某挖掘机驾驶室内部异响诊断及分析

臧献国, 邵 威

(三一汽车制造有限公司 技术中心, 湖南 长沙 410100)

某挖掘机驾驶室内部异响诊断及分析

臧献国, 邵 威

(三一汽车制造有限公司 技术中心, 湖南 长沙 410100)

针对某型挖掘机使用过程中出现的驾驶室内部异响问题,通过模态试验和正弦激励试验对驾驶室内部异响原因进行分析,确认玻璃共振是造成异响的原因.对玻璃的结构进行改进,使其一阶模态频率避开常用工作频率,避免了共振,消除了异响,改善了驾驶室声学舒适性.

挖掘机; 驾驶室; 共振; 异响; 模态试验

随着社会发展和经济发展,人们对工程机械驾驶室乘坐舒适性的要求不断提高,驾驶室内噪声已成为衡量乘坐舒适性的一个重要指标.驾驶室的异常噪声不仅使人心情烦躁、注意力下降,而且可能预示着故障隐患.在驾驶室噪声分析与控制方面,国内外展开了大量的研究.文献[1-4]建立驾驶室结构声学耦合模型,通过优化驾驶室结构降低驾驶室结构辐射噪声.文献[5-7]通过振动与噪声测试分析诊断异响原因,消除了异响现象.试验测试与有限元分析在解决异响问题以及控制驾驶室噪声方面得到广泛应用,在工程中具有越来越重要的作用.

据驾驶员反映,某挖掘机在发动机5档工况工作时,驾驶室后部玻璃振动明显,且存在异常轰鸣声,而其余档位工作时,后部玻璃振动和异响微弱甚至不存在.为了诊断驾驶室内部异响的原因,对该驾驶室后部玻璃进行了模态试验与仿真分析,并对驾驶室进行不同频率的正弦激励,复现了驾驶室异响现象,通过试验结果分析诊断出驾驶室内部异响由驾驶室后部玻璃共振引起,并提出了消除玻璃异常轰鸣的有效措施.

1 驾驶室玻璃模态试验

1.1 试验平台搭建

本文采用LMS模态分析测试系统对挖掘机驾驶室后部玻璃进行模态试验,试验系统框图如图1所示.进行驾驶室玻璃的模态试验时,通过力锤施加激励,同时由传感器获取选定测点的加速度信号和力锤产生的力信号.两路信号通过电荷放大、滤波、A/D转换输入计算机,通过FFT处理得到各个测点的频率响应函数,最后拟合得到被测物体的模态频率、振型、阻尼比等模态参数.

图1 模态试验系统框图Fig.1 System sketch of modal test

本次试验对象形状比较规则、结构较简单,根据试验对象结构特性,并考虑传感器的安装及测点数据能全面反映试验对象的振动特性,本文在被测玻璃上均匀布置传感器,共25个测点,力锤激励点选取在17号和19号测点,如图2所示.

图2 试验对象及测点布置Fig.2 Test cab and measure position sketch

图3 部分测点位置Fig.3 Measure position of part sensor

本文采用单点激励多点输出的方式对安装在挖掘机驾驶室上的玻璃进行模态试验,采用实际安装约束方式,激励点选择在能够使能量传递到玻璃各个位置的刚度较大处.

1.2 试验结果与分析

对测得的传递函数进行处理后得到总的传递函数曲线,如图4所示.

利用PolyMAX方法提取模态参数[8],获得试验玻璃的模态频率和模态振型,前两阶模态试验结果如图5和图6所示.

图4 综合传递函数Fig.4 Synthesis transfer function

图5 第1阶模态频率54 HzFig.5 The first order modal frequency 54 Hz

图6 第2阶模态频率125 HzFig.6 The second order modal frequency 125 Hz

根据试验结果分析可知,该挖掘机驾驶室玻璃第1阶模态频率为54Hz,与发动机5档点火频率(53.3Hz)接近,判断在5档工况下,该挖掘机驾驶室后部玻璃共振引起玻璃异常轰鸣.

2 振动激励试验

为了进一步确定后部玻璃共振是产生驾驶室异响的原因,采用激振器对玻璃施加给定频率的正弦激励,通过主观听取驾驶室内部是否有异常轰鸣声,并在后部玻璃上布置的加速度传感器、驾驶室内部布置传声器,如图7所示,分析激励频率对玻璃共振的影响.

通过激振器施加不同频率的幅值相同的正弦激励,获取后部玻璃加速度和驾驶室内部传声器信号,通过分析发现:在51Hz～57Hz正弦激励下,玻璃振动与驾驶室内部噪声较大,激振频率越接近54Hz(第1阶模态频率),玻璃振动与驾驶室内部噪声越明显,主观感受也越明显,通过对驾驶室进行激振试验能够反映实际工况下异常轰鸣声.几种典型正弦激励下,测点振动与驾驶室内部噪声如图8和图9所示,激励频率处玻璃加速度频谱幅值和驾驶室内部声压频谱幅值如表1所示.

图7 驾驶室后部玻璃激励试验Fig.7 Theexcitation test of cab’s back glass

图8 不同激励频率玻璃加速度频谱对比Fig.8 Contrast of glassacceleration spectrum in different excitation frequency

图9 不同激励频率驾驶室内部声压频谱对比Fig.9 Contrast ofcab pressure spectrum in different excitation frequency

根据正弦激励试验结果可知:该挖掘机驾驶室内部异响是由共振引起,该挖掘机常用工况下发动机转速为1 100～2 000 r/min,气缸数为4,点火频率36.7～66.7Hz,发动机5档工况发动机点火频率为53.3 Hz.因此,为了消除玻璃共振和驾驶室内部异响,应提高驾驶室后部玻璃的一阶模态频率,使其避开常用工况下发动机的点火频率,从而避免产生共振.

表1 不同激励频率振动和噪声频谱幅值对比Tab.1 Contrast of vibration and pressure spectrum amplitude in different excitation frequency

3 结构改进

由于该挖掘机已投产,驾驶室整体布局已定,因此,在不影响驾驶室整体结构的前提下,对后部玻璃局部进行整改,主要对玻璃厚度、玻璃粘胶层的厚度和宽度进行调整.为了指导相关参数调整,对驾驶室后部玻璃进行有限元分析.采用前处理软件Hypermesh建立驾驶室后部玻璃的有限元模型,其中,钢化玻璃采用壳单元进行网格划分,以四边形单元为主,玻璃粘胶层采用实体单元模拟,玻璃厚度为5mm,粘胶层厚度和宽度为10mm.后部玻璃的有限元模型如图10所示.

图10 驾驶室后部玻璃有限元模型Fig.10 Finite element model of cab back glass

驾驶室后部模态仿真与试验结果对比如表2所示,仿真结果与试验结果基本一致,能够用于指导结构改进.

通过对驾驶室玻璃参数进行调整优化后,确定驾驶室玻璃厚度为6 mm,粘胶层厚度和宽度分别为5 mm和25 mm.整改后的驾驶室后部玻璃的一阶和二阶模态频率分别为71.8 Hz和147.5 Hz,模态振型不变,一阶模态频率高于常用工况最高激励频率66.7 Hz,可以避免共振.

对整改后驾驶室后部玻璃进行模态试验,试验验证驾驶室后部玻璃的模态频率,整改前后驾驶室后部玻璃传递函数对比如图11所示,整改前后驾驶室后部玻璃前2阶模态频率如表3所示.

表2 驾驶室后部玻璃仿真与试验结果对比Tab.2 Contrast of back glass modal frequency between simulation and test

图11 整改前后玻璃模态传递函数对比Fig.11 Contrast of back glass transfer function between origin and optimization

表3 整改前后玻璃模态频率试验结果对比Tab.3 Contrast of back glass modal test frequency between origin and optimization

从表3可以看出,整改后该挖掘机驾驶室后部玻璃第1阶模态频率提高至71.0 Hz,避开了常用工况下发动机工作频率36.7 Hz ～66.7 Hz,避免后部玻璃共振.为了进一步验证整改措施的有效性,对后部玻璃施加不同频率的正弦激励,测量玻璃振动加速度和驾驶室内声压级,如图12和图13所示,激励频率处玻璃加速度频谱幅值和驾驶室内部声压频谱幅值如表4所示.

图12 整改后不同激励频率下加速度频谱对比图Fig.12 Contrast of acceleration spectrum of optimization cab in different frequency

图13 整改后不同激励频率下驾驶室内部声压级频谱对比图Fig.13 Contrast of pressure spectrum of optimization cab in different frequency

取激励器的激励为67 Hz正弦激励,对整改后的驾驶室后部玻璃进行激振,驾驶室玻璃振动与驾驶室内部声压级明显小于共振时的振动与噪声.驾驶室装车后,驾驶员在常用工况下未感觉到异响,驾驶室后部玻璃共振和驾驶室内部异响现象消失.

表4 驾驶室整改后不同激励频率振动和噪声频谱幅值对比Tab.4 Contrast of vibration and pressure spectrum amplitude of optimization in different

4 结论

(1) 通过模态试验与正弦激励试验,识别驾驶室后部玻璃第1阶模态频率位于挖掘机常用工况下发动机的激励频率范围内,驾驶室后部玻璃共振引起驾驶室内部异响.

(2) 单独对驾驶室进行激振器正弦激励试验,获取驾驶室玻璃振动和驾驶室内部噪声,能够复现整机实际驾驶室异响现象.

(3) 结合有限元分析对驾驶室后部玻璃结构进行结构改进,提高了驾驶室后部玻璃第1阶模态频率,发动机常用工作激励频率,对改进后的驾驶室进行模态试验验证了仿真分析结果,改进后的驾驶室后部玻璃第1阶模态频率避开了发动机常用工作激励频率,消除了玻璃共振和异响.

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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

国家科技支撑计划项目(2015BAF07B03)

臧献国(1983-),男,博士.E-mail:zangxianguo@163.com

TB 535

A

1672-5581(2016)06-0532-05