許震　段良坤　孫志明　辛承祖　曾超　范煥成

摘要：針對(duì)某裝載機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)消聲器系統(tǒng)排氣接管斷裂漏煙問題，利用錘擊法進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)與有限元仿真計(jì)算結(jié)果對(duì)比表明：系統(tǒng)1階、2階模態(tài)頻率仿真與試驗(yàn)結(jié)果相對(duì)偏差均較小，模態(tài)振型均一致，消聲器系統(tǒng)1階模態(tài)頻率較低，共振風(fēng)險(xiǎn)較高，容易造成零部件斷裂。通過對(duì)比模態(tài)振型，確定在消聲器與缸蓋連接支架上增設(shè)加強(qiáng)筋，改進(jìn)消聲器本體支架外形結(jié)構(gòu)的方案，并進(jìn)行仿真對(duì)比分析。結(jié)果表明：該裝載機(jī)消聲器連接支架只增加加強(qiáng)筋，系統(tǒng)模態(tài)頻率的變化較??；連接支架增設(shè)加強(qiáng)筋并改進(jìn)消聲器本體支架外形結(jié)構(gòu)，可提高系統(tǒng)1階、2階模態(tài)頻率，降低消聲器系統(tǒng)共振風(fēng)險(xiǎn)，解決排氣接管斷裂故障。

關(guān)鍵詞：模態(tài)計(jì)算；消聲器支架；有限元分析；結(jié)構(gòu)改進(jìn)

中圖分類號(hào)：TK422文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1673-6397（2023）05-0044-05

引用格式：許震，段良坤，孫志明，等.某裝載機(jī)消聲器支架模態(tài)分析與改進(jìn)［J］.內(nèi)燃機(jī)與動(dòng)力裝置，2023，40（5）：44-48.

XU Zhen， DUAN Liangkun， SUN Zhiming， et al. Modal analysis and improvement of a loader muffler support［J］.Internal Combustion Engine & Powerplant， 2023，40（5）：44-48.

0 引言

裝載機(jī)工作環(huán)境惡劣，排氣噪聲較大，嚴(yán)重影響駕駛舒適性[1-2]，需裝配消聲器以便降低裝載機(jī)噪聲。裝載機(jī)在復(fù)雜路面上工作時(shí)，受到路面、發(fā)動(dòng)機(jī)扭轉(zhuǎn)、車架振動(dòng)等傳遞來的激勵(lì)，消聲器系統(tǒng)易出現(xiàn)故障，影響工程機(jī)械正常工作，造成經(jīng)濟(jì)損失[3-4]。

眾多專家學(xué)者對(duì)消聲器及其附件的設(shè)計(jì)和優(yōu)化等進(jìn)行了研究：劉興鑫等[5]對(duì)排氣系統(tǒng)進(jìn)行諧響應(yīng)分析，確定剛度薄弱部位，驗(yàn)證消聲器支架開裂原因，并通過外部激勵(lì)測(cè)試與結(jié)構(gòu)優(yōu)化，降低了排氣系統(tǒng)共振風(fēng)險(xiǎn)；張利等[6]通過對(duì)乘用車消聲器支架的材料、厚度、槽型梁結(jié)構(gòu)分析，對(duì)支架進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，結(jié)合路試試驗(yàn)驗(yàn)證優(yōu)化效果；馮兆緣[7]對(duì)某船用四沖程柴油機(jī)的選擇性催化還原系統(tǒng)和消聲器進(jìn)行了聯(lián)合仿真一體化設(shè)計(jì)，使排氣凈化消聲器不僅能夠?qū)崿F(xiàn)脫硝凈化和控制排氣噪聲的雙重功能，而且節(jié)省空間；陳正江[8]利用導(dǎo)力鋼管優(yōu)化消聲器吊掛機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，改變了力的傳遞路徑，減少螺栓松動(dòng)，提高減振性能；王永鑫等[9]、王爽等[10]、王小燕等[11]對(duì)不同車型的消聲器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)優(yōu)化與試驗(yàn)分析，滿足對(duì)排氣噪聲的限值要求；周新等[12]利用拓?fù)鋬?yōu)化方法，改進(jìn)某消聲器支架，并驗(yàn)證了優(yōu)化后支架的結(jié)構(gòu)可靠性。

本文中針對(duì)某柴油機(jī)市場(chǎng)反饋的排氣接管斷裂漏煙故障，通過模態(tài)試驗(yàn)和有限元分析仿真計(jì)算，改進(jìn)消聲器支架結(jié)構(gòu)，并驗(yàn)證優(yōu)化方案的有效性，降低共振風(fēng)險(xiǎn)，解決故障。

1 模態(tài)試驗(yàn)

某裝載機(jī)排氣接管出現(xiàn)斷裂漏煙現(xiàn)象，發(fā)動(dòng)機(jī)排氣噪聲及排放增大，對(duì)裝載機(jī)消聲器系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn)，使用錘擊法激勵(lì)，即利用力錘敲擊消聲器系統(tǒng)產(chǎn)生外界激勵(lì)，由于模態(tài)試驗(yàn)中激勵(lì)較小，為減少試驗(yàn)誤差，需選擇靈敏度較高的傳感器[13-14]。

以發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪殼端面的前端指向?yàn)閤軸正向，水平面垂向向上為z軸正向，根據(jù)右手法則確定坐標(biāo)系，分別在消聲器桶體、排氣接管、排氣尾管上布置12、1、2個(gè)傳感器。將力錘與數(shù)據(jù)采集裝置連接到計(jì)算機(jī)，建立模態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集平臺(tái)，通過數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行信號(hào)分析，使消聲器模態(tài)振型以線框圖輸出，分析消聲器系統(tǒng)1、2階的模態(tài)頻率與振型。

經(jīng)模態(tài)試驗(yàn)分析，消聲器系統(tǒng)1階模態(tài)頻率約為71.9 Hz，模態(tài)振型為前后擺動(dòng)；2階模態(tài)頻率約為139.4 Hz，模態(tài)振型為左右擺動(dòng)。根據(jù)企業(yè)通用消聲器系統(tǒng)模態(tài)頻率標(biāo)準(zhǔn)要求，各階模態(tài)頻率應(yīng)不低于80 Hz，模態(tài)試驗(yàn)表明1階模態(tài)頻率不滿足限值要求，存在較高的共振風(fēng)險(xiǎn)。

2 有限元分析與支架結(jié)構(gòu)優(yōu)化

隨著數(shù)值模擬計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，有限元分析已成為一種求解工程問題的高效數(shù)值計(jì)算方法。通過創(chuàng)建有限元模型，將求解域離散為單元組合，利用各單元中的近似函數(shù)表示域中待求場(chǎng)函數(shù)[15-17]，在零部件設(shè)計(jì)改進(jìn)初期，有限元分析方法與模態(tài)試驗(yàn)相結(jié)合，可減少改進(jìn)成本，縮短設(shè)計(jì)周期，提高產(chǎn)品開發(fā)可靠性。

2.1 有限元分析

建立消聲器、消聲器支架、排氣管、波紋管、氣缸蓋、增壓器等模型，坐標(biāo)軸方向與模態(tài)試驗(yàn)一致，使用ABAQUS軟件對(duì)各部件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并設(shè)置對(duì)應(yīng)的材料、接觸、約束、邊界條件等[18-19]。消聲器支架、氣缸蓋、支撐塊等采用10節(jié)點(diǎn)修正2階四面體網(wǎng)格（C3D10M），排氣尾管、消聲器、進(jìn)氣管采用6節(jié)點(diǎn)2階三角形殼單元網(wǎng)格（STRI65），部分零部件材料的參數(shù)如表1所示，裝配完成的消聲器系統(tǒng)有限元模型如圖1所示，采用ABAQUS仿真計(jì)算的系統(tǒng)1階、2階模態(tài)振型如圖2所示。

有限元模型仿真計(jì)算與模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如表2所示。

由表2可知：消聲器系統(tǒng)1階模態(tài)頻率仿真與試驗(yàn)結(jié)果相對(duì)偏差為5%，2階模態(tài)頻率仿真與試驗(yàn)結(jié)果相對(duì)偏差為0.2%，模態(tài)頻率相對(duì)偏差均較小；模態(tài)振型均一致，說明消聲器系統(tǒng)有限元模型可靠性高，可為消聲器系統(tǒng)零部件結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供參考依據(jù)。

2.2 支架結(jié)構(gòu)優(yōu)化

消聲器支架對(duì)消聲器系統(tǒng)有重要的緩振作用，增設(shè)支架加強(qiáng)筋，可提高消聲器支架的強(qiáng)度和剛度，增強(qiáng)支架抵抗變形的能力，提高消聲器系統(tǒng)模態(tài)頻率，減小零部件發(fā)生共振的風(fēng)險(xiǎn)[20-22]。為提高消聲器系統(tǒng)模態(tài)頻率，避免產(chǎn)生共振，設(shè)計(jì)2種優(yōu)化方案改進(jìn)消聲器支架結(jié)構(gòu)，使消聲器支架與氣缸蓋緊固，方案1通過將消聲器與缸蓋連接支架增加加強(qiáng)筋，提高連接支架的剛度，降低消聲器系統(tǒng)共振風(fēng)險(xiǎn)；方案2在方案1的基礎(chǔ)上，增大消聲器本體支架側(cè)邊支撐面積，將側(cè)板縱向延伸至支架邊緣，提高消聲器本體支架的剛度。原方案、優(yōu)化方案1、2對(duì)比如圖3所示。優(yōu)化方案1、2系統(tǒng)模態(tài)振型對(duì)比如圖4所示。

提取圖2、4中消聲器系統(tǒng)原方案、優(yōu)化方案1、2的系統(tǒng)模態(tài)頻率及振型結(jié)果如表3所示。由表3可知：采用優(yōu)化方案 消聲器系統(tǒng)增設(shè)加強(qiáng)筋后，模態(tài)頻率提高了2%左右，但依然不滿足1階模態(tài)頻率不低于80 Hz的限值要求；采用優(yōu)化方案2改進(jìn)后，模態(tài)頻率顯著提高，消聲器系統(tǒng)1階模態(tài)頻率提高約15%，2階頻率提高約10%，滿足各階模態(tài)頻率不低于80 Hz的限值要求。

將改進(jìn)后的消聲器支架安裝在柴油機(jī)上，市場(chǎng)應(yīng)用表明，消聲器系統(tǒng)未出現(xiàn)排氣接管斷裂漏煙現(xiàn)象，解決故障問題。

3 結(jié)論

1）采用消聲器系統(tǒng)有限元模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，可降低改進(jìn)成本，提高工作效率，可靠性高。

2）在消聲器系統(tǒng)連接支架上增設(shè)加強(qiáng)筋，可提高系統(tǒng)模態(tài)頻率，但改進(jìn)效果不明顯。

3）改進(jìn)消聲器本體支架結(jié)構(gòu)，沿縱向加強(qiáng)消聲器本體支架，并在連接支架上增設(shè)加強(qiáng)筋，可提高模態(tài)頻率，降低消聲器系統(tǒng)產(chǎn)生共振的風(fēng)險(xiǎn)。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 朱傳峰.裝載機(jī)排氣噪聲特性研究及消聲器優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].天津：天津大學(xué)，2014.

[2] 孟令超，沈勇，王曉明，等.消聲器結(jié)構(gòu)有限元仿真分析及優(yōu)化[J].工程機(jī)械，2019，50（5）：45-51.

[3] 張鵬，王哲，李俊芳，等.某汽車排氣系統(tǒng)支架應(yīng)力分析及改進(jìn)[J].內(nèi)燃機(jī)與動(dòng)力裝置，2023，40（3）：50-55.

[4] 黃政，李云濤，藍(lán)軍，等.排氣系統(tǒng)熱端支架低周疲勞開裂分析與優(yōu)化[J].內(nèi)燃機(jī)與動(dòng)力裝置，2021，38（5）：88-95.

[5] 劉興鑫，趙衛(wèi)東，張少波.挖掘機(jī)排氣系統(tǒng)支架斷裂原因分析與改進(jìn)[J].建筑機(jī)械，2022（2）：124-128.

[6] 張利，吳孟兵，胡光輝，等.乘用車一級(jí)消聲器固定支架耐久性優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].汽車實(shí)用技術(shù)，2020，45（16）：85-87.

[7] 馮兆緣.船用四沖程柴油機(jī)的SCR系統(tǒng)和排氣消聲器的聯(lián)合仿真與設(shè)計(jì)[D].鎮(zhèn)江：江蘇科技大學(xué)，2019.

[8] 陳正江.一種新型排氣消聲器吊掛機(jī)構(gòu)及受力分析[J].汽車實(shí)用技術(shù)，2019（2）：93-94.

[9] 王永鑫，王艷.基于ABAQUS某汽車消聲器的模態(tài)分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2022，60（3）：149-151.

[10] 王爽，李曉峰，陳志勇.汽車消聲器改進(jìn)方案仿真分析[J].汽車實(shí)用技術(shù)，2017（15）：111-113.

[11] 王小燕，李志遠(yuǎn).汽車消聲器振動(dòng)耐久性試驗(yàn)方法研究[J].汽車零部件，2010（8）：64-65.

[12] 周新，劉海波，代智軍，等.汽車排氣系統(tǒng)消聲器支架拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)[C]//第一屆結(jié)構(gòu)及多學(xué)科優(yōu)化工程應(yīng)用與理論研討會(huì)論文集.大連：工程力學(xué)系與工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，2009：1-4.

[13] 張振.Y型加強(qiáng)筋船體結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2018.

[14] 吳凌云.輪式裝載機(jī)振動(dòng)噪聲測(cè)試分析與改進(jìn)[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2014.

[15] 張翼強(qiáng).礦用汽車消聲器模態(tài)分析及聲振耦合研究[D].呼和浩特：內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)，2022.

[16] 趙翔彥，馬域，閆樹軍，等.動(dòng)車組齒輪箱箱體模態(tài)分析研究[J].測(cè)控技術(shù)，2022，41（7）：81-86.

[17] 黃春芳，王鵬，何明昌，等.應(yīng)用錘擊法的大型復(fù)合材料桁架結(jié)構(gòu)段自由振動(dòng)分析[J].國(guó)防科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2018，40（1）：37-41.

[18] 靳繼濤，張義博，李騰，等.懸置支架模態(tài)仿真與試驗(yàn)對(duì)標(biāo)研究[J].汽車工程師，2021（8）：49-51.

[19] 王林，韓玉穩(wěn)，趙彥鵬，等.大型高壓三相異步電動(dòng)機(jī)試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析[J].機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2020，33（6）：109-111.

[20] 軒飛.裝載機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管斷裂原因及改進(jìn)方法[J].工程機(jī)械與維修，2015（8）：101-102.

[21] ZHANG C P， YU F， DUAN H G， et al.Dynamic modeling and finite element structural optimization of glass handling robot[J]. International Journal of Structural Integrity， 2017，8（3）：423-434..

[22] 許艷霞，劉蓓.有限元分析法在工程機(jī)械零部件設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].內(nèi)燃機(jī)工程，2023，44（2）：111.

Modal analysis and improvement of a loader muffler support

XU Zhen1，2， DUAN Liangkun1，2， SUN Zhiming1，2， XIN Chengzu

ZENG Chao1，2， FAN Huancheng1，2

Abstract：In response to the problem of smoke leakage from the exhaust pipe of a loader engine muffler system， a modal test is conducted using the hammering method. The test data is compared with the finite element simulation results. The relative deviation between the first and second modal frequency of the system and the test results is small， and the modal vibration modes are consistent. The first modal frequency of the muffler system is low， with a high resonance risk， which could easily bring component breakage. By comparing the modal vibration modes， a reinforcing ribs on the connecting bracket between the muffler and the cylinder head is added to improve the external structure of the muffler body bracket， and simulation comparative analysis is also conducted. The results indicate that adding reinforcing ribs to the muffler connecting bracket of the loader shows a small impact on the modal frequency， while adding reinforcing ribs to the connecting bracket and improving the external structure of the muffler body bracket can increase the 1st and 2nd modal frequencies of the system， reduce the resonance risk of the muffler system， and solve the problem of exhaust pipe fracture.

Keywords：modal calculation; muffler bracket; finite element analysis; structural improvement

（責(zé)任編輯：胡曉燕）

收稿日期：2023-07-20

第一作者簡(jiǎn)介：許震（1997—），男，吉林白山人，工程碩士，主要研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)可靠性分析，E-mail：xuz1997@126.com。