CNG公交車高壓供氣管路共振隱患防控技術(shù)

王意東 何太碧 張新巖 ,2 王 艷

1.西華大學(xué)汽車與交通學(xué)院 2.吉利集團(tuán)動(dòng)力總成研究院 3.成都市技師學(xué)院

0 引言

高壓供氣管路作為壓縮天然氣（CNG）公交車燃?xì)夤┙o系統(tǒng)的重要組成部分，在車輛行駛過(guò)程中管路會(huì)受到各種振動(dòng)，其激勵(lì)源主要有發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械振動(dòng)、管路內(nèi)部天然氣沖擊以及路面不平引起的車身振動(dòng)[1]。當(dāng)上述激勵(lì)頻率和管路自身的固有頻率接近時(shí)將導(dǎo)致耦合共振，不僅降低高壓管路系統(tǒng)構(gòu)件的疲勞壽命及可靠性，帶來(lái)安全隱患，而且還影響整車的噪聲、振動(dòng)與聲振粗糙度（Noise Vibration Harshness，NVH）性能，使乘坐舒適性變差。目前，國(guó)內(nèi)針對(duì)CNG公交車高壓管路布局的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和工藝規(guī)范較少，針對(duì)CNG汽車高壓管路振動(dòng)的優(yōu)化研究更是處于空白。從現(xiàn)有文獻(xiàn)來(lái)看，專家學(xué)者對(duì)CNG汽車高壓管路的研究都集中在高壓管路內(nèi)部流場(chǎng)特性及管路結(jié)構(gòu)對(duì)流場(chǎng)特性的影響規(guī)律方面[2-3]。鑒于此，筆者將對(duì)高壓管路的振動(dòng)屬性進(jìn)行分析，探究提高高壓管路可靠性、安全性及改善高壓管路NVH特性的優(yōu)化方案，以期為實(shí)踐提供更多理論指導(dǎo)。

1 模態(tài)分析

CNG公交車高壓管路是連接氣瓶到減壓器之間的供氣管路[4]。本文所述型號(hào)CNG公交車，其氣瓶組位于公交車后車門（下客門）上方車頂處，管路為壁厚1 mm、外徑為8 mm的不銹鋼管，該鋼管泊松比為 0.29，彈性模量為 19.3 GPa，密度為 8 030 kg/m3。管路實(shí)際走向從氣瓶組的管路匯合處開(kāi)始，平行于車頂向后布置到后車門前框，然后垂直向下直達(dá)車底板平面下方，再沿車底板梁框架到達(dá)減壓器，管路總長(zhǎng)10.9 m，沿實(shí)際走向從氣瓶組到減壓閥共轉(zhuǎn)彎10次，分為11個(gè)小段。構(gòu)建有限元三維模型時(shí)，為便于計(jì)算和收斂，需將供氣系統(tǒng)上的部分零部件的安裝特點(diǎn)及布局進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。其中，從力學(xué)特征上看，可將氣門閥、三通閥、過(guò)流保護(hù)閥以及減壓器處理成個(gè)固定約束，可等同于固定供氣管路的作用。該CNG公交車沿高壓供氣管路布置了13個(gè)“U”形固定管夾，通過(guò)螺栓將高壓管路固定在底盤上，約束強(qiáng)度足夠，在建模時(shí)，可將這13個(gè)固定管夾處理成貼合在高壓供氣管路上的光滑圓柱體，該圓柱體質(zhì)量和尺寸等效于原“U”形管夾[5]。管路有限元模型中的走向、長(zhǎng)度均按以上實(shí)際布局建立，各固定點(diǎn)處約束的邊界條件設(shè)置為全自由度的固定約束。

論文所研究的CNG公交車采用了六缸四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)，其額定轉(zhuǎn)速及怠速分別為2 200 r/min、600 r/min，根據(jù)汽車?yán)碚撚?jì)算可得[6]，該發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)頻率范圍為30～110 Hz，這也是文章重點(diǎn)分析的頻率范圍。

模態(tài)分析旨在為系統(tǒng)的振動(dòng)特性及動(dòng)力學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)[7-8]。論文所關(guān)注的是管路安裝在汽車上的預(yù)應(yīng)力條件下低階模態(tài)頻率和振型，因此，對(duì)管路有限元模型設(shè)定為工作環(huán)境下的全自由度的固定約束。

按照上述高壓管路實(shí)際工作結(jié)構(gòu)及邊界條件特點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行有限元建模，使用ANSYS Workbench軟件中的Model模塊進(jìn)行模態(tài)分析。表1為高壓供氣管路的前10階模態(tài)頻率，圖1為與發(fā)動(dòng)機(jī)怠速激勵(lì)頻率相接近的第3階固有頻率對(duì)應(yīng)的振型圖，其振型最大位移為117.2 mm，發(fā)生在管路左起第6段部位；圖2為和發(fā)動(dòng)機(jī)常用轉(zhuǎn)速頻率相接近的第6階固有頻率對(duì)應(yīng)的振型圖，其振型最大位移為141.8 mm，發(fā)生在管路左起第4、5段部位。

表1 高壓管路模態(tài)計(jì)算值表

圖1 第3階約束模態(tài)振型圖

圖2 第6階約束模態(tài)振型圖

根據(jù)模態(tài)分析結(jié)果可知，原高壓供氣管路的10個(gè)階次固有頻率中有9個(gè)值分布在發(fā)動(dòng)機(jī)各工況工作激勵(lì)頻率范圍內(nèi)，高壓管路發(fā)生共振的可能性較大，會(huì)影響高壓管路的可靠性和安全性。如管路的第2、3、6階次的頻率分別與發(fā)動(dòng)機(jī)怠速工況頻率、常用工況轉(zhuǎn)速頻率接近，容易導(dǎo)致耦合共振，造成管路疲勞損壞，影響其使用穩(wěn)定性。

根據(jù)本文參考文獻(xiàn)[9]，公交車的行駛路況以城市C級(jí)公路為主，其常用車速下的激勵(lì)頻率小于30 Hz，且經(jīng)過(guò)車輪及懸架的減震作用后路面激振頻率將進(jìn)一步減小。對(duì)比上述高壓供氣管路的計(jì)算模態(tài)結(jié)果可知，路面不平度產(chǎn)生的隨機(jī)振動(dòng)激勵(lì)頻率在管路的固有頻率范圍之外，不存在共振可能。因此，論文主要分析發(fā)動(dòng)機(jī)怠速及常用工況轉(zhuǎn)速時(shí)的振動(dòng)現(xiàn)象，以及高壓管路約束位置的優(yōu)化方案。

2 約束位置優(yōu)化

在管路所承受的內(nèi)外部振動(dòng)激勵(lì)無(wú)法改變的條件下，為了避免其疲勞損壞，增強(qiáng)管路的使用穩(wěn)定性，改善NVH性能，可通過(guò)研究管路的約束、結(jié)構(gòu)（內(nèi)徑、壁厚、走向）的變化對(duì)固有頻率的影響規(guī)律，從而得到一個(gè)合適的改進(jìn)方案。

對(duì)于高壓管路來(lái)說(shuō)，管道內(nèi)徑會(huì)直接影響到供氣流場(chǎng)，管路走向受整車實(shí)際結(jié)構(gòu)約束，可調(diào)性很小，管路壁厚的調(diào)整涉及到整個(gè)管路的更換及其與車身的再次匹配。

根據(jù)高壓管路模態(tài)分析結(jié)果可知，原管路系統(tǒng)的約束點(diǎn)位置與模態(tài)振型的節(jié)點(diǎn)位置存在較大差異，布局不夠合理?；谝陨戏治?，兼顧到優(yōu)化方案的經(jīng)濟(jì)性、可行性原則，以管路約束點(diǎn)位置作為研究對(duì)象，研究其優(yōu)化方案。

2.1 平均驅(qū)動(dòng)自由度理論

CNG公交車高壓管路的振動(dòng)激勵(lì)源主要來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的振動(dòng)激勵(lì)，其他激勵(lì)源（如路面、流暢等）影響極小，可將此系統(tǒng)看作是單點(diǎn)激勵(lì)下的多自由度振動(dòng)系統(tǒng)，根據(jù)模態(tài)理論，測(cè)試點(diǎn)l與激勵(lì)點(diǎn)p之間的頻率響應(yīng)函數(shù)Hlp(ω)為[10]：

式中φl(shuí)r表示第l個(gè)測(cè)試點(diǎn)的第r個(gè)模態(tài)向量；φpr表示第p個(gè)激勵(lì)點(diǎn)的第r個(gè)模態(tài)向量；ωr表示模態(tài)頻率，Hz；Mr表示模態(tài)質(zhì)量；ω表示激勵(lì)頻率，Hz；ξr表示模態(tài)阻尼比。

當(dāng)外部激勵(lì)頻率ω接近結(jié)構(gòu)本身ωr的時(shí)，可將式（1）簡(jiǎn)化為：

在線性系統(tǒng)中，位移響應(yīng)幅值X(ω)與成正比，即

進(jìn)行歸一化處理，若各階阻尼近似相等，則

第j個(gè)自由度的平均驅(qū)動(dòng)自由度位移（ADDOFD）為：

各階次固有頻率的共同作用決定了系統(tǒng)的實(shí)際振型，即最終的模態(tài)振型是由不同權(quán)重的各階次固有頻率共同構(gòu)成的結(jié)果[11-12]。本文中，通過(guò)管路的模態(tài)分析可得到各階次振型下的位移值，然后將其按各階次固有頻率的權(quán)重進(jìn)行求和，最后運(yùn)用式（5）便可得出每個(gè)測(cè)試點(diǎn)的平均驅(qū)動(dòng)自由度位移值。

2.2 確定各階次頻率權(quán)重

2.2.1 確定層次結(jié)構(gòu)

發(fā)動(dòng)機(jī)不同轉(zhuǎn)速激勵(lì)對(duì)高壓管路將產(chǎn)生不同的振動(dòng)響應(yīng)。鑒于此，本層次評(píng)價(jià)體系中，目標(biāo)層為“高壓管路振動(dòng)傳遞綜合評(píng)價(jià)”， 準(zhǔn)則層為發(fā)動(dòng)機(jī)“常用轉(zhuǎn)速”及“中高轉(zhuǎn)速”，方案層為各階次頻率。CNG公交車實(shí)際工況中，高壓管路各階次振動(dòng)特性均不同，由此便可確定準(zhǔn)則層各階次模態(tài)頻率的權(quán)重。各階模態(tài)頻率層次結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 各階模態(tài)頻率層次結(jié)構(gòu)圖

2.2.2 建立判斷矩陣

建立各階模態(tài)頻率層次結(jié)構(gòu)后，還需比較兩個(gè)準(zhǔn)則層（A1、A2）對(duì)目標(biāo)層（X）的重要程度，再分別確定第1到第10階頻率對(duì)準(zhǔn)確層的重要程度，基本方法是讓每一個(gè)因素分別與其他因素（含自身）一一比較。如當(dāng)有n個(gè)因素時(shí)，一一比較后便可形成一個(gè)n×n的判斷矩陣，判斷矩陣是否有效還需通過(guò)一致性檢驗(yàn)，當(dāng)一致性檢驗(yàn)率CR＜0.1，則該判斷矩陣通過(guò)一致性檢驗(yàn)，可采用。

基于上述分析，并利用9級(jí)標(biāo)度準(zhǔn)則[13]，便可分別得到X—A層、A1—P層、A2—P層的判斷矩陣。

X—A層判斷矩陣及CR值為：

A1—P層判斷矩陣及CR值為：

A2—P層判斷矩陣及CR值為：

2.2.3 確定總的權(quán)重

根據(jù)2.2.2中的判斷矩陣，利用權(quán)重求解算法，便可得到各階頻率對(duì)目標(biāo)層（高壓管路振動(dòng)傳遞綜合評(píng)價(jià)）權(quán)重。如表2所示，P1階次頻率（怠速振動(dòng)激勵(lì)）、P2階次頻率（怠速振動(dòng)激勵(lì)）及P7階次頻率（中高轉(zhuǎn)速振動(dòng)激勵(lì)）對(duì)CNG公交車高壓管路的振動(dòng)激勵(lì)響應(yīng)最大，權(quán)重最大，其余發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下的各階次頻率對(duì)管路的振動(dòng)激勵(lì)響應(yīng)影響較小。

2.3 約束位置優(yōu)化方案的確定

根據(jù)上述高壓管路模態(tài)振型分析結(jié)果，結(jié)合管路的實(shí)際布局結(jié)構(gòu)，選擇23個(gè)潛在約束點(diǎn)并對(duì)其編號(hào)。然后設(shè)置這個(gè)23個(gè)約束點(diǎn)的邊界條件，計(jì)算各階次頻率下每個(gè)潛在約束點(diǎn)的振動(dòng)位移量，經(jīng)式（5）加權(quán)處理即可得出這23個(gè)潛在約束點(diǎn)的ADDOFD值。各潛在約束點(diǎn)的ADDOFD值分布如圖4所示。理論上因模態(tài)節(jié)點(diǎn)的振動(dòng)為零，如果將懸掛點(diǎn)布置在這些節(jié)點(diǎn)上，則振動(dòng)量最小[14]。在不影響車身及底盤結(jié)構(gòu)的情況下，圖4中的波谷及附近區(qū)域可作為最終約束點(diǎn)的參考節(jié)點(diǎn)位置。

表2 方案層各階次頻率對(duì)于目標(biāo)層的權(quán)重計(jì)算結(jié)果表

圖4 潛在約束點(diǎn)ADDOFD值圖

ADDOFD值最小，振動(dòng)激勵(lì)響應(yīng)程度最弱，可作為固定約束點(diǎn)的最佳區(qū)域[15]。圖4中，ADDOFD曲線的第3、6、14、16號(hào)潛在約束點(diǎn)附近存在波谷區(qū)，因此，這4個(gè)點(diǎn)及附近區(qū)域可作為約束點(diǎn)的最佳區(qū)域。結(jié)合圖4及圖5可知，實(shí)際約束點(diǎn)位置（如圖5所示）與圖4中的波谷位置有較大差異，即實(shí)際約束點(diǎn)的約束位置并不在最佳約束位置點(diǎn)，這說(shuō)明原高壓管路實(shí)際約束點(diǎn)位置分布不合理，導(dǎo)致振動(dòng)激勵(lì)響應(yīng)大。特別是第1～2、4～5、7～8號(hào)實(shí)際約束點(diǎn)之間基本沒(méi)有固定約束。因此，結(jié)合圖4中的4個(gè)波谷區(qū)位置，需將原來(lái)的13個(gè)實(shí)際約束位點(diǎn)位置進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。該車高壓管路13個(gè)實(shí)際約束點(diǎn)位置如圖5所示，優(yōu)化后的23個(gè)約束點(diǎn)位置如圖6所示。

圖5 高壓管路實(shí)際約束點(diǎn)位置圖

圖6 高壓管路優(yōu)化后的約束點(diǎn)位置圖

3 優(yōu)化后驗(yàn)證分析

3.1 優(yōu)化后模態(tài)分析

經(jīng)模態(tài)計(jì)算，約束點(diǎn)優(yōu)化后的前10階模態(tài)頻率如表3所示。

表3 約束位置優(yōu)化后管路計(jì)算模態(tài)表

對(duì)比優(yōu)化前后的表1和表3可知，優(yōu)化后各階次頻率有較大幅度的提高，只有第1、2、3階次頻率分布在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速激勵(lì)頻率范圍內(nèi)，且與發(fā)動(dòng)機(jī)各工況轉(zhuǎn)速激勵(lì)都不接近，發(fā)生耦合共振的概率極低。其余的第4～10階次頻率均不在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速激勵(lì)頻率范圍內(nèi)。

此外，優(yōu)化后的約束點(diǎn)大多位于模態(tài)振型節(jié)點(diǎn)附近，即使與外界發(fā)生共振，也可以較大幅度降低約束和管路間的激振力傳遞，達(dá)到減振的目的。

3.2 優(yōu)化后動(dòng)力分析

依據(jù)該CNG公交車的發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)可計(jì)算出該發(fā)動(dòng)機(jī)在怠速至常用轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的激勵(lì)頻率介于26.67～73.33 Hz，查閱本文參考文獻(xiàn)[16]，可得激勵(lì)扭矩為100 N·m，高壓供氣管路所受主要振動(dòng)激勵(lì)來(lái)自垂直方向（Z向），可在靠近發(fā)動(dòng)機(jī)端的高壓管路上作用大小為100 N的Z向力，用來(lái)模擬發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)管路的激振力作用效果。最后再進(jìn)行頻率響應(yīng)分析，計(jì)算在此條件下傳遞到管路固定約束上的激振力大小。優(yōu)化前后4個(gè)“波谷”點(diǎn)的激振力分布情況如圖7、8所示。

圖7 約束位置優(yōu)化前各點(diǎn)的激振力圖

圖8 約束位置優(yōu)化后各點(diǎn)的激振力圖

圖7 中，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)激振力Z向施加高壓供氣管路100 N時(shí)，高壓管路原9號(hào)約束點(diǎn)的約束反力最大（約 5.87 N），對(duì)應(yīng)的激振頻率為 20～ 30 Hz。

圖8中，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)激振力Z向施加高壓供氣管路100 N時(shí)，高壓管路的最大激振力在優(yōu)化后的第16號(hào)約束點(diǎn)，約束反力為1.87 N。對(duì)比圖7、8可知，當(dāng)激振頻率在25 Hz附近時(shí)，管路優(yōu)化后的約束反力大幅度減少；當(dāng)激振頻率在75 Hz附近時(shí)，管路優(yōu)化后的約束反力也有一定減少；在整個(gè)頻率范圍內(nèi)，優(yōu)化后的管路約束點(diǎn)激振力均小于2 N，較原管路約束布局更加合理，達(dá)到了優(yōu)化的效果。

4 結(jié)論

1）高壓管路的10個(gè)階次的固有頻率值有9個(gè)值分布在發(fā)動(dòng)機(jī)各工況激勵(lì)頻率范圍內(nèi)，特別是第2、3、6階次頻率與發(fā)動(dòng)機(jī)常用工況轉(zhuǎn)速頻率較為接近，發(fā)生耦合共振概率較大，易造成管路疲勞損壞，影響其使用安全性和可靠性。

2）優(yōu)化后的高壓供氣管路第1、2、3階次固有頻率與發(fā)動(dòng)機(jī)各工況轉(zhuǎn)速激勵(lì)頻率不接近，管路發(fā)生共振的概率極小，管路其余階次的固有頻率都不在發(fā)動(dòng)機(jī)各工況轉(zhuǎn)速激勵(lì)頻率范圍內(nèi)，完全避免了管路共振，且優(yōu)化后的約束點(diǎn)位置大多位于模態(tài)振型節(jié)點(diǎn)附近，可大幅降低約束和管路間的激振力傳遞。

3）管路約束位置優(yōu)化后，約束反力在不同頻率下均有一定程度的減少，管路各約束點(diǎn)激振力均小于2 N，特別是在25 Hz附近，降幅最大。優(yōu)化后的約束位置有利于降低管路振動(dòng)，布局更加合理，達(dá)到了較好的優(yōu)化效果。