某挖掘機(jī)駕駛室內(nèi)部異響診斷及分析

臧獻(xiàn)國(guó), 邵 威

(三一汽車制造有限公司 技術(shù)中心, 湖南 長(zhǎng)沙 410100)

某挖掘機(jī)駕駛室內(nèi)部異響診斷及分析

臧獻(xiàn)國(guó), 邵 威

(三一汽車制造有限公司 技術(shù)中心, 湖南 長(zhǎng)沙 410100)

針對(duì)某型挖掘機(jī)使用過(guò)程中出現(xiàn)的駕駛室內(nèi)部異響問題,通過(guò)模態(tài)試驗(yàn)和正弦激勵(lì)試驗(yàn)對(duì)駕駛室內(nèi)部異響原因進(jìn)行分析,確認(rèn)玻璃共振是造成異響的原因.對(duì)玻璃的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn),使其一階模態(tài)頻率避開常用工作頻率,避免了共振,消除了異響,改善了駕駛室聲學(xué)舒適性.

挖掘機(jī); 駕駛室; 共振; 異響; 模態(tài)試驗(yàn)

隨著社會(huì)發(fā)展和經(jīng)濟(jì)發(fā)展,人們對(duì)工程機(jī)械駕駛室乘坐舒適性的要求不斷提高,駕駛室內(nèi)噪聲已成為衡量乘坐舒適性的一個(gè)重要指標(biāo).駕駛室的異常噪聲不僅使人心情煩躁、注意力下降,而且可能預(yù)示著故障隱患.在駕駛室噪聲分析與控制方面,國(guó)內(nèi)外展開了大量的研究.文獻(xiàn)[1-4]建立駕駛室結(jié)構(gòu)聲學(xué)耦合模型,通過(guò)優(yōu)化駕駛室結(jié)構(gòu)降低駕駛室結(jié)構(gòu)輻射噪聲.文獻(xiàn)[5-7]通過(guò)振動(dòng)與噪聲測(cè)試分析診斷異響原因,消除了異響現(xiàn)象.試驗(yàn)測(cè)試與有限元分析在解決異響問題以及控制駕駛室噪聲方面得到廣泛應(yīng)用,在工程中具有越來(lái)越重要的作用.

據(jù)駕駛員反映,某挖掘機(jī)在發(fā)動(dòng)機(jī)5檔工況工作時(shí),駕駛室后部玻璃振動(dòng)明顯,且存在異常轟鳴聲,而其余檔位工作時(shí),后部玻璃振動(dòng)和異響微弱甚至不存在.為了診斷駕駛室內(nèi)部異響的原因,對(duì)該駕駛室后部玻璃進(jìn)行了模態(tài)試驗(yàn)與仿真分析,并對(duì)駕駛室進(jìn)行不同頻率的正弦激勵(lì),復(fù)現(xiàn)了駕駛室異響現(xiàn)象,通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果分析診斷出駕駛室內(nèi)部異響由駕駛室后部玻璃共振引起,并提出了消除玻璃異常轟鳴的有效措施.

1 駕駛室玻璃模態(tài)試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)平臺(tái)搭建

本文采用LMS模態(tài)分析測(cè)試系統(tǒng)對(duì)挖掘機(jī)駕駛室后部玻璃進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn),試驗(yàn)系統(tǒng)框圖如圖1所示.進(jìn)行駕駛室玻璃的模態(tài)試驗(yàn)時(shí),通過(guò)力錘施加激勵(lì),同時(shí)由傳感器獲取選定測(cè)點(diǎn)的加速度信號(hào)和力錘產(chǎn)生的力信號(hào).兩路信號(hào)通過(guò)電荷放大、濾波、A/D轉(zhuǎn)換輸入計(jì)算機(jī),通過(guò)FFT處理得到各個(gè)測(cè)點(diǎn)的頻率響應(yīng)函數(shù),最后擬合得到被測(cè)物體的模態(tài)頻率、振型、阻尼比等模態(tài)參數(shù).

圖1 模態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)框圖Fig.1 System sketch of modal test

本次試驗(yàn)對(duì)象形狀比較規(guī)則、結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單,根據(jù)試驗(yàn)對(duì)象結(jié)構(gòu)特性,并考慮傳感器的安裝及測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)能全面反映試驗(yàn)對(duì)象的振動(dòng)特性,本文在被測(cè)玻璃上均勻布置傳感器,共25個(gè)測(cè)點(diǎn),力錘激勵(lì)點(diǎn)選取在17號(hào)和19號(hào)測(cè)點(diǎn),如圖2所示.

圖2 試驗(yàn)對(duì)象及測(cè)點(diǎn)布置Fig.2 Test cab and measure position sketch

圖3 部分測(cè)點(diǎn)位置Fig.3 Measure position of part sensor

本文采用單點(diǎn)激勵(lì)多點(diǎn)輸出的方式對(duì)安裝在挖掘機(jī)駕駛室上的玻璃進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn),采用實(shí)際安裝約束方式,激勵(lì)點(diǎn)選擇在能夠使能量傳遞到玻璃各個(gè)位置的剛度較大處.

1.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

對(duì)測(cè)得的傳遞函數(shù)進(jìn)行處理后得到總的傳遞函數(shù)曲線,如圖4所示.

利用PolyMAX方法提取模態(tài)參數(shù)[8],獲得試驗(yàn)玻璃的模態(tài)頻率和模態(tài)振型,前兩階模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果如圖5和圖6所示.

圖4 綜合傳遞函數(shù)Fig.4 Synthesis transfer function

圖5 第1階模態(tài)頻率54 HzFig.5 The first order modal frequency 54 Hz

圖6 第2階模態(tài)頻率125 HzFig.6 The second order modal frequency 125 Hz

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析可知,該挖掘機(jī)駕駛室玻璃第1階模態(tài)頻率為54Hz,與發(fā)動(dòng)機(jī)5檔點(diǎn)火頻率(53.3Hz)接近,判斷在5檔工況下,該挖掘機(jī)駕駛室后部玻璃共振引起玻璃異常轟鳴.

2 振動(dòng)激勵(lì)試驗(yàn)

為了進(jìn)一步確定后部玻璃共振是產(chǎn)生駕駛室異響的原因,采用激振器對(duì)玻璃施加給定頻率的正弦激勵(lì),通過(guò)主觀聽取駕駛室內(nèi)部是否有異常轟鳴聲,并在后部玻璃上布置的加速度傳感器、駕駛室內(nèi)部布置傳聲器,如圖7所示,分析激勵(lì)頻率對(duì)玻璃共振的影響.

通過(guò)激振器施加不同頻率的幅值相同的正弦激勵(lì),獲取后部玻璃加速度和駕駛室內(nèi)部傳聲器信號(hào),通過(guò)分析發(fā)現(xiàn):在51Hz～57Hz正弦激勵(lì)下,玻璃振動(dòng)與駕駛室內(nèi)部噪聲較大,激振頻率越接近54Hz(第1階模態(tài)頻率),玻璃振動(dòng)與駕駛室內(nèi)部噪聲越明顯,主觀感受也越明顯,通過(guò)對(duì)駕駛室進(jìn)行激振試驗(yàn)?zāi)軌蚍从硨?shí)際工況下異常轟鳴聲.幾種典型正弦激勵(lì)下,測(cè)點(diǎn)振動(dòng)與駕駛室內(nèi)部噪聲如圖8和圖9所示,激勵(lì)頻率處玻璃加速度頻譜幅值和駕駛室內(nèi)部聲壓頻譜幅值如表1所示.

圖7 駕駛室后部玻璃激勵(lì)試驗(yàn)Fig.7 Theexcitation test of cab’s back glass

圖8 不同激勵(lì)頻率玻璃加速度頻譜對(duì)比Fig.8 Contrast of glassacceleration spectrum in different excitation frequency

圖9 不同激勵(lì)頻率駕駛室內(nèi)部聲壓頻譜對(duì)比Fig.9 Contrast ofcab pressure spectrum in different excitation frequency

根據(jù)正弦激勵(lì)試驗(yàn)結(jié)果可知:該挖掘機(jī)駕駛室內(nèi)部異響是由共振引起,該挖掘機(jī)常用工況下發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 100～2 000 r/min,氣缸數(shù)為4,點(diǎn)火頻率36.7～66.7Hz,發(fā)動(dòng)機(jī)5檔工況發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火頻率為53.3 Hz.因此,為了消除玻璃共振和駕駛室內(nèi)部異響,應(yīng)提高駕駛室后部玻璃的一階模態(tài)頻率,使其避開常用工況下發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火頻率,從而避免產(chǎn)生共振.

表1 不同激勵(lì)頻率振動(dòng)和噪聲頻譜幅值對(duì)比Tab.1 Contrast of vibration and pressure spectrum amplitude in different excitation frequency

3 結(jié)構(gòu)改進(jìn)

由于該挖掘機(jī)已投產(chǎn),駕駛室整體布局已定,因此,在不影響駕駛室整體結(jié)構(gòu)的前提下,對(duì)后部玻璃局部進(jìn)行整改,主要對(duì)玻璃厚度、玻璃粘膠層的厚度和寬度進(jìn)行調(diào)整.為了指導(dǎo)相關(guān)參數(shù)調(diào)整,對(duì)駕駛室后部玻璃進(jìn)行有限元分析.采用前處理軟件Hypermesh建立駕駛室后部玻璃的有限元模型,其中,鋼化玻璃采用殼單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分,以四邊形單元為主,玻璃粘膠層采用實(shí)體單元模擬,玻璃厚度為5mm,粘膠層厚度和寬度為10mm.后部玻璃的有限元模型如圖10所示.

圖10 駕駛室后部玻璃有限元模型Fig.10 Finite element model of cab back glass

駕駛室后部模態(tài)仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如表2所示,仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本一致,能夠用于指導(dǎo)結(jié)構(gòu)改進(jìn).

通過(guò)對(duì)駕駛室玻璃參數(shù)進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化后,確定駕駛室玻璃厚度為6 mm,粘膠層厚度和寬度分別為5 mm和25 mm.整改后的駕駛室后部玻璃的一階和二階模態(tài)頻率分別為71.8 Hz和147.5 Hz,模態(tài)振型不變,一階模態(tài)頻率高于常用工況最高激勵(lì)頻率66.7 Hz,可以避免共振.

對(duì)整改后駕駛室后部玻璃進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn),試驗(yàn)驗(yàn)證駕駛室后部玻璃的模態(tài)頻率,整改前后駕駛室后部玻璃傳遞函數(shù)對(duì)比如圖11所示,整改前后駕駛室后部玻璃前2階模態(tài)頻率如表3所示.

表2 駕駛室后部玻璃仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Tab.2 Contrast of back glass modal frequency between simulation and test

圖11 整改前后玻璃模態(tài)傳遞函數(shù)對(duì)比Fig.11 Contrast of back glass transfer function between origin and optimization

表3 整改前后玻璃模態(tài)頻率試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Tab.3 Contrast of back glass modal test frequency between origin and optimization

從表3可以看出,整改后該挖掘機(jī)駕駛室后部玻璃第1階模態(tài)頻率提高至71.0 Hz,避開了常用工況下發(fā)動(dòng)機(jī)工作頻率36.7 Hz ～66.7 Hz,避免后部玻璃共振.為了進(jìn)一步驗(yàn)證整改措施的有效性,對(duì)后部玻璃施加不同頻率的正弦激勵(lì),測(cè)量玻璃振動(dòng)加速度和駕駛室內(nèi)聲壓級(jí),如圖12和圖13所示,激勵(lì)頻率處玻璃加速度頻譜幅值和駕駛室內(nèi)部聲壓頻譜幅值如表4所示.

圖12 整改后不同激勵(lì)頻率下加速度頻譜對(duì)比圖Fig.12 Contrast of acceleration spectrum of optimization cab in different frequency

圖13 整改后不同激勵(lì)頻率下駕駛室內(nèi)部聲壓級(jí)頻譜對(duì)比圖Fig.13 Contrast of pressure spectrum of optimization cab in different frequency

取激勵(lì)器的激勵(lì)為67 Hz正弦激勵(lì),對(duì)整改后的駕駛室后部玻璃進(jìn)行激振,駕駛室玻璃振動(dòng)與駕駛室內(nèi)部聲壓級(jí)明顯小于共振時(shí)的振動(dòng)與噪聲.駕駛室裝車后,駕駛員在常用工況下未感覺到異響,駕駛室后部玻璃共振和駕駛室內(nèi)部異響現(xiàn)象消失.

表4 駕駛室整改后不同激勵(lì)頻率振動(dòng)和噪聲頻譜幅值對(duì)比Tab.4 Contrast of vibration and pressure spectrum amplitude of optimization in different

4 結(jié)論

(1) 通過(guò)模態(tài)試驗(yàn)與正弦激勵(lì)試驗(yàn),識(shí)別駕駛室后部玻璃第1階模態(tài)頻率位于挖掘機(jī)常用工況下發(fā)動(dòng)機(jī)的激勵(lì)頻率范圍內(nèi),駕駛室后部玻璃共振引起駕駛室內(nèi)部異響.

(2) 單獨(dú)對(duì)駕駛室進(jìn)行激振器正弦激勵(lì)試驗(yàn),獲取駕駛室玻璃振動(dòng)和駕駛室內(nèi)部噪聲,能夠復(fù)現(xiàn)整機(jī)實(shí)際駕駛室異響現(xiàn)象.

(3) 結(jié)合有限元分析對(duì)駕駛室后部玻璃結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn),提高了駕駛室后部玻璃第1階模態(tài)頻率,發(fā)動(dòng)機(jī)常用工作激勵(lì)頻率,對(duì)改進(jìn)后的駕駛室進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn)驗(yàn)證了仿真分析結(jié)果,改進(jìn)后的駕駛室后部玻璃第1階模態(tài)頻率避開了發(fā)動(dòng)機(jī)常用工作激勵(lì)頻率,消除了玻璃共振和異響.

[1] 張俊紅,李忠鵬,畢鳳榮.基于聲振耦合的裝載機(jī)駕駛室多目標(biāo)形貌優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]振動(dòng)與沖擊,2015,34(7):46-50.

ZHANG Junhong,LI Zhongpeng,BI Fengrong.Multi-objective structural optimization design of loader cab considering acoustic-structural coupling[J].Journal of Vibration and Shock.2015,34(7):46-50.

[2] 鄧習(xí)樹,邵威,黃志亮.工程機(jī)械駕駛室內(nèi)部噪聲預(yù)估分析.中國(guó)工程機(jī)械學(xué)報(bào)[J].2012,10(4):458-462.

DENG Xishu,SHAO Wei,HUANG Zhiliang.Prediction analysis on cab internal noises of construction machinery [J].Chinese Journal of Construction Machinery,2012,10(4):458-462.

[3] 張志勇,張義波,劉鑫.重型商用車駕駛室的結(jié)構(gòu)振動(dòng)噪聲分析與預(yù)測(cè)[J].汽車工程,2015,37(2):214-218.

ZHANG Zhiyong,ZHANG Yibo,LIU Xin.Analysis and prediction on the structure-borne vibration and noise of a heavy commercial vehicle cab[J].Automotive Engineering,2015,37(2):214-218.

[4] 陳劍,蔣豐鑫,肖悅.挖掘機(jī)駕駛室低頻噪聲分析與控制[J].中國(guó)機(jī)械工程,2015,25(15):2124-2128.

CHEN Jian,JIANG Fengxin,XIAO Yue.Low frequency noise analysis and control of excavator cab[J].China Mechanical Engineering,2015,25(15):2124-2128.

[5] 靳豹,賈艷賓.某SUV怠速車內(nèi)異響分析[J].噪聲與振動(dòng)控制,2015,35(2):77-79.

JIN Bao,JIA Yanbin.Analysis of idle abnormal sound of an SUV[J].Noise and Vibration Control,2015,35(2):77-79.

[6] 賈志超,呂哲,潘德槐.某發(fā)動(dòng)機(jī)共振異響診斷與消除[J].小型內(nèi)燃機(jī)與車輛技術(shù),2014,43(6):65-70.

JIA Zhichao,LV Zhe,PAN Dehuai.The diagnoses and elimination of an engine resonance and abnormal noise[J].Small Internal Combustion Engine and Vehicle Technique,2014,43(6):65-70.

[7] 吳昱東,李人憲,丁渭平.汽車傳動(dòng)軸振動(dòng)引致車內(nèi)異響的試驗(yàn)研究[J].機(jī)械傳動(dòng),2015,39(1):122-125.

WU Yudong,LI Renxian,DING Weiping.Experimental research of abnormal sound caused by automotive transmission shaft vibration[J].Journal of Mechanical Transmission,2015,39(1):122-125.

[8] 謝小平,韓旭,吳長(zhǎng)德.基于PloyMAX方法的某轎車白車身實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析[J].汽車工程,2009,31(5):440-442.

XIE Xiaoping,HAN Xu,WU Changde.Experimental modal analysis for a car body-in-white based on polyMAX method[J].Automotive Engineering,2009,31(5):440-442.

Diagnosis and analysis on abnormal noises from excavator cab

ZANG Xian-guo, SHAO Wei

(Central Institute of R&D,SanyAutomobile Manufacture Co.,Ltd.,Changsha 410100, China)

For the excavator cab under operational conditions, the modal and excitation testing is conducted to detect abnormal noises. Accordingly, it is found that the abnormal noises are resulted from cab glass resonance. By modifying the glass structure, the excitation frequency under normal operational speed can be avoided by the first order modal frequency of glass. Therefore, the glass resonance, together with abnormal noises, is eliminated while the comfort performance is improved.

excavator; cab; resonance; abnormal noise; modal testing

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2015BAF07B03)

臧獻(xiàn)國(guó)(1983-),男,博士.E-mail:zangxianguo@163.com

TB 535

A

1672-5581(2016)06-0532-05