井下防爆車發(fā)動機阻尼系統(tǒng)緩沖解耦優(yōu)化

陳俊海，孫大剛，韓斌慧，，宋勇，王新，李飛

(1.太原科技大學機械工程學院，太原030024;2.中國煤炭科工集團太原研究院有限公司，太原 030006）

井下防爆車發(fā)動機阻尼系統(tǒng)緩沖解耦優(yōu)化

陳俊海1，孫大剛1，韓斌慧1，2，宋勇1，王新2，李飛1

(1.太原科技大學機械工程學院，太原030024;2.中國煤炭科工集團太原研究院有限公司，太原 030006）

防爆發(fā)動機劇烈的振動對車輛使用壽命影響較大，針對上述問題，以WC5E型防爆膠輪車發(fā)動機為研究對象，建立其六自由度力學模型，研究發(fā)動機各階振動頻率分布及振動耦合情況，利用Matlab優(yōu)化工具箱對阻尼元件剛度參數(shù)進行優(yōu)化，實現(xiàn)系統(tǒng)固有頻率的合理配置和振動解耦程度的提高，最后對原車及解耦優(yōu)化后車輛進行動態(tài)測試試驗，結果顯示優(yōu)化后的阻尼系統(tǒng)大大的衰減了發(fā)動機振動向車架的傳遞，起到了良好的緩沖效果。

防爆發(fā)動機;阻尼系統(tǒng);緩沖;解耦

防爆膠輪車運用于井下低矮巷道運輸，防爆發(fā)動機是膠輪車的動力源同時也是振動和噪聲的主要來源，井下巷道路面情況復雜，由防爆發(fā)動機產生的振動對整車使用壽命及性能發(fā)揮有很大的影響。發(fā)動機的振動往往不是單一模態(tài)振動，而是多個模態(tài)耦合振動，使得振動振幅增大。關于發(fā)動機振動解耦國內外學者做了大量的研究，提出了如彈性軸、扭矩軸及能量解耦等方法［1-5］。然而，上述研究大多針對汽車發(fā)動機阻尼系統(tǒng)，鮮見關于防爆工程車輛發(fā)動機振動解耦的研究。在實際運用中，防爆工程車輛發(fā)動機阻尼元件常常選取簡單的減振墊來減小發(fā)動機振動向機架的傳遞，其隔振效果有限，因此有必要對其阻尼系統(tǒng)分析設計。針對上述問題，以WC5E型防爆膠輪車發(fā)動機為研究對象，從能量解耦的角度優(yōu)化其阻尼元件參數(shù)，使得發(fā)動機振動各階模態(tài)耦合情況有所改善。

1 發(fā)動機阻尼系統(tǒng)建模及解耦分析

圖1 車輛-發(fā)動機動力學模型Fig.1 Dynamic model of vehicles-engine

防爆膠輪車可以看作是一個多自由度彈性系統(tǒng)，據(jù)振動理論相關知識，建立如圖1所示的車輛-發(fā)動機動力學模型，模型坐標系O-XYZ原點位于車輛質心處，X軸取為車輛前進方向，為正，Z軸垂直向上，Y軸由右手定則確定;其中me、mf分別表示發(fā)動機質量和車架質量，Kg.fe、fg分別表示來自發(fā)動機和地面的激振力，N.綜合車輛外形尺寸、機艙空間限制等因素影響，防爆柴油機阻尼系統(tǒng)采用四點平置式布置，其位置具體如圖1中1、2、3、4所示。

在發(fā)動機阻尼系統(tǒng)隔振設計中，常常將發(fā)動機及車架視為剛體，橡膠元件忽略其扭簧作用，簡化為三向剛度彈簧。綜上所述，建立發(fā)動機阻尼系統(tǒng)力學模型如圖2所示，坐標系各軸方向選取與前述一致，原點位于發(fā)動機質心處:

圖2 發(fā)動機阻尼系統(tǒng)動力學分析模型Fig.2 Dynamic analysis model of engine damping system

對于第i個阻尼元件，其支反力FTi和反力矩Fθi分別為:

Ki為第i個阻尼元件剛度矩陣，kxi、kyi、kzi表征第i個阻尼元件三向剛度參數(shù);Bi為位置轉換矩陣，xi、yi、zi為第i個阻尼元件在質心坐標系下的位置。

將式(1)、式(2)合并可得:

利用同樣的方法可以得到阻尼系統(tǒng)的阻尼矩陣，因此如圖1所示動力學分析模型其振動微分方程為:

對系統(tǒng)自由振動分析時，可忽略橡膠阻尼對降低共振峰值的作用，系統(tǒng)自由振動方程可簡化為:

m表示發(fā)動機質量;Iij(i，j=1，2…6)表示發(fā)動機慣性參數(shù)。

據(jù)振動理論相關知識，發(fā)動機振動可以看作是剛體作多自由度耦合振動。剛體在作某方向的振動，其振動能集中于該方向上時，這樣就實現(xiàn)了該方向振動與其他方向振動的解耦［6］。

剛體作多自由度振動時，其系統(tǒng)作第j階振動時，其最大振動能由下式表示:

第k個廣義坐標分配的能量為:

綜上所示:當系統(tǒng)以第j階固有頻率振動時，第k個廣義坐標所占的能量百分比Pkj為:

式中:Φj為系統(tǒng)的第j階振型;(Φj)k及(Φj)l分別為第k和第l個元素;mkl為系統(tǒng)質量矩陣的第k行第l列元素;k，l，j=1，2，…，6.

依據(jù)公式(8)可求出系統(tǒng)作多自由度振動時其振動能在各階固有頻率下的能量分布，據(jù)此分析其振動耦合情況，可以判斷出系統(tǒng)是否存在振動耦合。系統(tǒng)作第j階固有頻率時，Pkj越大表示振動能主要集中于該方向，與其它方向振動耦合越低。

2 阻尼系統(tǒng)優(yōu)化設計

2.1 約束條件

防爆膠輪車工作在煤礦井下巷道，其路面等級較低，由地面擾動引起的激勵頻率約為0.1～5 Hz［7］.對阻尼系統(tǒng)設計時，發(fā)動機自身的激勵相對與地面激勵影響大些，因此本文重點對發(fā)動機內部激勵頻率進行分析。

發(fā)動機內部激振頻率有燃燒激振頻率和慣性力激振頻率［8］，其計算如下:

式中:n為發(fā)動機轉速;i為發(fā)動機汽缸數(shù);τ為發(fā)動機沖程數(shù);Q為激勵的諧次(1階不平衡力取1，2階不平衡力取2).

針對所使用的發(fā)動機為直列六缸四沖程發(fā)動機，怠速轉速為600 r/min，各階不平衡力相互抵消，數(shù)據(jù)代入公式(9)計算燃燒激振頻率可得為30 Hz，根據(jù)隔振理論，系統(tǒng)的固有頻率滿足不大于激振頻率1的關系時，才能夠取得良好的隔振效果。因此在阻尼系統(tǒng)設計時，應將系統(tǒng)的固有頻率比控制在21.2 Hz以下。

綜上所述，阻尼系統(tǒng)固有頻率應控制在5 Hz到21.2 Hz之間，即5 Hz≤f≤21.2 Hz.

2.2 設計變量

發(fā)動機阻尼系統(tǒng)設計中影響較大的因素主要有阻尼元件安裝位置、角度及阻尼元件的剛度參數(shù)。在本文中車輛屬于定型產品，其元件安裝位置以及安裝角度不便改動，且基于制作阻尼元件成本考慮，四個橡膠阻尼元件結構各向剛度參數(shù)相同，只有橡膠阻尼元件剛度參數(shù)可以改變，因此，本文選取橡膠阻尼元件的三向剛度參數(shù)(共3個，分別為kxi、kyi、kzi)作為本次優(yōu)化的設計變量。

2.3 目標函數(shù)

由前文，Pkj值越大表示系統(tǒng)的解耦程度越高。因此阻尼系統(tǒng)的優(yōu)化目標函數(shù)為:

綜上所述:優(yōu)化設計數(shù)學模型為:

利用Matlab優(yōu)化工具箱編制其計算及優(yōu)化程序，算例如下:

表1 阻尼系統(tǒng)參數(shù)Tab.1 Damping system parameters

表2 原車阻尼系統(tǒng)固有頻率及能量分布/%Tab.2 The natural frequency and energy distribution of original car damping system/%

防爆膠輪車發(fā)動機阻尼系統(tǒng)參數(shù)如表1所示，發(fā)動機質心及慣性參數(shù)由發(fā)動機生產廠家提供，通過實驗的方法得到阻尼元件的三向剛度參數(shù);由表2可以看到阻尼系統(tǒng)固有頻率在7.6～34 Hz，各階頻率或接近發(fā)動機固有頻率(約為30 Hz)或大于發(fā)動機固有頻率，且從第二階到第六階固有頻率過于接近，容易引起共振，頻率配置不合理。由表2，對應發(fā)動機主要激振力方向(z和θx)其振動解耦程度只有27.9%和29.6%，與其它方向振動耦合比較嚴重，有必要對阻尼系統(tǒng)參數(shù)進行優(yōu)化設計。

表3、4分別為優(yōu)化后阻尼系統(tǒng)固有頻率、能量分布及阻尼元件剛度參數(shù)。對比表2、3，優(yōu)化后系統(tǒng)固有頻率配置在6.85～21.09 Hz之間與發(fā)動機固有頻率相距較遠，且各階固有頻率相差大于1 Hz，不易引起共振;對于發(fā)動機主要激振力方向(z和θx)其振動解耦程度分別達到了93%和91.27%，與其他模態(tài)的振動解耦較高，并且其他方向模態(tài)振動解耦程度也達到了85%以上，優(yōu)化取得了良好的效果。

表3 優(yōu)化后阻尼系統(tǒng)固有頻率及能量分布/%Tab.3 The natural frequency and energy distribution of optimized damping system/%

表4 優(yōu)化后橡膠懸置元件靜態(tài)剛度值/(N/mm)Tab.4 Static stiffness of optimized rubber suspension elements/(N/mm)

3 實車試驗

對原車及優(yōu)化后車輛，采用東華測試系統(tǒng)對其各橡膠元件振動前后加速度進行測量，通過減振前后加速度對比得到其振動傳遞率。以右前橡膠元件為例，圖3、4分別為原車及優(yōu)化后車輛右前橡膠元件減振前后加速度時域信號，其中右前上、下分別測量減振前、后加速度;其它各測點采用與上述一致的布置方法。對比圖3、4，優(yōu)化后加速度分布相對集中，其峰值也比原車有多降低。通常采用振動加速度的均方根值來作為駕駛員人體舒適性的評價指標［9］，各測點振動加速度的均方根值如表5所示。由表5，優(yōu)化后各元件振動傳遞率相較于原車有所降低，右前位置優(yōu)化程度較高;優(yōu)化后車輛駕駛室垂向加速度振動均方根值較原車由3.21 m/s2下降到1.14 m/s2，降低了64.3%，大大提高了駕駛員駕駛車輛的舒適性。綜上所述，優(yōu)化后的阻尼系統(tǒng)大大的衰減了發(fā)動機振動向機架的傳遞，起到了良好的緩沖減振效果。

圖3 原車右前阻尼元件減振前后加速度Fig.3 Acceleration of original car right-front damping element before and after damping

圖4 優(yōu)化后右前阻尼元件減振前后加速度Fig.4 Acceleration of optimized car right-front damping element before and after damping

4 結論

(1)針對防爆膠輪車發(fā)動機振動劇烈的問題，建立其六自由度力學模型，從振動能解耦，固有頻率合理配置的角度對阻尼元件參數(shù)進行了優(yōu)化設計;

(2)優(yōu)化后的阻尼元件，經(jīng)計算和實驗，其結果表明取得了良好的解耦效果和緩沖效果，有效的衰減了發(fā)動機振動向車架的傳遞;

(3)對膠輪車發(fā)動機阻尼系統(tǒng)的設計研究可以為其它工程車輛發(fā)動機阻尼緩沖提供一定的參考。

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Decoupling Buffer Optimization of Mine Explosion-proof Car Engine Damping System

CHEN Jun-hai1，SUN Da-gang1，HAN Bin-hui1，2，SONG Yong1，WANG Xin2，LI Fei1
(1.College of Mechanical Engineering，Taiyuan University of Science and Technology，Taiyuan 030024，China；2.Tai Yuan Institute co.，LTD.of China Coal Technology and Engineering Group，Taiyuan 030006，China)

Severe engine vibration is proved to have larger impact on the life of vehicle.According to this problem，using the WC5E type explosion-proof-vehicle engine as the research object，the six degrees of freedom mechanical model was set up，and the engine's vibration frequency distribution and vibration coupling case were analyzed.Matlab optimization toolbox was applied to optimize damping element stiffness parameters so as to realize reasonable allocation of system natural frequency and improve the vibration decoupling rate.At last，dynamic testing experiment was made on both the original car and decoupling-optimized vehicle，the results show that the optimized damping system greatly reduce the vibration transmission from the engine to the frame and play a good vibration buffer effect.

explosion-proof engine，damping system，buffer，decouple

TH113.1

A

10.3969/j.issn.1673-2057.2015.03.014

1673-2057(2015)03-0228-05

2014-12-18

山西省研究生優(yōu)秀創(chuàng)新項目(20143086);天地科技工藝技術創(chuàng)新基金(KJ-2013-SXMJ-05)

陳俊海(1991-)，碩士研究生，主要研究方向為工程車輛振動和噪聲的阻尼控制。