段良坤，曾超，劉倫倫，謝永勝，吳寶鑫

(內(nèi)燃機(jī)可靠性國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濰坊 261061；濰柴動(dòng)力股份有限公司，山東省濰坊市 261061)

0 引言

產(chǎn)品輕量化設(shè)計(jì)和降低其故障率是機(jī)械制造行業(yè)的主旋律。發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)和噪聲，也是我們關(guān)注的重點(diǎn)。在發(fā)動(dòng)機(jī)表面輻射噪聲中，薄壁件產(chǎn)生的噪聲占比較大。對(duì)于表面溫度較高的薄壁件，限制了橡膠等阻尼材料的應(yīng)用，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造是主要改進(jìn)方向[1]。因此，有必要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)薄壁件進(jìn)行模態(tài)分析，來(lái)有效避免由外界激勵(lì)引起的共振，造成零件的失效[2]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2018年某型號(hào)增壓器隔熱罩故障2 000余起，故障模式分布如圖1所示。通過(guò)對(duì)故障模式進(jìn)行分析，對(duì)零件結(jié)構(gòu)進(jìn)行降故障率的改進(jìn)設(shè)計(jì)。

圖1增壓器隔熱罩故障模式統(tǒng)計(jì)

增壓器隔熱罩故障模式主要以斷裂和裂紋為主，這兩項(xiàng)占總故障數(shù)的98.5%。因此，減少斷裂和裂紋是降低增壓器隔熱罩故障率的主要改進(jìn)方向。增壓器與隔熱罩不是同步開(kāi)發(fā)，增壓器上缺少了固定隔熱罩的固定端，導(dǎo)致隔熱罩懸臂過(guò)長(zhǎng)。缺少有效固定，是造成隔熱罩?jǐn)嗔训母驹?。在現(xiàn)有固定邊界基礎(chǔ)上，可以通過(guò)創(chuàng)新設(shè)計(jì)與優(yōu)化現(xiàn)有隔熱罩結(jié)構(gòu)，提升隔熱罩的可靠性，降低故障率。

1 隔熱罩可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)

1.1 模態(tài)

模態(tài)是結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)特性，只有存在激勵(lì)時(shí)結(jié)構(gòu)才產(chǎn)生振動(dòng)響應(yīng)。增壓器隔熱罩在發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火激勵(lì)或者作業(yè)工況激勵(lì)下將按照特定頻率產(chǎn)生振動(dòng)，這個(gè)特定的振動(dòng)頻率稱為增壓器隔熱罩的固有頻率，針對(duì)增壓器隔熱罩系統(tǒng)可用公式表示為

(1)

式中，ωd表示隔熱罩固有振動(dòng)圓頻率；ξ表示系統(tǒng)阻尼比；k表示系統(tǒng)剛度；m表示系統(tǒng)質(zhì)量。結(jié)構(gòu)件的阻尼比一般都小于0.1，影響系統(tǒng)模態(tài)的主要因素為剛度和阻尼。

1.2 強(qiáng)度

強(qiáng)度是材料抵抗破壞的能力，通常包含屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，對(duì)于塑性材料通常考察材料的屈服強(qiáng)度。

1.3 疲勞

高周疲勞是指材料在低于其屈服強(qiáng)度的循環(huán)應(yīng)力作用下產(chǎn)生的疲勞斷裂[3]。主要為結(jié)構(gòu)上的某些點(diǎn)承受擾動(dòng)應(yīng)力，且在足夠多的循環(huán)擾動(dòng)作用之后形成裂紋或完全斷裂的材料中發(fā)生的局部永久結(jié)構(gòu)變化的發(fā)展過(guò)程稱為疲勞。

2 隔熱罩可靠性分析

現(xiàn)有隔熱罩材料為不銹鋼板沖壓制造成型，選用的材料壁厚為1.5 mm。材料屬性，如表1所示。

表1 增壓器隔熱罩材料屬性

為了分析增壓器隔熱罩實(shí)際的工作狀態(tài)，需對(duì)其固定邊界進(jìn)行約束，并進(jìn)行有限元仿真分析和錘擊試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析[4]。為比較增壓器隔熱罩的可靠性，根據(jù)測(cè)試對(duì)標(biāo)經(jīng)驗(yàn)，分別在增壓器隔熱罩三個(gè)方向施加15 g重力加速度，對(duì)不同厚度增壓器隔熱罩進(jìn)行有限元仿真，仿真結(jié)果如表2所示。根據(jù)隔熱罩材料屬性可以得到材料在對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力下的應(yīng)力幅值為176.8 Mpa，對(duì)應(yīng)Haigh圖如圖2所示。

從仿真結(jié)果來(lái)看，隨著增壓器隔熱罩厚度的增加，系統(tǒng)一階模態(tài)頻率值逐漸增大，增壓器隔熱罩的Mises應(yīng)力逐漸減小，且?guī)|片的優(yōu)勢(shì)愈加明顯。但是1～2 mm厚隔熱罩的一階模態(tài)頻率值都小于發(fā)動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速1 900 r/min對(duì)應(yīng)的點(diǎn)火激勵(lì)頻率95 Hz，系統(tǒng)模態(tài)不滿足要求。1.5 mm厚隔熱罩的一階模態(tài)振型圖和Mises應(yīng)力圖如圖3和圖4所示。

表2 增壓器隔熱罩仿真結(jié)果

圖2不銹鋼材料Haigh圖

圖31.5 mm厚隔熱罩振型圖

圖41.5 mm厚隔熱罩Mises應(yīng)力圖

總體來(lái)說(shuō)：1 mm厚隔熱罩最大Mises應(yīng)力均高于材料的屈服強(qiáng)度；1.5 mm厚隔熱罩最大Mises應(yīng)力接近材料的疲勞極限，極限載荷工況下存在失效風(fēng)險(xiǎn)；2 mm厚隔熱罩的最大Mises應(yīng)力滿足要求，但不符合企業(yè)輕量化設(shè)計(jì)的要求。1.5 mm和2 mm厚隔熱罩加墊片有利于提升隔熱罩系統(tǒng)模態(tài)，同時(shí)對(duì)隔熱罩應(yīng)力值的降低有著明顯的效果。

3 新型隔熱罩設(shè)計(jì)

增壓器隔熱罩是發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪增壓的重要組成部分，其主要功能是阻隔增壓器對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)外圍零部件的熱輻射，起到隔熱與防護(hù)的作用[5]。目前可通過(guò)形貌優(yōu)化加筋的方式提高增壓器隔熱罩模態(tài)[6]，但是針對(duì)某些結(jié)構(gòu)提升效果不明顯。對(duì)于熱輻射方面，常用的評(píng)價(jià)指標(biāo)為發(fā)射率，通常發(fā)射率越低，熱反射能力越強(qiáng)。增壓器隔熱罩材料通常為不銹鋼，發(fā)射率為0.22，而鋁制隔熱罩的發(fā)射率為0.04，鋁材的熱反射能力明顯優(yōu)于不銹鋼材；對(duì)于熱傳導(dǎo)方面，通常用熱傳導(dǎo)率來(lái)衡量，熱傳導(dǎo)率越高，熱傳導(dǎo)能力越強(qiáng)，隔熱性能也越差。不銹鋼材和鋁材的熱傳導(dǎo)率分別為17和237，不銹鋼材的隔熱性能要優(yōu)于鋁材。對(duì)于同等厚度的不銹鋼材與鋁材，鋁材的剛度同樣低于不銹鋼材，所以上述增壓器隔熱罩不能用鋁材完全替代，鋁材的材料參數(shù)如表3所示。

結(jié)合上述分析，與供方聯(lián)合開(kāi)發(fā)了一款新型隔熱罩，其主體結(jié)構(gòu)如圖5所示。隔熱罩主體為不銹鋼材壁厚1.5 mm，主體上部焊接墊片，下部通過(guò)鉚釘固定隔熱罩內(nèi)層與外層。內(nèi)層材料為鋁材，厚度為0.5 mm，起到良好的熱反射效果，阻止增壓器熱量向外圍輻射。外層材料為不銹鋼材厚度為0.3 mm，既起到提高隔熱罩剛度的作用，又優(yōu)于鋁材的隔熱性能，內(nèi)外層的整體厚度較薄，既達(dá)到了輕量化的設(shè)計(jì)要求，又對(duì)提高隔熱罩的模態(tài)具有正面的作用。

表3 鋁材材料參數(shù)

圖5新型增壓器隔熱罩

對(duì)新型增壓器隔熱罩進(jìn)行有限元仿真，當(dāng)新型隔熱罩的主體壁厚為1.5 mm帶墊片時(shí)，原結(jié)構(gòu)的整體重量為0.8383 kg，新結(jié)構(gòu)降重率達(dá)到41%，輕量化效果較為顯著。一階模態(tài)振型圖和Mises應(yīng)力如圖6和圖7所示。與原結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比可得，新型的增壓器隔熱罩的一階模態(tài)頻率數(shù)值為124.9 Hz，高于發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火激勵(lì)頻率31.5%，模態(tài)頻率值滿足要求。同原結(jié)構(gòu)施加相同外載，新型增壓器隔熱罩的最大Mises應(yīng)力值為14.5 MPa，遠(yuǎn)低于不銹鋼材和鋁材的屈服應(yīng)力限值，同樣低于材料在交變應(yīng)力載荷下的疲勞應(yīng)力極限。

圖6新結(jié)構(gòu)一階模態(tài)振型圖

圖7新結(jié)構(gòu)Mises應(yīng)力圖

4測(cè)試試驗(yàn)

運(yùn)用噪聲振動(dòng)分析儀和三向加速度傳感器對(duì)增壓器隔熱罩原結(jié)構(gòu)和新結(jié)構(gòu)進(jìn)行振動(dòng)頻率和振動(dòng)速度的對(duì)比試驗(yàn)。新結(jié)構(gòu)帶墊片為方案一，不帶墊片為方案二。試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)如圖8和圖9所示。

圖8原結(jié)構(gòu)增壓器隔熱罩

圖9新結(jié)構(gòu)增壓器隔熱罩

原地升速工況，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)增壓器隔熱罩進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試，隔熱罩測(cè)點(diǎn)如圖10所示。

圖10增壓器隔熱罩測(cè)試點(diǎn)位置

試驗(yàn)中，振動(dòng)烈度為三個(gè)方向振動(dòng)速度平方和的開(kāi)方，振動(dòng)速度為5～200 Hz頻率范圍內(nèi)的有效值；以發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪端指向自由端為X方向，豎直方向?yàn)閆向，根據(jù)右手定則確定Y方向，增壓器隔熱罩不同位置振動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖11所示。

增壓器隔熱罩安裝螺栓附近測(cè)點(diǎn)：原狀態(tài)與方案二的振動(dòng)狀態(tài)基本一致，全轉(zhuǎn)速振動(dòng)幅值小于30 mm/s。方案一在中、高轉(zhuǎn)速區(qū)域振動(dòng)相對(duì)較大，但振動(dòng)幅值均小于45 mm/s。增壓器隔熱罩上外部測(cè)點(diǎn)：方案二振動(dòng)較大，在怠速及1 250 r/min時(shí)，振動(dòng)較大，達(dá)到75 mm/s，為局部存在共振63 Hz共振所致;原狀態(tài)與方案一相差不大，振動(dòng)基本小于40 mm/s。增壓器隔熱罩下外部測(cè)點(diǎn)：原結(jié)構(gòu)在680 r/min時(shí)振動(dòng)較大，達(dá)到200 mm/s。經(jīng)分析，此為存在67 Hz共振導(dǎo)致。綜合分析，方案一最優(yōu)振動(dòng)小于80 mm/s。增壓器隔熱罩振動(dòng)頻譜ColorMap圖如圖12所示。

圖11隔熱罩不同測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度

圖12增壓器隔熱罩振動(dòng)頻譜

由圖3和圖6可得，原結(jié)構(gòu)與新結(jié)構(gòu)方案一仿真一階頻率值分別為66.9 Hz和124.9 Hz。原結(jié)構(gòu)與新結(jié)構(gòu)方案一測(cè)試的一階模態(tài)頻率值分別為67.5 Hz和51.7 Hz。新結(jié)構(gòu)測(cè)試與仿真的結(jié)果對(duì)標(biāo)存在較大差距。分析主要原因?yàn)樵诟魺嵴稚瞎潭ㄈ蚣铀俣葌鞲衅?質(zhì)量：2×0.2 kg)，占隔熱罩系統(tǒng)質(zhì)量的百分比分別為27.9%和38.6%，導(dǎo)致系統(tǒng)質(zhì)量增加，從而模態(tài)降低。顯然質(zhì)量變化越大對(duì)系統(tǒng)模態(tài)影響也越大，同時(shí)新結(jié)構(gòu)整體壁厚較原

結(jié)構(gòu)變薄，導(dǎo)致其系統(tǒng)剛度減小，故模態(tài)對(duì)質(zhì)量的變化更加敏感。因此，重新對(duì)標(biāo)仿真結(jié)果，在隔熱罩上相關(guān)測(cè)點(diǎn)位置耦合質(zhì)量點(diǎn)，重新仿真得到的結(jié)果分別如圖13和圖14所示。原結(jié)構(gòu)與新結(jié)構(gòu)方案一仿真一階頻率值分別為64.2 Hz和54.8 Hz，試驗(yàn)結(jié)果相對(duì)仿真結(jié)果的誤差分別為動(dòng)速度。

圖13原結(jié)構(gòu)耦合質(zhì)量點(diǎn)一階模態(tài)振型

圖14新結(jié)構(gòu)方案一耦合質(zhì)量點(diǎn)一階模態(tài)振型

5 結(jié)論

基于柴油機(jī)增壓器隔熱罩故障模式，進(jìn)行理論分析與仿真，得出以下結(jié)論：

(1)通過(guò)對(duì)原結(jié)構(gòu)增壓器隔熱罩進(jìn)行模態(tài)和應(yīng)力對(duì)比分析，得出當(dāng)前應(yīng)用增壓器隔熱罩存在風(fēng)險(xiǎn)，增加墊片和增加隔熱罩厚度有利于提高模態(tài)，但不滿足輕量化的設(shè)計(jì)要求,增加墊片能有效降低系統(tǒng)的振動(dòng)速度。

(2)設(shè)計(jì)的新型的增壓器隔熱罩，一階模態(tài)頻率高于原結(jié)構(gòu)且Mises應(yīng)力小于原結(jié)構(gòu)，新結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)可靠性和輕量化方面具備優(yōu)越性。

(3)通過(guò)對(duì)隔熱罩的振動(dòng)測(cè)試，驗(yàn)證了新結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性，通過(guò)仿真的對(duì)標(biāo)，得出系統(tǒng)質(zhì)量對(duì)薄壁件的仿真精度有著較大影響。