朱彥祺， 李舜酩， 杜華蓉， 潘高元

(南京航空航天大學(xué) 能源與動(dòng)力學(xué)院，南京 210016)

0 引 言

隨著動(dòng)力系統(tǒng)向智能化、高速化、高可靠性發(fā)展以及市場(chǎng)對(duì)于提升舒適性的需求越來(lái)越高，人們對(duì)于車輛的NVH性能的要求也越來(lái)越高。作為車內(nèi)主要的振動(dòng)噪聲來(lái)源[1-3]，往復(fù)發(fā)動(dòng)機(jī)與其后續(xù)傳動(dòng)系統(tǒng)一直是車輛減振降噪的主要研究對(duì)象。其中傳動(dòng)系統(tǒng)由于工作轉(zhuǎn)速高、承載負(fù)荷大，如果生產(chǎn)裝配過(guò)程中出現(xiàn)誤差或是長(zhǎng)時(shí)間工作中發(fā)生磨損偏心，轉(zhuǎn)子可能會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)不平衡、碰模等故障，影響設(shè)備工作穩(wěn)定性，嚴(yán)重時(shí)甚至引發(fā)事故[4]。

發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架是研究發(fā)動(dòng)機(jī)性能的重要測(cè)試系統(tǒng)[5]，為改善發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)，特別是振動(dòng)噪聲特性提供了重要的測(cè)試數(shù)據(jù)和改進(jìn)依據(jù)[6]。但目前使用的大多數(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架都有著功能單一或者成本高昂、搭建困難、通用性差等問(wèn)題。試驗(yàn)臺(tái)架可適用的試驗(yàn)類型少、試驗(yàn)部件單一固定、不可更換，不利于實(shí)驗(yàn)室向多功能、精簡(jiǎn)化發(fā)展。針對(duì)以上問(wèn)題，本文以高校實(shí)驗(yàn)室為背景重新設(shè)計(jì)出一種模塊化、多功能、適用于多種環(huán)境的發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)。

1 試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)原則與目標(biāo)

本文以測(cè)定發(fā)動(dòng)機(jī)及其后續(xù)傳動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)噪聲特性為主要目標(biāo)設(shè)計(jì)試驗(yàn)臺(tái)架。試驗(yàn)臺(tái)需要承載相應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)噪聲試驗(yàn)、傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)不平衡試驗(yàn)以及故障信號(hào)診斷試驗(yàn)。同時(shí)，遵循的設(shè)計(jì)原則有：

(1)整體成本相對(duì)較低；

(2)適用范圍廣，能滿足同類型下不同參數(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)的測(cè)試要求；

(3)搭建簡(jiǎn)單，零件安裝便利，易于更換和擴(kuò)展部件；

(4)對(duì)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境要求相對(duì)寬泛等。

最終設(shè)計(jì)的試驗(yàn)臺(tái)主要包括基座、發(fā)動(dòng)機(jī)模塊、負(fù)載模塊、齒輪減速箱模塊、傳感測(cè)量模塊、主軸以及聯(lián)軸器。組建完成的試驗(yàn)臺(tái)可測(cè)量并分析發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)噪聲以及軸系轉(zhuǎn)動(dòng)不平衡特性，同時(shí)具有多用途、易拆裝，工作可靠等優(yōu)勢(shì)。

2 試驗(yàn)臺(tái)部件選型

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)的選型

本文兼顧柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的不平衡振動(dòng)工作特性、噪聲特性，以及轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的故障特性，選擇某型四缸柴油發(fā)動(dòng)機(jī)作為本試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)的發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)對(duì)象。其參數(shù)下：缸數(shù)4，缸徑×行程90 mm×105 mm；排量2.67 L；標(biāo)定功率36.8 kW；轉(zhuǎn)速2 500 r/min；最大扭矩157 N·m；轉(zhuǎn)速1 800 r/min；最高轉(zhuǎn)速2 630 r/min；進(jìn)氣方式自然吸氣，供油方式電動(dòng)EV泵。

2.2 試驗(yàn)臺(tái)導(dǎo)軌的選型

相對(duì)于汽油機(jī)，柴油機(jī)在運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)更加劇烈，對(duì)于基座的擾動(dòng)也更大?？紤]到試驗(yàn)臺(tái)架的基座需要承載發(fā)動(dòng)機(jī)并滿足發(fā)動(dòng)機(jī)與其他組件的振動(dòng)與安裝要求，需選用大質(zhì)量的臺(tái)架基礎(chǔ)[7]。目前比較常用的方案是選用鑄鐵T型槽平臺(tái)作為發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架的基礎(chǔ)。鑄鐵T型槽平臺(tái)也稱作T型槽平臺(tái)，主要可用來(lái)固定工件。T型槽的設(shè)計(jì)有利于臺(tái)架上模塊部件的安裝與更換，也可根據(jù)部件要求加工成長(zhǎng)孔或圓孔等。除了用于固定的T型槽，另在基座上加工限位槽用于保證傳動(dòng)軸及其相連部件的對(duì)中度要求。

2.3 發(fā)動(dòng)機(jī)減振器的選型

試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)的不平衡特性會(huì)激勵(lì)起強(qiáng)烈的振動(dòng)現(xiàn)象，其振動(dòng)特性將會(huì)對(duì)試驗(yàn)臺(tái)的工作與測(cè)試精度產(chǎn)生顯著的影響，甚至導(dǎo)致安全事故。因此要設(shè)計(jì)減振器對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行減振降噪。發(fā)動(dòng)機(jī)的固有頻率計(jì)算式為：

(1)

式中：k為中間體剛度,N/m;m為發(fā)動(dòng)機(jī)總質(zhì)量，kg。

實(shí)驗(yàn)選用的四缸發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量約為350 kg、最低轉(zhuǎn)速800 r/min。四缸發(fā)動(dòng)機(jī)每個(gè)工作循環(huán)曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)2圈，發(fā)動(dòng)機(jī)每轉(zhuǎn)點(diǎn)火2次，產(chǎn)生2次振動(dòng)激勵(lì)，計(jì)算可得最低激勵(lì)頻率f約為27 Hz。減振和隔振能力主要以發(fā)動(dòng)機(jī)的激振頻率f0和減振器的固有頻率f1的比值λ作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。試驗(yàn)基礎(chǔ)的隔振效率η的計(jì)算式如下：

(2)

當(dāng)λ>1時(shí)，試驗(yàn)基礎(chǔ)即可隔振，隨著λ的增大，隔振效果越來(lái)越好[8]。

2.4 負(fù)載的選型

作為發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上的重要部件，負(fù)載模塊一般選用測(cè)功機(jī)來(lái)吸收發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的功率，并通過(guò)負(fù)載的調(diào)整適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)所需要的運(yùn)行工況。

目前工程中常用的測(cè)功機(jī)主要有水力測(cè)功機(jī)、電渦流測(cè)功機(jī)和電力測(cè)功機(jī)。本設(shè)計(jì)中測(cè)功機(jī)需要作為動(dòng)力輸出，倒拖發(fā)動(dòng)機(jī)工作來(lái)測(cè)定發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械損失與機(jī)械噪聲。根據(jù)測(cè)功機(jī)的測(cè)量原理，可選用交流電力測(cè)功機(jī)。交流測(cè)功機(jī)相對(duì)于另兩種發(fā)動(dòng)機(jī)，具有測(cè)試精度高，控制性好的優(yōu)勢(shì)，并可輕松實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的雙向加載[9]。

測(cè)功機(jī)型號(hào)的選擇一般以所需測(cè)量的發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩與轉(zhuǎn)速為依據(jù)。選取的柴油機(jī)最大功率為36.8 kW，轉(zhuǎn)速范圍為800～2 630 r/min，最大扭矩為157 N·m出現(xiàn)在1 800 r/min。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)的最大功率、扭矩和轉(zhuǎn)速最好在測(cè)功機(jī)相應(yīng)參數(shù)的50%～90%范圍內(nèi)，因此本設(shè)計(jì)中選用額定功率50 kW，額定轉(zhuǎn)速3 000 r/min的交流電力測(cè)功機(jī)。

在測(cè)功機(jī)不適用的場(chǎng)合，也可采用調(diào)速電機(jī)和摩擦圓盤作為負(fù)載組合，同時(shí)需要注意摩擦盤的固定和散熱。

2.5 減速齒輪箱的選型

齒輪箱是車輛傳動(dòng)系統(tǒng)必不可少的一部分。行星齒輪箱具有體積小、傳動(dòng)比大、質(zhì)量輕、傳動(dòng)效率高、能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，因此在車輛上的應(yīng)用也逐漸廣泛。為進(jìn)行齒輪箱的振動(dòng)性能實(shí)驗(yàn)與故障信號(hào)診斷實(shí)驗(yàn)；同時(shí)也拓寬了不同發(fā)動(dòng)機(jī)與測(cè)功機(jī)的轉(zhuǎn)速與扭矩范圍，增強(qiáng)試驗(yàn)臺(tái)通用性，在試驗(yàn)臺(tái)上選用了行星齒輪減速箱。

3 試驗(yàn)臺(tái)傳感測(cè)試系統(tǒng)

在試驗(yàn)中需要采集發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲、振動(dòng)、扭矩、轉(zhuǎn)速等信息，以實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)噪聲特性的分析。故需在試驗(yàn)臺(tái)上安裝相應(yīng)傳感器[10]，并設(shè)計(jì)測(cè)試與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。同時(shí)可在試驗(yàn)臺(tái)架附近設(shè)計(jì)安裝一部攝像頭用以觀察和記錄試驗(yàn)圖像資料。

3.1 傳感器的選型

實(shí)驗(yàn)中需要測(cè)量的主要有發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)與噪聲，以及試驗(yàn)臺(tái)上傳動(dòng)軸的扭振，故實(shí)驗(yàn)中需要以下幾種傳感器。

(1) 加速度傳感器。發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)特性主要通過(guò)加速度傳感器測(cè)量。目前工程中通常使用壓電式加速度傳感器。壓電式加速度傳感器采用具有壓電效應(yīng)的材料，如石英、壓電陶瓷等作為敏感元件，具有頻率響應(yīng)范圍寬、靈敏度高、動(dòng)態(tài)特性好、橫向靈敏度低、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。

(2) 位移傳感器。實(shí)驗(yàn)中可采用位移傳感器來(lái)檢測(cè)傳動(dòng)軸的振動(dòng)位移。由于傳動(dòng)軸在試驗(yàn)臺(tái)上屬于高速運(yùn)動(dòng)部件，故可選用激光位移傳感器或者電渦流傳感器等非接觸式位移傳感器。

(3) 扭矩轉(zhuǎn)速傳感器。為滿足實(shí)驗(yàn)中對(duì)瞬態(tài)響應(yīng)測(cè)量的需求，可選用響應(yīng)速度較快的法蘭式扭矩轉(zhuǎn)速傳感器。該類型傳感器具有軸向尺寸小，扭矩測(cè)量精度高，轉(zhuǎn)速適用范圍廣，可動(dòng)態(tài)、靜態(tài)測(cè)量轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速，功率。在安裝時(shí)，法蘭式傳感器對(duì)同軸度要求較高。

(4) 聲學(xué)傳感器。根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，需要采集發(fā)動(dòng)機(jī)的聲學(xué)信息，故需要安裝聲學(xué)傳感器。根據(jù)規(guī)定，傳聲器應(yīng)該符合GB/T3785規(guī)定的1級(jí)儀器要求，其測(cè)量裝置必須至少覆蓋0.02～20 kHz的頻率范圍。

3.2 傳感器數(shù)據(jù)采集與顯示系統(tǒng)

為統(tǒng)一監(jiān)控和處理實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的傳感器傳回的信號(hào)，方便最后數(shù)據(jù)匯總，設(shè)計(jì)了如下傳感測(cè)量系統(tǒng)。試驗(yàn)臺(tái)架上各個(gè)傳感器將測(cè)得的信號(hào)經(jīng)電荷放大器或直接輸入信號(hào)調(diào)理模塊。經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理模塊內(nèi)的隔直電路、放大電路、調(diào)零電路、低通濾波電路及抗混疊濾波電路處理后的信號(hào)，由數(shù)據(jù)采集卡采集并連接USB總線輸入端，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入的各種信號(hào)實(shí)時(shí)傳輸[11]。

電荷放大器、信號(hào)調(diào)理模塊、同步數(shù)據(jù)采集卡、通用數(shù)據(jù)采集卡的工作全部在下位機(jī)(PLC/can)上進(jìn)行，下位機(jī)通過(guò)USB總線與計(jì)算機(jī)連接，通過(guò)監(jiān)測(cè)模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入的各種信號(hào)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、記錄與儲(chǔ)存。

如果選用云臺(tái)式攝像頭，可通過(guò)USB總線將攝像頭連接至計(jì)算機(jī)。通過(guò)計(jì)算機(jī)內(nèi)的控制模塊，可以實(shí)現(xiàn)控制云臺(tái)式攝像頭的轉(zhuǎn)動(dòng)及上下擺動(dòng)；通過(guò)計(jì)算機(jī)內(nèi)的多媒體模塊，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)多方位、多角度遠(yuǎn)程監(jiān)控與試驗(yàn)過(guò)程記錄。傳感器信號(hào)采集整理模擬框圖如圖1所示。

圖1 傳感器信號(hào)采集整理模擬框圖

4 試驗(yàn)臺(tái)模塊化設(shè)計(jì)與工作原理

4.1 試驗(yàn)臺(tái)模塊化設(shè)計(jì)

試驗(yàn)臺(tái)部件的拆裝主要需要考慮更換部件的整體性和安裝后的對(duì)中度。故：①為試驗(yàn)臺(tái)上主要部件如發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)軸、齒輪箱和測(cè)功機(jī)等，設(shè)計(jì)支撐座，使其能夠作為一個(gè)整體的模塊在試驗(yàn)臺(tái)上移動(dòng)、拆裝。其中發(fā)動(dòng)機(jī)由于在工作中會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈振動(dòng)需按發(fā)動(dòng)機(jī)—減振器—支撐座的形式安裝在試驗(yàn)臺(tái)上。同時(shí)，為避免試驗(yàn)中傳動(dòng)軸徑向上的位移、跳動(dòng)對(duì)試驗(yàn)安全與測(cè)量精度的影響，在傳動(dòng)軸的兩端設(shè)計(jì)與支撐座相連的軸承來(lái)限制傳動(dòng)軸在軸向與徑向的運(yùn)動(dòng)。②為了保證更換部件滿足對(duì)中度要求，在試驗(yàn)臺(tái)基座上設(shè)計(jì)限位槽。模塊化部件通過(guò)T型槽固定，并通過(guò)限位槽確定位置。部件按照要求安裝后即可工作，無(wú)需再進(jìn)行對(duì)中度調(diào)整。③試驗(yàn)臺(tái)上各部件均通過(guò)聯(lián)軸器與傳動(dòng)軸相連。傳動(dòng)軸與發(fā)動(dòng)機(jī)連接時(shí)，剛性聯(lián)軸器的連接要求比較苛刻，難以在試驗(yàn)臺(tái)上實(shí)現(xiàn)，可使用彈性聯(lián)軸器。彈性聯(lián)軸器可緩和沖擊，吸收振動(dòng)并降低對(duì)中度的要求。設(shè)計(jì)模塊化試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。搭建調(diào)試后的發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)如圖3所示。

1-發(fā)動(dòng)機(jī)模塊，2-加速度傳感器，3-聲學(xué)傳感器，4-速度傳感器，5-彈性聯(lián)軸器，6-傳動(dòng)軸，7-聯(lián)軸器，8-扭矩轉(zhuǎn)速傳感器，9-傳動(dòng)軸，10-負(fù)載模塊(按照實(shí)驗(yàn)選型)，11-橡膠墊片，12-支撐座，13-T型槽導(dǎo)軌，14-減振器(4個(gè))，15-聲學(xué)傳感器，16-齒輪箱模塊(可換齒輪)

圖2 模塊化試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)(配電機(jī)、齒輪箱)實(shí)物圖

4.2 試驗(yàn)臺(tái)模工作原理

正向工作時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力輸出源工作，帶動(dòng)其后的傳動(dòng)軸、齒輪箱等部件工作，最后通過(guò)負(fù)載消耗發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的功率。工作過(guò)程中通過(guò)數(shù)采系統(tǒng)獲得傳感器采集的信號(hào)，可進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)噪聲特性、轉(zhuǎn)動(dòng)不平衡等試驗(yàn)。

反向工作時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)作為負(fù)載，由另一端的電動(dòng)機(jī)提供扭矩，帶動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)上部件工作。通過(guò)數(shù)據(jù)的采集，可進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)倒拖試驗(yàn)、轉(zhuǎn)子故障實(shí)驗(yàn)等。

5 試驗(yàn)臺(tái)傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì)與校核

傳動(dòng)軸作為試驗(yàn)臺(tái)上的高速運(yùn)動(dòng)部件，用于在發(fā)動(dòng)機(jī)和負(fù)載之間傳遞轉(zhuǎn)速和扭矩，同樣也是扭轉(zhuǎn)不平衡實(shí)驗(yàn)的載體。試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速扭矩波動(dòng)比較大，特別是全負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，傳動(dòng)軸容易發(fā)生振動(dòng)、斷裂。為保障試驗(yàn)臺(tái)安全穩(wěn)定運(yùn)行，需要以試驗(yàn)臺(tái)的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度為依據(jù)設(shè)計(jì)傳動(dòng)軸，并對(duì)其固有特性進(jìn)行分析。

5.1 傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì)

傳動(dòng)軸主要用于連接試驗(yàn)臺(tái)上的部件，如發(fā)動(dòng)機(jī)、減速齒輪箱、扭矩轉(zhuǎn)速傳感器和測(cè)功機(jī)。為滿足試驗(yàn)要求及通用性，需對(duì)軸的外形進(jìn)行初步設(shè)計(jì)。

依據(jù)傳動(dòng)軸安裝要求將傳動(dòng)軸設(shè)計(jì)成階梯軸。并在傳動(dòng)軸上設(shè)計(jì)動(dòng)平衡轉(zhuǎn)子圓盤，用于轉(zhuǎn)動(dòng)不平衡研究。綜上要求，主要傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 傳動(dòng)軸模型圖

5.2 傳動(dòng)軸的校核

(1) 強(qiáng)度校核。作為試驗(yàn)臺(tái)上扭矩的傳遞載體，軸的尺寸需要通過(guò)強(qiáng)度計(jì)算以承擔(dān)施加在軸上的載荷。傳動(dòng)軸的最小直徑[12]

(3)

式中：P為傳動(dòng)軸所傳遞的功率，kW；n為軸的額定轉(zhuǎn)速，r/min；C為與材料有關(guān)的系數(shù)，可查閱機(jī)械手冊(cè)獲得。

選取通用材料45鋼，計(jì)算可得軸的最小直徑應(yīng)大于30 mm。

(2) 模態(tài)分析。試驗(yàn)中，由于發(fā)動(dòng)機(jī)的不平衡輸出特性等原因會(huì)引發(fā)傳動(dòng)軸振動(dòng)，影響試驗(yàn)測(cè)量精度和結(jié)果，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成設(shè)備損壞，轉(zhuǎn)軸斷裂甚至試驗(yàn)事故。因此需要對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行模態(tài)分析，獲得其固有頻率與固有振型及臨界轉(zhuǎn)速。依此調(diào)整傳動(dòng)軸尺寸，以避開(kāi)共振頻率，確保試驗(yàn)安全進(jìn)行[13]。

利用強(qiáng)大的網(wǎng)格劃分軟件Hypermesh對(duì)建立的模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分好的模型如圖5所示。

圖5 網(wǎng)格模型圖

將劃分好的網(wǎng)格文件導(dǎo)入ANSYS Workbench中，簡(jiǎn)化邊界條件為兩端軸承支撐，忽略系統(tǒng)阻尼對(duì)軸的影響，進(jìn)行模態(tài)計(jì)算。得到傳動(dòng)軸的各階固有頻率及對(duì)應(yīng)的固有振型。由于本試驗(yàn)臺(tái)工作轉(zhuǎn)速相對(duì)較低，并且低階固有模態(tài)具有更大的能量，對(duì)于實(shí)驗(yàn)影響更大[14]。因此，本文提取傳動(dòng)軸的前8階固有頻率。

考慮軸的臨界轉(zhuǎn)速時(shí)，可將軸簡(jiǎn)化為理想的等截面簡(jiǎn)支梁，等截面簡(jiǎn)支梁橫向振動(dòng)的固有頻率與軸旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的臨界轉(zhuǎn)速值是相同的，轉(zhuǎn)速和頻率的關(guān)系[15],

n=60f

(4)

近似計(jì)算出的結(jié)果與實(shí)際臨界轉(zhuǎn)速相比偏高，結(jié)果見(jiàn)表2。其中第3階頻率為軸向扭轉(zhuǎn)頻率。

表2 主軸固有頻率

由表可見(jiàn)選定的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速(2 630 r/min)遠(yuǎn)低于臨界轉(zhuǎn)速，傳動(dòng)軸可承受更高轉(zhuǎn)速并穩(wěn)定工作。

(3) 諧響應(yīng)分析。諧響應(yīng)分析一般用于計(jì)算線性結(jié)構(gòu)在承受對(duì)時(shí)間呈正弦變化的載荷時(shí)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)?？梢杂?jì)算出不同頻率載荷下結(jié)構(gòu)的頻響曲線，從而預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)的持續(xù)性動(dòng)力特性，驗(yàn)證在需要承受的載荷下設(shè)計(jì)是否能避免共振，克服疲勞，穩(wěn)定工作[16]。

當(dāng)傳動(dòng)軸穩(wěn)定工作時(shí)，軸上存在的不平衡質(zhì)量會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生簡(jiǎn)諧激勵(lì)。在模態(tài)分析的基礎(chǔ)上在轉(zhuǎn)子圓盤上施加不平衡載荷，并在Workbench中采用模態(tài)疊加法進(jìn)行諧響應(yīng)分析。根據(jù)模態(tài)分析結(jié)果計(jì)算頻率范圍為0.01～1.01 kHz，載荷子步數(shù)設(shè)置為50。根據(jù)振型圖，分別提取如圖6所示a、b、c3段軸面的幅頻曲線，結(jié)果如圖7所示。

分析圖8可知，第1階固有頻率振型對(duì)整個(gè)模型影響最大，另在第4、8階頻率附近振幅也出現(xiàn)了峰值，其余各階固有頻率對(duì)振型影響相對(duì)較小。試驗(yàn)中需注意避開(kāi)這3段共振區(qū)域。

圖6 軸面提取圖

(a) 軸面a幅頻曲線

(b) 軸面b幅頻曲線

圖7 幅頻曲線圖

(a) 1階振型圖

(b) 4階振型圖

(c) 8階振型圖

6 結(jié) 語(yǔ)

(1) 研發(fā)的多功能模塊化發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)主要用于分析往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)及其后續(xù)傳動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)噪聲及轉(zhuǎn)動(dòng)不平衡特性，同時(shí)兼顧了齒輪箱和轉(zhuǎn)子其他故障的診斷與分析實(shí)驗(yàn)。

(2) 設(shè)計(jì)完成的試驗(yàn)臺(tái)主要部件、傳感器以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)滿足試驗(yàn)要求，并校核了傳動(dòng)軸滿足強(qiáng)度要求，試驗(yàn)臺(tái)工作安全可靠。

(3) 通過(guò)模塊化設(shè)計(jì)完成的試驗(yàn)臺(tái)克服了普通發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)功能單一、形式固定不可更改等缺陷，具有多功能、模塊化、搭建便利和節(jié)省空間等優(yōu)勢(shì)，為后續(xù)試驗(yàn)臺(tái)發(fā)展提供了參考。