船用增壓器系統(tǒng)模態(tài)分析及優(yōu)化

尹曉青,柳海濤,邰強娟,王繼勇,陳經(jīng)偉

(1.濰柴重機股份有限公司，山東濰坊 261108；2.濰柴動力股份有限公司，山東濰坊 261061)

0 引言

隨著國內(nèi)航運事業(yè)的蓬勃發(fā)展，柴油機作為船舶運輸?shù)膭恿诵模湔w技術(shù)也得到極大的提升。國內(nèi)各柴油機廠采用高壓比增壓器、高壓共軌系統(tǒng)、燃燒室優(yōu)化等先進技術(shù)及措施，不僅滿足動力性和經(jīng)濟性指標(biāo)，其排放指標(biāo)也達到國際先進水平?？煽啃允遣裼蜋C最為關(guān)鍵的指標(biāo)，柴油機外圍零部件的可靠性對柴油機的性能尤為重要，特別對遠洋船舶運輸，一旦零部件出現(xiàn)損壞，需要花費大量的人力物力進行補救，所以設(shè)計之初需要對柴油機系統(tǒng)相關(guān)零部件的可靠性進行分析，減少零部件失效的風(fēng)險，提升柴油機的可靠性，滿足內(nèi)河及遠洋船舶的正常運輸需求[1-2]。

圖1 安裝支架斷裂

國內(nèi)外針對零部件可靠性的研究有很多，采取的措施有優(yōu)化固定支架剛度，降低車身底板振動[3]；研究固定支架位置，優(yōu)化受力及避開怠速共振[4]等。柴油機外圍零部件最常見的失效形式是零部件的模態(tài)頻率與柴油機運行產(chǎn)生的激勵頻率重合，柴油機發(fā)生共振，使柴油機振動噪聲加大，嚴重時將導(dǎo)致柴油機零部件發(fā)生變形，甚至斷裂[5-7]。某公司設(shè)計的支架在柴油機運行時產(chǎn)生共振導(dǎo)致斷裂，如圖1所示。

模態(tài)分析是一種研究結(jié)構(gòu)動力特性的方法，是系統(tǒng)辨別方法在工程振動領(lǐng)域中的應(yīng)用[8-10]。本文中對柴油機增壓器及零部件的具體結(jié)構(gòu)進行有限元仿真模態(tài)分析，并通過試驗進行驗證，為零部件的優(yōu)化提供解決方案，通過提升零部件的整體剛性來提高零部件的固有頻率，避開共振區(qū)間。

1 仿真模型建立

結(jié)合柴油機的增壓器、相關(guān)零部件結(jié)構(gòu)及模態(tài)測試的可操作性，以某6缸柴油機的增壓器及相關(guān)附件為研究對象，該柴油機的基本參數(shù)如表1所示。

表1 某6缸中速柴油機的主要參數(shù)

排氣管本身的振動對增壓器有影響，搭建三維模型時需要將增壓器、排氣管等考慮在內(nèi)，柴油機及相關(guān)附件的三維模型如圖2所示。模型采用四面體三維網(wǎng)格，有限元模型如圖3所示。建模過程中注意：1)機體剛性較強，建模時可以將機體作為約束邊界；2)排氣管振動對增壓器影響較大，建模時需添加排氣管三維模型；3)柴油機運行過程中排氣管溫度較高，彈性模量按照高溫條件設(shè)定；4)增壓器側(cè)面進氣口外接管路為軟管，剛性很弱，建模時可不考慮。

圖2 某6缸柴油機增壓器及相關(guān)附件的三維模型 圖3 某6缸柴油機增壓器及相關(guān)附件的有限元模型

2 模態(tài)仿真

2.1 材料參數(shù)

簡化增壓器及相關(guān)零部件模型后，其密度按照當(dāng)量密度輸入，詳細參數(shù)如表2所示。

2.2 接觸邊界

排氣管接機體面添加6個方向的自由度約束，螺栓的螺紋與螺紋孔接觸面采用綁定設(shè)置，如圖4所示，其余各連接件采用普通接觸設(shè)置，對各連接螺栓施加預(yù)緊力，M14螺栓的預(yù)緊力為72 kN。

表2某柴油機主要零部件參數(shù)

零件材料材料屬性彈性模量/MPa泊松比密度/(kg·m-3)增壓器ZL 74 0000.334400增壓器支架Q235A212 0000.297800機體HT280 92 6000.267200排氣管(500 ℃)QT400133 0000.287100

圖4 接觸邊界設(shè)定

圖5 仿真模態(tài)變形云圖(一階)

2.3 模態(tài)仿真結(jié)果

柴油機激振頻率

f=2ni/60τ，

式中：n為發(fā)動機轉(zhuǎn)速，r/min；i為氣缸數(shù)；τ為沖程數(shù)。柴油機額定轉(zhuǎn)速為1500 r/min，其激振頻率為75 Hz，安全系數(shù)取1.2，因此，增壓器系統(tǒng)一階模態(tài)固有頻率應(yīng)大于90 Hz，以避免發(fā)生共振。通過提取增壓器及相關(guān)零部件的一階固有頻率，模態(tài)變形云圖如圖5所示(圖中單位是mm)，由計算可知模型一階固有頻率為67.36 Hz，小于90 Hz限值要求，不滿足設(shè)計要求。

圖6 測試點位置

3 模態(tài)試驗及優(yōu)化

3.1 測試布點

對實際運行中的柴油機增壓器及相關(guān)零部件進行模態(tài)試驗測試，為了使測試更加精確，結(jié)合增壓器及相關(guān)零部件的實際結(jié)構(gòu)，將測點布置在壓殼螺紋孔處，測試布置如圖6所示。

3.2 試驗結(jié)果

圖7 共振點云圖

根據(jù)測試結(jié)果，不同轉(zhuǎn)速下的共振點云圖如圖7所示。由圖7可知，當(dāng)柴油機轉(zhuǎn)速為1150～1300 r/min時，增壓器及其零部件在x/z方向上存在共振，共振頻率為60 Hz，振動速度100 mm/s，屬于劇烈振動。模態(tài)仿真結(jié)果接近此測試結(jié)果，可保證模態(tài)仿真的準確度。

3.3 優(yōu)化支架結(jié)構(gòu)

結(jié)合各個零部件試驗及改進經(jīng)驗[11-12]，為解決原結(jié)構(gòu)模態(tài)不滿足設(shè)計要求的問題，優(yōu)化增壓器輔助支架和邊界設(shè)定如圖8、9所示，提高其固有頻率，再次進行模態(tài)仿真[13-15]，支架與機體接觸部分增加6個方向的自由度約束，其余約束和接觸邊界設(shè)置與優(yōu)化前相同，模態(tài)仿真變形云圖如圖10所示(圖中單位為mm)。

由模態(tài)頻率計算可知，增壓器系統(tǒng)的固有頻率為90.82 Hz，超過柴油機激勵頻率限值，滿足設(shè)計要求。

圖8 增壓器輔助支架優(yōu)化 圖9 優(yōu)化后的接觸邊界設(shè)定 圖10 優(yōu)化輔助支架后模態(tài)變形云圖

4 結(jié)論

1)通過對原增壓器及附件模型的模態(tài)仿真，并通過模態(tài)試驗對仿真結(jié)果進行驗證，模態(tài)仿真結(jié)果接近模態(tài)測試結(jié)果，可以保證模態(tài)仿真的準確度。

2)通過優(yōu)化輔助支架結(jié)構(gòu)形式，可以提升其固有頻率，降低共振風(fēng)險。

3)采用理論與實際試驗相結(jié)合的方法，不僅可以實現(xiàn)精確的模態(tài)仿真，而且可以實現(xiàn)提升柴油機零部件可靠性的目的。