實(shí)際隔振性能，進(jìn)行了雙層隔振系統(tǒng)的隔振效率測(cè)試。

3.1 測(cè)試方法

通過同步測(cè)量柴油發(fā)電機(jī)組各隔振器上、下座的振動(dòng)位移，利用隔振器剛度和上、下座之間的位移差，可求出傳遞到基礎(chǔ)上的激振力。其測(cè)試和計(jì)算包括如下過程：

（a）從測(cè)得的振動(dòng)信號(hào)中求出各隔振器上、下座的三向振動(dòng)位移；

（b）分析隔振器上、下座振動(dòng)位移的主要簡(jiǎn)諧成分；

（c）對(duì)3.0等主要簡(jiǎn)諧成分，利用隔振器剛度和上、下座之間的位移差，求出傳遞到基礎(chǔ)上的單諧次激振力。將傳遞到基礎(chǔ)上的單諧次激振力帶入計(jì)算公式，即可求出雙層隔振系統(tǒng)的隔振效率。

3.2 測(cè)試系統(tǒng)

測(cè)試系統(tǒng)由三向加速度傳感器，轉(zhuǎn)速傳感器和一套采集系統(tǒng)（多通道A/D采集卡、計(jì)算機(jī)及采集軟件）組成。各測(cè)點(diǎn)分別位于二級(jí)隔振器上、下，如圖6所示，共8個(gè)。

圖6 各測(cè)點(diǎn)及二級(jí)隔振器位置示意圖

3.3 測(cè)試數(shù)據(jù)分析及對(duì)比

隔振效率測(cè)試結(jié)果與仿真計(jì)算結(jié)果的對(duì)比如圖7所示，實(shí)測(cè)隔振效率在柴油機(jī)1 100 r/min以上常用轉(zhuǎn)速3.0諧次力傳遞率小于7.5%，且隨著轉(zhuǎn)速上升，激勵(lì)頻率增大，力傳遞率有明顯的衰減，最小值達(dá)2%。表明雙層隔振對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組整機(jī)振動(dòng)，特別是高頻振動(dòng)具有良好的隔振效果，遠(yuǎn)優(yōu)于實(shí)際力傳遞率高于10%的單層隔振系統(tǒng)。

圖7 力傳遞率對(duì)比

在圖7中，實(shí)測(cè)隔振效率曲線與仿真計(jì)算結(jié)果相比，有兩點(diǎn)區(qū)別：一是力傳遞率實(shí)測(cè)值比仿真計(jì)算值略大；二是隨轉(zhuǎn)速增加，實(shí)測(cè)力傳遞率曲線雖總體趨勢(shì)隨轉(zhuǎn)速而減小，但在轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，力傳遞率曲線有波動(dòng)現(xiàn)象，分別在1 350 r/min及1 650 r/min轉(zhuǎn)速附近出現(xiàn)兩個(gè)峰值。出現(xiàn)這種情況可能與柴油發(fā)電機(jī)組受到基礎(chǔ)、構(gòu)架和其它部件動(dòng)力耦合效應(yīng)影響有關(guān)

4 結(jié)語

（1）進(jìn)行柴油機(jī)動(dòng)力總成隔振設(shè)計(jì)，首先要確定柴油機(jī)激振力（矩）特性，主要諧次激振力（矩）特性可通過計(jì)算和（或）實(shí)測(cè)的方法獲得。對(duì)本文所研究6缸直列柴油機(jī)3.0諧次顛復(fù)力矩為主要的激振源；

（2）通過對(duì)雙層隔振系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，3.0主簡(jiǎn)諧顛復(fù)力矩的理論傳遞率在柴油機(jī)主要工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)可達(dá)到7.5%以下；

（3）在柴油機(jī)1 100 r/min以上常用轉(zhuǎn)速3.0諧次力傳遞率小于7.5%，且隨著轉(zhuǎn)速上升，激勵(lì)頻率增大，力傳遞率有明顯的衰減，最小值達(dá)2%。盡管雙層隔振系統(tǒng)實(shí)際隔振效果受到動(dòng)力耦合效應(yīng)等因素影響，仍明顯優(yōu)于實(shí)際力傳遞率通常高于10%的單層隔振系統(tǒng)。

[1]Plunkett R.Interaction between a vibratory machine and its foundation[J].Noise Control,1958(4):234-235.

[2]譚達(dá)明.內(nèi)燃機(jī)振動(dòng)控制[M].成都：西南交通大學(xué)出版社，1993.

[3]董邦宜.船體固體聲控制技術(shù)綜述[J].噪聲與振動(dòng)控制,1983(2)：15-21.

[4]朱石堅(jiān)，樓京俊，何其偉，等.振動(dòng)理論與隔振技術(shù)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2006.

[5]嚴(yán)濟(jì)寬.隔振降噪技術(shù)的新進(jìn)展[J].噪聲與振動(dòng)控制，1991，(Z1)：11-16.

[6]李清觀，艾鋼，楊躍進(jìn).柴油發(fā)電機(jī)組雙層隔振裝置的安裝及試驗(yàn)研究[J].柴油機(jī)，2001，(3)：47-50.

[7]胡甫才，蔡勇，鐘慶敏，楊建國(guó).柴油發(fā)電機(jī)組雙層隔振的分析與試驗(yàn)研究[J].噪聲與振動(dòng)控制，2007，(07)：10-13.

[8]陳曉白，張建武，何克強(qiáng).機(jī)車柴油機(jī)隔振初探[J].內(nèi)燃機(jī)車，2006（3）：26-29，49-50.