某裝載機消聲器支架模態(tài)分析與改進

許震　段良坤　孫志明　辛承祖　曾超　范煥成

摘要：針對某裝載機發(fā)動機消聲器系統(tǒng)排氣接管斷裂漏煙問題，利用錘擊法進行模態(tài)試驗，試驗數(shù)據(jù)與有限元仿真計算結(jié)果對比表明：系統(tǒng)1階、2階模態(tài)頻率仿真與試驗結(jié)果相對偏差均較小，模態(tài)振型均一致，消聲器系統(tǒng)1階模態(tài)頻率較低，共振風(fēng)險較高，容易造成零部件斷裂。通過對比模態(tài)振型，確定在消聲器與缸蓋連接支架上增設(shè)加強筋，改進消聲器本體支架外形結(jié)構(gòu)的方案，并進行仿真對比分析。結(jié)果表明：該裝載機消聲器連接支架只增加加強筋，系統(tǒng)模態(tài)頻率的變化較??；連接支架增設(shè)加強筋并改進消聲器本體支架外形結(jié)構(gòu)，可提高系統(tǒng)1階、2階模態(tài)頻率，降低消聲器系統(tǒng)共振風(fēng)險，解決排氣接管斷裂故障。

關(guān)鍵詞：模態(tài)計算；消聲器支架；有限元分析；結(jié)構(gòu)改進

中圖分類號：TK422文獻標(biāo)志碼：A文章編號：1673-6397（2023）05-0044-05

引用格式：許震，段良坤，孫志明，等.某裝載機消聲器支架模態(tài)分析與改進［J］.內(nèi)燃機與動力裝置，2023，40（5）：44-48.

XU Zhen， DUAN Liangkun， SUN Zhiming， et al. Modal analysis and improvement of a loader muffler support［J］.Internal Combustion Engine & Powerplant， 2023，40（5）：44-48.

0 引言

裝載機工作環(huán)境惡劣，排氣噪聲較大，嚴(yán)重影響駕駛舒適性[1-2]，需裝配消聲器以便降低裝載機噪聲。裝載機在復(fù)雜路面上工作時，受到路面、發(fā)動機扭轉(zhuǎn)、車架振動等傳遞來的激勵，消聲器系統(tǒng)易出現(xiàn)故障，影響工程機械正常工作，造成經(jīng)濟損失[3-4]。

眾多專家學(xué)者對消聲器及其附件的設(shè)計和優(yōu)化等進行了研究：劉興鑫等[5]對排氣系統(tǒng)進行諧響應(yīng)分析，確定剛度薄弱部位，驗證消聲器支架開裂原因，并通過外部激勵測試與結(jié)構(gòu)優(yōu)化，降低了排氣系統(tǒng)共振風(fēng)險；張利等[6]通過對乘用車消聲器支架的材料、厚度、槽型梁結(jié)構(gòu)分析，對支架進行優(yōu)化設(shè)計，結(jié)合路試試驗驗證優(yōu)化效果；馮兆緣[7]對某船用四沖程柴油機的選擇性催化還原系統(tǒng)和消聲器進行了聯(lián)合仿真一體化設(shè)計，使排氣凈化消聲器不僅能夠?qū)崿F(xiàn)脫硝凈化和控制排氣噪聲的雙重功能，而且節(jié)省空間；陳正江[8]利用導(dǎo)力鋼管優(yōu)化消聲器吊掛機構(gòu)設(shè)計，改變了力的傳遞路徑，減少螺栓松動，提高減振性能；王永鑫等[9]、王爽等[10]、王小燕等[11]對不同車型的消聲器結(jié)構(gòu)進行了設(shè)計優(yōu)化與試驗分析，滿足對排氣噪聲的限值要求；周新等[12]利用拓?fù)鋬?yōu)化方法，改進某消聲器支架，并驗證了優(yōu)化后支架的結(jié)構(gòu)可靠性。

本文中針對某柴油機市場反饋的排氣接管斷裂漏煙故障，通過模態(tài)試驗和有限元分析仿真計算，改進消聲器支架結(jié)構(gòu)，并驗證優(yōu)化方案的有效性，降低共振風(fēng)險，解決故障。

1 模態(tài)試驗

某裝載機排氣接管出現(xiàn)斷裂漏煙現(xiàn)象，發(fā)動機排氣噪聲及排放增大，對裝載機消聲器系統(tǒng)進行模態(tài)試驗，使用錘擊法激勵，即利用力錘敲擊消聲器系統(tǒng)產(chǎn)生外界激勵，由于模態(tài)試驗中激勵較小，為減少試驗誤差，需選擇靈敏度較高的傳感器[13-14]。

以發(fā)動機飛輪殼端面的前端指向為x軸正向，水平面垂向向上為z軸正向，根據(jù)右手法則確定坐標(biāo)系，分別在消聲器桶體、排氣接管、排氣尾管上布置12、1、2個傳感器。將力錘與數(shù)據(jù)采集裝置連接到計算機，建立模態(tài)試驗數(shù)據(jù)采集平臺，通過數(shù)據(jù)處理軟件進行信號分析，使消聲器模態(tài)振型以線框圖輸出，分析消聲器系統(tǒng)1、2階的模態(tài)頻率與振型。

經(jīng)模態(tài)試驗分析，消聲器系統(tǒng)1階模態(tài)頻率約為71.9 Hz，模態(tài)振型為前后擺動；2階模態(tài)頻率約為139.4 Hz，模態(tài)振型為左右擺動。根據(jù)企業(yè)通用消聲器系統(tǒng)模態(tài)頻率標(biāo)準(zhǔn)要求，各階模態(tài)頻率應(yīng)不低于80 Hz，模態(tài)試驗表明1階模態(tài)頻率不滿足限值要求，存在較高的共振風(fēng)險。

2 有限元分析與支架結(jié)構(gòu)優(yōu)化

隨著數(shù)值模擬計算技術(shù)的發(fā)展，有限元分析已成為一種求解工程問題的高效數(shù)值計算方法。通過創(chuàng)建有限元模型，將求解域離散為單元組合，利用各單元中的近似函數(shù)表示域中待求場函數(shù)[15-17]，在零部件設(shè)計改進初期，有限元分析方法與模態(tài)試驗相結(jié)合，可減少改進成本，縮短設(shè)計周期，提高產(chǎn)品開發(fā)可靠性。

2.1 有限元分析

建立消聲器、消聲器支架、排氣管、波紋管、氣缸蓋、增壓器等模型，坐標(biāo)軸方向與模態(tài)試驗一致，使用ABAQUS軟件對各部件進行網(wǎng)格劃分，并設(shè)置對應(yīng)的材料、接觸、約束、邊界條件等[18-19]。消聲器支架、氣缸蓋、支撐塊等采用10節(jié)點修正2階四面體網(wǎng)格（C3D10M），排氣尾管、消聲器、進氣管采用6節(jié)點2階三角形殼單元網(wǎng)格（STRI65），部分零部件材料的參數(shù)如表1所示，裝配完成的消聲器系統(tǒng)有限元模型如圖1所示，采用ABAQUS仿真計算的系統(tǒng)1階、2階模態(tài)振型如圖2所示。

有限元模型仿真計算與模態(tài)試驗結(jié)果對比如表2所示。

由表2可知：消聲器系統(tǒng)1階模態(tài)頻率仿真與試驗結(jié)果相對偏差為5%，2階模態(tài)頻率仿真與試驗結(jié)果相對偏差為0.2%，模態(tài)頻率相對偏差均較??；模態(tài)振型均一致，說明消聲器系統(tǒng)有限元模型可靠性高，可為消聲器系統(tǒng)零部件結(jié)構(gòu)改進提供參考依據(jù)。

2.2 支架結(jié)構(gòu)優(yōu)化

消聲器支架對消聲器系統(tǒng)有重要的緩振作用，增設(shè)支架加強筋，可提高消聲器支架的強度和剛度，增強支架抵抗變形的能力，提高消聲器系統(tǒng)模態(tài)頻率，減小零部件發(fā)生共振的風(fēng)險[20-22]。為提高消聲器系統(tǒng)模態(tài)頻率，避免產(chǎn)生共振，設(shè)計2種優(yōu)化方案改進消聲器支架結(jié)構(gòu)，使消聲器支架與氣缸蓋緊固，方案1通過將消聲器與缸蓋連接支架增加加強筋，提高連接支架的剛度，降低消聲器系統(tǒng)共振風(fēng)險；方案2在方案1的基礎(chǔ)上，增大消聲器本體支架側(cè)邊支撐面積，將側(cè)板縱向延伸至支架邊緣，提高消聲器本體支架的剛度。原方案、優(yōu)化方案1、2對比如圖3所示。優(yōu)化方案1、2系統(tǒng)模態(tài)振型對比如圖4所示。

提取圖2、4中消聲器系統(tǒng)原方案、優(yōu)化方案1、2的系統(tǒng)模態(tài)頻率及振型結(jié)果如表3所示。由表3可知：采用優(yōu)化方案 消聲器系統(tǒng)增設(shè)加強筋后，模態(tài)頻率提高了2%左右，但依然不滿足1階模態(tài)頻率不低于80 Hz的限值要求；采用優(yōu)化方案2改進后，模態(tài)頻率顯著提高，消聲器系統(tǒng)1階模態(tài)頻率提高約15%，2階頻率提高約10%，滿足各階模態(tài)頻率不低于80 Hz的限值要求。

將改進后的消聲器支架安裝在柴油機上，市場應(yīng)用表明，消聲器系統(tǒng)未出現(xiàn)排氣接管斷裂漏煙現(xiàn)象，解決故障問題。

3 結(jié)論

1）采用消聲器系統(tǒng)有限元模型進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，可降低改進成本，提高工作效率，可靠性高。

2）在消聲器系統(tǒng)連接支架上增設(shè)加強筋，可提高系統(tǒng)模態(tài)頻率，但改進效果不明顯。

3）改進消聲器本體支架結(jié)構(gòu)，沿縱向加強消聲器本體支架，并在連接支架上增設(shè)加強筋，可提高模態(tài)頻率，降低消聲器系統(tǒng)產(chǎn)生共振的風(fēng)險。

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Modal analysis and improvement of a loader muffler support

XU Zhen1，2， DUAN Liangkun1，2， SUN Zhiming1，2， XIN Chengzu

ZENG Chao1，2， FAN Huancheng1，2

Abstract：In response to the problem of smoke leakage from the exhaust pipe of a loader engine muffler system， a modal test is conducted using the hammering method. The test data is compared with the finite element simulation results. The relative deviation between the first and second modal frequency of the system and the test results is small， and the modal vibration modes are consistent. The first modal frequency of the muffler system is low， with a high resonance risk， which could easily bring component breakage. By comparing the modal vibration modes， a reinforcing ribs on the connecting bracket between the muffler and the cylinder head is added to improve the external structure of the muffler body bracket， and simulation comparative analysis is also conducted. The results indicate that adding reinforcing ribs to the muffler connecting bracket of the loader shows a small impact on the modal frequency， while adding reinforcing ribs to the connecting bracket and improving the external structure of the muffler body bracket can increase the 1st and 2nd modal frequencies of the system， reduce the resonance risk of the muffler system， and solve the problem of exhaust pipe fracture.

Keywords：modal calculation; muffler bracket; finite element analysis; structural improvement

（責(zé)任編輯：胡曉燕）

收稿日期：2023-07-20

第一作者簡介：許震（1997—），男，吉林白山人，工程碩士，主要研究方向為發(fā)動機結(jié)構(gòu)可靠性分析，E-mail：xuz1997@126.com。