孟浩東　趙景波　王勇　郭炎　戴旭東　徐年堯

摘要：針對某型單缸農(nóng)用柴油機(jī)在標(biāo)定工況下鑄鋁齒輪室蓋結(jié)構(gòu)振動問題，采用現(xiàn)代信號處理技術(shù)結(jié)合有限元模態(tài)分析技術(shù)分析齒輪室蓋的結(jié)構(gòu)動態(tài)特性。首先采用變分模態(tài)分解方法（VMD）與同步壓縮小波變換法（SWT）相結(jié)合的方法獲取了齒輪室蓋結(jié)構(gòu)振動的主變分模態(tài)分量，分析其時(shí)頻特性，然后通過頻率響應(yīng)法識別齒輪室蓋結(jié)構(gòu)的固有特性，分析兩者相關(guān)性，在此基礎(chǔ)上再利用有限元模態(tài)分析技術(shù)進(jìn)一步研究齒輪室蓋結(jié)構(gòu)振動的模態(tài)特性，找到導(dǎo)致其動態(tài)特性變差的薄弱環(huán)節(jié)，最后采用加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)措施提高齒輪室蓋的模態(tài)頻率，避開結(jié)構(gòu)共振，優(yōu)化結(jié)構(gòu)動態(tài)特性。

關(guān)鍵詞：農(nóng)用柴油機(jī)；齒輪室蓋；信號處理；動態(tài)特性；模態(tài)分析

中圖分類號：TK422文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：20955553 （2023） 11008706

Analysis and improvement of dynamic characteristics of gear chamber cover structure of

agricultural diesel engine

Meng Haodong Zhao Jingbo Wang Yong Guo Yan Dai Xudong Xu Nianyao

（1. School of Automotive Engineering， Changzhou Institute of Technology， Changzhou， 213032， China；

2. Automotive Engineering Research Institute， Jiangsu University， Zhenjiang， 212013， China）

Abstract：Aiming at the structural vibration problem of cast aluminum gear chamber cover of a certain type of single cylinder agricultural diesel engine under calibration condition， the structural dynamic characteristics of gear chamber cover are analyzed by modern signal processing technology combined with finite element modal analysis technology. Firstly， the principal variation modal components of the structural vibration of the gear chamber cover are obtained by combining the Variational Mode Decomposition（VMD） method with the Synchronous Compression Wavelet Transform（SWT） method， and the time-frequency characteristics are analyzed. Then， the inherent characteristics of the gear chamber cover are identified by the frequency response method， and the correlation between them is analyzed. On this basis， the modal characteristics of the structural vibration of the gear chamber cover are further studied by using the finite element modal analysis technology， and the weak links that lead to the deterioration of its dynamic characteristics are found. Finally， the modal frequency of the gear chamber cover is increased， the structural resonance is avoided and the structural dynamic characteristics are optimized by using the measures of improved design of stiffener structure.

Keywords：agricultural diesel engine； gear chamber cover； signal processing； dynamic characteristics； modal analysis

0引言

農(nóng)用柴油機(jī)是農(nóng)用機(jī)械車輛的主要動力源，隨著柴油機(jī)功率和轉(zhuǎn)速的不斷提高，振動與噪聲問題日益突出，尤其是動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)共振不僅影響產(chǎn)品可靠性還會影響駕駛員的身心健康。為滿足日益嚴(yán)格的國家環(huán)保法規(guī)需要和客戶對農(nóng)用機(jī)械車輛舒適性的需求，必須對農(nóng)用柴油機(jī)結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性進(jìn)行分析與改進(jìn)。

農(nóng)用柴油機(jī)板殼和箱體薄壁結(jié)構(gòu)件是影響動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)動態(tài)特性的關(guān)鍵零部件，近年來國內(nèi)外學(xué)者采用基于試驗(yàn)測試、信號處理以及仿真分析相結(jié)合的多信息融合技術(shù)研究柴油機(jī)薄壁結(jié)構(gòu)件動態(tài)特性進(jìn)行結(jié)構(gòu)減振降噪［13］。曾志星等［4］結(jié)合聲強(qiáng)法噪聲源識別試驗(yàn)、1/3倍頻程頻譜及有限元約束模態(tài)仿真分析了齒輪室蓋板的聲振特性，通過給齒輪室蓋板開孔和更換材料的改進(jìn)措施避開了共振頻率，優(yōu)化了結(jié)構(gòu)噪聲。孟浩東等［5］將同步壓縮—交叉小波變換法與有限元模態(tài)分析法相結(jié)合識別了柴油機(jī)后蓋板總成異響特性，通過采取托架板與加強(qiáng)筋設(shè)計(jì)措施提高了薄弱結(jié)構(gòu)剛度，消除了結(jié)構(gòu)共振異響。陳建明等［6］采用有限元計(jì)算和試驗(yàn)分析相結(jié)合的方法分析了柴油機(jī)振動響應(yīng)特性，通過模塊化設(shè)計(jì)將薄弱環(huán)節(jié)飛輪殼組合式結(jié)構(gòu)改為一體式結(jié)構(gòu)，提高了整機(jī)剛度，有效降低了整機(jī)振動。張艷崗等［7］將靈敏度分析、模態(tài)試驗(yàn)、仿真計(jì)算相結(jié)合找到了影響柴油機(jī)傳動箱結(jié)構(gòu)剛度的關(guān)鍵因素，通過改進(jìn)傳動箱壁厚參數(shù)提高了結(jié)構(gòu)剛度和模態(tài)頻率，避免了結(jié)構(gòu)共振。

本文以某型單缸農(nóng)用柴油機(jī)鑄鋁齒輪室蓋為研究對象，首先在標(biāo)定工況下采用變分模態(tài)分解方法［810］（Variational Mode Decomposition，VMD）自適應(yīng)分解柴油機(jī)多源激勵作用下齒輪室蓋振動響應(yīng)信號，獲取影響結(jié)構(gòu)動態(tài)特性的主變分模態(tài)分量，結(jié)合同步壓縮小波變換法［1112］（Synchronous Compression Wavelet Transform，SWT）提取變分模態(tài)分量信號的時(shí)頻特征，然后利用齒輪室蓋頻響函數(shù)識別結(jié)構(gòu)的固有特性，在分析兩者相關(guān)性基礎(chǔ)上，最后采用有限元模態(tài)分析技術(shù)進(jìn)一步研究齒輪室蓋的振動模態(tài)特性，找到影響結(jié)構(gòu)動態(tài)特性的薄弱環(huán)節(jié)，研究結(jié)果指導(dǎo)優(yōu)化其結(jié)構(gòu)動態(tài)特性。

1農(nóng)用柴油機(jī)齒輪室蓋振動試驗(yàn)分析

1.1VMD-SWT方法概述

同時(shí)結(jié)合圖3（e）各變分模態(tài)分量基于連續(xù)小波變換法的時(shí)頻分析比較可知，連續(xù)小波變換法時(shí)頻分辨率不高，導(dǎo)致模態(tài)分量的中心頻率特征提取產(chǎn)生混淆，而同步壓縮小波變換能克服時(shí)頻模糊現(xiàn)象，提高時(shí)頻聚集性和可讀性，準(zhǔn)確提取齒輪室蓋結(jié)構(gòu)振動的主變分模態(tài)分量時(shí)頻特征，說明采用VMD-SWT方法在準(zhǔn)確提取結(jié)構(gòu)振動的主變分模態(tài)分量時(shí)頻局部信息特征方面更具優(yōu)勢。

為找出鑄鋁齒輪室蓋結(jié)構(gòu)主振動致使其動態(tài)特性變差的原因，采用脈沖激振法進(jìn)行實(shí)際安裝條件下齒輪室蓋結(jié)構(gòu)的頻響特性分析，獲得的結(jié)構(gòu)頻率響應(yīng)函數(shù)如圖4所示。

從圖4可知，齒輪室蓋結(jié)構(gòu)存在以2130Hz為中心的某階模態(tài)主導(dǎo)頻率，其垂直方向振動幅值最大，同時(shí)與標(biāo)定工況下結(jié)構(gòu)振動的主變分模態(tài)分量的中心頻率區(qū)間相吻合，說明齒輪室蓋結(jié)構(gòu)模態(tài)頻率落入了單缸柴油機(jī)工作激勵頻率區(qū)間，導(dǎo)致了結(jié)構(gòu)的共振響應(yīng)，而控制齒輪室蓋主振動優(yōu)化結(jié)構(gòu)動態(tài)特性的關(guān)鍵是避開結(jié)構(gòu)共振頻率以降低中高頻帶的振動響應(yīng)能量。

2農(nóng)用柴油機(jī)齒輪室蓋有限元模態(tài)分析

根據(jù)齒輪室蓋的振動試驗(yàn)分析結(jié)果，采用有限元模態(tài)分析方法進(jìn)行齒輪室蓋的振動模態(tài)特性分析，找到導(dǎo)致結(jié)構(gòu)動態(tài)特性變差的薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)，使結(jié)構(gòu)模態(tài)主導(dǎo)頻率避開共振頻率，達(dá)到改進(jìn)結(jié)構(gòu)動態(tài)特性的目的。首先建立鑄鋁齒輪室蓋的有限元仿真模型，然后選取4mm的四面體單元進(jìn)行結(jié)構(gòu)的自由網(wǎng)格劃分，最終得到的齒輪室蓋有限元網(wǎng)格模型如圖5所示。

為模擬齒輪蓋的實(shí)際工作狀態(tài)，將其與機(jī)體連接端面的螺栓孔內(nèi)接觸面都施加固定約束，全約束了所有連接螺栓孔的自由度，采用分塊蘭索斯法［15］計(jì)算約束邊界條件下齒輪室蓋的結(jié)構(gòu)模態(tài)，前8階約束模態(tài)頻率計(jì)算結(jié)果如表2所示，其中第6階約束模態(tài)振型如圖6所示。

從表2可以看出，齒輪室蓋第6階約束模態(tài)頻率為2 126Hz，與其在標(biāo)定工況下結(jié)構(gòu)主振動的變分模態(tài)分量中心頻率2134Hz相接近，落入了結(jié)構(gòu)共振頻率區(qū)間，因此，該階約束模態(tài)頻率是控制結(jié)構(gòu)共振的主導(dǎo)頻率。結(jié)合圖6分析可知，齒輪室蓋第6階約束模態(tài)振型表現(xiàn)為平板表面結(jié)構(gòu)作類似鼓面振動，其中靠近機(jī)油泵安裝孔及油尺孔部位變形相對較大。由于平板結(jié)構(gòu)開孔在一定程度上破壞了結(jié)構(gòu)局部剛度，促使結(jié)構(gòu)固有頻率有所下降，因此，齒輪室蓋結(jié)構(gòu)中靠近機(jī)油泵安裝孔與油尺孔內(nèi)側(cè)部位是影響結(jié)構(gòu)動態(tài)特性的薄弱環(huán)節(jié)。

3農(nóng)用柴油機(jī)齒輪室蓋動態(tài)特性改進(jìn)分析

綜合齒輪室蓋試驗(yàn)與有限元仿真分析結(jié)果，要降低標(biāo)定工況下齒輪室蓋結(jié)構(gòu)主振動的變分模態(tài)分量的振動響應(yīng)能量，可通過改進(jìn)結(jié)構(gòu)薄弱環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)使主導(dǎo)約束模態(tài)頻率避開結(jié)構(gòu)共振頻率區(qū)間，達(dá)到優(yōu)化結(jié)構(gòu)動態(tài)特性的目的。在確保改進(jìn)結(jié)構(gòu)不會對齒輪室蓋裝配產(chǎn)生干涉影響條件下，采取齒輪室蓋內(nèi)側(cè)加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)措施來提高結(jié)構(gòu)剛度，其中將齒輪室蓋內(nèi)側(cè)縱向和橫向加強(qiáng)筋高度都增加3mm，同時(shí)把縱向加強(qiáng)筋寬度都增加2mm，采取上述改進(jìn)方案后進(jìn)行約束模態(tài)頻率計(jì)算，結(jié)果如表2所示，其中改進(jìn)后的齒輪室蓋結(jié)構(gòu)及其約束模態(tài)振型分別如圖7和圖8所示。

從表2和圖8中分析可知，采用縱橫加強(qiáng)筋改進(jìn)設(shè)計(jì)后能有效提高齒輪室結(jié)構(gòu)剛度和模態(tài)頻率，尤其是第6階主約束模態(tài)頻率提高了176.6Hz，在提高結(jié)構(gòu)彎曲剛度的同時(shí)也有效避開了結(jié)構(gòu)共振頻率區(qū)間，其主振型相對變形量也減小。下一步將根據(jù)齒輪室蓋動態(tài)特性的仿真改進(jìn)效果進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

4結(jié)論

1） 在標(biāo)定工況下，鑄鋁齒輪室蓋結(jié)構(gòu)振動的主變分模態(tài)分量存在以2134Hz為中心的峰值頻率，而引起主變分模態(tài)分量的原因由于齒輪室蓋結(jié)構(gòu)模態(tài)主導(dǎo)頻率落入了單缸農(nóng)用柴油機(jī)的工作激勵頻率區(qū)間導(dǎo)致了結(jié)構(gòu)共振響應(yīng)，控制齒輪室蓋結(jié)構(gòu)振動的關(guān)鍵是降低其主變分模態(tài)分量的振動響應(yīng)能量。

2） 鑄鋁齒輪室蓋的第6階約束模態(tài)頻率是導(dǎo)致結(jié)構(gòu)共振的主導(dǎo)模態(tài)頻率；齒輪室蓋內(nèi)側(cè)結(jié)構(gòu)中靠近機(jī)油泵安裝孔與油尺孔部位是導(dǎo)致結(jié)構(gòu)動態(tài)特性變差的薄弱環(huán)節(jié)；采取縱向和橫向加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)尺寸綜合改進(jìn)措施提高了結(jié)構(gòu)剛度，齒輪室蓋第6階約束模態(tài)頻率提高了176.6Hz，避開了結(jié)構(gòu)共振頻率區(qū)間。

3） 融合VMD-SWT方法和模態(tài)分析法的優(yōu)勢，自適應(yīng)分解了柴油機(jī)多源激勵下齒輪室蓋振動信號，獲得了影響齒輪室蓋結(jié)構(gòu)動態(tài)特性的主變分模態(tài)分量及其時(shí)頻特性，研究了齒輪室蓋結(jié)構(gòu)振動的模態(tài)特性，分析了兩者之間的相關(guān)性，找到了導(dǎo)致齒輪室蓋結(jié)構(gòu)動態(tài)特性變差的薄弱環(huán)節(jié)，通過采取加強(qiáng)筋改進(jìn)設(shè)計(jì)措施提高了結(jié)構(gòu)剛度，優(yōu)化了結(jié)構(gòu)動態(tài)特性。

參考文獻(xiàn)

［1］閆超群， 馬炳杰， 王志剛， 等. 基于虛擬材料法建模的柴油機(jī)振動噪聲分析［J］. 內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)， 2020， 38（5）： 464-471.Yan Chaoqun， Ma Bingjie， Wang Zhigang， et al. Vibration and noise analysis of diesel engine based on virtual material modeling method ［J］. Transactions of CSICE， 2020， 38（5）： 464-471.

［2］丁瑞， 李舜酩， 張凱成. 某型柴油機(jī)缸蓋罩的振動分析與降噪研究［J］. 重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)）， 2020， 34（3）： 80-88.Ding Rui， Li Shunming， Zhang Kaicheng. Vibration analysis and noise reduction research of the cylinder head cover of a diesel engine ［J］. Journal of Chongqing University of Technology （Natural Science）， 2020， 34（3）： 80-88.

［3］馮娜， 周欣， 侯志鵬. 某V型高速柴油機(jī)振動測試及動力學(xué)分析［J］. 船舶工程， 2021， 43（1）： 56-60.Feng Na， Zhou Xin， Hou Zhipeng. Vibration test and dynamic analysis of a V-type high speed diesel engine ［J］. Ship Engineering， 2021， 43（1）： 56-60.

［4］曾志星， 黃豪中， 李松林. 一種低噪聲齒輪室蓋板的設(shè)計(jì)方法［J］. 內(nèi)燃機(jī)工程， 2016， 37（6）： 126-132.Zeng Zhixing， Huang Haozhong， Li Songlin. A design method of low noise gearbox cover ［J］. Chinese Internal Combustion Engine Engineering， 2016， 37（6）： 126-132.

［5］孟浩東， 展杰， 王勇， 等. 柴油機(jī)后蓋板總成異響特性識別研究［J］. 車用發(fā)動機(jī)， 2021（2）： 88-92.Meng Haodong， Zhan Jie， Wang Yong， et al. Identification of abnormal noise characteristics for rear cover plate assembly of diesel engine ［J］. Vehicle Engine， 2021（2）： 88-92.

［6］陳建明， 祖炳鋒， 郝長利， 等. 基于模塊化設(shè)計(jì)降低柴油機(jī)振動的開發(fā)與研究［J］. 機(jī)械設(shè)計(jì)， 2019， 36（3）： 14-18.Chen Jianming， Zu Bingfeng， Hao Changli， et al. Development and research of reducing the diesel engines vibration via modular design ［J］. Journal of Machine Design， 2019， 36（3）： 14-18.

［7］張艷崗， 宋智文， 馬富康， 等. 基于模態(tài)靈敏度的柴油機(jī)傳動箱結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)［J］. 機(jī)械設(shè)計(jì)與研究， 2019， 35（3）： 204-209.Zhang Yangang， Song Zhiwen， Ma Fukang， et al. Improved design of diesel engine transmission case structure based on modal sensitivity ［J］. Machine Design & Research， 2019， 35（3）： 204-209.

［8］Dragomiretskiy K， Zosso D. Variational mode decomposition ［J］. IEEE Transactions on Signal Processing， 2014， 62（3）： 531-544.

［9］Yao J， Xiang Y， Qian S， et al. Noise source identification of diesel engine based on variational mode decomposition and robust independent component analysis ［J］. Applied Acoustics， 2017， 116： 184-194.

［10］Zheng X， Zhou Q， Zhou N， et al. A dichotomy-based variational mode decomposition method for rotating machinery fault diagnosis ［J］. Measurement Science and Technology， 2019， 31（1）： 015003.

［11］Daubechies I， Lu J， Wu H T. Synchrosqueezed wavelet transforms： An empirical mode decomposition-like tool ［J］. Applied and Computational Harmonic Analysis， 2011， 30（2）： 243-261.

［12］Jiang Q， Suter B W. Instantaneous frequency estimation based on synchrosqueezing wavelet transform ［J］. Signal Processing， 2017， 138： 167-181.

［13］賈繼德， 任剛， 梅檢民， 等. 基于變分模態(tài)分解和交叉小波變換的柴油機(jī)失火故障診斷［J］. 內(nèi)燃機(jī)工程， 2020， 41（1）： 57-63.Jia Jide， Ren Gang， Mei Jianmin， et al. Fault diagnosis of diesel engine misfire based on VMD and XWT ［J］. Chinese Internal Combustion Engine Engineering， 2020， 41（1）： 57-63.

［14］靳行， 林建輝， 陳謝祺. 變微分模態(tài)分解罰參量選擇方法與時(shí)變系統(tǒng)識別［J］. 西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)， 2020， 55（3）： 672-680.Jin Hang， Lin Jianhui， Chen Xieqi. Penalty parameter selection method for variational mode decomposition and time-varying system identification ［J］. Journal of Southwest Jiaotong University， 2020， 55（3）： 672-680.

［15］周炬， 蘇金英. ANSYS Workbench有限元分析實(shí)例詳解（動力學(xué)）［M］. 北京： 人民郵電出版社， 2019.