李 偉

(天納克(中國(guó))有限公司，江蘇 蘇州 200086)

0 引 言

中國(guó)經(jīng)濟(jì)近30年來快速發(fā)展，柴油機(jī)動(dòng)車的機(jī)動(dòng)車發(fā)展異常迅速，近年的增長(zhǎng)率達(dá)到了15%[1-2]，但是給空氣環(huán)境帶來了污染，環(huán)保部的數(shù)據(jù)表明整個(gè)大氣中的78%的NOx和82%的PM來自柴油車[3]，為了抑制環(huán)境的進(jìn)一步惡化，國(guó)家制定了更加嚴(yán)苛的排放法規(guī)，各大汽車主機(jī)廠紛紛根據(jù)排放法規(guī)制定排放升級(jí)路線，目前市場(chǎng)上的卡車仍在實(shí)行國(guó)五排放法規(guī)，對(duì)于中性卡車和輕型開車主流采用SCR的技術(shù)路線，采用選擇性還原催化劑將尾氣中危害程度較高的氮氧化物還原成氮?dú)鈁4]。

混合器作為SCR載體前的前置裝置，是整個(gè)SCR系統(tǒng)的核心部件，所承擔(dān)的功能主要有3個(gè)：第1是霧化，簡(jiǎn)單講就是使尿素顆粒變小，可以增加尿素顆粒在廢氣中的換熱面積；第2是蒸發(fā)，捕捉尿素顆粒并和廢氣換熱蒸發(fā)，通過混合器充分利用廢氣中的熱量，同時(shí)可以避免尿素和處于低溫區(qū)的混合管的直接接觸，降低結(jié)晶風(fēng)險(xiǎn)；第3是混合，通過混合器增加流動(dòng)均一性和蒸發(fā)均一性均較高，從而提高SCR轉(zhuǎn)化效率，保證轉(zhuǎn)化器可以處理原排更高的氮氧化物。

混合器長(zhǎng)期處于高溫，高濕以及高腐蝕環(huán)境的介質(zhì)中，且收到氣體沖擊，和結(jié)構(gòu)振動(dòng)的復(fù)雜化學(xué)和物理環(huán)境，屬于容易發(fā)生容易失效的部件。

1 故障描述和路譜采集以及數(shù)據(jù)處理

某主機(jī)廠的SCR后處理器在整車路試試驗(yàn)場(chǎng)完成10萬km特殊路況的耐久試驗(yàn)路試后的混合器失效，試驗(yàn)結(jié)束后對(duì)樣件進(jìn)行解剖，失效位置如圖1所示：從A1位置處進(jìn)行解剖，發(fā)現(xiàn)混合器的繞流板在該位置發(fā)生了開裂，后續(xù)就將從原始數(shù)據(jù)采集，仿真分析和試驗(yàn)驗(yàn)證3個(gè)步驟介紹該故障的對(duì)策過程。

圖1 混合器失效位置示意圖

故障發(fā)生后，獲得SCR后處理器在整車上所受到的載體表現(xiàn)，即時(shí)域的加速度型號(hào)，采用加速度儀采集了SCR后處理安裝在整車上的加速響應(yīng)，為了復(fù)現(xiàn)失效路試的載荷，數(shù)據(jù)采集的路況和路試試驗(yàn)的保持一致，主機(jī)廠的整個(gè)路試周期包含3種典型路況，高速路，山路和強(qiáng)化路，由于SCR混合器和發(fā)動(dòng)機(jī)之間有波紋管解耦，SCR后處理在整車的激勵(lì)主要來自車架，車架的激勵(lì)主要來自路面，一般情況下在Z向(垂直路面方向)受到的載荷最大，因此采集Z方向的振動(dòng)加速度，通過信號(hào)處理工具將數(shù)據(jù)中的奇點(diǎn)去除，得到如下時(shí)域條件下的加速度數(shù)據(jù)，見圖2所示。

圖2 不同路況下加速度響應(yīng)時(shí)數(shù)據(jù)

由于后處理懸掛于車架底盤，在行駛過程中SCR后處理器以承受路面振動(dòng)激勵(lì)為主，因此只對(duì)采集的三種不同路面激勵(lì)下車架的Z方向的加速度響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換，分析得到如圖3所示等效PSD頻域曲線，頻率范圍為關(guān)注的20～1 024 Hz，RMS值為0.73 m/s2，RMS值為分別為0.76 g，0.51 g, 0.50 g。

圖3 等效加速度PSD曲線

2 混合器有限元仿真分析

考慮到混合器的W失效的形式可能主要由氣流沖擊和振動(dòng)導(dǎo)致，該文分析主要通過模態(tài)分析和隨機(jī)振動(dòng)分析的方式優(yōu)化失效的位置。

2.1 邊界條件和有限元建模

在第一步的路譜數(shù)據(jù)采集的過程中，采集了支架位置的加速度數(shù)據(jù)，為了匹配路譜的數(shù)據(jù)，Hyperworks的建模參考整車坐標(biāo)系，劃分網(wǎng)格如圖3所示，由于后處理的均是由1.0～1.5 mm的薄板結(jié)構(gòu)，且厚度均勻，因此將SCR后處理的面抽取出來，導(dǎo)入Hyperworks進(jìn)行網(wǎng)格劃分。約束條件如圖所示，根據(jù)SCR后處理在實(shí)車上的連接狀態(tài)，在進(jìn)氣端和安裝支架位置設(shè)置約束，波紋管根據(jù)實(shí)際的屬性試制參數(shù)，彎曲靜剛度為0.3 N/mm，壓縮靜剛度3 N/mm，橡膠減振墊的靜剛度，在X向和Y向?yàn)?50 N/mm,在Z向?yàn)?00 N/mm，根據(jù)減振墊的材料屬性，動(dòng)靜剛度比設(shè)置為2:1。在約束相應(yīng)的位置施加上述圖3中的激勵(lì)，進(jìn)行FEA仿真分析。

圖4 網(wǎng)格建模和邊界約束條件示意圖

2.2 仿真結(jié)果和分析

將Hyperworks中預(yù)處理模型導(dǎo)入Nastran求解器，通過隨機(jī)振動(dòng)分析模塊進(jìn)行垂直隨機(jī)振動(dòng)分析，得到結(jié)果如圖5。

圖5 混合器隨機(jī)振動(dòng)應(yīng)力響應(yīng)云圖和一階模態(tài)

圖中復(fù)現(xiàn)了路試試驗(yàn)車的故障，如圖中圓圈中所示，應(yīng)力值為52.5 MPa即繞流板和墻體的焊接位置，分析得到該部件的一階模態(tài)值為176 Hz。而發(fā)動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)速是3 000 r/min，即30 r/s，發(fā)動(dòng)機(jī)是6缸機(jī)，每個(gè)缸的每個(gè)循環(huán)包括進(jìn)氣，壓縮，燃燒和排氣四個(gè)沖程，曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)一周對(duì)應(yīng)3個(gè)循環(huán)，因此對(duì)應(yīng)的點(diǎn)火階是3次/s，對(duì)于受到熱氣后處理產(chǎn)品一般選取安全系數(shù)1.5，計(jì)算得知發(fā)動(dòng)機(jī)氣流的主階次是225 Hz，高于該部件的一階模態(tài)，因此該處位置容易被激勵(lì)起來，產(chǎn)生共振。產(chǎn)品優(yōu)化過程不但需要降低該處的應(yīng)力，還需要提升該處的模態(tài)。

利用Nastran求解器的隨機(jī)振動(dòng)分析模塊，對(duì)后處理器全系統(tǒng)進(jìn)行垂向隨機(jī)振動(dòng)分析并提取混合器結(jié)構(gòu)結(jié)果如圖5所示，可見Z向激勵(lì)(上下擺動(dòng))峰值應(yīng)力響應(yīng)出現(xiàn)在翅片與腔體焊接處，即路試件耐久失效位置，如圖1所示。

2.3 改進(jìn)后方案和壽命分析

通過對(duì)混合器的結(jié)構(gòu)分析表明，該處應(yīng)力較大的原因是主要是繞流板和殼體之間是滿焊，在受熱的變形時(shí)，熱應(yīng)力因焊縫的剛度較大無法釋放，且該處僅和殼體連接，模態(tài)較低，受到氣流擾動(dòng)時(shí)容易出現(xiàn)失效，圖6顯示了混合器的支架結(jié)構(gòu)優(yōu)化，將繞流板和腔體的滿焊變?yōu)槎魏福黾訄A圈中的兩個(gè)小支架。段焊的目的是釋放繞流板兩頭的剛度和熱應(yīng)力，有利于混合器在收到熱沖擊時(shí)候在未焊接處釋放變形，從而降低此處收到的熱應(yīng)力。增加小支架的目的是增加兩個(gè)擾流板的剛性連接，在受振動(dòng)載荷時(shí)候一起擺動(dòng)，增加系統(tǒng)的模態(tài)，減少系統(tǒng)的共振風(fēng)險(xiǎn)。

圖6 改進(jìn)后混合器結(jié)構(gòu)

圖7中的結(jié)果表明失效位置的峰值應(yīng)力由原來的52.5 MPa降低至40.9 MPa，應(yīng)力下降幅度超過20%，且SCR混合器單元的1階模態(tài)由176 Hz大幅提升至590 Hz，且高于發(fā)動(dòng)機(jī)的氣流的主階次225 Hz，避開了共振點(diǎn)，即擾流板不容易被激勵(lì)起來，開裂風(fēng)險(xiǎn)降低。

圖7 改進(jìn)后仿真分析結(jié)果

根據(jù)典型的S-N方程(1)[5]：

S=N-b

(1)

式中：N為壽命;S為應(yīng)力。

在充分考慮可靠度和置信度的前提下，取斜率k=5(k=1/b)，代入方程求解失效部位的結(jié)構(gòu)壽命可提升3.5倍。

3 混合器的振動(dòng)試驗(yàn)對(duì)比驗(yàn)證

3.1 等效加速分析

由于失效發(fā)生在整車路試，為了加速完成相關(guān)的試驗(yàn)驗(yàn)證，通過電磁激勵(lì)的振動(dòng)臺(tái)上進(jìn)行耐久試驗(yàn)驗(yàn)證，并和實(shí)際的試驗(yàn)驗(yàn)證建立等效關(guān)系，從而確認(rèn)改進(jìn)的方案是否滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)，即通過10萬km的路試試驗(yàn)。

基于疲勞損傷累積原理，振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)架的經(jīng)過加速驗(yàn)證的樣件的損傷應(yīng)等于試驗(yàn)場(chǎng)各種路面下的損傷的累加，且加速后的振動(dòng)加速度功率譜密度GED和振動(dòng)時(shí)長(zhǎng)TED符合如下方程，通過該方法可以通過試驗(yàn)臺(tái)架等效驗(yàn)證改進(jìn)方案的設(shè)計(jì)壽命：

(2)

式中：Teq為(等效)測(cè)試時(shí)間；aED(f)為振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)加速度PSD；M為1/b；K為單自由度剛度；Q為1/2ζ,ζ=阻尼系數(shù)；FDS為疲勞損傷譜。

3.2 加速振動(dòng)試驗(yàn)驗(yàn)證

(1) 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)為了最大程度的驗(yàn)證混合器方案的改進(jìn)效果，采用混合器部分的樣件進(jìn)行試驗(yàn)，固定的位置和安裝支架和整車保持一致，支架通過螺栓固定在振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)上。加速度反饋傳感器布置在振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的中心位置，確保加速度值和路譜相關(guān)聯(lián)，加速度傳感器和電磁臺(tái)架形成閉環(huán)，保證實(shí)際激勵(lì)和輸入相一致。為了模擬Thermal對(duì)整個(gè)大包耐久的影響，試驗(yàn)的過程中向殼體內(nèi)部通入高溫氣體，進(jìn)氣的溫度參考實(shí)車采集的溫度，試驗(yàn)驗(yàn)證同時(shí)考核振動(dòng)和熱氣對(duì)混合器的影響，試驗(yàn)定義進(jìn)氣溫度為發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率下的溫度450 ℃，實(shí)際工作溫度基本低于該溫度，因此試驗(yàn)的工況更加苛刻，試驗(yàn)的結(jié)果可以表征樣件在整車上耐久表現(xiàn)。樣件改造和試驗(yàn)裝夾見圖8。

圖8 樣件改造和試驗(yàn)裝夾

(2) 試驗(yàn)振動(dòng)輸入PSD譜

設(shè)計(jì)壽命滿足R90C50的可靠度要求，Weibull的分布指數(shù)假設(shè)為3，根據(jù)壽命等效原理，樣件需要通過3倍的壽命的測(cè)試循環(huán)。通過轉(zhuǎn)換將加速度轉(zhuǎn)化為等效的功率譜密度曲線，見圖9，考慮到試驗(yàn)的經(jīng)濟(jì)性，將試驗(yàn)的時(shí)間定為50 h，經(jīng)過方程式(2)計(jì)算RMS值大約是3.2 G。該曲線作為振動(dòng)臺(tái)架的激勵(lì)輸入進(jìn)行試驗(yàn)。

圖9 功率譜密度曲線

為了測(cè)試變化前后的混合器的能力變化，試驗(yàn)采取階梯振動(dòng)的試驗(yàn)方法，直至樣件開裂，從而在短時(shí)間內(nèi)得到樣件的壽命，具體做法是即給定初始振動(dòng)的Grms值，通過后，將初始Grms值逐漸增大，直到樣件失效，試驗(yàn)驗(yàn)證采用4 Grms的初始值，每個(gè)加速度激勵(lì)水平下振動(dòng)2 h，每次遞增的幅度為0.8 Grms，直至樣件失效，對(duì)改進(jìn)前后的樣件分別進(jìn)行階梯測(cè)試，根據(jù)破壞條件下的Grms值，對(duì)比得出混合器的壽命相對(duì)關(guān)系。

改進(jìn)前的樣件在6.4 Grms的振動(dòng)激勵(lì)下失效，改進(jìn)后的樣件在10.5 Grms的振動(dòng)激勵(lì)下發(fā)生失效，如圖10，失效的位置和FEA仿真結(jié)果預(yù)測(cè)一致。

圖10 振動(dòng)試驗(yàn)失效位置照片

由于改進(jìn)前后的結(jié)構(gòu)變動(dòng)較小，可以認(rèn)為不同載荷水平的S-N曲線保持不變，k=5，各個(gè)壽命等效到3.2 Grms，通過的標(biāo)準(zhǔn)為50 h，即50 h對(duì)應(yīng)客戶路試場(chǎng)測(cè)試的100，000 km的測(cè)試?yán)锍?，通過失效的時(shí)間點(diǎn)，可以計(jì)算出改進(jìn)前的壽命為28.6 h，改進(jìn)后的壽命為452 h，安全系數(shù)為9，可以滿足客戶的特殊路況的100,000 km的耐久路試要求。

4 結(jié) 語

該款SCR后處理的混合器在路試中的失效，通過有限元仿真識(shí)別出了失效位置的高應(yīng)力，優(yōu)化方案該處的應(yīng)力下降了20%。將載荷轉(zhuǎn)化為Grms值，采用階梯測(cè)試的方法得出改進(jìn)前后的壽命變化情況，試驗(yàn)結(jié)果表明壽命提升到9倍，滿足客戶的整車路試的耐久試驗(yàn)的壽命要求，該方法可以作為后處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)耐久改進(jìn)的一般方法。