陳行，張立民，李開程，于海然

(西南交通大學(xué) 牽引動(dòng)力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031)*

某內(nèi)燃動(dòng)力包柴油發(fā)電機(jī)組雙層隔振系統(tǒng)設(shè)計(jì)及評(píng)價(jià)分析初探

陳行，張立民，李開程，于海然

(西南交通大學(xué) 牽引動(dòng)力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031)*

對(duì)某內(nèi)燃動(dòng)力包柴油發(fā)電機(jī)組雙層隔振系統(tǒng)進(jìn)行了研究分析.根據(jù)邊界條件、約束條件及變量等因素，確定了雙層隔振系統(tǒng)隔振器的剛度分組及隔振器的三向剛度比例關(guān)系，得到了雙層隔振系統(tǒng)隔振器的剛度結(jié)果.根據(jù)此剛度計(jì)算出了機(jī)組及框架的振動(dòng)烈度和動(dòng)反力，結(jié)果表明系統(tǒng)的隔振性能較好，能滿足工程要求.由于隔振器生產(chǎn)工藝誤差，在原始剛度基礎(chǔ)上進(jìn)行了±15%的誤差分析.從傳遞率曲線上可知，系統(tǒng)在各剛度方案工況下有效避開了41 Hz以上的傾倒力矩簡諧成分，同時(shí)也避開了柴油機(jī)額定轉(zhuǎn)速頻率激勵(lì)成分，系統(tǒng)不發(fā)生共振，此剛度設(shè)計(jì)合理.

動(dòng)力包；雙層隔振；剛度設(shè)計(jì)；共振

0 引言

柴油發(fā)電機(jī)大部分為往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)，由于活塞連桿機(jī)構(gòu)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)以及輸出扭矩時(shí)形成的脈沖反作用力,柴油發(fā)電機(jī)本身就是一個(gè)固有的振動(dòng)源[1].柴油發(fā)電機(jī)是內(nèi)燃動(dòng)車上的主要?jiǎng)恿υ丛O(shè)備，在運(yùn)行狀態(tài)下，柴油發(fā)電機(jī)也是列車的主要振動(dòng)來源.柴油發(fā)電機(jī)工作產(chǎn)生的振動(dòng)會(huì)通過與車體之間的連接裝置傳遞到車體，影響車體的乘坐舒適性和運(yùn)行安全.為了減小柴油發(fā)電機(jī)組振動(dòng)對(duì)車體的影響，需要通過隔振器來連接機(jī)組和車體，以衰減傳遞到車體上的振動(dòng)能量和幅值.柴油發(fā)電機(jī)組設(shè)備直接或間接的吊掛在車體底架上，由于柴油發(fā)電機(jī)組本身就是激勵(lì)源，當(dāng)激勵(lì)頻率與車體局部或車下設(shè)備吊掛頻率相等的時(shí)候會(huì)引起共振[2-3].因此對(duì)于雙層隔振系統(tǒng)的隔振參數(shù)選擇不當(dāng)，就容易使車下設(shè)備與車體產(chǎn)生耦合共振[4-5].

本文通過對(duì)雙層隔振系統(tǒng)動(dòng)剛度計(jì)算分析，得出了雙層隔振系統(tǒng)的一、二級(jí)隔振器的三向剛度值，計(jì)算出在主要激振力方向的傳遞率，分析系統(tǒng)在主要激振力方向是否引起共振，同時(shí)得到了在此剛度下系統(tǒng)的振動(dòng)烈度值和動(dòng)反力，由于生產(chǎn)工藝誤差，并分析了在誤差情況下系統(tǒng)是否產(chǎn)生共振.

1 柴油發(fā)電機(jī)組模型及隔振設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)

1.1 柴油發(fā)電機(jī)組模型及物理參數(shù)

內(nèi)燃動(dòng)力包的三維結(jié)構(gòu)如圖1所示.柴油發(fā)電機(jī)組、消聲器、空濾器以及各部件之間的連接管路集成在框架上，框架通過隔振器吊掛在車體底架上.柴油發(fā)電機(jī)機(jī)組是機(jī)組總成中的主要激振源，機(jī)組與框架通過5個(gè)錐形橡膠一級(jí)隔振器相連，在垂向主要受壓縮變形，而在橫向和縱向主要受剪切變形，一級(jí)隔振器編號(hào)為1-1～1-4；二級(jí)隔振器由4個(gè)V型隔振器組成，在垂向和縱向同時(shí)受壓縮和剪切，而在橫向只受剪切，其剛度的垂縱比和垂橫比都較好調(diào)節(jié)，二級(jí)隔振器編號(hào)為2-1～2-4，如圖2所示.柴油發(fā)電機(jī)組隔振器位置參數(shù)如表1所示.柴油發(fā)電機(jī)組物理參數(shù)如表2所示.

圖1 動(dòng)力包三維結(jié)構(gòu)圖

圖2 柴油發(fā)電機(jī)組隔振器安裝示意圖

mm

表2 柴油發(fā)電機(jī)組物理參數(shù)表

1.2 理論基礎(chǔ)

一般雙層隔振系統(tǒng)的振動(dòng)可用下列方程描述[4]:

(1)

式中,質(zhì)量、阻尼和剛度矩陣均為12階方陣，與之對(duì)應(yīng)的加速度、速度和位移量也是12維的，形式如下：

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

式中,ωl為機(jī)組各階擾動(dòng)圓頻率(l=1,2,…,m)；Ωl為機(jī)組第l階擾動(dòng)力相位角；Fl為機(jī)組第l階擾動(dòng)力幅值矢量；{Fl}=[Fxl,Fyl,Fzl,Fαl,Fβl,Fγl,0,0,0,0,0].Fxl,Fyl,Fzl分別為作用在機(jī)組重心處沿參考坐標(biāo)系ox,oy,oz的第l階擾動(dòng)力的幅值；Fαl,Fβl,Fγl分別為作用在機(jī)組上使機(jī)組繞參考坐標(biāo)系ox,oy,oz轉(zhuǎn)動(dòng)的第l階擾動(dòng)力矩的幅值.

2 雙層隔振系統(tǒng)剛度設(shè)計(jì)分析

對(duì)隔振器剛度設(shè)計(jì)，需要做到隔振效率與系統(tǒng)穩(wěn)定性間的平衡，首先要確定邊界條件、約束條件及變量等要素.通過支撐處的動(dòng)反力、機(jī)組振動(dòng)烈度、激振力方向的力傳遞率來評(píng)價(jià)剛度設(shè)計(jì)是否合理.根據(jù)系統(tǒng)的穩(wěn)定性及隔振器的負(fù)載能力，確定隔振器垂向剛度限值，為了滿足隔振系統(tǒng)的靜平衡和解耦要求，對(duì)各級(jí)隔振器按剛度進(jìn)行分組，確定各組隔振器剛度間的函數(shù)關(guān)系及3向剛度比例關(guān)系.同時(shí)機(jī)組的模態(tài)固有頻率要避開激勵(lì)頻率，避免相互之間發(fā)生耦合共振.

2.1 一級(jí)隔振器剛度設(shè)計(jì)分析

通過對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組隔振器安裝位置的分析，隔振器安裝位置相對(duì)3個(gè)慣性軸都不對(duì)稱，且1-1隔振器與其他隔振在z向高度不同.如果各隔振器選用相同剛度，6個(gè)自由度的振動(dòng)模態(tài)嚴(yán)重耦合，各方向振動(dòng)相互影響，惡化隔振性能.因此，需通過隔振器剛度的合理匹配，降低6個(gè)自由度的振動(dòng)模態(tài)耦合和相互影響.在此，將一級(jí)隔振器分為3組，由于1-1隔振器與其他隔振器垂向高度不一致將其單獨(dú)分為一組，1-2與1-3分為一組，1-4與1-5分為一組.

通過計(jì)算分析，在隔振器安裝位置相對(duì)慣性軸不對(duì)稱的情況下，設(shè)法做到相對(duì)慣性軸隔振器彈性力對(duì)稱布置.根據(jù)一級(jí)隔振器相對(duì)柴油發(fā)電機(jī)質(zhì)心得位置，柴油發(fā)電機(jī)組的質(zhì)心位置如圖3所示，計(jì)算得出三組隔振器垂向剛度需滿足：

(7)

圖3 一級(jí)隔振相對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組質(zhì)心位置

按照擬選隔振器類型的剛度范圍、安裝限制和隔振需要，機(jī)組z向頻率控制在8Hz附近，這樣才能保證機(jī)組的穩(wěn)定，隔振器6mm左右靜變形量也能滿足安裝要求.根據(jù)機(jī)組總質(zhì)量，隔振器的z向總剛度下限應(yīng)為ksum=6 500 N/mm左右，即三組隔振器垂向剛度滿足如下邊界條件：

(8)

隔振器3向剛度中，為降低主要激勵(lì)(傾倒力矩)方向(α方向，繞x軸)的模態(tài)頻率和耦合度，在隔振器z向剛度一定的情況下，應(yīng)在y向選較小的剛度；而在x方向(列車運(yùn)行方向)，為提高柴油發(fā)電機(jī)組的穩(wěn)定性，同時(shí)考慮到該方向沒有重要激振力作用，應(yīng)選較大的剛度.參考該類隔振器3向剛度特性，一級(jí)隔振器三向剛度比例的初值選為縱(x)∶橫(y)∶垂(z)=1.67∶0.8∶1.0.

2.2 二級(jí)隔振器剛度設(shè)計(jì)分析

同理，可確定二級(jí)隔振器剛度設(shè)計(jì)的邊界條件和約束條件.二級(jí)隔振器的安裝位置相對(duì)框架質(zhì)心沿3個(gè)慣性軸都不完全對(duì)稱，但相對(duì)x軸對(duì)稱較好，相對(duì)y軸對(duì)稱較差.為提高解耦度、保持機(jī)組靜平衡和方便對(duì)隔振系統(tǒng)進(jìn)行生產(chǎn)和維護(hù)，框架隔振器在y軸兩側(cè)分為2組，隔振器2-1和2-4剛度相等，做到y(tǒng)軸彈性力對(duì)稱，根據(jù)二級(jí)隔振器相對(duì)機(jī)組總成質(zhì)心得位置，計(jì)算得出柴油機(jī)一側(cè)二級(jí)隔振器(2-1和2-2)與另一側(cè)二級(jí)隔振器(2-2和2-3)剛度比值為0.59∶1.

考慮隔振器在負(fù)荷下的變形量和系統(tǒng)穩(wěn)定，按照公共框架的質(zhì)量和機(jī)組的質(zhì)量比，選擇最佳垂向剛度，參考二級(jí)隔振器3向剛度特性，隔振器的垂向總剛度下限應(yīng)為11 500N/mm左右.隔振器3向剛度中， 為降低主要激勵(lì)(傾倒力矩)方向

表3 隔振器剛度設(shè)計(jì)結(jié)果 N/mm

(α方向，繞x軸)的模態(tài)頻率和耦合度，并兼顧動(dòng)力包在主要激振力方向的穩(wěn)定性，在隔振器z向剛度一定的情況下，y向選較小的剛度；在x方向選較大的剛度.參考該類隔振器3向剛度特性，二級(jí)隔振器三向剛度比例初值選為縱(x)∶橫(y)∶垂(z)=1.25∶0.25∶1.0.根據(jù)以上分析，隔振器剛度設(shè)計(jì)結(jié)果如表3.

3 隔振系統(tǒng)特性分析

3.1 動(dòng)力包模態(tài)固有頻率分析

為了提高模型的計(jì)算精度，將動(dòng)力包進(jìn)行離散化處理，利用ANSYS進(jìn)行仿真計(jì)算，將柴油機(jī)和發(fā)電機(jī)視為剛體，其質(zhì)心處質(zhì)量單元為Mass21，一級(jí)隔振器用Combin14單元模擬其剛度和阻尼.框架用殼單元進(jìn)行模擬，用Shell163對(duì)其網(wǎng)格劃分.二級(jí)隔振器的安裝位置采用板材焊接來模擬實(shí)際焊接，二級(jí)隔振器參數(shù)設(shè)置與一級(jí)隔振器相似.一級(jí)、二級(jí)隔振器的阻尼比為0.15, 根據(jù)表3的剛度結(jié)果對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)頻率計(jì)算.通過計(jì)算，內(nèi)燃動(dòng)力包的固有頻率如表4所示.

表4 動(dòng)力包固有頻率

3.2 結(jié)果評(píng)價(jià)分析

為了對(duì)此隔振系統(tǒng)的隔振特性進(jìn)行分析，驗(yàn)證機(jī)組與構(gòu)架之間是否產(chǎn)生共振，根據(jù)表3的剛度結(jié)果對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行強(qiáng)迫振動(dòng)分析.柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速為820～1 800 r/min，對(duì)應(yīng)激振力的頻率為13.7～30 Hz，對(duì)于5次諧振對(duì)應(yīng)的頻率為150 Hz，因此，筆者的分析頻率為0～150 Hz.

分析柴油發(fā)電機(jī)組在怠速工況下隔振系統(tǒng)力傳遞率，判斷系統(tǒng)是否避開了柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速頻率以及其它諧次激勵(lì)頻率.由于隔振器生產(chǎn)誤差，因此對(duì)隔振器的剛度進(jìn)行±15%的誤差分析：剛度方案1：一級(jí)隔振器剛度全部增加15%，二級(jí)隔振器剛度全部增加15%；剛度方案2：一級(jí)隔振器剛度全部減小15%，二級(jí)隔振器剛度全部減小15%；剛度方案3：一級(jí)隔振器剛度不變，二級(jí)1,4號(hào)隔振器剛度增加15%，2,3號(hào)隔振器剛度減小15%；剛度方案4：一級(jí)2,3號(hào)隔振器剛度增加15%，4,5號(hào)隔振器剛度減小15%，二級(jí)隔振器剛度不變；剛度方案工況5：一級(jí)隔振器剛度全部減小15%，二級(jí)隔振器剛度全部增加15%；剛度方案工況6：一級(jí)隔振器剛度全部增加15%，二級(jí)隔振器剛度全部減少15%；分析出5個(gè)剛度方案下的傳遞.對(duì)比原方案，判斷隔振性能是否滿足要求.各剛度方案下的傳遞率曲線如圖4.將圖4中各剛度方案下傳遞率曲線峰值點(diǎn)統(tǒng)計(jì)如表5.提取機(jī)組上的9個(gè)測(cè)點(diǎn)位置及框架架上的4個(gè)測(cè)點(diǎn)位置的速度時(shí)域曲線，計(jì)算得到系統(tǒng)的振動(dòng)烈度值，通過動(dòng)力學(xué)仿真軟件計(jì)算出了系統(tǒng)的動(dòng)反力，結(jié)果如表6.

圖4 傳遞率曲線

剛度方案頻率/Hz原始3.66.57.99.711.615.613.87.08.410.011.916.323.36.07.39.210.914.633.56.67.99.811.615.543.66.17.99.711.715.553.76.47.89.511.115.863.46.57.910.012.116.0

從圖4中可知，系統(tǒng)共振帶主要集中在0～35 Hz之間，根據(jù)表5的峰值統(tǒng)計(jì)可知，系統(tǒng)有效避開了41 Hz以上的柴油機(jī)傾倒力矩主簡諧成分，同時(shí)也避開了13.7、15、16.7、20、23.3、27.5、30 Hz等轉(zhuǎn)速激勵(lì)成分，避免了系統(tǒng)在主要激振力方向引起的共振.根據(jù)表4固有頻率可知，系統(tǒng)不發(fā)生共振.

表6 振動(dòng)烈度

根據(jù)“柴油機(jī)車車內(nèi)設(shè)備機(jī)械振動(dòng)烈度評(píng)定方法(GB5913-86)”，框架振動(dòng)烈度為A等級(jí)，框架動(dòng)反力也較小，機(jī)組振動(dòng)烈度為B級(jí)，系統(tǒng)隔振性能較好，滿足工程要求，系統(tǒng)不發(fā)生共振.

4 結(jié)論

(1)根據(jù)約束及邊界條件，確定了一級(jí)隔振器和二級(jí)隔振器的剛度分組及剛度比，得出了個(gè)隔振器的剛度值;

(2)在計(jì)算出的剛度結(jié)果下，計(jì)算出了機(jī)組及框架的振動(dòng)烈度及框架的動(dòng)反力，系統(tǒng)隔振性能較好，滿足工程需求;

(3)由于隔振器的生產(chǎn)工藝誤差，分析了隔振器剛度在±15%誤差下的傳遞率，結(jié)果顯示系統(tǒng)有效避開了41 Hz以上的柴油機(jī)傾倒力矩主簡諧成分，同時(shí)也避開13.7、15、16.7、20、23.3、27.5、30 Hz等轉(zhuǎn)速激勵(lì)成分，避免了系統(tǒng)在主要激振力方向的振動(dòng).根據(jù)計(jì)算出的固有頻率可知.

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Design and Evaluation Analysis of An Internal Combustion Power Pack Diesel Generator Double Isolation System

CHEN Hang, ZHANG Liming, LI Kaichen,YU Hairan

(State Key Laboratory of Traction,Southwest Jiaotong University，Chendu 610031,China)

An internal combustion diesel generator power pack of double-layer vibration isolation system is studied. According to the boundary conditions, the constraints and variables and other factors，the relationship between the stiffness of the double layer vibration isolation system and the three direction stiffness ratio of the isolator is determined and obtained. The vibration intensity and dynamic reaction force of the unit and the frame show that the vibration isolation performance of the system is better, which can meet the engineering requirements. The vibration isolator production process error, on the basis of the original stiffness are analyzed with the error of ±15%. From the transmission rate curve. More than 41 Hz torque harmonic components is effectively averted under the working condition of stiffness scheme. The diesel engine rated speed frequency excitation component is avoided without system resonance.

dynamic package; double layer vibration isolation; stiffness design; resonan

1673- 9590(2017)03- 0022- 05

2016- 04- 04

陳行(1990-)，男，碩士研究生; 張立民(1960-)，男，教授，博士，主要從事結(jié)構(gòu)振動(dòng)、動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)與安全檢測(cè)方面的研究E- mail:jackchenh@126.com.

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