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        內(nèi)燃機(jī)增壓器油管的振動(dòng)研究與優(yōu)化設(shè)計(jì)

        2020-12-28 09:28:18趙宏陽亓宗磊郭彬李艷君
        汽車零部件 2020年12期
        關(guān)鍵詞:增壓器內(nèi)燃機(jī)軟管

        趙宏陽,亓宗磊,郭彬,李艷君

        (濰柴動(dòng)力股份有限公司國際應(yīng)用工程中心,山東濰坊 261000)

        0 引言

        渦輪增壓器因轉(zhuǎn)速高,并且與高溫排氣相連,在使用過程中溫度極高,增壓器油管作為潤滑油的通道,起到潤滑與冷卻的關(guān)鍵作用。同時(shí),增壓器系統(tǒng)作為發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的核心部件,工作環(huán)境通常十分惡劣,振動(dòng)因素也因此成為發(fā)動(dòng)機(jī)管路及管路支架斷裂的主要原因[1]。當(dāng)發(fā)動(dòng)或增壓器的振動(dòng)頻率與增壓器油管固有頻率接近時(shí),就會(huì)產(chǎn)生共振,加劇了管路的振動(dòng),使油管出現(xiàn)振裂、漏油等故障,嚴(yán)重影響增壓器使用壽命與發(fā)動(dòng)機(jī)工作性能。本文作者針對(duì)增壓器油管振動(dòng)過大問題,運(yùn)用LMS Test Lab 試驗(yàn)與Abaqus仿真相結(jié)合的方法,找出了振動(dòng)過大的原因,并提出改進(jìn)方案,有效抑制了油管的振動(dòng)。

        1 問題描述

        某型號(hào)6缸內(nèi)燃機(jī)采用渦輪增壓技術(shù),為安裝方便,增壓器油管采用鋼管與編織軟管組合的形式。在臺(tái)架試驗(yàn)過程中,發(fā)現(xiàn)增壓器油管中鋼管與編織軟管接口位置在某個(gè)轉(zhuǎn)速下振動(dòng)劇烈,可能造成使用過程中增壓器油管鋼管與軟管連接松動(dòng),出現(xiàn)漏油的故障,需找出振動(dòng)過大的原因。為確定產(chǎn)生劇烈振動(dòng)的轉(zhuǎn)速與振動(dòng)頻率,使用LMS設(shè)備測(cè)試圖1點(diǎn)處發(fā)動(dòng)機(jī)升速過程中增壓器油管振動(dòng),其升速工況振動(dòng)幅值曲線如圖2所示。

        圖1 振動(dòng)測(cè)點(diǎn)

        圖2 升速工況振動(dòng)曲線

        升速工況振動(dòng)頻譜如圖3所示。

        圖3 升速工況振動(dòng)頻譜

        由圖2可知,增壓器進(jìn)油管在轉(zhuǎn)速為1 035 r/min、1 425 r/min 左右時(shí),振動(dòng)烈度出現(xiàn)極值,在1 035 r/min轉(zhuǎn)速時(shí)振幅為72 mm/s,在1 425 r/min時(shí)振幅為130 mm/s。如圖3所示,在轉(zhuǎn)速1 035 r/min、振動(dòng)幅值最大時(shí)頻率為104 Hz,在轉(zhuǎn)速為1 425 r/min、振動(dòng)幅值最大時(shí)頻率為141 Hz,并且可以看出兩個(gè)振動(dòng)最大的頻率均處在內(nèi)燃機(jī)軸頻的6階次線上。

        2 原因分析

        2.1 振動(dòng)模型

        文中模型中,增壓器油管兩端分別固定在發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體與增壓器上,發(fā)動(dòng)機(jī)與增壓器在工作過程中會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)。增壓器與發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)又作為增壓器油管的振動(dòng)源,造成管路的強(qiáng)迫振動(dòng)。該振動(dòng)模型示意圖如圖4所示。

        圖4 振動(dòng)模型示意

        2.2 油管外部激力

        測(cè)試油管振動(dòng)源振動(dòng),測(cè)點(diǎn)如圖4所示,A2測(cè)點(diǎn)為增壓器與油管連接處,A3測(cè)點(diǎn)為內(nèi)燃機(jī)機(jī)體與油管連接處。増壓器振動(dòng)頻譜圖如圖5所示、機(jī)體振動(dòng)頻譜如圖6所示。由圖5可知,增壓器在內(nèi)燃機(jī)軸頻的3階次與6階次處存在振動(dòng)幅值。由圖6可知,機(jī)體的6階次振動(dòng),相對(duì)較小。增壓器在工作時(shí)轉(zhuǎn)速極高,共振過程中不會(huì)出現(xiàn)低階次振動(dòng)。而發(fā)動(dòng)機(jī)工作中主要激勵(lì)為點(diǎn)火激勵(lì)與點(diǎn)火激勵(lì)的高諧次激勵(lì),本內(nèi)燃機(jī)為6缸2沖程發(fā)動(dòng)機(jī),工作時(shí)點(diǎn)火激勵(lì)為內(nèi)燃機(jī)軸頻的3階次。因此增壓器6階次振動(dòng)為發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火激勵(lì)頻率的高諧次振動(dòng)傳遞到增壓器導(dǎo)致。可以分析得出,油管振動(dòng)主要由增壓器振動(dòng)導(dǎo)致,振動(dòng)傳遞路徑依次為內(nèi)燃機(jī)、增壓器、增壓器油管。

        圖5 增壓器振動(dòng)頻譜

        圖6 機(jī)體振動(dòng)頻譜

        2.3 增壓器油管模態(tài)計(jì)算

        使用Abaqus軟件對(duì)原模型增壓器油管進(jìn)行模態(tài)仿真計(jì)算,計(jì)算得到固有頻率見表1。由于軟管振型較為復(fù)雜,振動(dòng)能量相對(duì)較小,分析振型時(shí)可忽略軟管的局部模態(tài),振型圖如圖7所示。

        表1 增壓器進(jìn)油管約束模態(tài)頻率 Hz

        通過仿真結(jié)果可知,進(jìn)油管前兩階固有頻率分別為102.9 Hz 與130.2 Hz,振型中振動(dòng)最大點(diǎn)為上部分鋼管與編織軟管連接處,這與測(cè)試位置相同。

        圖7 模態(tài)振型

        2.4 共振機(jī)制分析

        單自由度系統(tǒng)在簡(jiǎn)諧激振力作用下受迫振動(dòng)微分方程為:

        (1)

        式中:ω為激振力頻率;m為質(zhì)量;c為系統(tǒng)阻尼;k為系統(tǒng)剛度;F0為激振力幅值;x為位移;t為時(shí)間。

        對(duì)上述振動(dòng)方程求解,可以得到穩(wěn)態(tài)振動(dòng)響應(yīng)為:

        x=Asin(ωt-α)

        (2)

        (3)

        式中:ωn為系統(tǒng)的固有頻率;α為相位角;A為振幅。

        由式(2)可知,振動(dòng)響應(yīng)頻率等于激勵(lì)頻率,增壓器在轉(zhuǎn)速為1 035 r/min與1 425 r/min轉(zhuǎn)速時(shí),104 Hz與141 Hz振動(dòng)較大,因此油管在此轉(zhuǎn)速下振動(dòng)頻譜中幅值出現(xiàn)在104 Hz與141 Hz。由式(3)可知,當(dāng)激勵(lì)頻率與固有頻率相等時(shí),振幅有最大值,此時(shí)的現(xiàn)象稱為共振。由仿真計(jì)算得到油管的固有頻率分別為102.9 Hz與130.2 Hz,與增壓器振動(dòng)104 Hz與141 Hz頻率較好地吻合,由于計(jì)算中誤差的存在,兩者之間存在偏差。

        通過上述分析可知,油管在1 035 r/min與1 425 r/min轉(zhuǎn)速出現(xiàn)振動(dòng)過大的原因?yàn)楣舱駥?dǎo)致。為降低油管振幅,應(yīng)避免共振現(xiàn)象的發(fā)生。

        3 優(yōu)化與仿真

        通過分析可知,增壓器油管振動(dòng)過大的原因?yàn)楣舱駥?dǎo)致,為避免共振可提高增壓器油管固有頻率,使增壓器油管固有頻率提高到增壓器的6階次振動(dòng)頻率以上。提高模態(tài)的方法主要有減輕質(zhì)量與提高剛度,由于增壓器安裝位置固定,無法縮短油管的長度,因此文中采用增加系統(tǒng)的剛度的方法,重新設(shè)計(jì)增壓器油管路,優(yōu)化設(shè)計(jì)方案如圖8所示。優(yōu)化方案中將編織軟管下移,并添加管夾,提高油管的約束剛度。

        圖8 優(yōu)化前后方案

        對(duì)優(yōu)化后的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行仿真分析,計(jì)算得出增壓器油管的固有頻率見表2。

        表2 增壓器油管約束模態(tài)頻率

        通過表2可知,此時(shí)油管的第一階固有頻率為299 Hz,高于增壓器振動(dòng)的6階次頻率最大值190 Hz,優(yōu)化后管路可以避免共振的發(fā)生。

        4 結(jié)果驗(yàn)證

        對(duì)新設(shè)計(jì)油管裝機(jī)進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試,以驗(yàn)證方案可行性。測(cè)試位置選擇軟管與鋼管連接處,測(cè)試工況為內(nèi)燃機(jī)緩升速,測(cè)試結(jié)果如圖9所示。由圖9可知,在整個(gè)升速范圍內(nèi),油管振動(dòng)幅值小于80 mm/s,振幅降低較多,滿足設(shè)計(jì)要求。

        圖9 優(yōu)化方案升速工況振動(dòng)曲線

        5 結(jié)束語

        文中研究綜合運(yùn)用振動(dòng)測(cè)試與模態(tài)仿真相結(jié)合的方法分析了某內(nèi)燃機(jī)增壓器油管振動(dòng)過大的原因,確定了振幅過大為增壓器6階次振動(dòng)頻率導(dǎo)致油管共振引起。通過優(yōu)化增壓器油管系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與安裝方式,提高油管的模態(tài),避免了共振。通過試驗(yàn)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的可行性,為類似問題提供了解決思路與方法。

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