催化凈化裝置振動(dòng)耐久失效分析及仿真對(duì)標(biāo)

李永生

（佛吉亞排氣控制技術(shù)開(kāi)發(fā)（上海）有限公司 上海 201805）

引言

發(fā)動(dòng)機(jī)是傳統(tǒng)汽車(chē)和混合動(dòng)力汽車(chē)的主要?jiǎng)恿υ?，廣泛應(yīng)用于汽車(chē)、船舶、航空、工程機(jī)械等各領(lǐng)域。其原理是通過(guò)氣體的燃燒將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，并最終輸出和傳遞給傳遞系統(tǒng)從而驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品工作[1]。由于能量轉(zhuǎn)換的限制性和實(shí)際工況的復(fù)雜性，氣體在燃燒過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生有害物質(zhì)，如氮氧化合物，碳?xì)浠衔?，硫化物等。為了減少對(duì)環(huán)境的污染和人體健康的危害，催化凈化系統(tǒng)廣泛使用在工業(yè)生產(chǎn)和應(yīng)用領(lǐng)域[2]。

本文基于一款催化凈化系統(tǒng)的振動(dòng)試驗(yàn)失效展開(kāi)了問(wèn)題分析和原因調(diào)查，從材料切片分析入手確定了其失效模式；然后展開(kāi)試驗(yàn)測(cè)試并用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)仿真，分析設(shè)計(jì)的合理性；根據(jù)對(duì)標(biāo)分析結(jié)果提出了優(yōu)化后的設(shè)計(jì)方案；該方案最終通過(guò)了振動(dòng)耐久試驗(yàn)驗(yàn)證，保證了催化凈化系統(tǒng)的耐久性。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)及催化凈化系統(tǒng)

1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)特性

發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力輸出裝置，其原理是通過(guò)氧化反應(yīng)將生物能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能并對(duì)外界做功。氣體燃燒過(guò)程中產(chǎn)生推動(dòng)力作用于活塞，通過(guò)曲柄-連桿結(jié)構(gòu)帶動(dòng)曲軸旋轉(zhuǎn)并輸出動(dòng)力?；钊推渌\(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)將伴隨動(dòng)力的輸出而同時(shí)產(chǎn)生慣性力和力矩。

通過(guò)對(duì)各個(gè)缸的往復(fù)運(yùn)動(dòng)力和力矩進(jìn)行分解和疊加，最終得到往復(fù)運(yùn)動(dòng)力和力矩如下[3]為

慣性力矩

式中：Fz為慣性力；ms為質(zhì)量；Mx為有效力矩；Mxm為慣性力矩；Mxg為燃燒力矩；Mx為和力矩；ω 為曲軸轉(zhuǎn)速；r 為曲軸半徑；λρ=r/l；l 為連桿長(zhǎng)度；ai為第i 個(gè)正弦波的系數(shù)；φ 為第i 個(gè)正弦波的滯后角。

由此可以看出，針對(duì)四缸發(fā)動(dòng)機(jī)，主要的慣性力為2 倍曲軸轉(zhuǎn)速頻率，主要慣性力矩為2 倍和4 倍曲軸轉(zhuǎn)速頻率。在此以曲軸轉(zhuǎn)速作為基礎(chǔ)階次，則慣性力和慣性力矩的主要成分為2 階和4 階。對(duì)于振動(dòng)特性的研究，通常可以使用加速度傳感器來(lái)采集和測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)或安裝在上面產(chǎn)品的加速度數(shù)據(jù)，并用瀑布圖來(lái)進(jìn)行分析和處理[4]。因此對(duì)于安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)上的凈化裝置而言，其承受的主要振動(dòng)源來(lái)自于2階和4 階，在進(jìn)行分析和試驗(yàn)時(shí)要重點(diǎn)關(guān)注。

1.2 催化凈化裝置的結(jié)構(gòu)及原理

乘用車(chē)催化凈化系統(tǒng)主要由進(jìn)氣部分、凈化部分、出氣部分以及安裝支架組成，其中凈化部分又包括催化器、混合器和顆粒捕捉器。發(fā)動(dòng)機(jī)（柴油機(jī)）燃燒后的尾氣通過(guò)進(jìn)氣部分流入催化器，與催化器中的催化劑在高溫下發(fā)生氧化還原反應(yīng)，使得尾氣中的CH 和NOx等有害物質(zhì)去除，完成第一級(jí)凈化；凈化后的氣體輸送到混合器后與混合器噴射的尿素噴霧進(jìn)一步反應(yīng)去除NOx，完成第二步凈化[5]。在完成以上2 步化學(xué)反應(yīng)后，氣體中的碳顆粒經(jīng)過(guò)顆粒捕捉器完成最后一步物理凈化，并通過(guò)出氣部分排出。整個(gè)催化凈化裝置通過(guò)附件支架總成安裝到發(fā)動(dòng)機(jī)或變速器殼體上，因此為了保證系統(tǒng)在使用過(guò)程中有正常的安裝狀態(tài)和工作條件，所有結(jié)構(gòu)尤其是支架總成必須具備一定的疲勞耐久性能，以維持系統(tǒng)的穩(wěn)定。

2 催化凈化系統(tǒng)振動(dòng)耐久失效

由于催化凈化系統(tǒng)安裝在動(dòng)力總成上（發(fā)動(dòng)機(jī)和變速器），而發(fā)動(dòng)機(jī)在工作過(guò)程中時(shí)刻振動(dòng)，因此振動(dòng)耐久試驗(yàn)是考核催化凈化系統(tǒng)的重要手段之一。

本次產(chǎn)品的振動(dòng)耐久試驗(yàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上完成。首先將動(dòng)力總成和催化凈化系統(tǒng)同時(shí)安裝到臺(tái)架上，保證其狀態(tài)與實(shí)車(chē)安裝狀態(tài)一致，動(dòng)力輸出端接測(cè)功機(jī)負(fù)載，如圖1 所示。進(jìn)行以下步驟工作來(lái)獲得產(chǎn)品在發(fā)動(dòng)機(jī)整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的振動(dòng)特性：

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架布置

1）在催化凈化系統(tǒng)和動(dòng)力總成上安裝測(cè)試加速度傳感器，如圖2 所示；

圖2 加速度傳感器布置

2）油門(mén)開(kāi)度到滿負(fù)荷狀態(tài)；

3）通過(guò)調(diào)整測(cè)功機(jī)負(fù)載使得發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速緩慢上升，直到最高轉(zhuǎn)速，如圖3 所示；

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)掃頻曲線

4）記錄下發(fā)動(dòng)機(jī)的激勵(lì)數(shù)據(jù)以及催化凈化系統(tǒng)上的加速度時(shí)域數(shù)據(jù)，如圖4、5 所示；

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)時(shí)域曲線

圖5 顆粒捕捉器殼體響應(yīng)

5）對(duì)記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行頻域分析，找到系統(tǒng)的共振點(diǎn)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速，如圖6 所示；

圖6 振動(dòng)耐久共振轉(zhuǎn)速

6）在共振轉(zhuǎn)速下運(yùn)行相應(yīng)的耐久時(shí)間，并最終檢查樣件是否有破壞。

3 失效機(jī)理及材料分析

振動(dòng)耐久試驗(yàn)后對(duì)整個(gè)催化器系統(tǒng)總成進(jìn)行探傷和測(cè)漏檢查，發(fā)現(xiàn)在顆粒捕捉器上支架的焊縫處出現(xiàn)裂紋，如圖7 所示，說(shuō)明支架焊縫耐久不達(dá)標(biāo)。同時(shí)有泄漏出現(xiàn)說(shuō)明產(chǎn)品不能對(duì)尾氣進(jìn)行充分凈化，試驗(yàn)失效。為了明確失效模式和焊縫質(zhì)量，需要對(duì)焊縫進(jìn)行切片和材料檢查。

圖7 顆粒捕捉器殼體焊接支架失效位置

A 處裂紋沿焊縫長(zhǎng)度方向產(chǎn)生，通過(guò)電鏡掃頻獲得疲勞灰紋影像圖，如圖8 所示。從中可以看出裂紋起始點(diǎn)在焊縫端頭處，形成后逐漸向另外一側(cè)擴(kuò)展。疲勞灰紋呈現(xiàn)圓弧形并不斷擴(kuò)充，其法線方向即為裂紋的擴(kuò)展方向，主要失效模式為高周疲勞失效[6]。從焊縫質(zhì)量角度來(lái)看，焊接區(qū)域溶合較好但支架和顆粒捕捉器殼體之間的間隙為1.5 mm，不滿足質(zhì)量要求（小于1 mm），由此會(huì)造成較大的應(yīng)力集中。

圖8 A 處焊縫裂紋分析

B 處裂紋也沿焊縫長(zhǎng)度方向產(chǎn)生，通過(guò)電鏡掃頻獲得疲勞灰紋影像圖，如圖9 所示。從中可以看出裂紋起始點(diǎn)在焊縫一側(cè)端頭處，形成后逐漸向另外一側(cè)擴(kuò)展，主要失效模式為高周疲勞失效。除此之外，斷裂截面可以看到明顯的摩擦跡象，說(shuō)明該處裂紋可能在早期產(chǎn)生，兩搭接面在承受外力時(shí)互相作用。該處的焊接間隙接近1 mm，基本滿足要求。

圖9 B 處焊縫裂紋分析

與以上不同，C 處裂紋沿焊縫截面方向產(chǎn)生，通過(guò)電鏡掃頻獲得疲勞灰紋影像圖，如圖10 所示。從中可以看出裂紋起始點(diǎn)在直接與焊縫搭接尖角處，形成后逐漸向另外一側(cè)擴(kuò)展。主要失效模式為高周疲勞失效。從失效斷口看該處承受剪切載荷作用，出現(xiàn)了較高的應(yīng)力集中現(xiàn)象，說(shuō)明該處承受載荷較大，有可能在設(shè)計(jì)和試驗(yàn)中承受較大的應(yīng)力。

圖10 C 處焊縫裂紋分析

4 試驗(yàn)測(cè)試及仿真分析

除焊接質(zhì)量外，需要對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行復(fù)核是否滿足要求。在此，首先要進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)數(shù)據(jù)采集，基于此展開(kāi)頻率響應(yīng)分析。對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)的測(cè)量，一般認(rèn)為其和變速箱總成作為一個(gè)剛體，在實(shí)際工作中只存在空間的3 個(gè)平動(dòng)和3 個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，其本身不存在柔性變形。圖11 為發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)采集的布點(diǎn)位置，圖12～圖14 為三個(gè)方向的激勵(lì)數(shù)據(jù)。

圖11 發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)采集

圖12 發(fā)動(dòng)機(jī)X 方向激勵(lì)數(shù)據(jù)

圖13 發(fā)動(dòng)機(jī)Y 方向激勵(lì)數(shù)據(jù)

圖14 發(fā)動(dòng)機(jī)Z 方向激勵(lì)數(shù)據(jù)

此處進(jìn)行的頻率響應(yīng)分析基于模態(tài)法[7]，因此第一步需要進(jìn)行模態(tài)計(jì)算。對(duì)于該發(fā)動(dòng)機(jī)總成和催化凈化系統(tǒng)，關(guān)心的主階次激勵(lì)頻率集中在400 Hz 范圍以?xún)?nèi)，因此綜合考慮計(jì)算時(shí)間和準(zhǔn)確度將其設(shè)為模態(tài)分析的上限頻率。為了與實(shí)際樣件狀態(tài)對(duì)標(biāo)，有限元模型根據(jù)實(shí)際樣件狀態(tài)進(jìn)行了修正，包括產(chǎn)品厚度、材料以及焊縫和螺栓連接等，并在獲得最終結(jié)果前進(jìn)行多輪調(diào)試。為了保證計(jì)算精度和更接近實(shí)際試驗(yàn)情況，對(duì)催化凈化系統(tǒng)進(jìn)行了傳熱分析并賦予相應(yīng)的溫度，如圖15 所示。通過(guò)查看模態(tài)計(jì)算結(jié)果可以看出，第一階固有頻率為220 Hz，如圖16 所示。實(shí)際測(cè)量中峰值點(diǎn)出現(xiàn)在4 階次的3 250 r/min，對(duì)應(yīng)頻率為217 Hz，仿真分析模態(tài)結(jié)果和試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果接近，誤差小于5%，可以進(jìn)行下一步頻率響應(yīng)分析。

圖15 溫度有限元模型

圖16 模態(tài)振型圖

基于模態(tài)結(jié)果開(kāi)展頻率響應(yīng)分析，將測(cè)試的發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)作為激勵(lì)源，通過(guò)凈化器系統(tǒng)的傳遞函數(shù)特性獲得顆粒捕捉器失效區(qū)域附近的位移響應(yīng)值。如圖17 和圖18 所示，在共振頻率220 Hz 下，實(shí)測(cè)響應(yīng)數(shù)值為0.21 mm，仿真分析數(shù)值為0.23 mm，兩者很接近且仿真結(jié)果比實(shí)測(cè)結(jié)果略苛刻?？傮w上對(duì)標(biāo)結(jié)果較好，可以基于此來(lái)進(jìn)一步檢查該設(shè)計(jì)的應(yīng)力狀態(tài)。

圖17 催化器遠(yuǎn)端仿真分析位移響應(yīng)圖

圖18 催化器遠(yuǎn)端實(shí)際測(cè)量位移響應(yīng)圖

應(yīng)力結(jié)果顯示，顆粒捕捉器支架焊接處的應(yīng)力最大達(dá)到62.4 MPa，如圖19 所示。該溫度下材料的無(wú)限壽命應(yīng)力目標(biāo)為60 MPa，對(duì)標(biāo)應(yīng)力結(jié)果接近并超過(guò)了許用值，設(shè)計(jì)裕度不足存在風(fēng)險(xiǎn)。

圖19 顆粒捕捉器支架應(yīng)力

由于試驗(yàn)驗(yàn)證已處于產(chǎn)品開(kāi)發(fā)后期，模具設(shè)計(jì)和生產(chǎn)已經(jīng)完成。因此為了減少模具變更帶來(lái)的損失，在此采用較小的改動(dòng)，通過(guò)在內(nèi)側(cè)增加支撐支架來(lái)減小主支架的受力，提高其耐久能力。更改后的產(chǎn)品設(shè)計(jì)如圖20 所示，應(yīng)力結(jié)果如圖21 所示。應(yīng)力水平降低到48.3 MPa，改善了22.6%，低于材料的疲勞極限，滿足設(shè)計(jì)要求。為了進(jìn)一步提升可靠性，對(duì)工藝焊接中產(chǎn)生的裝配間隙進(jìn)行改進(jìn)，從1.5 mm 降低到0.5 mm 左右。

圖20 改進(jìn)方案的設(shè)計(jì)

圖21 改進(jìn)方案應(yīng)力結(jié)果

對(duì)改進(jìn)后的樣件進(jìn)行了第二輪試制和試驗(yàn)，在相同的試驗(yàn)條件下完成了疲勞耐久試驗(yàn)，無(wú)泄露和裂紋產(chǎn)生，如圖22、23 所示，試驗(yàn)通過(guò)。

圖22 改進(jìn)方案的重驗(yàn)證

圖23 改進(jìn)方案試驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

本文以某款車(chē)型催化凈化裝置的試驗(yàn)失效為出發(fā)點(diǎn)，從焊接、裝配、設(shè)計(jì)、分析、試驗(yàn)等方面展開(kāi)調(diào)查和原因分析。先后進(jìn)行了失效模式檢測(cè)、焊接質(zhì)量檢查、試驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)量、仿真分析對(duì)標(biāo)等工作，最終找到了失效的根本原因，并提出了針對(duì)性的解決方案，最終通過(guò)了試驗(yàn)驗(yàn)證。