鐘愛平，鄭繼平，宋 曦，李希平

（湖南星邦智能裝備股份有限公司，湖南長沙 410600）

0 引言

高空作業(yè)平臺是一種將人送到高空進(jìn)行作業(yè)的工具，是服務(wù)于各個行業(yè)高空作業(yè)、設(shè)備安裝、檢修等可移動性高空作業(yè)的設(shè)備，作為工程機(jī)械領(lǐng)域的一個重要組成部分，廣泛應(yīng)用于船舶、建筑、市政建設(shè)、消防、港口貨運等行業(yè)的高空作業(yè)。高空作業(yè)平臺包括站立平臺、底架、可旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)臺和可隨轉(zhuǎn)臺伸縮的臂架，一般是人站在站立平臺上進(jìn)行操作，根據(jù)需要做各個動作，然后進(jìn)行需要的作業(yè)。隨著國家《無腳手架安裝作業(yè)技術(shù)裝備與產(chǎn)業(yè)化開發(fā)》的重大項目的實施，極大提升了高空作業(yè)平臺的影響力。高空作業(yè)平臺按驅(qū)動形式可分為柴油驅(qū)動式、電動式和柴電混動式，其中柴油驅(qū)動式和柴電混動式高空作業(yè)平臺都安裝柴油發(fā)動機(jī)。高空作業(yè)平臺采用的發(fā)動機(jī)為四沖程多缸發(fā)動機(jī)，工作循環(huán)中的爆破沖程會引起發(fā)動機(jī)體的劇烈振動。發(fā)動機(jī)的振動通過工作平臺的機(jī)體結(jié)構(gòu)傳遞到工作平臺，如果發(fā)動機(jī)振動太大，將直接影響車輛的工作性能、壽命，以及人的舒適性、操作感及疲勞感。因此，必須采取有效的減振措施以消減發(fā)動機(jī)的各種抖動，使其不傳或少傳到車架和外部環(huán)境中去。為了減少發(fā)動機(jī)振動對工作平臺的影響，必須對發(fā)動機(jī)安裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行隔振設(shè)計。

1 發(fā)動機(jī)安裝形式

高空作業(yè)平臺使用的發(fā)動機(jī)一般是安裝在上裝即轉(zhuǎn)臺上，發(fā)動機(jī)及附屬件用一個可繞固定軸旋轉(zhuǎn)的托架托起，發(fā)動機(jī)通過托架將振動傳遞到轉(zhuǎn)臺上及整個機(jī)器上，再傳遞到操作者，如圖1 所示。

圖1 發(fā)動機(jī)安裝形式

2 隔振設(shè)計

當(dāng)外部激振力與機(jī)械系統(tǒng)的某階固有頻率相差在5%范圍內(nèi)時，系統(tǒng)便會發(fā)生共振；當(dāng)發(fā)動機(jī)運行時的頻率與機(jī)架結(jié)構(gòu)的固有頻率相隔很接近時，便會引發(fā)共振。隔振分為主動隔振和被動隔振。無論是主動隔振還是被動隔振，一般被理解為在機(jī)械系統(tǒng)與“基體”之間安置些彈性墊，以減緩振動由機(jī)械系統(tǒng)向“基體”方向或由“基體”向機(jī)械系統(tǒng)方向的傳遞。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，發(fā)動機(jī)既是振動源，又是隔振對象。

高空作業(yè)平臺一般采用的發(fā)動機(jī)是直列四缸發(fā)動機(jī)，其主要激勵源可能來源于3 個方面：①活塞連桿等往復(fù)運動部件的往復(fù)慣性力；②曲軸飛輪等旋轉(zhuǎn)部件上不平衡質(zhì)量引起的離心慣性力；③燃?xì)鈮毫?。所有活塞式發(fā)動機(jī)都會由于燃燒氣體和往復(fù)運動的部件產(chǎn)生振動，其中，有些振動發(fā)生在發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)內(nèi)部，可以由發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)自身的反作用力抵消或平衡掉；有些振動會導(dǎo)致發(fā)動機(jī)整體作為一個剛性體進(jìn)行運動，進(jìn)而對發(fā)動機(jī)懸置系統(tǒng)產(chǎn)生振動力；有些振動過大會使零部件振動疲勞、損壞，使駕駛員可感不舒服等。高空作業(yè)平臺作業(yè)中發(fā)動機(jī)的振動是主要的，路面的激勵是次要的，因此，需要有效隔離發(fā)動機(jī)的振動傳遞到車架上，發(fā)動機(jī)隔振設(shè)計必須能將這些振動與車輛或機(jī)器結(jié)構(gòu)隔離開。

發(fā)動機(jī)均勻點火的脈動頻率f=N×n/30C，其中n 為氣缸數(shù)，N 為曲軸轉(zhuǎn)速，C 為沖程。不平衡旋轉(zhuǎn)質(zhì)量和往復(fù)運動質(zhì)量引起的激振頻率為f′=Q×N/60，Q 為比例系數(shù)，對于一階不平衡力，Q=1，二階不平衡力Q=2。

為了使發(fā)動機(jī)懸置系統(tǒng)的分析最簡化，一般將支承發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)視為一個具有無限大質(zhì)量和無限大剛度的剛性體，用最簡單的矩陣分析法來估計發(fā)動機(jī)隔振系統(tǒng)的性能。在每個懸置點，動力傳遞系統(tǒng)和其支承之間的隔振裝置都被分別建模為1個彈簧/阻尼系統(tǒng)，在空間3 個方向上都具有剛度、阻尼屬性。經(jīng)過這樣簡化處理后，發(fā)動機(jī)懸置系統(tǒng)對發(fā)動機(jī)傳遞到車體的隔振效果，取決于發(fā)動機(jī)振動頻率與發(fā)動機(jī)懸置系統(tǒng)固有頻率之間的關(guān)系。發(fā)動機(jī)懸置系統(tǒng)的隔振效果通常用術(shù)語“傳遞率”或是“隔振系數(shù)”。對于一個簡單的系統(tǒng)，傳遞率和輸入頻率、固有頻率之比之間的理論關(guān)系如圖2 所示。圖2 中，力傳遞率=反作用力/激振力，頻率比=激振力或發(fā)火頻率/固有頻率。

圖2 頻率比與傳遞率

從圖2 可以看出，隨著發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，懸置系統(tǒng)的振動輸入頻率隨之增加，頻率比也隨之增加，傳遞率可隨著發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速增加而降低（隔振改善）。因此，發(fā)動機(jī)懸置系統(tǒng)的設(shè)計中，怠速轉(zhuǎn)速是關(guān)鍵的轉(zhuǎn)速，也是隔振最需要考慮的。對于阻尼系數(shù)為0.2 的典型橡膠墊隔墊，依圖2 所示的傳遞率與頻率比的關(guān)系，頻率比為2 便可滿足系統(tǒng)對振動傳遞率的要求。因此，一般取隔振系數(shù)0.25，則頻率為

在工程機(jī)械行業(yè)，四點懸置比較常用。一般在設(shè)計中，通過計算需求的剛度和隔振率，選擇合適的隔振墊，再通過測試驗證是否滿足要求。確定發(fā)動機(jī)總成重心計算剛度k，選擇隔振墊。懸置的功能除隔振，還要支承發(fā)動機(jī)的重量，需要一定的剛度。通常對發(fā)動機(jī)懸置的要求是：①支承發(fā)動機(jī)及附屬件的重量，在各支承上的載荷應(yīng)有合理的分配；②發(fā)動機(jī)工作時，整機(jī)的不能產(chǎn)生共振；③在整車停車瞬間或是其他外界負(fù)荷作用下，發(fā)動機(jī)本身不應(yīng)有太大的位移；④懸置部件應(yīng)有足夠的使用壽命。

一般地，發(fā)動機(jī)及附屬件是確定的，即隔振墊以上的重量是確定的，例如總重量G=333 kg，發(fā)動機(jī)怠速轉(zhuǎn)速v=1600 r/min。

重心分布如圖3 所示，則發(fā)動機(jī)激振源頻率ω=1600/60×2π=167.4 rad/s，則需要的總剛度K=1/N·2m·ω2=0.25×333.8×167.42=2338 N/mm。

圖3 重心分布

因為四點支承因空間受限，往往是不完全對稱分布，因此4 個懸置點的剛度分別為：K1=K2=2338×220.3/（425.5×2）=605 N/mm，K3=K4=2338×205.2（/425.5×2）=564 N/mm。

確定受力載荷。根據(jù)重心分布坐標(biāo)關(guān)系，就可求出每個懸置點所受的力。

懸置點1、懸置點2 受力為F1、F2：F1=F2=172.8/2=87 kg。懸置點3、懸置點4 受力為F3、F4：F3=F4=160.9/2=81 kg。

最后，隔振墊廠家都會提供相應(yīng)型號的剛度和承重值，根據(jù)設(shè)計需要的剛度和承重就可以選擇相應(yīng)的隔振墊型號。

3 發(fā)動機(jī)的振動測試

測試條件：機(jī)器各動作調(diào)試正常，測試部件結(jié)構(gòu)完整。

測試工況：發(fā)動機(jī)怠速，1600 r/min。

測試儀器：加速度傳感器Dytran7503D1、Dytran7503D3，規(guī)格0～1000 Hz，量程2g/10g。

標(biāo)定狀態(tài)：整機(jī)靜止，發(fā)動機(jī)熄火。

測點分布在發(fā)動機(jī)機(jī)體的左側(cè)面、右側(cè)面、前面、后面的4 個支承點，同時測量隔振前和隔振后的加速度，如圖4 所示，測試結(jié)果見表1。表1中，x 為前進(jìn)方向，y為左右方向，z 為上下方向。

圖4 發(fā)動機(jī)懸置機(jī)構(gòu)測點分布

表1 各工況下各方向的隔振率

由以上結(jié)果可得出隔振率與設(shè)計要求是相符合的。

4 結(jié)論

選擇合適的頻率比和傳遞率進(jìn)行設(shè)計，可以有效隔振。設(shè)定合適的怠速轉(zhuǎn)速，可以避開共振區(qū)間。根據(jù)結(jié)構(gòu)允許的空間大小，合理設(shè)計發(fā)動機(jī)的4 個支承點位置，盡可能均勻分布，根據(jù)重心分布計算每一個隔振墊的剛度就可以實現(xiàn)系統(tǒng)隔振設(shè)計。發(fā)動機(jī)的隔振是每一個發(fā)動機(jī)動力機(jī)械都需要解決的問題，也是影響機(jī)械的可靠性、舒適性的重要因素，在設(shè)計優(yōu)化時需要多次測試論證。